程控步进衰减器的电磁机构设计

2021-06-24操基德

机电元件 2021年3期

关键词：衰减器铁氧体程控

操基德

（中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010）

1 前言

程控步进衰减器广泛应用于宽带频谱仪、宽带矢量网络分析仪等微波测试仪器中，实现对输入信号电平幅度的步进衰减。

本文开展了应用于程控步进衰减器的多极连体式电磁机构的结构设计。该电磁机构采用模块化级联式设计，整体结构体积小，易于衰减量的自由组合，具有安装精度高、可靠性高、重复性好等特点。

2 结构设计

2.1 技术指标

程控步进衰减器电磁机构是程控步进衰减器实现程控、步进功能的关键部件。按照要求的衰减量，电磁机构接收驱动电平后，动铁芯能立即动作，通过顶针推动边缘线变形，顶针带动每个衰减单元的簧片在直通片和衰减片之间转换，使微波信号从直通变为衰减状态或者从衰减变为直通状态。当驱动电平消失后仍能依靠永磁体磁力维持当前的工作状态，程控步进衰减器电磁机构主要技术指标列示如下。

工作温度：－55℃～＋85℃；

行程：1.1mm；

静态保持力：0.75N～1.2N；

绝缘电阻：≥1000MΩ；

介质耐压：500Va.c。

2.2 整体结构及工作原理

电磁机构整体结构主要由永磁磁铁、连体式导磁腔、动铁芯、轭铁以及电磁线圈等组成。以四极产品为例，结构示意图见图1。

图1 一体化多极式电磁机构结构示意图

连体式导磁腔内部固定电磁线圈，工字型动铁芯穿过电磁线圈，在导磁腔每一极的后表面分别固定一块永磁磁铁，每一极通过外围的轭铁形成一个封闭的磁路结构。磁路原理图如图2所示。它的工作气隙内同时有两个独立的磁通，其一为极化磁通，其二是工作磁通，极化磁通由永久磁铁产生，而工作磁通由工作线圈产生，其大小和方向取决于工作线圈的电流大小和方向。

图2 步进衰减器电磁机构磁路系统原理图

当电磁线圈无驱动电平时，只有极化磁通所产生的吸力作用在动铁芯上。通过腔体的极化磁通分成两部分：上工作气隙δ上的磁通φm1以及通过下工作气隙δ下的磁通φm2。动铁芯停留在δ上（δ上＜δ下）或者停留在δ下（δ上＞δ下），而中间位置是不稳定的。从而使边缘线保持在直通或衰减状态。

当电磁线圈Ⅰ在接受驱动电平后，产生的电磁磁通φd在气隙δ上和永久磁铁磁通φm1方向相反，使该气隙的合成磁通减少为φm1－φd，而在气隙δ下和永久磁铁磁通φm1方向相同，使该气隙的合成磁通增加为φm1＋φd。当驱动电平达到某一数值，即达到启动电压时，动铁芯将进行转换动作，带动边缘线进行切换。

反之，当需要动铁芯反向动作时，需在电磁线圈Ⅱ施加驱动电平，产生的电磁磁通与线圈Ⅰ的磁通相反。同理动铁芯也将进行转换动作，带动边缘线进行切换。

该电磁机构具有以下几个特点：

a）电磁线圈断电后，动铁芯仍能保持在原来通电状态，具有“记忆”功能。实现了衰减通道的不同组合，达到调整衰减量的目的。

b）灵敏度高，使机构动作所需要的线圈功率小，动作后不再消耗功率，适用于低功耗的场合，便于编程驱动控制。

c）由于永久磁铁的作用，动铁芯保持力较大，提高了程控步进衰减器乃至整台测试仪器的倾斜跌落、冲击等环境试验的可靠性。

3 静态保持力的仿真设计

3.1 仿真建模

Maxwell软件目前是一种使用广泛的电磁场有限元分析软件。能够自动计算电磁力、转矩等。在Pro／E中建立好电磁机构的三维模型，然后导入到Maxwell中，在Maxwell中设置好电磁机构各零件的材料，如表1。

表1 电磁机构各零件材料

以动铁芯所受的静态合力为求解参数，仿真模型见图3。

图3 电磁机构仿真模型

电磁机构的零件材料主要为电磁纯铁（DT4C），其磁化曲线如图4所示。在电磁机构工作时，动铁芯的磁感应强度应该足够大，以产生较大的电磁吸力，同时又不能使动铁芯磁化饱和，降低磁化效率。电磁纯铁DT4C的工作点在磁化曲线的膝点附近，其工作磁感应强度为1.5～1.8T之间较为合理。

图4 DT4C电磁纯铁磁化曲线

3.2 静态保持力的仿真设计

当工作行程、基本结构形式确定以后，电磁机构的静态保持力就成为设计的主要参数。静态保持力决定于器件的结构及所用的材料。两导磁体间的吸力与工作间隙的磁感应强度B2成正比，因此通过提高磁感应强度B，可以更有效的提高保持力。静态状态下磁感应强度与永久磁铁直接相关，因此在结构不变的情况下，分别使用Y10T铁氧体、Y15铁氧体、Y20铁氧体进行仿真，所得静态保持力如表2所示。