星用鎘鎳蓄電池組的充退磁效果研究

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

環(huán)境試驗與評價

星用鎘鎳蓄電池組的充退磁效果研究

李娜，耿曉磊，張文彬，肖琦，張艷景，王琪

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

目的研究國內(nèi)低軌道衛(wèi)星常用的儲能電源鎘鎳蓄電池組的充退磁效應(yīng)。方法在零磁場環(huán)境下，研究不同的充退磁參數(shù)（強度、頻率、波形等）與充退磁效果的關(guān)系，考察其抗磁污染的能力以及不同的退磁場對其磁效應(yīng)的影響。結(jié)果鎘鎳蓄電池組比較容易充磁，退磁強度為4.5 mT,頻率為1.5 Hz，三方向退磁效果比較好。結(jié)論提出了適合鎘鎳蓄電池組的充退磁參數(shù)，提高了航天器部件磁試驗的可靠性。

鎘鎳蓄電池組；充磁；退磁；磁試驗

衛(wèi)星在地面會經(jīng)歷運輸、存儲、試驗及發(fā)射等不同的磁場環(huán)境[1—2]。由于其結(jié)構(gòu)和性能的需要，總要不可避免地使用一些永磁材料和感磁材料，其使用的永磁材料產(chǎn)生的電流回路會使航天器具有一定的磁矩，軟磁材料受到環(huán)境磁場的磁化也會產(chǎn)生一定的磁矩[3—5]，航天器的磁矩與空間磁場相互作用產(chǎn)生的干擾力矩，會干擾航天器的姿態(tài)和軌道。衛(wèi)星在長期的軌道存留時間中，由于空間磁場與其自身磁矩相互作用的累計，會對衛(wèi)星的姿態(tài)造成較大的影響。例如對于自旋穩(wěn)定衛(wèi)星，這種作用會使其軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，增加衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的負擔，使衛(wèi)星的可靠性降低，從而影響衛(wèi)星的性能和壽命。另外，航天器的剩磁還會對其自身攜帶的磁性探測儀器產(chǎn)生影響，磁強計的測試精度會被衛(wèi)星自身的磁性干擾，影響探測任務(wù)。因此需要在發(fā)射前對衛(wèi)星及其部件進行退磁試驗，對衛(wèi)星的磁性加以控制。

隨著我國空間事業(yè)的發(fā)展，對衛(wèi)星磁性提出了更高的要求，比如正在研制的ZH-1衛(wèi)星，將運行于高度為507 km，傾角為97°的近地軌道上，主要用于探索地震前兆信息、空間環(huán)境監(jiān)測預報和地球系統(tǒng)科學研究。該衛(wèi)星的磁性指標就要比普通衛(wèi)星嚴格得多，整星的每一個部組件都要進行磁測試，包括充退磁試驗、磁補償?shù)?。由于部件充退磁試驗所需的磁場強度及頻率直接影響充退磁的效果[6—7]，因此對衛(wèi)星中的磁性敏感部件進行充退磁試驗參數(shù)研究，對低軌衛(wèi)星的磁性控制水平具有重要意義。

鎘鎳蓄電池組是衛(wèi)星磁性的主要來源之一，也是衛(wèi)星容易受到磁污染的部件[8]。其在衛(wèi)星發(fā)射前、發(fā)射過程中以及衛(wèi)星在軌運行期間進行能量供給，是航天器重要的貯能裝置[9]。因此文中研究了鎘鎳蓄電池組在不同充、退磁環(huán)境下的磁性狀態(tài)及所產(chǎn)生的效應(yīng)，找到其合適的充退磁參數(shù)，這對整星及其部件的磁性控制、提高磁試驗的可靠性具有重要作用。

1 研究過程

文中的研究對象為鎘鎳蓄電池組，是空間飛行器電源系統(tǒng)主要的儲能裝置，是我國長壽命衛(wèi)星以及神舟飛船采用的貯能電源。

試驗在零磁場的環(huán)境下進行，通過調(diào)節(jié)充退磁系統(tǒng)的參數(shù)，包括充磁強度、退磁方向、退磁頻率、退磁波形、退磁強度等，利用磁通門磁強計測試鎘鎳蓄電池組的磁矩變化。試驗所用儀器均為自研。

2 鎘鎳蓄電池組充磁效果及機理分析研究

2.1 充磁效果

充磁就是對航天器加一個直流穩(wěn)恒磁場，磁場強度的選擇主要是考慮航天器在加工、運輸、環(huán)境試驗以及發(fā)射過程中可能經(jīng)受的最大環(huán)境場，了解惡劣磁場環(huán)境對航天器的影響，考察其抗磁污染的能力。在充磁試驗中，一般采用直流充磁，穩(wěn)恒磁場，磁感應(yīng)強度在0.5～2 mT之間，地磁場的值僅為0.05 mT，對充磁效果的影響很小。為了使試驗更精確，在零磁場下對鎘鎳蓄電池組進行了不同強度的充磁試驗，主要目的是考察其抗磁污染的能力，具體結(jié)果見表1。

表1 不同充磁強度下磁矩測試結(jié)果Table 1 Measurement results of magnetic moment under different magnetization intensity

從以上對蓄電池組磁矩的測試來看，鎘鎳蓄電池組的磁性非常容易受到磁場的干擾，在1～2 mT的環(huán)境磁場中磁性改變量達到5～6倍以上。鎘鎳蓄電池組之所以有這么大的變化主要是由蓄電池中的鎳金屬造成的，下面就探討一下鎘鎳蓄電池組的磁性機理。

2.2 磁性機理分析

鎘鎳蓄電池組的磁性主要來源于其中的鎳金屬，鎘是抗磁性物質(zhì)，磁性較弱，而鎳則是典型的鐵磁性材料，在外加磁場作用下可以產(chǎn)生與外加磁場相同的強烈的附加磁場，也就是自磁化[10]。磁化有兩種機制：磁疇壁的位移；磁疇磁矩的一致轉(zhuǎn)動[11—12]。鐵磁性材料的磁化曲線如圖1所示。鐵磁性物質(zhì)的磁化強度隨著外加磁場H的增加而增大，直到飽和Bs。整個磁化過程分為4個階段：“1”為可逆磁化階段，對于鐵磁性材料來說，此階段的機制主要是疇壁位移；“2”為不可逆磁化階段，也就是說如果外加磁場H回到0，磁化強度B不會按原路返回，而是沿著另一條曲線衰退，如圖1曲線ab所示；“3”為趨近飽和階段，這時磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動起主要作用；“4”為飽和磁化階段。

圖1 磁化曲線Fig.1 Magnetization curve

鐵、鈷、鎳都屬于鐵磁性材料，相比之下鎳的鐵磁性較弱，其自發(fā)磁化強度為521×10-4T。在磁化階段，其可逆過程很短，因此鎳的磁性在比較小的磁場范圍內(nèi)就會有很大的變化。

3 退磁效果及機理分析研究

在退磁以前，材料內(nèi)部磁疇存在一定的取向，對外顯示出磁場。退磁就是通過外加交流磁場，將磁疇的固定取向打散。研究蓄電池組的退磁效果主要從退磁形式、退磁方向、退磁頻率、退磁強度四個方面進行。

3.1 退磁方向?qū)ν舜判Ч挠绊?/p>

對蓄電池組三個方向加頻率f=0.5 Hz，時間t=100 s，強度H=4.5 mT的退磁場，結(jié)果見表2。

表2 不同退磁方向磁矩測試結(jié)果Table 2 Measurement results of magnetic moment in different demagnetization directions

從表2數(shù)據(jù)中可以看出，單方向退磁或者雙方向退磁都不能完全起到退磁的效果。實驗證明，雖然退磁試驗是將材料中磁疇的固有取向打散，但是發(fā)生改變的只是退磁方向磁矩的變化，因此在退磁試驗中，對產(chǎn)品進行三個方向退磁是十分有必要的。

3.2 退磁頻率對退磁效果的影響

交流退磁是將航天器放置在按一定規(guī)律（直線或指數(shù)）衰減的交變電場中，試件不動，交流磁場的頻率會影響退磁效果。設(shè)置退磁時間和強度不變，改變退磁頻率，對蓄電池組的磁矩進行了測試，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同退磁頻率的磁矩測試結(jié)果Table 3 Measurement results of magnetic moment under different demagnetization frequency

從圖2中可以看出，隨著退磁頻率的增加，退磁效果是逐漸變好的，但是當頻率達到2.0 Hz后，退磁效果反而下降。從試驗結(jié)果來看，對于蓄電池組來說，退磁頻率在0.5～1.5 Hz并沒有明顯的區(qū)別，效果都比較好。這表明并不是退磁頻率越大，退磁效果越好。

圖2 蓄電池組退磁頻率與退磁效果的關(guān)系Fig.2 The relationship between demagnetization frequency and results of Ni-Cd battery pack

3.3 退磁波形對退磁效果的影響

任何一個函數(shù)f（x），如果對任意的x∈（-∞，+∞）收斂，則它的傅立葉變換為：

按照式（1），矩齒波、三角波都可以分解成不同大小頻率的正弦波的疊加。矩齒波、三角波分解出的高頻諧波部分會連帶產(chǎn)生比較大的渦流，在退磁過程中，頻率越高，所產(chǎn)生的渦流損耗就越大，相應(yīng)的退磁效果就越不明顯。因此都選擇頻率單一的低頻正弦波形[13]，減小交流磁場中高頻諧波的影響。正弦波中線性衰減和指數(shù)衰減的測試結(jié)果見表4。

表4 不同退磁形式磁矩測試結(jié)果Table 4 Measurement results of magnetic moment in different demagnetization manner

從試驗結(jié)果可以看出，線性退磁與指數(shù)退磁的退磁效果區(qū)別不是很明顯，二者相差不大。試驗過程中一般選用指數(shù)衰減形式。

3.4 退磁強度對退磁效果的影響

退磁試驗是通過周期性地減少磁滯環(huán)，逐步地、持續(xù)地減少磁滯曲線的面積到0，使材料的磁疇不規(guī)則排列。退磁過程中退磁場的強度會隨著時間的延長不斷減小，直到為0。這里的退磁強度指退磁場的最大值，對蓄電池組加f=0.5 Hz，t=100 s，強度H逐漸變化的退磁場，試驗結(jié)果見表5。

表5 不同退磁強度下磁矩測試結(jié)果Table 5 Measurement results of magnetic moment under different demagnetization intensity

如圖3所示，退磁最大磁場的選擇將直接影響退磁的效果。初始磁場強度的最大幅值等于或超過材料的最大矯頑力，可以較好地退掉飽和剩磁，初始磁場值選擇低了，起不到良好的退磁效果，但是磁場值太大，可能會對含有磁性的元器件造成影響，使其工作性能減退。從數(shù)據(jù)上看，3～5 mT退磁都起到了較好的效果，說明鎘鎳蓄電池組比較容易退磁。這是由于鎳的存在，鎳的起始磁導率較高，疇壁較厚，矯頑力、自發(fā)磁化強度較低，極容易達到飽和磁化，同時又比較容易退磁。

圖3 蓄電池組退磁強度與退磁效果的關(guān)系Fig.3 The relationship between demagnetization intensity and results of Ni-Cd battery pack

3.5 鎘鎳蓄電池組退磁機理分析

航天器的退磁一般選用交流退磁，介質(zhì)的磁化狀態(tài)沿著一次比一次小的磁滯回線，最后回復到未磁化的狀態(tài)，退掉飽和剩磁，如圖4所示。

通過上述蓄電池組的退磁效果分析，影響退磁效果的主要參數(shù)是退磁方向、退磁頻率和退磁強度。

圖4 退磁的磁滯回線Fig.4 Hysteresis loop of demagnetization

從圖2中可以看出，頻率越大并不一定退磁效果就好，這可以認為是材料的趨膚效應(yīng)和渦流損耗導致的。渦流就是材料在退磁過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電流[14]，該電流流線呈閉合漩渦狀，強大的渦流在金屬內(nèi)流動時，會釋放出大量的焦耳熱，從而造成能量的損耗。根據(jù)能量守恒定律，改變材料內(nèi)部磁疇取向所需的能量自然就會減少，因此退磁效果有所下降。

在交變磁場中，會存在趨膚效應(yīng)的現(xiàn)象[15—16]，隨著頻率的增大，磁感應(yīng)強度的振幅逐漸向材料表面集中，可能使導體材料內(nèi)部完全沒有磁場，磁場只集中在導體材料表面的一薄層中，這就是趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)的大小通常用趨膚深度ds來表示：

式中：f為頻率；μ為磁導率；σ為電導率。

從式（2）中可以看出，頻率越高，感生電動勢就越大，電導率越高，產(chǎn)生的渦流也越大，此時趨膚效應(yīng)也會越明顯。因此，在進行退磁試驗中，需要選擇合適的退磁頻率，既能達到良好的退磁效果，又能減少渦流損耗。

從圖3中可以看出，3～5 mT都已經(jīng)達到了將材料磁疇打散所需的能量，退磁強度的選擇主要是看退磁場的能量是否大于退磁材料磁場的能量[17]，也就是說只有退磁場在材料處的磁感應(yīng)強度大于材料表面處的磁感應(yīng)強度，退磁才有效果，但是材料表面處的磁感應(yīng)強度很難測到?？梢詫⒉牧系拇艌隹闯膳紭O子磁場[18]，偶極子所產(chǎn)生的磁場為：

從式（3）中可以看出，磁感應(yīng)強度按照半徑r的3次方衰減。將材料中心設(shè)為坐標原點，材料邊界距坐標原點的距離為r0，磁場測量點距坐標原點的距離為r1，測量到的磁感應(yīng)強度為B1，那么材料表面的磁感應(yīng)強度B0為：

在計算出材料表面磁感應(yīng)強度以后，就可以根據(jù)這個值選擇合適的退磁場。只要選擇的幅值大于材料表面的磁場，退磁效果就不會有明顯的差別。從表5的數(shù)據(jù)中可以看出，3～5 mT退磁差別并不大，一般在試驗中會選擇5 mT。

4 結(jié)論

通過對鎘鎳蓄電池組充退磁試驗的研究，可以得出以下結(jié)論。

1）由于鎳金屬的存在，鎘鎳蓄電池組的磁性容易受到環(huán)境磁場的干擾，比較容易充磁。

2）三個方向退磁的效果明顯優(yōu)于單方向或者雙方向。

3）退磁頻率越大，退磁效果不一定越好，頻率在1.5 Hz比較好，既達到了良好的效果，又減少了渦流損耗。

4）對于蓄電池組來說，線性退磁與指數(shù)退磁效果差別不大。

5）蓄電池組是比較容易退磁的，3～5 mT退磁都起到了較好的退磁效果，一般選用5 mT。只要選擇的幅值大于材料表面的磁場，退磁效果就不會有明顯的差別。

后續(xù)將對衛(wèi)星常用的磁性材料進行充退磁效應(yīng)研究，考察材料的磁性變化，為整星磁試驗參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

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Magnetizing and Demagnetizing of Ni-Cd Battery for Satellites

LI Na，GENG Xiao-lei，ZHANG Wen-bin，XIAO Qi，ZHANG Yan-jing，WANG Qi
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China）

Objective To study the effect of magnetizing and demagnetizing of Ni-Cd battery pack power storage commonly used in low-orbit satellite.Methods The relationship between different magnetizing/demagnetizing parameters（frequency，waveforms,intensity，etc.）and the magnetizing/demagnetizing results were analyzed in the zero-magnetic field environment.Furthermore,we studied the capacity of anti-magnetic pollution of battery pack and the effect of different demagnetization field on its magnetic performance.Results The results showed that Ni-Cd battery pack was prone to magnetization,and the three-direction demagnetization effect was better when the demagnetization field was 4.5 mT and the frequency was 1.5 Hz.Conclusion This paper proposed the suitable magnetization/demagnetization parameters for Ni-Cd battery pack,which improved the reliability of spacecraft magnetism control.

Ni-Cd battery pack；magnetizing；demagnetizing；magnetic test

10.7643/issn.1672-9242.2016.02.008

TJ861；V416

：A

1672－9242（2016）02－0039-05

2015-10-12；

2015-11-10

Received：2015-10-12；Revised：2015-11-10

國家自然科學基金資助項目（21277014）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China（21277014）

李娜（1984—），女，山東人，碩士，工程師，主要研究方向為航天器磁性測量與控制。

Biography：LI Na（1984—），F(xiàn)emale，from Shandong，Master，Engineer，Research focus：magnetic measure and control of spacecraft.