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)
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)。
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。
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。
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)
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。
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。