一種基于銜鐵構(gòu)型的某裝備激活裝置優(yōu)化方法研究

楊毅鈞 蔣圣鵬 高子龍 劉功龍

(上海機(jī)電工程研究所,上海 201109)

0 引言

某裝備激活裝置主要是借助銜鐵組件改變激活裝置內(nèi)部磁鋼磁通的走向突變,使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),從而由連接在線圈上的雙絞線輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),傳輸?shù)截?fù)載火工品,實(shí)現(xiàn)火工品的電激活[1]。

當(dāng)激活裝置的輸出裕度不足,無法滿足火工品可靠發(fā)火所需的激活能量時(shí),會(huì)導(dǎo)致火工品無法被激活,裝備工作異常[2]。

圖1 激活裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Internal structure of activation device

圖2 激活裝置內(nèi)部磁路示意圖Fig.2 Schematic diagram of internal magnetic circuit of activation device

因此,本文從激活裝置結(jié)構(gòu)和原理出發(fā),主要圍繞裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,提高輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),以進(jìn)一步確保負(fù)載火工品能夠被可靠電激活。

1 激活裝置結(jié)構(gòu)和原理

激活裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由永磁體、線圈、銜鐵、側(cè)板等組成。其中,銜鐵、側(cè)板為純鐵材料。

在實(shí)際工作中,本激活裝置采用杠桿機(jī)構(gòu)來?yè)軇?dòng)連桿,使連桿帶動(dòng)銜鐵。當(dāng)激活裝置處于初始狀態(tài)時(shí),側(cè)板、銜鐵經(jīng)過兩端永磁體磁化后,大量磁感應(yīng)線流過線圈截面,內(nèi)部磁路示意圖如圖2(a)所示。

當(dāng)撥動(dòng)銜鐵時(shí),銜鐵兩端與側(cè)板逐漸分離,流過線圈的磁通減小。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,此時(shí)線圈會(huì)阻礙磁通變化,感應(yīng)出電流,產(chǎn)生磁通變化,根據(jù)法拉第定律,對(duì)外輸出電壓,激活裝置內(nèi)部磁路示意圖如圖2(b)所示。

激活裝置線圈的磁通量變化產(chǎn)生的電壓可由公式計(jì)算[3]:

上式中:V為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì); 為磁通量;dt為變化時(shí)間(即銜鐵撥動(dòng)時(shí)間);B為磁場(chǎng)強(qiáng)度;S為線圈截面積;i為激活電流;Ri為線圈內(nèi)阻。

圖3 激活裝置電路圖Fig.3 Circuit diagram of activation device

激活裝置輸出電壓作用于負(fù)載,如積累到足夠能量,火工品發(fā)火。激活裝置輸出電壓作用于火工品的等效電路如圖3 所示,火工品電壓及火工品兩端激活能量為:

上式中:Ri為線圈內(nèi)阻;Ro為火工品阻值;Vo為火工品兩端激活電壓;Eo為火工品兩端激活能量;i為激活電流;t為激活脈寬[4]。

2 激活裝置優(yōu)化方法

根據(jù)激活裝置原理和電壓計(jì)算公式（2）,線圈決定匝數(shù)N、截面積S 和內(nèi)阻R i;磁鐵材料決定磁場(chǎng)強(qiáng)度d B;銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω決定變化時(shí)間d t。其中V o 與匝數(shù)N、截面積S、磁場(chǎng)強(qiáng)度dB成正比,與銜鐵撥動(dòng)時(shí)間dt、線圈內(nèi)阻Ri成反比。

表1 性能測(cè)試驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)照表Tab.1 Comparison table of performance test verification test

圖4 銜鐵構(gòu)型改進(jìn)方案Fig.4 Armature configuration improvement scheme

為了增大火工品兩端激活電壓V o 以提高激活能量,結(jié)合以上火工品電壓Vo 決定因素,提出了以下幾種優(yōu)化思路:

1)減小線圈內(nèi)阻Ri;

2)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度B;

3)減小銜鐵撥動(dòng)時(shí)間dt,即增大銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω;

4)增加線圈匝數(shù)N。

針對(duì)以上改進(jìn)思路,進(jìn)行方案論證。

2.1 減小電阻和增加匝數(shù)

在不改變線圈匝數(shù)的前提下,增大線圈繞線直徑可減小電阻Ri,但會(huì)導(dǎo)致需求空間變大,受限于激活裝置內(nèi)部空間,此改進(jìn)方法不適用于本裝置。同理,在不改變線圈繞線直徑的前提下,增加線圈匝數(shù)也會(huì)導(dǎo)致需求空間變大,同樣不適用。

因此,本激活裝置主要考慮采用增大磁場(chǎng)強(qiáng)度及減小銜鐵撥動(dòng)時(shí)間的優(yōu)化方法以提高激活電壓。

2.2 增大磁場(chǎng)強(qiáng)度

磁場(chǎng)強(qiáng)度由磁鐵材料特性決定,激活裝置原先使用的磁鋼牌號(hào)為N48H,在確保產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、線圈直徑、線圈匝數(shù)參數(shù)一致的前提下,將磁鐵材料更換為磁場(chǎng)強(qiáng)度更高的N50H牌號(hào)磁鋼(產(chǎn)品手冊(cè)中最強(qiáng)磁場(chǎng)磁鋼),采用定量砝碼吊掛方式恒定銜鐵轉(zhuǎn)矩以控制銜鐵撥動(dòng)時(shí)間,據(jù)此開展實(shí)物驗(yàn)證試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)詳見表1。

如上表測(cè)試結(jié)果所示,磁場(chǎng)強(qiáng)度更高的N50H磁鋼對(duì)激活裝置輸出電壓影響不明顯。因此,通過改變磁鐵材料來增大磁場(chǎng)強(qiáng)度以增大火工品兩端激活電壓的方法不適用于本激活裝置優(yōu)化改進(jìn)。

2.3 減小銜鐵撥動(dòng)時(shí)間

由于本激活裝置采用一種杠桿機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)銜鐵,杠桿機(jī)構(gòu)具有省力的效果,但同時(shí)也會(huì)減慢銜鐵撥動(dòng)速度。如取消杠桿機(jī)構(gòu),銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)速度增大,輸出電壓增大,但同時(shí)也會(huì)使銜鐵撥動(dòng)更加費(fèi)力,影響激活裝置的使用。若想在取消杠桿機(jī)構(gòu)的同時(shí),保證機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力變化較小,則需要改進(jìn)銜鐵構(gòu)型以減小銜鐵所受磁力矩。

改進(jìn)銜鐵構(gòu)型是在不改變永磁體的情況下,通過縮短磁力的作用力臂減小磁力矩。本文設(shè)計(jì)了三種銜鐵構(gòu)型,來論證此方案的有效性,并從中選取最優(yōu)作為最終實(shí)施方案。三種常見銜鐵構(gòu)型改進(jìn)方案如圖4 所示。

3 系統(tǒng)仿真

3.1 二維電磁仿真

使用Ansys Maxwell進(jìn)行二維電磁仿真,針對(duì)上述三種銜鐵構(gòu)型改進(jìn)方案,分別計(jì)算銜鐵角度變化時(shí)銜鐵所受磁力矩和線圈磁通量大小,從中選取最優(yōu)方案。激活裝置磁鋼材料為N48H磁鋼,其磁性能情況如下:剩磁Br≥1 3.49 kG S;矯頑力Hc≥10 32 kA/m;磁能B Hmax≥349.9kJ/m3。銜鐵和左右側(cè)板材料為電工純鐵DT4E,矯頑力Hc≤4 8 k A/m;矯頑力時(shí)效增值ΔHc≤4.8 kA/m;最大磁導(dǎo)率μm≥0.0113H/m。

圖5 原始方案磁場(chǎng)特性Fig.5 Magnetic field characteristics of the original scheme

圖6 不同構(gòu)型的銜鐵磁力參數(shù)Fig.6 Magnetic force parameters of armature with different configurations

計(jì)算得到不同方案的磁力線分布如圖5所示。

穿過線圈的磁通量和銜鐵所受磁力矩隨角度變化如圖6所示。保持永磁體磁性不變,改變銜鐵及側(cè)板構(gòu)型后,通過線圈的磁通量基本不變(差距在2.7%以內(nèi)),磁力矩下降明顯(下降29.87%以上),其中改型3下降值可達(dá)37.69%。綜合三種改進(jìn)構(gòu)型的磁通和力矩,選用改型3作為最終改進(jìn)方案。

3.2 三維電磁仿真

利用Ansys Maxwell進(jìn)行激活器三維電磁仿真,原方案和改進(jìn)方案3電磁仿真模型如圖7所示。對(duì)于原始方案,實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得的磁力矩大小為1.19N·m,而仿真計(jì)算得到的磁力矩大小為1.23N·m,仿真誤差3.36%,可證明本電磁仿真建模方法準(zhǔn)確有效。

計(jì)算銜鐵所受到的磁力矩結(jié)果如圖8 所示。

圖7 激活器電磁仿真模型Fig.7 Electromagnetic simulation model of activator

圖8 銜鐵磁力矩變化曲線Fig.8 Change curve of armature magnetic torque

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,激活裝置處于靜平衡位置(銜鐵角位移為0)時(shí),計(jì)算得到的原始方案磁力矩大小為1.23N·m,改型3磁力矩大小為0.8 3N·m,磁力矩下降32.52%,由此驗(yàn)證了改進(jìn)方案3的可行性。

4 結(jié)語

為提高激活裝置輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),本文根據(jù)激活裝置結(jié)構(gòu)和原理,提出了幾種提高輸出電壓的優(yōu)化思路,并結(jié)合激活裝置實(shí)際條件,從減小銜鐵撥動(dòng)時(shí)間著手,取消了杠桿機(jī)構(gòu),并針對(duì)銜鐵構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化,通過Ansys Maxwell二維電磁仿真試驗(yàn),從三種銜鐵構(gòu)型改進(jìn)方案中挑選出了最優(yōu)方案,并利用三維電磁仿真進(jìn)行驗(yàn)證,最終驗(yàn)證了該方案的可行性。此方案不僅提高了負(fù)載火工品電激活的可靠性,同時(shí)也簡(jiǎn)化了激活裝置結(jié)構(gòu),具有較強(qiáng)的實(shí)用性。