热变形纳米晶永磁环自锁阀锁闭特性研究

柳 珊，张晓东，陈 健

（上海空间推进研究所，上海201112）

0 引言

宇航推进系统高压部分配置有高压自锁阀，在系统中高压自锁阀的功能是连通或切断高压气源。自锁阀是一种具有位置自保持功能的电磁式阀门，其动作过程通常是给驱动线圈施加具有一定幅值和宽度的脉冲电流来改变阀门的状态，在去掉激励电流后，阀门状态靠锁位机构保持不变。自锁阀要实现无源自保持特性，关键在于锁位机构，目前国内外应用最广泛的锁位机构为永磁锁位，即通过永磁铁产生的永磁力将阀门保持在开启（或关闭）状态，而不需要任何电源。

永磁环性能的高低及体积的大小在很大程度上决定了自锁阀的体积和重量。现采用的烧结式Nd-Fe-B磁环厚度一般在5 mm左右，在目前的工艺下，减少壁厚将使永磁的充磁难以饱和，反而降低永磁的磁能积。相对于烧结式磁环，热变形纳米晶Nd-Fe-B磁环具有高磁能积，可制备成高壁、薄壁或小尺寸的磁环，且其环境稳定性更好。因此，为提高自锁阀的环境稳定性及减小自锁阀的体积、重量，可采用热变形纳米晶Nd-Fe-B磁环。

1 国内外热变形磁体技术发展现状和趋势

美国通用电气、德国O Gutfleisch及日本Daido制钢等公司对热变形磁体各向异性形成机制、影响形变速率的因素以及元素添加对变形能力和磁性能影响等问题进行了研究；国内北京钢铁研究总院较早对热变形磁体基础理论和工艺进行了研究，同时在热压磁环应用领域进行了大量研究。

德国Dresden固体所及日本大同制钢公司已成功地将热压环应用于无刷伺服电机，使电机的效率显著提高。北京钢铁研究总院长期从事辐向和多级磁环的研制，获得了多项辐向、多织构磁环制备及充磁技术的国家发明专利，承担过多项永磁环的军工任务，广泛应用于航天、航空军工型号。

国内目前是北京钢铁研究总院拥有试验及批量生产的快淬设备，对于快淬带制备积累了丰富经验，承担过多项快淬技术相关国家课题，并申请了多项国家发明专利。通过对热压环成分、工艺和模具设计等长期研究，成功解决了小尺寸磁环热挤出过程中的开裂问题。针对热压工艺特点，进一步设计制造了适用于纳米晶磁体热变形的热压设备。其快速升温、降温，以及位移控制和压力控制兼备的特点满足了热压环制备对工艺条件的要求，并在国内首先成功制备出高性能热压环。

2 纳米晶永磁环在自锁阀中的研究应用

2.1 自锁阀工作原理

典型的自锁阀结构图如图1所示。

工作原理如下：阀门处于关闭状态，开线圈通电，衔铁带动阀芯组件运动到开的位置，开线圈断电，在永磁铁永磁力的作用下，衔铁保持在开启位置；反之，关线圈通电，衔铁带动阀芯组件运动到关闭位置，关线圈断电，衔铁在锁闭磁环磁力的作用下保持在关闭位置。

新材料在自锁阀中的主要用途是提高永磁铁的磁性能，增加锁闭力。对自锁阀的好处是提高产品的锁闭性，比如提高阀门抗冲击能力和承压能力。高性能永磁材料应用，可以缩小永磁铁的尺寸，减小线圈结构，相同条件下，自锁阀的重量较轻。

2.2 磁性能要求

烧结Nd-Fe-B磁体和热变形纳米晶Nd-Fe-B磁体的磁性能对比如表1所示。

表1 烧结磁体和热变形纳米晶磁体磁性能对比Tab.1 Performance comparison of sintered and nano magnets

从以上对比可得出，纳米晶热变形磁环各项磁性能要求均比现阶段使用的烧结磁环的磁性能更高。

2.3 数值仿真计算

对所研究的自锁阀进行数值仿真，装有热变形纳米晶磁环、烧结磁环，阀门处于开、关位置时的磁感应强度见图2～图5所示。

根据仿真计算的结果可知，图2所对应的磁感应强度范围约为0.4～1.0 T；图3所对应的磁感应强度范围约为0.6～1.4 T；图4所对应的磁感应强度范围约为0.4～1.0 T；图5所对应的磁感应强度范围约为0.6～1.4 T。

仿真结果表明，装有热变形磁环的自锁阀模型的磁感应强度大于装有绕结磁环的自锁阀模型的磁感应强度，比例约为40%。

2.4 两种自锁阀实测数据对比

在完成对热变形纳米晶永磁环的设计制造和性能测试之后，生产了4件新型永磁环自锁阀试件。在某原有自锁阀的壳体组件基础上进行自锁阀的生产，除永磁环采用新型的热变形纳米晶磁环（与原自锁阀烧结永磁环的尺寸完全一样，为Φ36×Φ27×4）外，其余零组件均使用原自锁阀所用的零组件。

通过测试自锁阀产品的开、关位锁闭力来测试永磁环的性能。对装有热变形纳米晶、烧结磁环的两种自锁阀产品的锁闭力实测数据进行对比，验证热变形纳米晶Nd-Fe-B永磁环能的性能。表2为装有烧结永磁环的自锁阀锁闭力测试数据，表3为装有热变形纳米晶永磁环的自锁阀锁闭力测试数据。

表2 装有烧结永磁环的自锁阀测试数据Tab.2 Measured data of latching valve with sintered magnet-ring

表3 装有热变形纳米晶永磁环的自锁阀测试数据Tab.3 Measured data of latching valve with nano magnet-ring

从表2和表3可以看出，采用热变形纳米晶永磁环后，开、关位锁闭力有显著增加。可见，在保持永磁环尺寸不变的情况下，热变形纳米晶永磁环的性能相比烧结永磁环有很大提高。

应用高性能纳米晶热变形永磁环初步成果，可进行自锁阀的改进研制，在保持永磁力不变的情况下，自锁阀产品的重量和体积均可减小。

3 结束语

对自锁阀永磁环的研究表明，热变形纳米晶永磁材料能够有效提高自锁阀锁闭性能，使自锁阀体积更小、重量更轻，具有良好的应用前景。

[1]廖湘恩.航空电器[M].北京:国防工业出版社,1981.

[2]赵博.Ansoft12在工程电磁场中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[3]刘国强.Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北京:电子工业出版社,2005.

[4]周寿增.超强永磁体[M].北京:冶金工业出版社,1999.

[5]肖耀福,裘宝琴,孙爱芝,刘旭波.钕铁硼永磁的将来[J].磁性材料及器件,2002,1(33):21-24.

[6]井浩宇,齐宇轩,孟士超.快淬工艺制备钕铁硼纳米复合稀土永磁材料[J].金属功能材料,2009(7):15-19.

[7]李卫,朱明刚.高性能稀土永磁材料及关键制备技术的研究[J].中国有色金属学报,2004,2(14):20-24.

[8]范钦珊.压力容器的应力分析与强度设计[M].北京:原子能出版社,1999.

[9]曹泰岳.火箭发动机动力学[M].长沙:国防科技大学出版社,1999.