電磁銜鐵的結構對提高電磁吸力的數值模擬

邵先鋒

電磁銜鐵的結構對提高電磁吸力的數值模擬

邵先鋒

（貴州航天電器股份有限公司，貴州，550009）

為研究銜鐵的形狀對電磁脫落連接器電磁吸力的影響，利用電磁仿真軟件模擬了不同形狀的銜鐵對磁場中磁力線的分布并分析了對磁力大小的影響，確定了銜鐵的最優形狀，并對其結構參數進行了優化。研究結果表明：在小行程的電磁分離機構中，優選截錐形銜鐵，可使電磁吸力在0.5～2.5mm范圍內輸出恒力，大小約90N，為電連接器電磁分離機構中銜鐵形狀的選擇及電磁力的提高提供了理論指導。

導彈；電連接器；電磁分離；電磁吸力；結構參數

0 引 言

直流電磁鐵作為電控制元件的電-機械控制轉換器，將電能轉換成推力，是脫落電連接器中重要部件之一。在航天系統和武器系統工程中，安全可靠地實現插頭與插座的自動分離對彈箭發射、級間分離或衛星分離具有重要意義[1]。以衛星分離為例，在分離裝置解鎖前約1 ms內，使電磁分離機構動作，實現插頭與插座的分離，可使衛星避免因機械分離產生的附加力對衛星的運動姿態產生干擾，使衛星更準確地按預定軌道運動。南京航空航天大學的秦遠田[2]通過建立電連接器分離動力學模型，分析了電連接器非正常分離對衛星的分離路徑、分離速度和分離姿態的干擾。

電連接器自動可靠分離對航天發射意義重大，而對其影響最大的零部件就是電磁線圈中電磁銜鐵的設計。目前，電磁銜鐵的研究主要集中在一些研究機構，如湖南科技大學的胡燕平[3,4]分析了凸形銜鐵結構對整體式隔磁套電磁鐵位移-力特性的影響；吳波[5]通過建立電磁鐵數學模型及物理模型研究了圓柱形銜鐵的電磁鐵磁場分布及吸力特性[6]；李勇[7]提出了一種梯形銜鐵結構的大推程電磁分離機構，分析其在不同行程下的磁通分布與位移-力特性。隨著航天系統工程和兵器裝備工程的發展進步，進一步提高電磁推程力仍是一個熱門的研究課題。本文在前人的基礎上，通過不同形狀的銜鐵相對比的方法，深入分析了銜鐵的截面形狀結構對電磁鐵行程-力特性的影響并確立了最優的銜鐵結構。

1 電磁結構和工作原理

直流電磁鐵分離機構如圖1所示。電磁鐵分離機構由銜鐵、極靴、線圈、線圈骨架、彈簧、拉桿、外殼組成。線圈采用螺旋管式纏繞，裝在線圈骨架、極靴和外殼之間，形成閉合的磁通回路。極靴一端設有不同形狀的凸臺（包括圓柱形、錐形、雙錐形、喇叭形、郁金香形）如圖2所示。利用凸臺底部薄壁材料的局部磁飽和實現左右兩側磁路的通斷。銜鐵凹槽的形狀與極靴的凸臺一致。其中，銜鐵、極靴和外殼采用軟磁材料，拉桿采用非磁性材料。

圖2 銜鐵的截面形狀

電磁結構的工作原理為：當線圈無電流流過時，推桿在彈簧力的作用下向上運動，使連接器插頭與插座處于鎖緊狀態，此時反向拉動推桿可實現機械解鎖；當線圈通電時，在銜鐵、極靴和外殼中形成閉合的磁路，銜鐵產生電磁力并克服彈簧的彈力使拉桿逆向運動，實現連接器插頭與插座的分離。

2 數學模型

磁介質在外磁場的作用下，原子的磁偶矩發生定向偏轉，產生磁場[8]。對于脫落電連接器，磁場的強弱嚴重影響著連接器是否正常解鎖分離。對于鐵磁材料，雖然磁導率很高，但仍有漏磁現象[9,10]。因此，在恒定電磁場中，磁場能量存在于鐵磁材料和氣隙中，由虛位移法計算得到的銜鐵的電磁力[11]為

式中，分別為鐵磁材料的磁場強度和磁感應強度；0，0分別為空氣氣隙的磁場強度和磁感應強度。

當銜鐵銜鐵與鐵芯吸合時，線圈中電流不變，忽略邊緣效應和漏磁現象，則存在鐵磁材料中的磁場能量近似不變，則式（1）等于：

由磁通的定義得：

根據文獻[3]，當銜鐵處于額定行程位置時電磁力為

從式（4）、式（5）中可以看出，銜鐵磁場力的大小受銜鐵截面形狀影響較大。因此，可以通過調整銜鐵的截面形狀，改變磁場力的大小。

3 仿真與分析

3.1 仿真模型

本文采用電磁仿真軟件，利用有限線元法，建立了直流電磁鐵仿真模型，如圖3所示。模型關于軸對稱，為簡化模型，提高計算效率，采用柱坐標系建立1/2模型并在邊界添加Balloon Boundary邊界條件。銜鐵、極靴和外殼使用非線性材料模型[11]，使用自適應網格法對模型進行劃分，為提高計算精度，在電磁銜鐵外表面進行了網格加密處理[12～14]。

圖3 直流電磁鐵仿真模型

3.2 仿真分析

3.2.1 不同形狀的銜鐵對電磁場分布的影響

為探求不同形狀的銜鐵對電磁吸力的影響，需對其磁場分布進行分析。類比恒定電流場轉化為電路的方法，將恒定電磁場轉化為磁路進行分析，即分析磁路中的磁通，其對應的矢量場為磁通密度，即磁感應強度。為直觀地描述銜鐵的形狀對磁力線分布的影響，銜鐵的形狀設計為圓柱形、錐形、雙錐形、喇叭形和郁金香形，如圖2所示。取銜鐵的初始行程為0.5 mm時，分析銜鐵的形狀對磁場分布的影響。

由于磁通量受氣隙、銜鐵和極靴端面形狀的影響較大，取銜鐵移動0.5 mm時的氣隙中線為參考線，分析磁場強度的變化，因為銜鐵移動相同距離時，參考線上的磁感應強度越大，說明該處的磁力線密集即磁通量大。圖4為參考線磁感應強度的分布曲線。其橫坐標僅代表參考線的長度，長短對結果分析無影響。

從圖4a、圖4b可以看出，圓柱形和錐形銜鐵在氣隙參考線上的磁感應強度約為恒定值，磁力線在氣隙中均勻分布；從圖4c、圖4d可以看出，雙錐形和喇叭形銜鐵在氣隙參考線上的磁感應強度受銜鐵形狀影響較大，磁感應強度先增大然后達到恒定值，且中間出現了波動，這是因為受到第2個錐角拐點的影響，使磁力線大小和方向都發生了變化，且磁力線在第2個錐角以后的氣隙中較密；從圖4e可以看出，郁金香形銜鐵的磁力線分布為先密后疏。因此，研究銜鐵在不同位置時，對電磁力有何影響具有重要意義。

3.2.2 銜鐵的行程對電磁吸力的影響

不同的磁場分布，必然導致電磁場磁力發生變化。為更加清楚明了地表達銜鐵的行程對電磁力的影響，對不同形狀的銜鐵在不同位置對磁場力的影響進行仿真分析，仿真結果如圖5所示。

圖5 行程-力變化曲線

從圖5可以看出，圓柱形銜鐵隨著行程的增加，電磁吸力成反比例降低，與文獻[3]研究結果一致。圓錐形、雙錐形、喇叭形電磁銜鐵隨著行程的增加，電磁吸力出現先增加后減小的現象。分析原因為電磁銜鐵在較小行程位置處時，銜鐵與外殼接觸面積減小，閉合磁路的磁場達到了磁飽和現象。郁金香電磁鐵隨著行程的增加，電磁吸力先減小后增加，分析原因為電磁銜鐵在較小行程位置處與極靴接觸面積大，電磁力較大，隨著行程增加，二者間隙增加，磁阻增加，電磁力迅速下降，隨著銜鐵行程的增加，銜鐵與極靴產生的磁阻小于銜鐵與外殼產生磁通量時，磁力開始慢慢增加，當銜鐵行程增加到一定程度后，磁阻較大，磁場力開始減小。

3.2.3 雙錐角銜鐵結構的優化

從圖5還可看出，圓柱形銜鐵行程越短電磁力越大，在較短行程是可以優先考慮的，但最大缺點是電磁力衰減極快；喇叭形銜鐵從頂部到底部錐角逐漸增大，電磁力的輸出比較大且穩定，但在生產加工時工藝性[15]不好，產品質量不易保證；雙錐形銜鐵相對喇叭形銜鐵電磁力稍低，但便于生產加工，因此本文選用雙錐形銜鐵作為分析對象，對其結構進行優化分析。

由3.2.1分析得知，雙錐形電磁銜鐵的磁力線在拐角位置發生變化，則電磁力也一定變化，因此研究拐點位置能否提高電磁吸力具有重要意義。電磁銜鐵的優化參數如圖6所示，仿真結果如圖7至圖9所示。

圖6 銜鐵的參數

圖7 的大小對電磁吸力的影響結果

圖8 的大小對電磁吸力的影響結果

圖9 銜鐵的長度對電磁吸力的影響結果

從仿真結果圖9可以看出，銜鐵的長度也是影響電磁吸力的影響因素，當銜鐵縮短0.5 mm時，電磁吸力穩定在90～95 N之間。

4 結 論

本文采用有限元法進行仿真模擬，分析了電磁鐵的形狀對電磁吸力的影響，得到如下結論：

a）不同形狀的銜鐵對磁力線在氣隙中的分布影響不同。圓柱形和圓錐形銜鐵的磁力線在氣隙中均勻分布；雙錐形和喇叭形銜鐵的磁力線在氣隙中的分布主要集中在第2錐角母線位置或喇叭形銜鐵孔口邊緣且呈均勻分布。郁金香形銜鐵的磁力線主要集中在中心線位置，且受邊緣的影響較大。

b）銜鐵的截面形狀以雙錐形為最優。圓柱形銜鐵對電磁吸力的影響最大，隨著銜鐵行程的增加電磁吸力衰減最快；喇叭形和雙錐形銜鐵對電磁吸力的影響較小，輸出的電磁吸力比較穩定，但喇叭形銜鐵可加工性最差，因此在電磁分析中，優選雙錐形銜鐵。

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Numerical Simulation of the Structure of Electromagnetic Armature to Improve Electromagnetic Attraction

Shao Xian-feng

(Guizhou Space Appliance Co. Ltd, Guizhou, 550009)

In order to study the influence of the shape of armature on the electromagnetic attraction of electromagnetic connector, alectromagnetic simulation software is used to simulate the distribution of magnetic force lines in magnetic field with different shapes of armature and analyze the influence on magnetic force, determine the optimal shape of armature, and optimize its structural parameters. The results show: in the small displacement electromagnetic separation mechanism, which can achieve a constant force of 90N in the range of 0.5mm to 2.5mm, which provides theoretical guidance for the improvement of electromagnetic force in the electromagnetic separation mechanism of electrical connector.

guided missile; electrical connector; electromagnetic separation; armature force; structural parameters

2097-1974(2023)01-0026-05

10.7654/j.issn.2097-1974.20230106

V447

A

2020-04-01；

2020-05-21

邵先鋒（1990-），男，工程師，主要研究方向為電磁分離連接器。