磁鎖式雙穩態自鎖閥響應特性理論研究

尤 罡，王 莉

(1.上海空間推進研究所，上海201112; 2.上海空間發動機工程技術研究中心，上海201112)

0 引言

磁鎖式雙穩態自鎖閥(簡稱自鎖閥)大量應用于空間推進分系統中，將推進劑貯箱(或氣瓶)與下游系統進行溝通和故障隔離，實現氣、液路的工作管理。自鎖閥的顯著特點是具有位置自保持功能，其動作過程通常是給驅動線圈施加具有一定幅值和寬度的脈沖電流來改變閥門狀態，激勵電流消除后，閥門狀態靠鎖位機構保持不變。自鎖閥要實現無源自保持特性，關鍵在于鎖位機構，即通過永磁鐵產生無源磁場將閥門保持在開啟(或關閉)狀態。自鎖閥的響應特性是系統的重要指標參數，直接影響推進系統的精確控制。由于自鎖閥一般采用雙線圈控制，兩驅動線圈間存在互感現象，響應特性計算與單線圈控制電磁類閥門有明顯區別。本文研究了自鎖閥響應特性的理論計算方法及特點。

1 自鎖閥控制原理

1.1 自鎖閥工作原理

典型的自鎖閥結構如圖1所示，由開、關驅動線圈、銜鐵、永磁鐵、吸合臺座、閥座和閥芯組件等組件組成。

圖1 典型自鎖閥結構圖Fig.1 Schematic of a typical latch valve

工作原理如下：閥門為常閉狀態，開線圈通電后，銜鐵帶動閥芯組件運動到開啟位置，開線圈斷電，在永磁鐵永磁力的作用下，閥芯保持在開啟位置；反之，關線圈通電，銜鐵帶動閥芯組件運動到關閉位置，關線圈斷電，閥芯在永磁鐵永磁力的作用下保持在關閉位置。

由自鎖閥工作原理建立等效磁路模型如圖2所示。圖2中S為銜鐵左右兩吸合端面積；φm1,φm2分別為永磁鐵在銜鐵兩端產生的磁通;φe為驅動線圈通電產生的磁通;φig為未通電線圈感應電流產生的磁通;IW為驅動線圈磁勢;φig方向與φe相反，與未通電線圈所在吸合端面的φm1方向相同。由等效磁路圖可以看出，驅動線圈通電后，當銜鐵驅動端面產生的總磁通大于另一端面總磁通時，銜鐵開始運動。

圖2 等效磁路模型圖Fig.2 Equivalent magnetic circuit models

1.2 自鎖閥控制電路

根據自鎖閥工作原理和特點(通電時間短，工作電流大)在控制電路中一般采用釋放回路(由釋放電阻和二極管組成)用于保護控制電路，使自鎖閥開、關線圈各自形成一個單向封閉回路。建立由控制電路和自鎖閥驅動線圈組成的等效電路模型如圖3所示。其中:U為驅動電壓；i為驅動電壓在通電線圈回路中形成的驅動電流；R1，L1和W1為通電驅動線圈電阻、電感和匝數；ig為未通電線圈回路中產生的感應電流；R2，L2和W2為未通電線圈電阻、電感和匝數；Rf為回路釋放電阻；M為兩線圈間的互感。自鎖閥兩個線圈同極條件下一般繞向相反，在互感電路中互為異名端。當一個線圈通電后，另一個線圈產生的電壓與原來的電流方向是相反的。

圖3 控制電路及等效電路模型圖Fig.3 Electrical systems control circuit and equivalent circuit model

2 理論計算模型

自鎖閥開啟或關閉均為通電吸合作動，動作過程完全相同。響應時間快慢與電流通過線圈繞組變化快慢及繞組電感有關。自鎖閥的響應時間電流曲線如圖4所示。其中：IW為線圈通電穩態電流；i為銜鐵開始運動時的線圈電流。響應時間由觸動時間tcd和吸合時間tyd組成，關系式為：

t=tcd+tyd

(1)

圖4 自鎖閥開啟(或關閉)時間與電流曲線Fig.4 Current curve of magnet latch valve when open or close

2.1 觸動時間

當線圈通電時，線圈磁場的磁通與永磁鐵磁場的磁通互相疊加或抵消，銜鐵受力開始發生變化。直到兩端面磁通產生的力相等時銜鐵處于臨界狀態，若電流繼續增加則銜鐵開始運動。從線圈開始通電到銜鐵開始運動這段時間為觸動時間。合力相等銜鐵開始運動時的線圈電流i′即為理論觸動電流(假設無感應電流影響，穩態電流IW=U/R1，i′/I則為觸動電流比)。

以開線圈驅動為例，由等效電路模型可得出，當驅動線圈通電后磁通隨時間變化過程的電壓平衡方程為：

(2)

由于驅動線圈總磁鏈ψ除自身線圈產生的磁鏈ψ1外，還受到另一個線圈感應電流產生的磁鏈ψ2影響，因此ψ=ψ1+ψ2；式(2)可變為：

(3)

(4)

由楞次定律可得，異名端感應線圈產生的感應電流與初始線圈電流方向相反，不考慮線圈自感，則釋放回路中感應電流為：

(5)

其中

RF=Rf+R2(Ω)

式中：RF為未通電線圈回路中的總電阻；M為開、關線圈的互感;kM為開、關線圈互感耦合系數，與線圈匝數、結構尺寸及相互距離位置有關，一般取0.8～1。

將式(5)代入式(4)可推得最終平衡方程為：

(6)

轉化為二階微分方程：

解方程可求得吸合觸動時間為：

(7)

根據自鎖閥結構(假設銜鐵兩端吸合面積相同，不考慮工作介質壓力等其他阻力)，銜鐵在臨界狀態時受力狀態可以建立力平衡方程：

(8)

而實際情況在有釋放回路時需要加入另一線圈感應電流產生磁通的影響(與永磁鐵磁通疊加，與驅動線圈磁通抵消)，則力平衡方程調整為：

(9)

聯立方程(8)～(9)可解得感應電流ig、理論觸動電流i′和實際開啟電流i的關系為：φe=φe′+φig=iW1=i′·W1+igW2，即：

(10)

同時由電壓平衡方程可得雙線圈對應的電壓方程組為：

(11)

解方程組可得感應電流為：

(12)

假設驅動線圈通電后最終穩態電流IW=U/R1，聯立方程(7)、(10)和(12)可建立如下方程組：

(13)

由設計的理論觸動電流即可解得實際觸動時間、實際觸動電流和對應開、關電流比。

2.2 吸合時間

從銜鐵開始動作到運動到設計位置的這段時間為銜鐵吸合時間，吸合時間計算相對復雜，因為銜鐵運動過程中，隨著氣隙減小而使電感發生變化，且作用在銜鐵上反作用力和電磁吸力都在變化。考慮到銜鐵行程較小，為使問題簡化，假設電磁驅動力在銜鐵運動中不變，則可近似按式(14)計算[1]：

(14)

式中:m為銜鐵(或運動件)質量，kg；Pw為線圈瞬時功率，Pw=I2R，W；h為自鎖閥開度，mm；Kcb為理論觸動電流比i′/IW[2-3]。

2.3 響應特性分析

由理論公式可以得出，當自鎖閥控制驅動中接入釋放回路后，未通電線圈閉合回路產生的感應電流會延長吸合觸動時間(如圖5中曲線所示)；由式(10)可得自鎖閥實際開啟(或關閉)電流比i/IW恒大于理論觸動電流比i′/IW；當自鎖閥驅動回路中沒有釋放回路時，兩線圈間不產生互感電流，理論觸動電流比與實際電流比相等；由式(7)與式(12)可得線圈結構參數不變的前提下，電路中的感應電流大小由回路中的釋放電阻值決定。釋放電阻越小，感應電流越大，吸合觸動時間越長，實際開啟(或關閉)電流比值相對理論電流比值越大。

圖5 電流曲線對比圖Fig.5 Comparison of current curves

也就是說，由于未通電異名端線圈感應電流的影響，自鎖閥的開、關動作裕度不再與開啟或關閉電流比有直接關聯。即使線圈感應電流顯著提高了銜鐵運動所需要的觸動電流值，延長了銜鐵的觸動時間，但感應電流是隨著驅動電流變化而產生，當驅動電流穩定后，感應電流逐漸變小最終趨向于零。理論觸動電流比不會隨感應電流變化而發生變化，導致自鎖閥的動作裕度不會因電流比的變化而受到影響。同理，如果非驅動線圈無閉合回路時(即感應電流為零時)，開啟(關閉)電流比就是理論觸動電流比。

3 產品測試數據試驗驗證

以3種成熟型號用典型雙穩態磁鎖式自鎖閥(見圖1)為子樣，進行理論公式計算和產品測試數據比對。理論計算上，最大程度考慮消除外界影響因素，降低試驗誤差對計算結果的影響。即確定閥門為空載狀態，釋放回路電阻值為10 Ω，輸入產品設計參數使用MathCAD軟件按理論公式進行求解計算；試驗數據上，統計了3種與飛行狀態相同的所有批次產品(共95臺)的測試數據，并選用其中1種自鎖閥補充了釋放回路電阻50 Ω條件下的響應特性測試。自鎖閥響應特性理論計算值與實測試驗數據對比情況，如表1所示[4-7]。

表1 響應特性理論計算與實測數據

對比表明，自鎖閥響應時間的理論計算值與實測值非常接近；電流比的理論計算值均處于實測中值范圍內。同時，考慮到產品的大小不同、試驗條件差異等外部因素的影響，可判定理論計算結果與產品實際性能測試情況基本吻合，驗證了理論公式的可行性，可在類似結構閥門工程設計分析中應用[8-13]。

4 結論

通過對磁鎖式雙穩態自鎖閥控制方式進行分析，建立電路及磁路等效模型，推導出了自鎖閥響應特性計算的簡化理論公式。經對子樣響應特性的理論計算值和實測數據進行對比，理論公式計算結果與產品實際測試性能基本吻合，驗證了簡化理論公式的合理性及可行性，可應用于自鎖閥設計瞬態特性初步分析工作。另外，通過對自鎖閥瞬態特性理論研究及公式推導可以得出：

1)自鎖閥控制線圈中，非驅動線圈若形成回路將產生感應電流，對閥門響應特性影響明顯，感應電流越大則自鎖閥響應時間越長。

2)感應電流會使自鎖閥開啟或關閉電流比明顯增大，但不會影響自鎖閥的動作裕度，即當前電流比不再作為自鎖閥動作能力的表征屬性。