轉(zhuǎn)動(dòng)式含永磁回路磁系統(tǒng)分類與吸力矩特點(diǎn)分析

梁慧敏，謝 勇，謝沅皓，劉桂林，鄒 亮

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150001；2. 桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541004)

1 引言

電磁繼電器作為衛(wèi)星、運(yùn)載火箭型號(hào)中的關(guān)鍵元器件，在星箭系統(tǒng)中應(yīng)用量大面廣[1]。電磁系統(tǒng)是電磁繼電器的輸入部分，是產(chǎn)生電磁吸力驅(qū)動(dòng)觸簧系統(tǒng)的主動(dòng)機(jī)構(gòu)[2]。繼電器由于切換信號(hào)功率較小，銜鐵行程一般較短，其電磁系統(tǒng)多為轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)。為了減小體積，降低功耗，提高靈敏度，永磁被引入到繼電器的電磁系統(tǒng)中。為了提高永磁利用率，設(shè)計(jì)人員往往通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)成永磁回路，從而達(dá)到減小永磁體積、降低成本的目標(biāo)。不同廠家設(shè)計(jì)出的含永磁回路磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異、種類繁多[3-12]。進(jìn)行電磁系統(tǒng)優(yōu)化、調(diào)節(jié)吸力大小是滿足用戶功能需求與不斷提升的性能指標(biāo)要求的主要途徑之一。為了改變吸力大小，設(shè)計(jì)人員往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)改變電磁系統(tǒng)零部件的尺寸參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于缺乏理論依據(jù)，存在一定的盲目性，導(dǎo)致電磁系統(tǒng)優(yōu)化周期較長(zhǎng)。

在含永磁電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究方面，國(guó)內(nèi)外研究人員大多針對(duì)某一具體含永磁電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)磁路計(jì)算或者磁場(chǎng)仿真方法研究各參數(shù)變化對(duì)吸力以及靜動(dòng)態(tài)特性的影響，研究結(jié)論的普適性較低。截至目前，未見(jiàn)關(guān)于不同種類含永磁回路磁系統(tǒng)吸力特性特點(diǎn)的相關(guān)研究。因此，本文首先對(duì)繼電器中常見(jiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)式含永磁回路磁系統(tǒng)進(jìn)行分類，然后基于等效磁路模型建立吸力矩統(tǒng)一計(jì)算模型；根據(jù)吸力矩計(jì)算模型，研究不同類型磁系統(tǒng)在線圈未通電(0V)情況下吸力特性的特點(diǎn)，從而為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行繼電器含永磁回路電磁系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化提供明確的方向與理論依據(jù)。

2 含永磁回路磁系統(tǒng)分類

含永磁繼電器分為單穩(wěn)態(tài)型和雙穩(wěn)態(tài)型。“單穩(wěn)態(tài)”是指線圈在斷電情況下，銜鐵保持在釋放位置處，即只存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)位置；“雙穩(wěn)態(tài)”是指線圈在斷電情況下，銜鐵保持在釋放位置處或者吸合位置處，即存在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)位置。目前繼電器生產(chǎn)廠家，如國(guó)外西門子、 松下電工、歐姆龍，國(guó)內(nèi)桂林航天電子、國(guó)營(yíng)第八九一廠、貴州航天電器、廈門宏發(fā)等公司，其產(chǎn)品中的含永磁回路磁系統(tǒng)多屬于極化磁系統(tǒng)，滿足極化磁系統(tǒng)的“等位性”、“平衡性”和“短路性”三個(gè)判據(jù)，其典型結(jié)構(gòu)及細(xì)分類型如圖1所示，其中左側(cè)圖為釋放穩(wěn)態(tài)位置，右側(cè)圖為吸合穩(wěn)態(tài)位置，圖中的點(diǎn)劃線表示永磁磁通小氣隙閉合路徑。由圖1可以看出，極化磁系統(tǒng)在銜鐵處于釋放位置與吸合位置都具有永磁磁通小氣隙閉合回路，所以具有極化磁系統(tǒng)的繼電器多為雙穩(wěn)態(tài)型；改變極化磁系統(tǒng)尺寸參數(shù)，通過(guò)吸反力配合，具有極化磁系統(tǒng)的繼電器亦可設(shè)計(jì)為單穩(wěn)態(tài)型。顯然，極化磁系統(tǒng)中的永磁回路對(duì)于銜鐵的吸合與釋放都有幫助。

a) 單磁鋼差動(dòng)式極化磁系統(tǒng)

b) 雙磁鋼差動(dòng)式極化磁系統(tǒng)

c) 磁鋼靜止型橋式極化磁系統(tǒng)

d) 磁鋼動(dòng)作型橋式極化磁系統(tǒng)

除極化磁系統(tǒng)外，含永磁回路磁系統(tǒng)還有一類典型結(jié)構(gòu)，如圖2所示，圖2 a)為美國(guó)Leach公司“Balance Force Relay”中的電磁系統(tǒng)[29]。

a) 非極化磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1 b) 非極化磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2

由于圖2結(jié)構(gòu)只在銜鐵處于釋放位置時(shí)才具有永磁磁通小氣隙閉合回路，所以具有該結(jié)構(gòu)磁系統(tǒng)的繼電器多為單穩(wěn)態(tài)型。圖2磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁回路的作用主要是在線圈掉電時(shí)使銜鐵返回并保持在釋放位置，故本文將圖2磁系統(tǒng)稱為永磁回路返回式磁系統(tǒng)。

至此，繼電器中的含永磁回路磁系統(tǒng)分為極化磁系統(tǒng)和永磁回路返回式磁系統(tǒng)兩大類，分類匯總?cè)绫?所示，其中IW為線圈磁勢(shì)，F(xiàn)m和Rm分別為永磁等效磁勢(shì)和永磁等效磁阻，R1、R2、R3為工作氣隙磁導(dǎo)，Ф1、Ф2、Ф3為回路磁通，Ф0為工作氣隙磁通。

表1 含永磁回路磁系統(tǒng)分類與簡(jiǎn)化等效磁路

由表1可以看出，極化磁系統(tǒng)又分為橋式和差動(dòng)式兩種，差動(dòng)式極化磁系統(tǒng)具有2個(gè)工作氣隙，橋式極化磁系統(tǒng)具有4個(gè)工作氣隙，永磁回路返回式磁系統(tǒng)具有3個(gè)工作氣隙。

3 含永磁回路磁系統(tǒng)吸力矩計(jì)算模型

根據(jù)表1中的等效磁路，列寫出回路磁通方程組如下，其中式(1)對(duì)應(yīng)單磁鋼差動(dòng)式極化磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，式(2)對(duì)應(yīng)雙磁鋼差動(dòng)式極化磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，式(3)對(duì)應(yīng)橋式極化磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，式(4)對(duì)應(yīng)永磁回路返回式磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

(1)

(2)

(3)

(4)

求解式(1)～(4)并化簡(jiǎn)得到回路磁通的統(tǒng)一表達(dá)式

(5)

其中常數(shù)c1、c2、c3的取值為

由于經(jīng)過(guò)R3的磁通Ф0=Ф1+Ф2，因此有

(6)

根據(jù)表1中的等效磁路，通過(guò)工作氣隙磁阻R1的磁通即為回路磁通Ф1，通過(guò)工作氣隙磁阻R2的磁通即為回路磁通Ф2。

將氣隙磁阻R1=Δ1/(μ0A1)，R2=Δ2/(μ0A2)，R3=Δ3/(μ0A3)(其中Δ1、Δ2、Δ3分別為氣隙磁阻R1、R2、R3對(duì)應(yīng)的氣隙長(zhǎng)，A1、A2、A3分別為工作氣隙Δ1、Δ2、Δ3對(duì)應(yīng)的極面面積，μ0為空氣磁導(dǎo)率)代入式(5)、(6)并整理有：

(7)

規(guī)定銜鐵在氣隙Δ2處產(chǎn)生的吸力對(duì)應(yīng)的吸力矩方向?yàn)檎D(zhuǎn)軸軸心到軛鐵極面中心處的力臂長(zhǎng)均為L(zhǎng)，則根據(jù)麥克斯韋電磁吸力公式有銜鐵所受總的吸力矩為

(8)

(9)

其中

+iw2[(λ+c3a2δ1+c1a3δ1)2-a2(λc1a3δ1)-δ2(1+a1δ2)]

令

(10)

磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定后，Δ∑、Fm、A2、Rm為常數(shù)，故p與δ1的關(guān)系即代表了吸力矩特性P與Δ1的關(guān)系。

4 極化磁系統(tǒng)零安匝吸力矩特性特點(diǎn)分析

4.1 零安匝釋放位置與吸合位置處吸力矩

對(duì)于極化磁系統(tǒng)，c1=0，c2=2，a1=0；在釋放位置處有Δ1=0，δ1=0，δ2=1；在吸合位置處有Δ2=0，δ1=1，δ2=0；將上述關(guān)系、iw=0以及Fm=H’c·lm，Rm=lm/(μrecAm) (其中l(wèi)m與Am分別為永磁長(zhǎng)度與截面積，μrec為回復(fù)磁導(dǎo)率，H’c為永磁工作回復(fù)線延長(zhǎng)線與H軸交點(diǎn)的絕對(duì)值)代入式(9)，簡(jiǎn)化后得

(11)

(12)

由式(11)、(12)可以看出，

1)Am2與吸力矩成正比，因此，提高永磁截面積Am，可以有效提升釋放與吸合穩(wěn)態(tài)位置的吸力矩大小；

4.2 零安匝吸力矩特性曲線過(guò)零點(diǎn)

(13)

由式(13)，

1)當(dāng)A1=A2時(shí)，δ1=0.5，即對(duì)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)極化磁系統(tǒng)，吸力矩過(guò)零點(diǎn)位于吸力矩特性曲線的中間位置，此時(shí)形成的吸力矩特性曲線易于同反力矩特性曲線配合形成雙穩(wěn)態(tài)型繼電器；

2)當(dāng)A1>A2時(shí)，δ1>0.5，即吸力矩過(guò)零點(diǎn)相對(duì)于橫坐標(biāo)的中間位置(δ1=δ2=0.5)將向右側(cè)偏移，此時(shí)形成的吸力矩特性曲線易于同反力矩特性曲線配合形成單穩(wěn)態(tài)型繼電器。因此，調(diào)節(jié)極面面積大小成為具有極化磁系統(tǒng)單穩(wěn)態(tài)繼電器進(jìn)行電磁系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的一條主要途徑。

將c1=0，c2=2，c3=1，a1=0，a3=0代入式(10)繪制p-δ1關(guān)系曲線，如圖3、圖4所示，其中λ=1，a2=1(對(duì)應(yīng)圖3，A1=A2)，a2=0.7(對(duì)應(yīng)圖4，A1=2A2)。

由圖3可以看出，由于A1=A2，當(dāng)iw=0時(shí)，在釋放位置處(δ1=0)的吸力矩絕對(duì)值與在吸合位置處(δ1=1)的吸力矩絕對(duì)值相同，吸力矩值過(guò)零點(diǎn)G對(duì)應(yīng)的δ1=0.5，吸力矩特性曲線關(guān)于點(diǎn)G(0.5，0)對(duì)稱。

圖4中，由于A1≠A2，當(dāng)iw=0時(shí)，釋放位置處吸力矩絕對(duì)值明顯大于吸合位置處吸力矩絕對(duì)值，吸力矩值過(guò)零點(diǎn)相對(duì)于中間位置(δ1=0.5)向右偏移。

圖3 極化磁系統(tǒng)(A1=A2) p-δ1關(guān)系曲線

圖4 極化磁系統(tǒng)(A1=2A2) p-δ1關(guān)系曲線

5 永磁回路返回式磁系統(tǒng)零安匝吸力矩特性特點(diǎn)分析

5.1 零安匝釋放位置與吸合位置處吸力矩

對(duì)于永磁回路返回式磁系統(tǒng)，c1=1，c2=1，c3=0；在釋放位置處有Δ1=0，δ1=0，δ2=1；在吸合位置處有Δ2=0，δ1=1，δ2=0；將上述關(guān)系代入式(10)，簡(jiǎn)化后得

(15)

(16)

5.2 零安匝吸力矩特性曲線過(guò)零點(diǎn)

對(duì)于iw=0對(duì)應(yīng)的吸力矩特性曲線的過(guò)零點(diǎn)，將iw=0、p=0代入式(10)有

(17)

(18)

則式(18)的解為(由于δ1/δ2>0，所以只保留了正解)

根據(jù)式(10)繪制p-δ1關(guān)系曲線，如圖5所示，其中λ=1，A1=2A2，A3=2A2。

圖5 永磁回路返回式磁系統(tǒng)p-δ1關(guān)系曲線

由圖5可以看出，當(dāng)iw=0時(shí)，釋放位置處(δ1=0)的吸力矩絕對(duì)值遠(yuǎn)大于在吸合位置處(δ1=1)的吸力矩絕對(duì)值，吸力矩值過(guò)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的δ1>0.5，因此，永磁回路返回式磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的吸力矩特性易于與反力矩特性進(jìn)行匹配形成單穩(wěn)態(tài)型繼電器。

5 結(jié)論

1)根據(jù)永磁回路在銜鐵吸合與釋放過(guò)程中的作用，將轉(zhuǎn)動(dòng)式含永磁回路磁系統(tǒng)分為極化磁系統(tǒng)與永磁回路返回式磁系統(tǒng)兩大類。其中，差動(dòng)式極化磁系統(tǒng)具有2個(gè)工作氣隙，橋式極化磁系統(tǒng)具有4個(gè)工作氣隙，永磁回路返回式磁系統(tǒng)具有3個(gè)工作氣隙。

2)基于極化磁系統(tǒng)與永磁回路返回式磁系統(tǒng)等效磁路，求解出工作氣隙磁通的統(tǒng)一解析表達(dá)式；在此基礎(chǔ)上，建立了含永磁回路磁系統(tǒng)的統(tǒng)一吸力矩計(jì)算模型，為后續(xù)進(jìn)行磁系統(tǒng)零安匝吸力矩特性的特點(diǎn)分析奠定理論基礎(chǔ)。

3)根據(jù)含永磁回路磁系統(tǒng)的統(tǒng)一吸力矩計(jì)算模型，獲得極化磁系統(tǒng)零安匝釋放位置與吸合位置處吸力矩理論計(jì)算公式以及零安匝吸力矩特性曲線過(guò)零點(diǎn)位置表達(dá)式，得到釋放與吸合位置處吸力矩大小與永磁截面面積的平方成正比、與極面面積成反比的結(jié)論；當(dāng)A1=A2時(shí)，吸合與釋放位置處的吸力矩大小相等，方向相反，吸力矩過(guò)零點(diǎn)位于吸力矩特性曲線的中間位置，此時(shí)形成的吸力矩特性曲線易于同反力矩特性曲線配合形成雙穩(wěn)態(tài)型繼電器；當(dāng)A1>A2時(shí)，吸力矩過(guò)零點(diǎn)相對(duì)于中間位置(δ1=0.5)向右偏移，此時(shí)形成的吸力矩特性曲線易于同反力矩特性曲線配合形成單穩(wěn)態(tài)型繼電器。

4)根據(jù)含永磁回路磁系統(tǒng)的統(tǒng)一吸力矩計(jì)算模型，獲得永磁回路返回式磁系統(tǒng)零安匝釋放位置與吸合位置處吸力矩理論計(jì)算公式以及零安匝吸力矩特性曲線過(guò)零點(diǎn)位置表達(dá)式，證明得到釋放位置處的吸力矩絕對(duì)值必大于吸合位置處的吸力矩絕對(duì)值，吸力矩特性曲線的過(guò)零點(diǎn)相對(duì)于的中間位置(δ1=0.5)向右側(cè)偏移的結(jié)論，該類型磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的吸力矩特性易于與反力矩特性進(jìn)行匹配形成單穩(wěn)態(tài)型繼電器。