基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器

王海龍，劉 奇，楊振興

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

為了避免在彈藥攻擊出現(xiàn)異常的情況下，已進(jìn)入待發(fā)狀態(tài)的引信處于“失控”狀態(tài)造成的不必要傷害[1]，具有安全可恢復(fù)功能的引信[2-4]或安全系統(tǒng)就成為必需的要求。電磁拔銷器可利用通斷電原理實(shí)現(xiàn)引信的安全可恢復(fù)功能[5]。但目前引信使用的電磁拔銷器自鎖力完全依賴彈簧預(yù)壓力，存在功耗大、啟動(dòng)阻力大等缺陷，已經(jīng)不能適應(yīng)引信發(fā)展的需求。目前國內(nèi)外對(duì)引信用電磁拔銷器及與電磁拔銷器結(jié)構(gòu)功能等同的電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)和研究，主要采用仿真、試驗(yàn)等方法進(jìn)行電磁力的影響因素、性能特點(diǎn)、響應(yīng)時(shí)間[6-7]等方面的分析。為了減小電磁拔銷器自鎖力對(duì)彈簧的依賴性，降低功耗和啟動(dòng)阻力，增加同等功耗下輸出的電磁力，本文提出了基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器。

1 引信用電磁拔銷器

1.1 引信用電磁拔銷器組成

電磁拔銷器主要由保險(xiǎn)銷、墊片、彈簧、激磁線圈、擋鐵、線圈骨架、接線板、外殼等組成。平時(shí),保險(xiǎn)銷在彈簧抗力作用下伸出外殼。當(dāng)通過接線板給線圈供電后,激磁線圈產(chǎn)生電磁力吸附保險(xiǎn)銷。電磁拔銷器外形為圓柱形結(jié)構(gòu),線圈骨架和墊片等采用非導(dǎo)磁的塑料材料, 擋鐵、保險(xiǎn)銷和外殼采用電工純鐵材料,其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[8]。

圖1 電磁拔銷器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the electromagnetic actuator

1.2 引信用電磁拔銷器工作原理

在初始狀態(tài)下，線圈沒有電流流過，不產(chǎn)生電磁力，保險(xiǎn)銷在彈簧的作用下保持在初始位置，保險(xiǎn)銷鎖定。電路通電后，線圈有電流流過，激勵(lì)線圈產(chǎn)生電磁力吸附保險(xiǎn)銷克服彈簧的抗力向上運(yùn)動(dòng)，直至與擋鐵結(jié)合，保險(xiǎn)銷解鎖。電路斷電后，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的電磁力消失，保險(xiǎn)銷在彈簧力的作用下向下運(yùn)動(dòng)，直至與墊片結(jié)合，電磁拔銷器恢復(fù)初始鎖定狀態(tài)。

傳統(tǒng)引信用電磁拔銷器的自鎖力依靠彈簧預(yù)壓力形成，該力同時(shí)也是保險(xiǎn)銷啟動(dòng)時(shí)的阻力。阻力越大，激勵(lì)線圈中的電流要上升到較大值才能克服阻力做功，這會(huì)使電磁拔銷器的功耗不斷增加，加大引信電源的供電負(fù)擔(dān)。

2 基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器

2.1 永磁保險(xiǎn)銷及基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器組成

由于以上原因，對(duì)傳統(tǒng)的純鐵保險(xiǎn)銷進(jìn)行了改進(jìn)，提出了永磁保險(xiǎn)銷。永磁保險(xiǎn)銷由磁芯套、純鐵墊片、永磁體、非金屬墊片組成，其中磁芯套材料也為非導(dǎo)磁材料，如圖2(a)所示。這種結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)銷利用永磁體和銜鐵之間的吸力形成電磁拔銷器的自鎖力，利用永磁體和激勵(lì)線圈產(chǎn)生的復(fù)合磁場驅(qū)動(dòng)保險(xiǎn)銷運(yùn)動(dòng)。基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(b)所示。

圖2 永磁保險(xiǎn)銷與永磁保險(xiǎn)銷引 信用電磁拔銷器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of safety spin and electromagnetic actuator with permanent magnet

2.2 基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器工作原理

本文提出的永磁保險(xiǎn)銷引信用電磁拔銷器工作原理圖如圖3所示。不通電時(shí)，磁場由單一永磁體磁場組成；通電時(shí)，磁場由永磁體磁場及激勵(lì)線圈磁場兩部分疊加而成。永磁體與激勵(lì)線圈產(chǎn)生的疊加磁場產(chǎn)生保險(xiǎn)銷的驅(qū)動(dòng)力；同樣可設(shè)計(jì)恢復(fù)彈簧，使其產(chǎn)生與電磁驅(qū)動(dòng)力方向相反的恢復(fù)力。

圖3 永磁保險(xiǎn)銷電磁拔銷器工作原理Fig.3 Principium of the electromagnetic actuator with permanent magnet

在初始狀態(tài)下，電路電流為零，激勵(lì)線圈不產(chǎn)生磁場，磁路中只有保險(xiǎn)銷中的永磁體磁場。由于保險(xiǎn)銷處于初始位置，與下銜鐵的工作氣隙為零，與上銜鐵的工作氣隙最大，保險(xiǎn)銷與下銜鐵的吸合力大于與上銜鐵的吸合力，該吸合力使保險(xiǎn)銷保持在初始位置。由于該力起到了電磁拔銷器自鎖的作用，可以大大減小由彈簧的預(yù)壓力產(chǎn)生的自鎖力，減小電磁拔銷器啟動(dòng)時(shí)的阻力。

在通電狀態(tài)下，電流產(chǎn)生的電磁場疊加永磁體磁場，形成復(fù)合電磁場。下半部線圈產(chǎn)生的磁場與永磁體的磁場極性相同，產(chǎn)生斥力作用，推動(dòng)保險(xiǎn)銷向上運(yùn)動(dòng)；上半部分線圈產(chǎn)生的磁場與永磁體的磁場極性相反，產(chǎn)生吸力作用，吸引保險(xiǎn)銷向上運(yùn)動(dòng)；在斥力和吸力的共同作用下，保險(xiǎn)銷克服彈簧的抗力向上運(yùn)動(dòng)。在線圈電流保持不變的情況下，隨著保險(xiǎn)銷的上移，下側(cè)氣隙增大，該側(cè)斥力減小；上側(cè)氣隙減小，該側(cè)吸力增大，總的合力在不斷增大。

電路斷電后，電流產(chǎn)生的磁場消失，磁路中又恢復(fù)到永磁體的單一磁場。保險(xiǎn)銷與上銜鐵的工作氣隙為零，與下銜鐵的工作氣隙最大，保險(xiǎn)銷與上銜鐵的吸合力大于與下銜鐵的吸合力，保險(xiǎn)銷保持在解鎖狀態(tài)。但是與此同時(shí)，彈簧力的恢復(fù)力處于最大狀態(tài)，該力大于保險(xiǎn)銷與上銜鐵的吸合力，推動(dòng)保險(xiǎn)銷向下運(yùn)動(dòng)，電磁拔銷器恢復(fù)初始狀態(tài)。

基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器將傳統(tǒng)電磁拔銷器的單一純鐵保險(xiǎn)銷改進(jìn)為永磁型保險(xiǎn)銷，利用保險(xiǎn)銷中的永磁體與下銜鐵之間的吸力實(shí)現(xiàn)電磁拔銷器自鎖；利用通電啟動(dòng)時(shí)保險(xiǎn)銷中的永磁體與下銜鐵間的斥力和保險(xiǎn)銷中的永磁體與上銜鐵間的吸力共同作用推動(dòng)保險(xiǎn)銷運(yùn)動(dòng)。

3 磁路仿真驗(yàn)證與電磁力驗(yàn)證

依據(jù)上述對(duì)基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器的設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)測試。

3.1 磁路仿真驗(yàn)證

為了簡化仿真模型，沒有考慮彈簧力。由圖4電磁拔銷器的磁力線分布可以看出，在初始狀態(tài)時(shí)，永磁體和下銜鐵形成強(qiáng)的電磁回路，產(chǎn)生強(qiáng)的電磁吸力，永磁體由于同上銜鐵的間隙比較大，其磁回路也比較弱，所以上銜鐵的吸力小于下銜鐵的吸力，永磁體保持在初始狀態(tài)，電磁拔銷器實(shí)現(xiàn)鎖定；在激勵(lì)線圈通電時(shí)，永磁體和下銜鐵形成的磁路相反，磁力線間相互積壓，產(chǎn)生斥力作用，永磁體和上銜鐵形成的磁路相同，構(gòu)成統(tǒng)一回路，產(chǎn)生吸力作用，斥力和吸力的方向相同，推動(dòng)永磁體向上運(yùn)動(dòng)；隨著永磁體向上運(yùn)動(dòng)，其與上銜鐵間的磁阻也越來越小，永磁體與上銜鐵間的磁回路也越來越強(qiáng)。

圖4 永磁保險(xiǎn)銷電磁拔銷器磁力線分布Fig.4 Flux lines of the electromagnetic actuator based on safety spin with permanent magnet

3.2 電磁力驗(yàn)證

在安匝數(shù)、外形尺寸等不變的情況下，對(duì)基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器、目前使用的引信電磁拔銷器進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)測試，基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器在初始狀態(tài)具有1 N的自鎖力，目前使用的引信由于沒有安裝彈簧，所以自鎖力為0。圖5 為各電磁拔銷器啟動(dòng)電磁力曲線，從圖中可以看出，各電磁拔銷器啟動(dòng)電磁力都隨著功率的增加近似直線增加，基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器電磁力相對(duì)目前使用的引信電磁拔銷器具有明顯的提高。通過對(duì)基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器樣機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)電磁力測試，其試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果也比較吻合。圖6為永磁保險(xiǎn)銷的電磁拔銷器輸出電磁力隨保險(xiǎn)銷運(yùn)動(dòng)距離變化的曲線，可以看出，隨著保險(xiǎn)銷不斷向上運(yùn)動(dòng)，輸出電磁力保持持續(xù)增加，先是緩慢增加，然后呈直線上升，這是因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)后期，上銜鐵的吸合作用起到主導(dǎo)的作用。

圖5 啟動(dòng)電磁力曲線Fig.5 Curve of start-up solenoid force

圖6 永磁保險(xiǎn)銷的電磁拔銷器輸出電磁力 隨保險(xiǎn)銷運(yùn)動(dòng)距離變化曲線Fig.6 Solenoid force at different distance of the electromagnetic actuator based on safety spin with permanent magnet

通過磁路仿真驗(yàn)證和電磁力驗(yàn)證可以得出，基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器大大減小了目前使用的引信電磁拔銷器自鎖力對(duì)彈簧的依賴性，降低了電磁拔銷器啟動(dòng)時(shí)的阻力，使在同等功耗條件下輸出的電磁力比傳統(tǒng)電磁拔銷器輸出電磁力有明顯提高，并且輸出的電磁力隨著保險(xiǎn)銷的運(yùn)動(dòng)持續(xù)增加。

4 結(jié)論

本文提出了基于永磁保險(xiǎn)銷的引信用電磁拔銷器，該電磁拔銷器將傳統(tǒng)引信電磁拔銷器的單一純鐵保險(xiǎn)銷改進(jìn)為永磁型保險(xiǎn)銷，利用保險(xiǎn)銷中的永磁體與下銜鐵之間的吸力實(shí)現(xiàn)電磁拔銷器自鎖；采用通電啟動(dòng)時(shí)保險(xiǎn)銷中的永磁體與下銜鐵間的斥力和保險(xiǎn)銷中的永磁體與上銜鐵間的吸力共同作用推動(dòng)保險(xiǎn)銷運(yùn)動(dòng)。通過仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該電磁拔銷器不僅大大減小了傳統(tǒng)電磁拔銷器自鎖力對(duì)彈簧的依賴性，降低了電磁拔銷器啟動(dòng)時(shí)的阻力，而且在同等功耗條件下輸出的電磁力也有明顯提高。