王曉露,鮮亞平,郭加利,王 勇

(1.上海航天控制技術(shù)研究所·上?！?01109；2. 上海伺服系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心·上海·201109；3.中國(guó)人民解放軍駐上海航天局802所軍事代表室·上海·201109)

0 引 言

近年來,隨著高性能磁性材料技術(shù)的迅猛發(fā)展,磁性材料的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,使得實(shí)現(xiàn)磁性材料工作性能的充退磁裝置在各領(lǐng)域中得到了較為廣泛的應(yīng)用[1],例如電機(jī)、儀器儀表、航空航天等各專業(yè)領(lǐng)域。早在20世紀(jì)90年代后期,德國(guó)科倫磁物理公司研制了IM-24030-PC-C型脈沖充磁裝置[2],該裝置集過程控制、信息存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程通信、過熱保護(hù)、安全體系于一體,通過準(zhǔn)確充磁和快速校準(zhǔn)可確保準(zhǔn)確度優(yōu)于1%,最大輸出電壓為3kV,最大電流為100kA。日本Nihon公司針對(duì)不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及廠家需求開發(fā)了電容式、旋轉(zhuǎn)式、多極式等多種充磁裝置[3],其旋轉(zhuǎn)式充磁機(jī)磁化電極可變,磁化程度為0.1～3.0mm,磁化電極數(shù)為20～2000,可選擇內(nèi)、外充磁方式。磁極定位精確度高,單極為±1%,兩極為±0.5%,多極小于1.5%,磁化時(shí)間約為4s。美國(guó)Walker公司開發(fā)了XLE系列智能CDM系統(tǒng)[4],利用霍爾傳感器、感應(yīng)線圈或其他電磁類傳感器，將充磁、檢測(cè)及退磁實(shí)現(xiàn)了集成一體化,使單個(gè)工件的生產(chǎn)、裝配流程可通過簡(jiǎn)單的程序運(yùn)作實(shí)現(xiàn)充磁及測(cè)試。在國(guó)內(nèi)，中科院于2001年使用高儲(chǔ)能大容量電解電容專為稀土永磁材料的飽和充磁設(shè)計(jì)了WKDMC-I型充磁機(jī)裝置[5],其充磁電壓可達(dá)1500V,瞬間充磁電流達(dá)3000～20000A。無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,充退磁裝置市場(chǎng)都朝著低功耗、高效率、集成化、智能化等趨勢(shì)發(fā)展。

本文針對(duì)航空航天領(lǐng)域某伺服閥用充退磁裝置效率低、自動(dòng)化程度不高等缺陷,對(duì)比分析了常用充退磁方法的優(yōu)缺點(diǎn),依據(jù)充退磁的工作機(jī)理完成了某伺服閥用新型精密充退磁裝置的研制,完成了各型伺服閥充退磁試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,所研制的新型精密充退磁裝置工作性能可靠、工藝操作便捷,充磁和退磁量化參數(shù)穩(wěn)定,此外電液伺服閥的一次退磁合格率及充磁效率在現(xiàn)有裝備的基礎(chǔ)上均得到了有效提高。新型精密充退磁裝置的成功運(yùn)用有效加快了伺服閥的研制生產(chǎn)進(jìn)度,可以滿足現(xiàn)役型號(hào)高密集度發(fā)射任務(wù)的配套需求。

1 充退磁過程機(jī)理與實(shí)現(xiàn)方法

磁性材料在磁化時(shí)需施加較強(qiáng)的外磁場(chǎng),且被磁化后磁性不易消失,為了使磁性材料具有最大的磁性能,在充磁時(shí)需要保證磁性材料達(dá)到飽和狀態(tài)[6-7]。在工程應(yīng)用中,一般采用B-H的關(guān)系表示磁化曲線,如圖1所示。

圖1 B-H磁化曲線Fig.1 B-H magnetization curve

飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm不僅與磁性材料的磁性能有關(guān),還與材料的矯頑力Hc有關(guān)。當(dāng)外加充磁磁場(chǎng)強(qiáng)度從0開始逐漸增大時(shí),在初始狀態(tài),其磁化曲線首先從圖1中的O點(diǎn)開始沿著曲線Oa上升,當(dāng)磁鐵中的磁感應(yīng)達(dá)到a點(diǎn)時(shí),磁鐵完全磁化。此時(shí)若逐漸減小外加磁場(chǎng),磁鐵中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B將隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H的減小而減?。坏獴-H關(guān)系不再按Oa曲線變化,而沿圖中曲線ab下降；當(dāng)外加磁場(chǎng)為0時(shí),磁鐵中存在剩磁感應(yīng)Br。此時(shí),施加反向外加磁場(chǎng),磁鐵中的磁感應(yīng)B隨著去磁磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減小,其對(duì)應(yīng)的第二象限的曲線bc段被稱為去磁曲線,它表示磁性材料被完全磁化后無外勵(lì)磁時(shí)的B-H關(guān)系。這樣的去磁曲線最穩(wěn)定,顯示最優(yōu)的磁性能。此時(shí),若繼續(xù)增大負(fù)向磁場(chǎng),B-H關(guān)系將從曲線cd變化到d點(diǎn)，達(dá)到負(fù)向飽和狀態(tài)。若再將負(fù)向外加磁場(chǎng)逐漸減小到0,并再逐漸以正值增加,則B-H關(guān)系將沿曲線defa變化。隨著外加磁場(chǎng)的不斷反復(fù)變化,磁鐵中的B-H關(guān)系將沿封閉曲線abcdefa重復(fù)變化。因此,充退磁的實(shí)質(zhì)就是通電后對(duì)充磁線圈的能量釋放,進(jìn)而完成能量轉(zhuǎn)化的過程。

1.1 常見充磁方式

1.1.1 直流充磁方式

直流充磁方法是最簡(jiǎn)單常用的方法,該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便等優(yōu)勢(shì),直流充磁方法的具體原理如圖2所示,其中直流電源的供電可以采用低電壓、大電流、大功率的直流發(fā)電機(jī),也可采用經(jīng)整流后的交流電源供電或采用蓄電池供電。但是直流充磁方式在大功率、磁鐵形狀復(fù)雜及采用高矯頑力材料等情況下,不僅需要大功率的直流電源,而且對(duì)經(jīng)濟(jì)成本及使用便捷性等提出了更高的要求。

圖2 直流充磁方式Fig.2 Magnetizing by direct current way

1.1.2 交流充磁方式

交流充磁方法是現(xiàn)階段最常用的一種方法,其主要優(yōu)點(diǎn)是僅應(yīng)用普通的交流電源就可以實(shí)現(xiàn)較大的磁場(chǎng)輸出,電源的功率不必很大,就可以得到極大的瞬時(shí)單向脈沖充磁電流,其基本工作原理如圖3所示,采用此種方法可以使脈沖電流達(dá)到100kA以上。

圖3 交流充磁方式Fig.3 Magnetizing by alternating current way

1.2 常見退磁方式

目前,就電磁退磁原理而言，比較常用的退磁方式大致可分為兩種：直流退磁和交流退磁。兩種方法各有特點(diǎn),并各自在工程中得到了不同的應(yīng)用。

1.2.1 直流退磁方式

常見的直流退磁方法主要有三種：直流換向衰減退磁、超低頻電流自動(dòng)退磁及加熱工件退磁。直流換向衰減退磁通過不斷改變直流電的方向,同時(shí)使電流逐漸衰減,并保證衰減的次數(shù)盡可能多,從而得到比較理想的退磁效果；超低頻電流自動(dòng)退磁一般只針對(duì)三相全波整流電磁化的磁性材料,頻率范圍為0.5～10Hz；加熱工件退磁是通過加熱手段提高退磁材料的溫度(達(dá)到甚至超過居里溫度點(diǎn))來實(shí)現(xiàn)退磁,而這種加熱退磁的方法耗能耗時(shí),一般不采用。

1.2.2 交流退磁方式

交流衰減法和交流電退磁通過法是比較常見的兩種交流退磁方法。交流衰減法的退磁原理是將待退磁物體放在通有交流電的退磁線圈內(nèi),經(jīng)過轉(zhuǎn)換器逐漸使電流降低至0,從而完成對(duì)工件的退磁操作；交流電退磁通過法是將工件放在裝有特制軌道和拖板的專業(yè)退磁機(jī)上進(jìn)行退磁,這種退磁方式一般被應(yīng)用于國(guó)內(nèi)磨床的加工過程,而國(guó)外的機(jī)械加工裝備已不再采用這種交流退磁方式,而是選用了更加節(jié)能高效的交流衰減式退磁方法。

2 伺服閥用充退磁裝置

本文描述的伺服閥用充退磁裝置均采用交流方式進(jìn)行充退磁。伺服閥用充磁設(shè)備通過自耦變壓器調(diào)節(jié)電壓大小，實(shí)現(xiàn)退磁過程中電壓與電流的控制；伺服閥整體退磁裝置的核心在于恒流控制器的設(shè)計(jì)[8-9],圖4所示為方案設(shè)計(jì)的壓控恒流源電路,由DAC0輸出電壓控制恒流源,壓控恒流源電路最大的優(yōu)勢(shì)是在恒定電壓控制情形下可以保持電流的恒定輸出。

圖4 壓控恒流源電路Fig.4 Constant current circuit controlled by voltage

3 伺服閥用充退磁裝置的試驗(yàn)研究

根據(jù)現(xiàn)有伺服閥型號(hào)用鋁鎳鈷磁鋼的應(yīng)用情況,目前磁鋼所用材料主要有鋁鎳鈷5DG與鋁鎳鈷8DG兩類,兩種合金的磁性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 兩種不同規(guī)格的鋁鎳鈷(Al-Ni-Co) 合金磁性能參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparsion of magnetic parameters between two different type of Al-Ni-Co DG

3.1 伺服閥充磁試驗(yàn)

分別取1只5類和8類磁鋼進(jìn)行充磁試驗(yàn),磁性能數(shù)據(jù)如表2～表3所示。

表2 某鋁鎳鈷5DG充磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experiment data of magnetization test with a Al-Ni-Co 5DG

表3 某鋁鎳鈷8DG充磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Experiment data of magnetization test with a Al-Ni-Co 8DG

3.2 充磁后溫度環(huán)境試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)磁鋼組件的溫度性能,根據(jù)配套產(chǎn)品的試驗(yàn)溫度,進(jìn)行了5類、8類磁鋼組件的溫度考核試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表4～表5所示。

表4 鋁鎳鈷5DG高低溫試驗(yàn)表(單位：mT)Tab.4 Experiment data of high and low temperature test with a Al-Ni-Co 5DG(Unit: mT)

備注：高溫試驗(yàn)溫度120℃±5℃、低溫試驗(yàn)溫度-40℃±5℃。

表5 鋁鎳鈷8DG高低溫試驗(yàn)表(單位：mT)Tab.5 Experiment data of high and low temperature test with a Al-Ni-Co 8DG(Unit: mT)

備注：高溫試驗(yàn)溫度120℃±5℃、低溫試驗(yàn)溫度-40℃±5℃。

本文設(shè)計(jì)了等差電壓充磁及充磁后的高低溫溫度環(huán)境兩類試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明：1)磁鋼組件剩磁磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著充磁電壓的增加而增加,當(dāng)電壓達(dá)到一定程度時(shí),電壓增大磁鋼組件的磁場(chǎng)強(qiáng)度趨近飽和；2)對(duì)充磁后的磁鋼組件進(jìn)行溫度環(huán)境考核,磁鋼組件的剩磁量穩(wěn)定,在設(shè)定的高溫及低溫溫度范圍內(nèi)，磁鋼組件的磁性能幾乎不變。

3.3 伺服閥退磁試驗(yàn)

當(dāng)磁鋼組件充至滿足需求的磁場(chǎng)強(qiáng)度后,需要對(duì)磁鋼組件進(jìn)行退磁試驗(yàn),本文分別選取5組5類和8類磁鋼組件進(jìn)行試驗(yàn),其中5類磁鋼組件的初始磁場(chǎng)強(qiáng)度約為(420±10)mT,其中8類磁鋼組件的初始磁場(chǎng)強(qiáng)度約為(325±15)mT,采用定流退磁的方式對(duì)兩類磁鋼組件進(jìn)行退磁。退磁試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 鋁鎳鈷系列磁鋼組件定流退磁試驗(yàn)表(單位：mT)Tab.6 Experiment data of constant current demagnetization test with Al-Ni-Co magnetic steel(Unit: mT)

采用定流退磁的方式，根據(jù)指定退磁電流的大小進(jìn)行退磁操作,按照相關(guān)產(chǎn)品的使用性能要求,核算退磁電流,并檢測(cè)退磁后磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。退磁后可直接將組件安裝至伺服閥力矩馬達(dá)組件使用,不僅滿足了配套電液伺服閥正常工作的磁場(chǎng)要求,還大幅提高了退磁過程的合格率和退磁效率。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了等差電壓充磁及充磁后的高低溫溫度環(huán)境等各類試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明：磁鋼組件剩磁磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著充磁電壓的增加而增加,當(dāng)電壓達(dá)到一定程度時(shí),電壓增大磁鋼組件的磁場(chǎng)強(qiáng)度趨近飽和；此外，對(duì)充磁后的磁鋼組件進(jìn)行溫度環(huán)境考核,磁鋼組件的剩磁量穩(wěn)定,在設(shè)定的高溫及低溫溫度范圍內(nèi)磁鋼組件的磁性能幾乎不變。

本文分別利用交流脈沖電流充磁及交流恒流控制退磁的原理制作了充磁和退磁裝置,并進(jìn)行了相應(yīng)的充磁和退磁試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，所研制的伺服閥用精密充退磁裝置工作性能可靠，充磁和退磁參數(shù)穩(wěn)定，能夠滿足伺服閥的生產(chǎn)及交付要求,且各型伺服閥一次退磁合格率及充磁效率均得到了有效提高。