一種基于銜鐵構型的某裝備激活裝置優化方法研究

楊毅鈞 蔣圣鵬 高子龍 劉功龍

(上海機電工程研究所,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部磁鋼磁通的走向突變,使線圈產生感應電動勢,從而由連接在線圈上的雙絞線輸出感應電動勢,傳輸到負載火工品,實現火工品的電激活[1]。

當激活裝置的輸出裕度不足,無法滿足火工品可靠發火所需的激活能量時,會導致火工品無法被激活,裝備工作異常[2]。

圖1 激活裝置內部結構圖Fig.1 Internal structure of activation device

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

因此,本文從激活裝置結構和原理出發,主要圍繞裝置結構進行優化,提高輸出感應電動勢,以進一步確保負載火工品能夠被可靠電激活。

1 激活裝置結構和原理

激活裝置內部結構如圖1所示,主要由永磁體、線圈、銜鐵、側板等組成。其中,銜鐵、側板為純鐵材料。

在實際工作中,本激活裝置采用杠桿機構來撥動連桿,使連桿帶動銜鐵。當激活裝置處于初始狀態時,側板、銜鐵經過兩端永磁體磁化后,大量磁感應線流過線圈截面,內部磁路示意圖如圖2(a)所示。

當撥動銜鐵時,銜鐵兩端與側板逐漸分離,流過線圈的磁通減小。根據法拉第電磁感應定律,此時線圈會阻礙磁通變化,感應出電流,產生磁通變化,根據法拉第定律,對外輸出電壓,激活裝置內部磁路示意圖如圖2(b)所示。

激活裝置線圈的磁通量變化產生的電壓可由公式計算[3]:

上式中:V為感應電動勢; 為磁通量;dt為變化時間(即銜鐵撥動時間);B為磁場強度;S為線圈截面積;i為激活電流;Ri為線圈內阻。

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載,如積累到足夠能量,火工品發火。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 激活裝置優化方法

根據激活裝置原理和電壓計算公式（2）,線圈決定匝數N、截面積S 和內阻R i;磁鐵材料決定磁場強度d B;銜鐵轉動角速度ω決定變化時間d t。其中V o 與匝數N、截面積S、磁場強度dB成正比,與銜鐵撥動時間dt、線圈內阻Ri成反比。

表1 性能測試驗證試驗對照表Tab.1 Comparison table of performance test verification test

圖4 銜鐵構型改進方案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,結合以上火工品電壓Vo 決定因素,提出了以下幾種優化思路:

1)減小線圈內阻Ri;

2)增大磁場強度B;

3)減小銜鐵撥動時間dt,即增大銜鐵轉動速度ω;

4)增加線圈匝數N。

針對以上改進思路,進行方案論證。

2.1 減小電阻和增加匝數

在不改變線圈匝數的前提下,增大線圈繞線直徑可減小電阻Ri,但會導致需求空間變大,受限于激活裝置內部空間,此改進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,增加線圈匝數也會導致需求空間變大,同樣不適用。

因此,本激活裝置主要考慮采用增大磁場強度及減小銜鐵撥動時間的優化方法以提高激活電壓。

2.2 增大磁場強度

磁場強度由磁鐵材料特性決定,激活裝置原先使用的磁鋼牌號為N48H,在確保產品結構、線圈直徑、線圈匝數參數一致的前提下,將磁鐵材料更換為磁場強度更高的N50H牌號磁鋼(產品手冊中最強磁場磁鋼),采用定量砝碼吊掛方式恒定銜鐵轉矩以控制銜鐵撥動時間,據此開展實物驗證試驗。測試結果數據詳見表1。

如上表測試結果所示,磁場強度更高的N50H磁鋼對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強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化改進。

2.3 減小銜鐵撥動時間

由于本激活裝置采用一種杠桿機構來帶動銜鐵,杠桿機構具有省力的效果,但同時也會減慢銜鐵撥動速度。如取消杠桿機構,銜鐵轉動速度增大,輸出電壓增大,但同時也會使銜鐵撥動更加費力,影響激活裝置的使用。若想在取消杠桿機構的同時,保證機構驅動力變化較小,則需要改進銜鐵構型以減小銜鐵所受磁力矩。

改進銜鐵構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。本文設計了三種銜鐵構型,來論證此方案的有效性,并從中選取最優作為最終實施方案。三種常見銜鐵構型改進方案如圖4 所示。

3 系統仿真

3.1 二維電磁仿真

使用Ansys Maxwell進行二維電磁仿真,針對上述三種銜鐵構型改進方案,分別計算銜鐵角度變化時銜鐵所受磁力矩和線圈磁通量大小,從中選取最優方案。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。銜鐵和左右側板材料為電工純鐵DT4E,矯頑力Hc≤4 8 k A/m;矯頑力時效增值ΔHc≤4.8 kA/m;最大磁導率μm≥0.0113H/m。

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

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

計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,改變銜鐵及側板構型后,通過線圈的磁通量基本不變(差距在2.7%以內),磁力矩下降明顯(下降29.87%以上),其中改型3下降值可達37.69%。綜合三種改進構型的磁通和力矩,選用改型3作為最終改進方案。

3.2 三維電磁仿真

利用Ansys Maxwell進行激活器三維電磁仿真,原方案和改進方案3電磁仿真模型如圖7所示。對于原始方案,實際試驗測得的磁力矩大小為1.19N·m,而仿真計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確有效。

計算銜鐵所受到的磁力矩結果如圖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

仿真實驗結果表明,激活裝置處于靜平衡位置(銜鐵角位移為0)時,計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%,由此驗證了改進方案3的可行性。

4 結語

為提高激活裝置輸出感應電動勢,本文根據激活裝置結構和原理,提出了幾種提高輸出電壓的優化思路,并結合激活裝置實際條件,從減小銜鐵撥動時間著手,取消了杠桿機構,并針對銜鐵構型進行優化,通過Ansys Maxwell二維電磁仿真試驗,從三種銜鐵構型改進方案中挑選出了最優方案,并利用三維電磁仿真進行驗證,最終驗證了該方案的可行性。此方案不僅提高了負載火工品電激活的可靠性,同時也簡化了激活裝置結構,具有較強的實用性。