程控步進(jìn)衰減器的電磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

操基德

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010）

1 前言

程控步進(jìn)衰減器廣泛應(yīng)用于寬帶頻譜儀、寬帶矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等微波測(cè)試儀器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)電平幅度的步進(jìn)衰減。

本文開(kāi)展了應(yīng)用于程控步進(jìn)衰減器的多極連體式電磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該電磁機(jī)構(gòu)采用模塊化級(jí)聯(lián)式設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)體積小，易于衰減量的自由組合，具有安裝精度高、可靠性高、重復(fù)性好等特點(diǎn)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)指標(biāo)

程控步進(jìn)衰減器電磁機(jī)構(gòu)是程控步進(jìn)衰減器實(shí)現(xiàn)程控、步進(jìn)功能的關(guān)鍵部件。按照要求的衰減量，電磁機(jī)構(gòu)接收驅(qū)動(dòng)電平后，動(dòng)鐵芯能立即動(dòng)作，通過(guò)頂針推動(dòng)邊緣線(xiàn)變形，頂針帶動(dòng)每個(gè)衰減單元的簧片在直通片和衰減片之間轉(zhuǎn)換，使微波信號(hào)從直通變?yōu)樗p狀態(tài)或者從衰減變?yōu)橹蓖顟B(tài)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電平消失后仍能依靠永磁體磁力維持當(dāng)前的工作狀態(tài)，程控步進(jìn)衰減器電磁機(jī)構(gòu)主要技術(shù)指標(biāo)列示如下。

工作溫度：－55℃～＋85℃；

行程：1.1mm；

靜態(tài)保持力：0.75N～1.2N；

絕緣電阻：≥1000MΩ；

介質(zhì)耐壓：500Va.c。

2.2 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

電磁機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)主要由永磁磁鐵、連體式導(dǎo)磁腔、動(dòng)鐵芯、軛鐵以及電磁線(xiàn)圈等組成。以四極產(chǎn)品為例，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 一體化多極式電磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

連體式導(dǎo)磁腔內(nèi)部固定電磁線(xiàn)圈，工字型動(dòng)鐵芯穿過(guò)電磁線(xiàn)圈，在導(dǎo)磁腔每一極的后表面分別固定一塊永磁磁鐵，每一極通過(guò)外圍的軛鐵形成一個(gè)封閉的磁路結(jié)構(gòu)。磁路原理圖如圖2所示。它的工作氣隙內(nèi)同時(shí)有兩個(gè)獨(dú)立的磁通，其一為極化磁通，其二是工作磁通，極化磁通由永久磁鐵產(chǎn)生，而工作磁通由工作線(xiàn)圈產(chǎn)生，其大小和方向取決于工作線(xiàn)圈的電流大小和方向。

圖2 步進(jìn)衰減器電磁機(jī)構(gòu)磁路系統(tǒng)原理圖

當(dāng)電磁線(xiàn)圈無(wú)驅(qū)動(dòng)電平時(shí)，只有極化磁通所產(chǎn)生的吸力作用在動(dòng)鐵芯上。通過(guò)腔體的極化磁通分成兩部分：上工作氣隙δ上的磁通φm1以及通過(guò)下工作氣隙δ下的磁通φm2。動(dòng)鐵芯停留在δ上（δ上＜δ下）或者停留在δ下（δ上＞δ下），而中間位置是不穩(wěn)定的。從而使邊緣線(xiàn)保持在直通或衰減狀態(tài)。

當(dāng)電磁線(xiàn)圈Ⅰ在接受驅(qū)動(dòng)電平后，產(chǎn)生的電磁磁通φd在氣隙δ上和永久磁鐵磁通φm1方向相反，使該氣隙的合成磁通減少為φm1－φd，而在氣隙δ下和永久磁鐵磁通φm1方向相同，使該氣隙的合成磁通增加為φm1＋φd。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電平達(dá)到某一數(shù)值，即達(dá)到啟動(dòng)電壓時(shí)，動(dòng)鐵芯將進(jìn)行轉(zhuǎn)換動(dòng)作，帶動(dòng)邊緣線(xiàn)進(jìn)行切換。

反之，當(dāng)需要?jiǎng)予F芯反向動(dòng)作時(shí)，需在電磁線(xiàn)圈Ⅱ施加驅(qū)動(dòng)電平，產(chǎn)生的電磁磁通與線(xiàn)圈Ⅰ的磁通相反。同理動(dòng)鐵芯也將進(jìn)行轉(zhuǎn)換動(dòng)作，帶動(dòng)邊緣線(xiàn)進(jìn)行切換。

該電磁機(jī)構(gòu)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

a）電磁線(xiàn)圈斷電后，動(dòng)鐵芯仍能保持在原來(lái)通電狀態(tài)，具有“記憶”功能。實(shí)現(xiàn)了衰減通道的不同組合，達(dá)到調(diào)整衰減量的目的。

b）靈敏度高，使機(jī)構(gòu)動(dòng)作所需要的線(xiàn)圈功率小，動(dòng)作后不再消耗功率，適用于低功耗的場(chǎng)合，便于編程驅(qū)動(dòng)控制。

c）由于永久磁鐵的作用，動(dòng)鐵芯保持力較大，提高了程控步進(jìn)衰減器乃至整臺(tái)測(cè)試儀器的傾斜跌落、沖擊等環(huán)境試驗(yàn)的可靠性。

3 靜態(tài)保持力的仿真設(shè)計(jì)

3.1 仿真建模

Maxwell軟件目前是一種使用廣泛的電磁場(chǎng)有限元分析軟件。能夠自動(dòng)計(jì)算電磁力、轉(zhuǎn)矩等。在Pro／E中建立好電磁機(jī)構(gòu)的三維模型，然后導(dǎo)入到Maxwell中，在Maxwell中設(shè)置好電磁機(jī)構(gòu)各零件的材料，如表1。

表1 電磁機(jī)構(gòu)各零件材料

以動(dòng)鐵芯所受的靜態(tài)合力為求解參數(shù)，仿真模型見(jiàn)圖3。

圖3 電磁機(jī)構(gòu)仿真模型

電磁機(jī)構(gòu)的零件材料主要為電磁純鐵（DT4C），其磁化曲線(xiàn)如圖4所示。在電磁機(jī)構(gòu)工作時(shí)，動(dòng)鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)該足夠大，以產(chǎn)生較大的電磁吸力，同時(shí)又不能使動(dòng)鐵芯磁化飽和，降低磁化效率。電磁純鐵DT4C的工作點(diǎn)在磁化曲線(xiàn)的膝點(diǎn)附近，其工作磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.5～1.8T之間較為合理。

圖4 DT4C電磁純鐵磁化曲線(xiàn)

3.2 靜態(tài)保持力的仿真設(shè)計(jì)

當(dāng)工作行程、基本結(jié)構(gòu)形式確定以后，電磁機(jī)構(gòu)的靜態(tài)保持力就成為設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。靜態(tài)保持力決定于器件的結(jié)構(gòu)及所用的材料。兩導(dǎo)磁體間的吸力與工作間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度B2成正比，因此通過(guò)提高磁感應(yīng)強(qiáng)度B，可以更有效的提高保持力。靜態(tài)狀態(tài)下磁感應(yīng)強(qiáng)度與永久磁鐵直接相關(guān)，因此在結(jié)構(gòu)不變的情況下，分別使用Y10T鐵氧體、Y15鐵氧體、Y20鐵氧體進(jìn)行仿真，所得靜態(tài)保持力如表2所示。

表2 動(dòng)鐵芯靜態(tài)保持力（N）

磁感應(yīng)強(qiáng)度分布見(jiàn)圖5所示。

從圖5可以看到，使用Y15永久磁鐵，動(dòng)鐵芯、軛鐵的內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度最大為1.72T，工作于電工純鐵（DT4C）工作磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)。使用Y20永久磁鐵，動(dòng)鐵芯、軛鐵的內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度最大為1.82T，超出電工純鐵（DT4C）工作磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍。

圖5

綜上分析，采用Y15鐵氧體、Y20鐵氧體，靜態(tài)保持力是Y10T鐵氧體的2倍左右，保持力增加顯著，滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。而采用Y20鐵氧體時(shí)主要結(jié)構(gòu)件磁感應(yīng)強(qiáng)度已經(jīng)超出電工純鐵（DT4C）工作磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍，意義不大，最終采用Y15鐵氧體。

4 結(jié)論

目前，采用該電磁機(jī)構(gòu)的程控步進(jìn)衰減器已經(jīng)大量應(yīng)用于我單位頻譜儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等測(cè)試儀器中。模塊化級(jí)聯(lián)式設(shè)計(jì)，減小了整體結(jié)構(gòu)體積，易于衰減量的自由組合，其安裝精度高、可靠性高、重復(fù)性好，滿(mǎn)足各類(lèi)測(cè)試儀器的使用。