基于永磁保险销的引信用电磁拔销器

王海龙，刘 奇，杨振兴

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

为了避免在弹药攻击出现异常的情况下，已进入待发状态的引信处于“失控”状态造成的不必要伤害[1]，具有安全可恢复功能的引信[2-4]或安全系统就成为必需的要求。电磁拔销器可利用通断电原理实现引信的安全可恢复功能[5]。但目前引信使用的电磁拔销器自锁力完全依赖弹簧预压力，存在功耗大、启动阻力大等缺陷，已经不能适应引信发展的需求。目前国内外对引信用电磁拔销器及与电磁拔销器结构功能等同的电磁执行机构和研究，主要采用仿真、试验等方法进行电磁力的影响因素、性能特点、响应时间[6-7]等方面的分析。为了减小电磁拔销器自锁力对弹簧的依赖性，降低功耗和启动阻力，增加同等功耗下输出的电磁力，本文提出了基于永磁保险销的引信用电磁拔销器。

1 引信用电磁拔销器

1.1 引信用电磁拔销器组成

电磁拔销器主要由保险销、垫片、弹簧、激磁线圈、挡铁、线圈骨架、接线板、外壳等组成。平时,保险销在弹簧抗力作用下伸出外壳。当通过接线板给线圈供电后,激磁线圈产生电磁力吸附保险销。电磁拔销器外形为圆柱形结构,线圈骨架和垫片等采用非导磁的塑料材料, 挡铁、保险销和外壳采用电工纯铁材料,其结构图如图1所示[8]。

图1 电磁拔销器结构图Fig.1 Structure of the electromagnetic actuator

1.2 引信用电磁拔销器工作原理

在初始状态下，线圈没有电流流过，不产生电磁力，保险销在弹簧的作用下保持在初始位置，保险销锁定。电路通电后，线圈有电流流过，激励线圈产生电磁力吸附保险销克服弹簧的抗力向上运动，直至与挡铁结合，保险销解锁。电路断电后，激励线圈产生的电磁力消失，保险销在弹簧力的作用下向下运动，直至与垫片结合，电磁拔销器恢复初始锁定状态。

传统引信用电磁拔销器的自锁力依靠弹簧预压力形成，该力同时也是保险销启动时的阻力。阻力越大，激励线圈中的电流要上升到较大值才能克服阻力做功，这会使电磁拔销器的功耗不断增加，加大引信电源的供电负担。

2 基于永磁保险销的引信用电磁拔销器

2.1 永磁保险销及基于永磁保险销的引信用电磁拔销器组成

由于以上原因，对传统的纯铁保险销进行了改进，提出了永磁保险销。永磁保险销由磁芯套、纯铁垫片、永磁体、非金属垫片组成，其中磁芯套材料也为非导磁材料，如图2(a)所示。这种结构的保险销利用永磁体和衔铁之间的吸力形成电磁拔销器的自锁力，利用永磁体和激励线圈产生的复合磁场驱动保险销运动。基于永磁保险销的引信用电磁拔销器结构示意图如图2(b)所示。

图2 永磁保险销与永磁保险销引 信用电磁拔销器结构图Fig.2 Structure of safety spin and electromagnetic actuator with permanent magnet

2.2 基于永磁保险销的引信用电磁拔销器工作原理

本文提出的永磁保险销引信用电磁拔销器工作原理图如图3所示。不通电时，磁场由单一永磁体磁场组成；通电时，磁场由永磁体磁场及激励线圈磁场两部分叠加而成。永磁体与激励线圈产生的叠加磁场产生保险销的驱动力；同样可设计恢复弹簧，使其产生与电磁驱动力方向相反的恢复力。

图3 永磁保险销电磁拔销器工作原理Fig.3 Principium of the electromagnetic actuator with permanent magnet

在初始状态下，电路电流为零，激励线圈不产生磁场，磁路中只有保险销中的永磁体磁场。由于保险销处于初始位置，与下衔铁的工作气隙为零，与上衔铁的工作气隙最大，保险销与下衔铁的吸合力大于与上衔铁的吸合力，该吸合力使保险销保持在初始位置。由于该力起到了电磁拔销器自锁的作用，可以大大减小由弹簧的预压力产生的自锁力，减小电磁拔销器启动时的阻力。

在通电状态下，电流产生的电磁场叠加永磁体磁场，形成复合电磁场。下半部线圈产生的磁场与永磁体的磁场极性相同，产生斥力作用，推动保险销向上运动；上半部分线圈产生的磁场与永磁体的磁场极性相反，产生吸力作用，吸引保险销向上运动；在斥力和吸力的共同作用下，保险销克服弹簧的抗力向上运动。在线圈电流保持不变的情况下，随着保险销的上移，下侧气隙增大，该侧斥力减小；上侧气隙减小，该侧吸力增大，总的合力在不断增大。

电路断电后，电流产生的磁场消失，磁路中又恢复到永磁体的单一磁场。保险销与上衔铁的工作气隙为零，与下衔铁的工作气隙最大，保险销与上衔铁的吸合力大于与下衔铁的吸合力，保险销保持在解锁状态。但是与此同时，弹簧力的恢复力处于最大状态，该力大于保险销与上衔铁的吸合力，推动保险销向下运动，电磁拔销器恢复初始状态。

基于永磁保险销的引信用电磁拔销器将传统电磁拔销器的单一纯铁保险销改进为永磁型保险销，利用保险销中的永磁体与下衔铁之间的吸力实现电磁拔销器自锁；利用通电启动时保险销中的永磁体与下衔铁间的斥力和保险销中的永磁体与上衔铁间的吸力共同作用推动保险销运动。

3 磁路仿真验证与电磁力验证

依据上述对基于永磁保险销的引信用电磁拔销器的设计，对其进行了仿真验证，并对原理样机进行了试验测试。

3.1 磁路仿真验证

为了简化仿真模型，没有考虑弹簧力。由图4电磁拔销器的磁力线分布可以看出，在初始状态时，永磁体和下衔铁形成强的电磁回路，产生强的电磁吸力，永磁体由于同上衔铁的间隙比较大，其磁回路也比较弱，所以上衔铁的吸力小于下衔铁的吸力，永磁体保持在初始状态，电磁拔销器实现锁定；在激励线圈通电时，永磁体和下衔铁形成的磁路相反，磁力线间相互积压，产生斥力作用，永磁体和上衔铁形成的磁路相同，构成统一回路，产生吸力作用，斥力和吸力的方向相同，推动永磁体向上运动；随着永磁体向上运动，其与上衔铁间的磁阻也越来越小，永磁体与上衔铁间的磁回路也越来越强。

图4 永磁保险销电磁拔销器磁力线分布Fig.4 Flux lines of the electromagnetic actuator based on safety spin with permanent magnet

3.2 电磁力验证

在安匝数、外形尺寸等不变的情况下，对基于永磁保险销的引信用电磁拔销器、目前使用的引信电磁拔销器进行了仿真和试验测试，基于永磁保险销的引信用电磁拔销器在初始状态具有1 N的自锁力，目前使用的引信由于没有安装弹簧，所以自锁力为0。图5 为各电磁拔销器启动电磁力曲线，从图中可以看出，各电磁拔销器启动电磁力都随着功率的增加近似直线增加，基于永磁保险销的引信用电磁拔销器电磁力相对目前使用的引信电磁拔销器具有明显的提高。通过对基于永磁保险销的引信用电磁拔销器样机进行启动电磁力测试，其试验结果与仿真结果也比较吻合。图6为永磁保险销的电磁拔销器输出电磁力随保险销运动距离变化的曲线，可以看出，随着保险销不断向上运动，输出电磁力保持持续增加，先是缓慢增加，然后呈直线上升，这是因为在运动后期，上衔铁的吸合作用起到主导的作用。

图5 启动电磁力曲线Fig.5 Curve of start-up solenoid force

图6 永磁保险销的电磁拔销器输出电磁力 随保险销运动距离变化曲线Fig.6 Solenoid force at different distance of the electromagnetic actuator based on safety spin with permanent magnet

通过磁路仿真验证和电磁力验证可以得出，基于永磁保险销的引信用电磁拔销器大大减小了目前使用的引信电磁拔销器自锁力对弹簧的依赖性，降低了电磁拔销器启动时的阻力，使在同等功耗条件下输出的电磁力比传统电磁拔销器输出电磁力有明显提高，并且输出的电磁力随着保险销的运动持续增加。

4 结论

本文提出了基于永磁保险销的引信用电磁拔销器，该电磁拔销器将传统引信电磁拔销器的单一纯铁保险销改进为永磁型保险销，利用保险销中的永磁体与下衔铁之间的吸力实现电磁拔销器自锁；采用通电启动时保险销中的永磁体与下衔铁间的斥力和保险销中的永磁体与上衔铁间的吸力共同作用推动保险销运动。通过仿真与试验验证表明，该电磁拔销器不仅大大减小了传统电磁拔销器自锁力对弹簧的依赖性，降低了电磁拔销器启动时的阻力，而且在同等功耗条件下输出的电磁力也有明显提高。