吸盤(pán)式電磁鐵殘余吸力研究

寧劍建，章 晨，李 雨，李聽(tīng)斌，周奇慧，鄭文鵬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

近年，隨著我國(guó)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，吸盤(pán)式電磁鐵由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸合力大、可靠性高、控制靈活方便，斷電后自動(dòng)釋放等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于衛(wèi)星載荷的鎖定機(jī)構(gòu)、航天器連接——釋放機(jī)構(gòu)，發(fā)揮重要作用[1-2]。但由于材料本身特性，電磁鐵斷電后會(huì)存在一定的殘余吸力，影響連接——釋放機(jī)構(gòu)的正常釋放動(dòng)作。機(jī)構(gòu)必須提供較大的驅(qū)動(dòng)力，才可保證電磁鐵和吸盤(pán)的分離，或增加彈簧等裝置將電磁鐵和吸盤(pán)分開(kāi)，這導(dǎo)致了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，且降低了系統(tǒng)可靠性。本文結(jié)合某型號(hào)工程需求，分析了電磁鐵斷電殘余吸力的機(jī)理和影響因素，在滿(mǎn)足電磁鐵通電吸力的前提下，提出了一種減小吸盤(pán)電磁鐵斷電殘余吸力的方法，滿(mǎn)足了工程應(yīng)用要求。

1 吸盤(pán)式電磁鐵結(jié)構(gòu)原理

吸盤(pán)式電磁鐵結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電磁鐵和吸盤(pán)兩部分組成。其中電磁鐵主要由環(huán)形線(xiàn)圈、線(xiàn)圈骨架和鐵心構(gòu)成，吸盤(pán)是由軟磁材料根據(jù)接口要求設(shè)計(jì)加工的零件。

線(xiàn)圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸盤(pán)與電磁鐵之間產(chǎn)生吸力作用，吸盤(pán)與電磁鐵吸合，斷電后吸盤(pán)與電磁鐵在外力作用下脫開(kāi)。

由于電磁鐵鐵心和吸盤(pán)所用軟磁材料并非理想材料，存在剩磁[3-4]，電磁鐵即使斷電，電磁鐵與吸盤(pán)之間仍然存在吸力，在此稱(chēng)之為殘余吸力，殘余吸力大小取決于材料的特性。

圖1 吸盤(pán)式電磁鐵結(jié)構(gòu)原理

2 電磁鐵通電吸力與斷電殘余吸力原理分析

吸盤(pán)式電磁鐵電磁吸力公式如下[5]：

(1)

式中：F為電磁吸力；B為接觸面之間氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為吸合面有效面積；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m。

由此可見(jiàn)，電磁鐵和吸盤(pán)之間的電磁吸力與接觸面之間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。為了便于分析，針對(duì)圖1的電磁鐵結(jié)構(gòu)，建立通電狀態(tài)的等效磁路模型，如圖2所示。

圖2 吸盤(pán)式電磁鐵通電狀態(tài)等效磁路圖

根據(jù)等效磁路模型，可近似計(jì)算接觸面之間的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度：

(2)

(3)

式中：Fc為電磁鐵線(xiàn)圈磁動(dòng)勢(shì)；R1為電磁鐵鐵心內(nèi)圈磁阻；R2電磁鐵鐵心外圈磁阻；R3為電磁鐵吸盤(pán)磁阻；Rδ1為電磁鐵鐵心內(nèi)圈與吸盤(pán)接觸面氣隙磁阻；Rδ2為電磁鐵鐵心外圈與吸盤(pán)接觸面氣隙磁阻；Φ為主磁路磁通。

當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，考慮到軟磁材料的磁滯特性，磁滯曲線(xiàn)如圖3所示[6-7]，圖2中的線(xiàn)圈磁動(dòng)勢(shì)Fc消失，但磁回路中仍然存在磁動(dòng)勢(shì)，可將電磁鐵鐵心和吸盤(pán)看成矯頑力(Hc)和剩磁(Br)較低的永磁材料[8]，等效磁路如圖4所示。

圖3 軟磁材料的磁滯曲線(xiàn)

圖4 吸盤(pán)式電磁鐵斷電狀態(tài)等效磁路圖

根據(jù)等效磁路模型，可近似計(jì)算接觸面之間的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度：

(4)

(5)

圖5 增加固有氣隙的吸盤(pán)式電磁鐵結(jié)構(gòu)原理

3 設(shè)計(jì)仿真

針對(duì)上文分析，本文建立了電磁鐵的通電斷開(kāi)狀態(tài)有限元模型如圖6、圖7所示。斷電狀態(tài)的有限元模型與通電狀態(tài)模型的不同之處在于斷電狀態(tài)線(xiàn)圈內(nèi)安匝數(shù)為0，內(nèi)鐵心、外鐵心和吸盤(pán)材料參數(shù)由軟磁材料的直流磁化特性變?yōu)橛来挪牧系氖４?、矯頑力以及相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率，磁化方向與通電狀態(tài)主磁路磁化方向一致。電磁鐵模型基本參數(shù)如表1所示。

圖6 電磁鐵通電有限元模型

圖7 電磁鐵斷電有限元模型

表1 吸盤(pán)電磁鐵模型基本參數(shù)

改變模型中固有氣隙δ1的數(shù)值分別計(jì)算通電吸力和斷電殘余吸力，分別得到通電吸力和斷電殘余吸力隨固有氣隙δ1的變化關(guān)系如圖8、圖9所示，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖8 電磁鐵通電吸力隨附加氣隙的變化曲線(xiàn)

圖9 電磁鐵斷電殘余吸力隨附加氣隙的變化曲線(xiàn)

表2 通電吸力和斷電殘余吸力有限元計(jì)算結(jié)果

從表2中可以看出，當(dāng)固有氣隙δ1在0～0.1 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，電磁鐵通電吸力變化不大，而斷電殘余吸力迅速減小，與磁路分析所得結(jié)論一致。

4 樣機(jī)實(shí)例

根據(jù)上述分析，研制了2臺(tái)樣機(jī)。1#樣機(jī)電磁鐵內(nèi)外鐵心平齊，2#樣機(jī)電磁鐵鐵心內(nèi)鐵心比外鐵心低0.04 mm。根據(jù)2臺(tái)樣機(jī)參數(shù)建立了有限元模型，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 樣機(jī)模型的有限元計(jì)算結(jié)果

通過(guò)拉壓力傳感器對(duì)電磁鐵通電吸力測(cè)試如圖10所示，斷電殘余吸力通過(guò)吸盤(pán)下懸掛砝碼的方式進(jìn)行測(cè)試，如圖11所示，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

圖10 電磁鐵通電吸力測(cè)試

圖11 電磁鐵斷電殘余吸力測(cè)試

表4 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果

樣機(jī)測(cè)試結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果相差不大，同樣證明了通過(guò)在鐵心中增加固有氣隙的方式可以在損失一小部分通電吸力的情況下，大大減小斷電殘余吸力。

5 結(jié) 語(yǔ)

吸盤(pán)式電磁鐵由于材料本身的特性，存在斷電殘余吸力，在對(duì)斷電釋放有特殊要求的場(chǎng)合需要加以考慮。本文通過(guò)理論分析建立了電磁鐵開(kāi)通斷電的磁路模型，分析了吸盤(pán)式電磁鐵斷電殘余吸力的特性，提出了一種通過(guò)增加固有氣隙的方式減小斷電殘余吸力的方法，有限元仿真計(jì)算和樣機(jī)實(shí)測(cè)表明該方法簡(jiǎn)單有效。