郎召偉，孫芳芳

(航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，西安 710003)

0 引 言

電磁制動(dòng)器是飛行器上常用制動(dòng)器之一，對(duì)安全性要求較高。而影響電磁制動(dòng)器安全性能的最主要的結(jié)構(gòu)是電磁鐵。為提高電磁鐵的可靠性，一般采用多余度設(shè)計(jì)，目前現(xiàn)有結(jié)構(gòu)均是在電磁鐵內(nèi)部增加了線圈余度，幾個(gè)余度的線圈同軸，且多個(gè)線圈的外徑、內(nèi)徑和長(zhǎng)度相等，僅通過(guò)改變線圈的軸向位置來(lái)實(shí)現(xiàn)多余度設(shè)計(jì)。但線圈位置不同，會(huì)造成幾個(gè)線圈對(duì)動(dòng)銜鐵產(chǎn)生的吸力值不同，對(duì)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

本文中的多極雙余度電磁鐵在環(huán)形靜銜鐵圓周方向分布六個(gè)線圈骨架，骨架內(nèi)側(cè)是鐵心，外側(cè)是漆包線，六個(gè)線圈可以采用雙余度或三余度方式[1]。目前這種多極雙余度電磁鐵在實(shí)際生產(chǎn)中沒(méi)有應(yīng)用，對(duì)其研究也較少，故本研究通過(guò)仿真對(duì)這種多極雙余度電磁鐵進(jìn)行分析，探討雙余度電磁鐵的不同線圈分布對(duì)電磁鐵性能的影響。

1 結(jié)構(gòu)原理

用于電磁制動(dòng)器的多極雙余度電磁鐵的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)由軸、動(dòng)銜鐵、殼體、鐵心、骨架、線圈、靜銜鐵、彈簧壓環(huán)、彈簧、軸承等組成。其中軸、動(dòng)銜鐵、鐵心和靜銜鐵為導(dǎo)磁材料，殼體、骨架和彈簧壓環(huán)為非導(dǎo)磁材料，線圈由漆包線纏繞而成。靜銜鐵固定在殼體上，動(dòng)銜鐵可在軸向方向自由移動(dòng)，動(dòng)銜鐵的左側(cè)安裝有摩擦片。線圈斷電時(shí)，在彈簧力的作用下，彈簧壓環(huán)推動(dòng)銜鐵向左運(yùn)動(dòng)，壓緊摩擦片，使軸制動(dòng)，此時(shí)鐵心與動(dòng)銜鐵之間的氣隙為0.6 mm；線圈通電時(shí)，動(dòng)銜鐵在電磁吸力的作用下向右移動(dòng)，釋放摩擦片，則軸可轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 多極雙余度電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 多極雙余度電磁鐵鐵心和線圈分布圖

多極雙余度電磁鐵鐵心和線圈分布如圖2所示，從圖中可看出電磁鐵有6個(gè)鐵心和線圈，鐵心呈環(huán)形固定在靜銜鐵上，骨架包圍在鐵心外側(cè)，線圈纏繞在骨架上。雙余度電磁鐵需將6個(gè)鐵心和線圈分為兩組，每3個(gè)一組串聯(lián)通電，下面探討分組情況對(duì)電磁鐵性能的影響。

2 仿真方法

由于本模型有6個(gè)沿環(huán)形分布的線圈，只能用3D進(jìn)行仿真，使用Catia中建立模型，導(dǎo)入Ansoft/Maxwell中使用。由于殼體、骨架和彈簧壓環(huán)為非導(dǎo)磁材料，在建模時(shí)可將其忽略，只建立軸、動(dòng)銜鐵、靜銜鐵、線圈和鐵心。

本研究用Ansoft/Maxwell分別進(jìn)行靜態(tài)和瞬態(tài)分析，在進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，原片狀的動(dòng)銜鐵外圓柱面和內(nèi)圓柱面需改為多棱柱面，band也為多棱柱面。模型導(dǎo)入后需設(shè)置模型的材料，建立軸、動(dòng)銜鐵、靜銜鐵和鐵心定義為Steel 1008，鐵心定義為copper，region和band均為vacuum[2-5]。在給線圈添加激勵(lì)時(shí)添加外部電路，圖3為外部電路電路圖。圖2中所示線圈等效為圖3中的線圈和電阻，三個(gè)線圈串聯(lián)。

圖3 外部電路電路圖

由于電磁鐵在實(shí)際工作中動(dòng)銜鐵與殼體接觸面較小，潤(rùn)滑比較好，因此在仿真過(guò)程中忽略動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力，在motion中，動(dòng)銜鐵質(zhì)量設(shè)置為0.844，彈簧力為200 N；網(wǎng)格劃分時(shí)，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格，再將band和動(dòng)銜鐵等關(guān)鍵位置加密，最后添加求解設(shè)置，運(yùn)行軟件求解。

本研究只對(duì)多極雙余度電磁鐵的一個(gè)余度進(jìn)行計(jì)算，即將其中3個(gè)線圈串聯(lián)通電。通電方式分別為3組，第一組是圖2中線圈1、2、3，第二組是線圈 1、2、4，第三組是線圈1、3、5，電路圖如圖3所示，通電電壓為28 V，每個(gè)線圈的電阻為2.3 Ω。拿第一組為例進(jìn)行說(shuō)明，線圈1、2和3通電，線圈4、5和6不通電，磁力線從1、2和3的鐵心到達(dá)動(dòng)銜鐵，穿過(guò)氣隙和動(dòng)銜鐵到4、5和6的鐵心，最終通過(guò)靜銜鐵回到1、2和3的鐵心，形成回路。由于多極雙余度電磁鐵的4、5、6線圈通電與1、2、3通電完全相同，3、5、6通電與1、2、4完全相同，2、4、6通電和1、3、5通電完全相同，此處不再重復(fù)計(jì)算。

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

圖4為電磁力隨時(shí)間的變化關(guān)系，圖5為動(dòng)銜鐵位移隨時(shí)間變化關(guān)系，圖6為線圈1電流隨時(shí)間變化關(guān)系，線圈2和線圈3電流變化趨勢(shì)與線圈1基本一致。由圖可知，電磁力和電流隨時(shí)間逐漸增大，當(dāng)電磁力到達(dá)0.2 kN時(shí)，電磁力將克服施加在動(dòng)銜鐵上的彈簧力，動(dòng)銜鐵開(kāi)始向鐵心方向運(yùn)動(dòng)，氣隙減小，此時(shí)電磁力增加速度變快，而電流卻減小，當(dāng)動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)位置時(shí)，不再運(yùn)動(dòng)，而電流和電磁力繼續(xù)增大。

通電后，電流的變化趨勢(shì)是由于線圈中不僅有電阻，還有一定的電感值，所以電流的上升不能立即達(dá)到穩(wěn)定值，而是按照指數(shù)曲線的規(guī)律逐漸上升。當(dāng)電流增長(zhǎng)到一定數(shù)值時(shí)，磁通也相應(yīng)地增長(zhǎng)到一定值，當(dāng)磁鐵所產(chǎn)生的電磁吸力足以使得動(dòng)銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，氣隙減小，氣隙中磁阻改變，使線圈中電感發(fā)生變化，引起一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)，如式(1)所示，使得線圈中電流減小[6]。當(dāng)銜鐵達(dá)到終點(diǎn)位置而停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣隙不再變化，電感值也不再改變，這項(xiàng)反電動(dòng)勢(shì)消失，這時(shí)電流和磁通又繼續(xù)上升至穩(wěn)定值[7]。

(1)

式中，E為電動(dòng)勢(shì)；i為電流；L為電感；t為時(shí)間。

電磁力在動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)之前上升是由于電流隨時(shí)間上升，磁通是由電流的激勵(lì)所產(chǎn)生的，所以磁通增長(zhǎng)的規(guī)律和電流相同，由式(2)可看出電磁力隨著磁通的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。而當(dāng)動(dòng)銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，電流有所下降，而電磁力卻上升。這是由于電磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣隙δ不斷減小，根據(jù)式(3)可知，氣隙磁導(dǎo)隨著氣隙長(zhǎng)度的減小而增大。磁通Φ隨著氣隙磁導(dǎo)的增大而增大，因此電磁力增大。當(dāng)動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)位置時(shí)，氣隙δ不再變化，電磁吸力隨著電流的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

(2)

式中，Φ為氣隙中磁通(Wb)；S為磁極端面處截面積(m2)；μ0為空氣導(dǎo)磁率(Wb/A×m)。

(3)

式中，G0為氣隙磁導(dǎo)(H)；μ0為空氣導(dǎo)磁率(Wb/A×m)；s為截面積(m2)；δ為氣隙長(zhǎng)度(m)。

圖4 電磁力隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖5 動(dòng)銜鐵位移隨時(shí)間變化關(guān)系

圖6 線圈1電流隨時(shí)間變化關(guān)系

表1為T(mén)=0.015 s時(shí)電磁力和電流及電磁鐵吸合時(shí)間，從表1中可看出，在動(dòng)銜鐵吸合之前，T=0.015 s時(shí)，第一組電磁力最大，為190 N；第二組次之，為189 N；第三組最小，為174 N；T=0.015 s，第一組的電流最大，為1.45 A；第二組次之，為1.38 A；第三組最小，為1.31 A；第一組的動(dòng)銜鐵最先吸合，用時(shí)21.5 ms，第二組次之，用時(shí)22 ms，第三組動(dòng)銜鐵最后吸合，用時(shí)24 ms。

表1 T=0.015 s時(shí)電磁力和電流及電磁鐵吸合時(shí)間

第一組的電流最大是由于第一組線圈的電感量最小，圖7為靜態(tài)仿真電感量，3個(gè)線圈串聯(lián)后，總電感等于3個(gè)線圈的自感和互感之和[8]，計(jì)算可得第一組的總電感量為98.25 mH，第二組為103.12 mH，第三組為103.65 mH。由式(4)可知，由于三組線圈的電阻R和電壓E相等，L越小，電流增長(zhǎng)越快，導(dǎo)致電磁力也增長(zhǎng)最快，最終使吸合時(shí)間最短。

(4)

式中，E為電壓；R為電阻；L為電感；t為時(shí)間。

圖8為T(mén)=0.015 s時(shí)電磁鐵瞬態(tài)磁場(chǎng)[9]，T=0.015 s時(shí)動(dòng)銜鐵還未開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。從圖中也可看出，第一組線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于第二組，大于第三組，根據(jù)式(5)可知，電磁力與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，磁場(chǎng)強(qiáng)度大，則電磁力大。因此第一組的電磁力最大，吸合時(shí)間也最短。

(5)

式中，F(xiàn)為電磁吸力(F)；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度(T)；S為磁極表面的總面積(m2)；μ0為空氣磁導(dǎo)率(Wb/A×m)。

圖7 靜態(tài)仿真電感量

圖8 T=0.015s時(shí)電磁鐵瞬態(tài)磁場(chǎng)

4 結(jié) 論

(1)電磁鐵通電后，電磁力和電流隨時(shí)間逐漸增大，當(dāng)電磁力克服施加在動(dòng)銜鐵上的彈簧力后，動(dòng)銜鐵開(kāi)始向鐵心方向運(yùn)動(dòng)，氣隙減小，此時(shí)電流減小，而電磁力增加速度變快，這主要時(shí)因?yàn)闅庀洞艑?dǎo)隨著氣隙長(zhǎng)度的減小而增大。當(dāng)動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)位置時(shí)，不再運(yùn)動(dòng)，電流和電磁力繼續(xù)增大。

(2)在動(dòng)銜鐵吸合之前，第一組電磁力和電流最大，第二組次之，第三組最??；第一組的動(dòng)銜鐵最先吸合，用時(shí)21.5 ms，第二組次之，用時(shí)22 ms，第三組動(dòng)銜鐵最后吸合，用時(shí)24 ms。主要是因?yàn)榈谝唤M的電感最小，使得電流增長(zhǎng)最快，電磁力增長(zhǎng)也最快，因此吸合時(shí)間最短。