基于永磁体偏置磁场的高速响应电磁阀设计*

双组元姿控推力器是用于稳定和改变航天器姿态的小型液体火箭发动机，通常按照脉冲方式工作，用电磁阀来控制开关动作，最小脉冲宽度仅为数毫秒，启动次数高达数十万次.推力器的脉冲冲量越小，则航天器的控制精度越高；而电磁阀的高速响应特性是决定推力器脉冲冲量的关键.要使得推力器的最小脉冲冲量小于25mN·s，电磁阀的开、关响应时间需要限定在4ms以内[1].

国外的双组元推力器控制阀一般采用高速的力矩马达阀方案.力矩马达阀响应时间短，仅为2～3ms，但制造工艺难度大，成本较高.螺管式电磁阀是目前最成熟的技术方案，安全性高，工艺简单，验证充分，成本低廉.但是，螺管式电磁阀的响应速度偏慢，开、关响应时间无法同时达到低于4ms的要求，制约了推力器脉冲性能的提高.开启和关闭响应特性相互制约，若提高电磁阀的开启速度，必然会导致关闭响应的延迟增加.

本文提出一种基于永磁体偏置磁场的螺管式电磁阀磁路结构，可以同时提高电磁阀的开启、关闭响应速度，达到了国外高速力矩马达阀的响应水平，为小冲量双组元姿控推力器的研制奠定了基础.

1 磁路响应特性分析

在忽略磁饱和、涡流、磁滞等因素的条件下，建立电磁阀的数学模型.

(1)电压平衡方程

(1)

式中，U、R、i、N、Ф分别表示驱动电压、线圈电阻、驱动电流、线圈匝数和磁通量.

(2)

式中，FM、m、δ、c、F0分别表示电磁力、衔铁质量、气隙、弹簧刚度和初始负载力.

(3)磁路方程

iN=2kФ(δ0-δ)

(3)

式中，δ0表示初始气隙.

对式(1)、(2)、(3)联立求解，得出电磁阀开启、关闭响应时间的表达式[2]：

(4)

(5)

式中，ton、tc、L、L′、δm、ion、ic、I分别表示开启时间、关闭时间、开启电感、关闭电感、最终气隙、开启电流、关闭电流和稳态电流.

从式(4)、(5)可知，要提高电磁阀的响应速度，必须降低电磁阀的电感，才能使激励电流迅速变化，对开、关信号做出迅速响应.典型的电磁阀磁路结构如图1所示.

图1 通用电磁阀磁路结构示意图

将电磁阀视为一个带线圈电感的磁芯，其电感L的计算公式[3]为

(6)

式中，N为线圈匝数，μe为有效磁导率，r为线圈平均半径，b为线圈高度，lc为线圈长度，A为磁路截面积.

当磁路的构成比较复杂时，可以设想该磁路具有一个有效磁导率μe，其值等于另一个结构均匀，形状、尺寸和总磁阻都与原磁路相同的假想磁路的磁导率.有效磁导率是电磁阀磁路设计中非常重要的参数，决定了电磁阀的响应特性.

图2给出光谱仪在传感信号接收端探测到的光谱图。当拉曼放大器的泵浦功率为75 mW时,检测到传输光纤末端的剩余泵浦功率为5.25 mW。此时剩余泵浦功率是低于掺铒光纤激光器的阈值功率(腔内总损耗)的。进一步增加拉曼放大器的泵浦功率,光纤末端剩余泵浦功率也随之增加。当剩余泵浦功率等于掺铒光纤激光器的阈值的时候,就有激光开始激射。图中,曲线a是泵浦功率低于激光器阈值的情况,此时没有激光激射;曲线b是剩余泵浦功率等于谐振腔阈值的情况,曲线c是泵浦功率大于激光器阈值,开始有波长为1 550.2 nm激光激射,此时拉曼泵浦功率为85 mW,剩余泵浦功率为5.7 mW。

星上电磁阀的工作频率较低，μe较高，式(6)前一项可以忽略，简化为

L=1.256×10-6(μe-1)N2A/lc

(7)

由于μe>>1，所以从式(7)可以看出，电感值与有效磁导率μe近似为正比关系.

在功率电感等磁性器件的研制过程中，都采用了预加偏置磁场的方法来改变器件的有效磁导率[4-5].通过频谱仪的实际测量和磁芯材料特性参数分析，发现随着偏置磁场的增强，磁路的有效磁导率呈下降趋势.因此，将永磁材料置于电磁阀磁路中，可以减小有效磁导率，进而降低磁路电感，最终提高电磁阀的响应速度.

2 永磁偏置电磁阀的结构设计

将永磁体布置于电磁阀磁路中，如图2所示，则在电磁阀内部形成一个闭合的永磁偏置磁场，将降低磁路的电感.电磁阀线圈产生的激励磁场与偏置磁场方向相同.

图2 永磁偏置磁场的电磁阀磁路结构示意图

线圈断电时永磁体处于退磁状态，通电时永磁体处于充磁状态，这样对于永磁体工作点的设计非常有利.在磁路设计时，只需在断电状态下，使永磁体工作点位于退磁曲线的拐点之上，并留有一定的裕度，就可以有效地保证永磁材料的长寿命可靠工作，不会因为激励磁场的作用而产生退磁的问题.

由于偏置磁场的作用，使衔铁在初始状态下就受到约12N的磁力吸引，所以需要适当提高弹簧刚度，使弹簧力达到20N，抵消永磁力的影响，令轴向合力能够满足可靠密封的要求.

计算偏置磁场对于电磁阀磁路电感的影响，如图3～4所示.从图中可以看出，由于偏置磁场的作用，使磁路电感降低了约2/3，令电磁阀的响应能力得以大幅提高.

图3 永磁偏置后电磁阀的磁路电感与磁势的关系

图4 永磁偏置后电磁阀的磁路电感与气隙的关系

3 高速响应特性仿真

监测励磁线圈上加载电流在时域上变化的情况，可获得电流曲线，如图5所示.电流曲线可以直观地反映出电磁阀的开启、关闭响应时间T1和T2[6].

对于永磁磁路而言，计算比较复杂且不准确.采用Ansoft Maxwell的瞬态仿真模块可计算出阀门的电流曲线，极大提高了计算的效率和准确度.Maxwell 2D软件提供自适应剖分技术，可以对曲率大、间隙小的区域网格进行完善.网格在自适应剖分过程中，自动确定模型中网格需要加密的区域，并对其加密剖分，提高了计算的准确度.图6为永磁偏置电磁阀的磁路模型和网格自适应剖分图[7-8].

图5 螺管式电磁阀电流曲线

图6 基于永磁偏置电磁阀的仿真模型及网格剖分图

设置瞬态求解器，选择温度系数低、稳定性高的钐钴永磁材料作为偏置磁场源，对线圈加载30ms开/20ms关的24V脉冲电压，设定激励线圈匝数为1200匝，阻值为48Ω，漏感为0.03H.输入弹簧初始压缩力为20N，刚度60N/mm，克服永磁体作用于衔铁上的吸力，保证衔铁复位运动.导入细分网格，进行瞬态仿真，仿真电流曲线如图7所示.

图7 普通电磁阀与永磁偏置高速电磁阀仿真电流曲线对比

从图7和表1中可以看出，在永磁体偏置磁场的作用下，当线圈通电时，电磁阀线圈电流快速爬升，电磁吸力快速增加并超过初始反力，使得衔铁吸合，阀门开启速度提高了4倍；当线圈断电后，电流迅速降低，在弹簧回复力的作用下，衔铁迅速复位，阀门关闭速度也提高了4倍.

表1 普通电磁阀与永磁偏置高速电磁阀的响应特性对比

4 结 论

采用永磁体提供的偏置磁场可以令螺管式电磁阀的电感明显降低，提高响应速度.在传统螺管式电磁阀磁路结构上加入永磁体的磁路设计，是一种全新的高速电磁阀设计思路，能够显著降低电磁阀的开关响应延迟，而且结构简单、成本低廉，不仅可以应用于航天器推进系统，在民用工业领域同样有非常大的推广价值和前景.

参 考 文 献

[1]Gotzig U， Schulte G， Sowa A. New generation 10N bipropellant MMH/NTO thruster with double seat valve[R]. AIAA-99-2594，1999

[2]沈公槐.改进电磁阀动态特性的一种方法[J].航天控制，2001，19(3): 75-81

Shen G H. A method improving the dynamic characteristic of solenoid valve[J] . Aerospace Contral，2001，19(3): 75-81

[3]顾骏，王淼，刘九皋.铁氧体E型磁心系列磁路参数计算[J].磁性材料及器件，2009，40(5):40-44

Gu J，Wang M，Liu J G. Calculation of the effective parameters of ferrite E-core series [J]. Journal of Magnetic Materials and Devices，2009，40(5): 40-44

[4]李智华，秦爱辉，张青春，等.大电流电感直流工作特性的改进[J].磁性材料及器件，2007，38(3): 60-62

Li Z H，Qin A H，Zhang Q C，et al. Improvement of DC operating characteristic of high current inductors[J]. Journal of Magnetic Materials and Devices，2007，38(3): 60-62

[5]杨海军，陈为，卢增艺.采用永磁体预偏磁的高频功率电感设计方案[J].中国电机工程学报，2011，31(24): 52-57

Yang H J，Chen W，Lu Z Y. Scheme and design on high-frequency power inductor with magnet pre-bias [J]. Proceedings of the CSEE，2011，31(24): 52-57

[6]张榛.电磁阀动态响应特性的有限元仿真与优化设计[J].空间控制技术与应用，2008，34(5)：53-56

Zhang Z. FEA simulation of dynamic response of solenoid valve and its optimal design[J]. Aerospace Control and Application,2008,34(50):53-56

[7]袁海军.基于Ansoft Maxwell仿真的电磁阀关闭过程动态特性研究[J].机电产品开发与创新，2011,24(5):82-84

Yuan H J. Research of dynamic character of solenoid valve’s closing process based on Ansoft Maxwell simulation[J]. Development & Innovation of Machinery & Electrical Products,2011,24(5):82-84

[8]张功晖，黎志航，周志鸿.基于Maxwell方程的电磁阀开启过程动态特性仿真研究[J].液压气动与密封，2010,30(11):22-25

Zhang G H, Li Z H, Zhou Z H. Simulation research of dynamic character of solenoid valve’s opening process based on Maxwell equation[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals,2010,30(11):22-25