熱變形納米晶永磁環(huán)自鎖閥鎖閉特性研究

柳 珊，張曉東，陳 健

（上?？臻g推進研究所，上海201112）

0 引言

宇航推進系統(tǒng)高壓部分配置有高壓自鎖閥，在系統(tǒng)中高壓自鎖閥的功能是連通或切斷高壓氣源。自鎖閥是一種具有位置自保持功能的電磁式閥門，其動作過程通常是給驅(qū)動線圈施加具有一定幅值和寬度的脈沖電流來改變閥門的狀態(tài)，在去掉激勵電流后，閥門狀態(tài)靠鎖位機構(gòu)保持不變。自鎖閥要實現(xiàn)無源自保持特性，關(guān)鍵在于鎖位機構(gòu)，目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的鎖位機構(gòu)為永磁鎖位，即通過永磁鐵產(chǎn)生的永磁力將閥門保持在開啟（或關(guān)閉）狀態(tài)，而不需要任何電源。

永磁環(huán)性能的高低及體積的大小在很大程度上決定了自鎖閥的體積和重量。現(xiàn)采用的燒結(jié)式Nd-Fe-B磁環(huán)厚度一般在5 mm左右，在目前的工藝下，減少壁厚將使永磁的充磁難以飽和，反而降低永磁的磁能積。相對于燒結(jié)式磁環(huán)，熱變形納米晶Nd-Fe-B磁環(huán)具有高磁能積，可制備成高壁、薄壁或小尺寸的磁環(huán)，且其環(huán)境穩(wěn)定性更好。因此，為提高自鎖閥的環(huán)境穩(wěn)定性及減小自鎖閥的體積、重量，可采用熱變形納米晶Nd-Fe-B磁環(huán)。

1 國內(nèi)外熱變形磁體技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

美國通用電氣、德國O Gutfleisch及日本Daido制鋼等公司對熱變形磁體各向異性形成機制、影響形變速率的因素以及元素添加對變形能力和磁性能影響等問題進行了研究；國內(nèi)北京鋼鐵研究總院較早對熱變形磁體基礎(chǔ)理論和工藝進行了研究，同時在熱壓磁環(huán)應(yīng)用領(lǐng)域進行了大量研究。

德國Dresden固體所及日本大同制鋼公司已成功地將熱壓環(huán)應(yīng)用于無刷伺服電機，使電機的效率顯著提高。北京鋼鐵研究總院長期從事輻向和多級磁環(huán)的研制，獲得了多項輻向、多織構(gòu)磁環(huán)制備及充磁技術(shù)的國家發(fā)明專利，承擔過多項永磁環(huán)的軍工任務(wù)，廣泛應(yīng)用于航天、航空軍工型號。

國內(nèi)目前是北京鋼鐵研究總院擁有試驗及批量生產(chǎn)的快淬設(shè)備，對于快淬帶制備積累了豐富經(jīng)驗，承擔過多項快淬技術(shù)相關(guān)國家課題，并申請了多項國家發(fā)明專利。通過對熱壓環(huán)成分、工藝和模具設(shè)計等長期研究，成功解決了小尺寸磁環(huán)熱擠出過程中的開裂問題。針對熱壓工藝特點，進一步設(shè)計制造了適用于納米晶磁體熱變形的熱壓設(shè)備。其快速升溫、降溫，以及位移控制和壓力控制兼?zhèn)涞奶攸c滿足了熱壓環(huán)制備對工藝條件的要求，并在國內(nèi)首先成功制備出高性能熱壓環(huán)。

2 納米晶永磁環(huán)在自鎖閥中的研究應(yīng)用

2.1 自鎖閥工作原理

典型的自鎖閥結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

工作原理如下：閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，開線圈通電，銜鐵帶動閥芯組件運動到開的位置，開線圈斷電，在永磁鐵永磁力的作用下，銜鐵保持在開啟位置；反之，關(guān)線圈通電，銜鐵帶動閥芯組件運動到關(guān)閉位置，關(guān)線圈斷電，銜鐵在鎖閉磁環(huán)磁力的作用下保持在關(guān)閉位置。

新材料在自鎖閥中的主要用途是提高永磁鐵的磁性能，增加鎖閉力。對自鎖閥的好處是提高產(chǎn)品的鎖閉性，比如提高閥門抗沖擊能力和承壓能力。高性能永磁材料應(yīng)用，可以縮小永磁鐵的尺寸，減小線圈結(jié)構(gòu)，相同條件下，自鎖閥的重量較輕。

2.2 磁性能要求

燒結(jié)Nd-Fe-B磁體和熱變形納米晶Nd-Fe-B磁體的磁性能對比如表1所示。

表1 燒結(jié)磁體和熱變形納米晶磁體磁性能對比Tab.1 Performance comparison of sintered and nano magnets

從以上對比可得出，納米晶熱變形磁環(huán)各項磁性能要求均比現(xiàn)階段使用的燒結(jié)磁環(huán)的磁性能更高。

2.3 數(shù)值仿真計算

對所研究的自鎖閥進行數(shù)值仿真，裝有熱變形納米晶磁環(huán)、燒結(jié)磁環(huán)，閥門處于開、關(guān)位置時的磁感應(yīng)強度見圖2～圖5所示。

根據(jù)仿真計算的結(jié)果可知，圖2所對應(yīng)的磁感應(yīng)強度范圍約為0.4～1.0 T；圖3所對應(yīng)的磁感應(yīng)強度范圍約為0.6～1.4 T；圖4所對應(yīng)的磁感應(yīng)強度范圍約為0.4～1.0 T；圖5所對應(yīng)的磁感應(yīng)強度范圍約為0.6～1.4 T。

仿真結(jié)果表明，裝有熱變形磁環(huán)的自鎖閥模型的磁感應(yīng)強度大于裝有繞結(jié)磁環(huán)的自鎖閥模型的磁感應(yīng)強度，比例約為40%。

2.4 兩種自鎖閥實測數(shù)據(jù)對比

在完成對熱變形納米晶永磁環(huán)的設(shè)計制造和性能測試之后，生產(chǎn)了4件新型永磁環(huán)自鎖閥試件。在某原有自鎖閥的殼體組件基礎(chǔ)上進行自鎖閥的生產(chǎn)，除永磁環(huán)采用新型的熱變形納米晶磁環(huán)（與原自鎖閥燒結(jié)永磁環(huán)的尺寸完全一樣，為Φ36×Φ27×4）外，其余零組件均使用原自鎖閥所用的零組件。

通過測試自鎖閥產(chǎn)品的開、關(guān)位鎖閉力來測試永磁環(huán)的性能。對裝有熱變形納米晶、燒結(jié)磁環(huán)的兩種自鎖閥產(chǎn)品的鎖閉力實測數(shù)據(jù)進行對比，驗證熱變形納米晶Nd-Fe-B永磁環(huán)能的性能。表2為裝有燒結(jié)永磁環(huán)的自鎖閥鎖閉力測試數(shù)據(jù)，表3為裝有熱變形納米晶永磁環(huán)的自鎖閥鎖閉力測試數(shù)據(jù)。

表2 裝有燒結(jié)永磁環(huán)的自鎖閥測試數(shù)據(jù)Tab.2 Measured data of latching valve with sintered magnet-ring

表3 裝有熱變形納米晶永磁環(huán)的自鎖閥測試數(shù)據(jù)Tab.3 Measured data of latching valve with nano magnet-ring

從表2和表3可以看出，采用熱變形納米晶永磁環(huán)后，開、關(guān)位鎖閉力有顯著增加?？梢姡诒３钟来怒h(huán)尺寸不變的情況下，熱變形納米晶永磁環(huán)的性能相比燒結(jié)永磁環(huán)有很大提高。

應(yīng)用高性能納米晶熱變形永磁環(huán)初步成果，可進行自鎖閥的改進研制，在保持永磁力不變的情況下，自鎖閥產(chǎn)品的重量和體積均可減小。

3 結(jié)束語

對自鎖閥永磁環(huán)的研究表明，熱變形納米晶永磁材料能夠有效提高自鎖閥鎖閉性能，使自鎖閥體積更小、重量更輕，具有良好的應(yīng)用前景。

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