电磁衔铁的结构对提高电磁吸力的数值模拟

邵先锋

电磁衔铁的结构对提高电磁吸力的数值模拟

邵先锋

（贵州航天电器股份有限公司，贵州，550009）

为研究衔铁的形状对电磁脱落连接器电磁吸力的影响，利用电磁仿真软件模拟了不同形状的衔铁对磁场中磁力线的分布并分析了对磁力大小的影响，确定了衔铁的最优形状，并对其结构参数进行了优化。研究结果表明：在小行程的电磁分离机构中，优选截锥形衔铁，可使电磁吸力在0.5～2.5mm范围内输出恒力，大小约90N，为电连接器电磁分离机构中衔铁形状的选择及电磁力的提高提供了理论指导。

导弹；电连接器；电磁分离；电磁吸力；结构参数

0 引 言

直流电磁铁作为电控制元件的电-机械控制转换器，将电能转换成推力，是脱落电连接器中重要部件之一。在航天系统和武器系统工程中，安全可靠地实现插头与插座的自动分离对弹箭发射、级间分离或卫星分离具有重要意义[1]。以卫星分离为例，在分离装置解锁前约1 ms内，使电磁分离机构动作，实现插头与插座的分离，可使卫星避免因机械分离产生的附加力对卫星的运动姿态产生干扰，使卫星更准确地按预定轨道运动。南京航空航天大学的秦远田[2]通过建立电连接器分离动力学模型，分析了电连接器非正常分离对卫星的分离路径、分离速度和分离姿态的干扰。

电连接器自动可靠分离对航天发射意义重大，而对其影响最大的零部件就是电磁线圈中电磁衔铁的设计。目前，电磁衔铁的研究主要集中在一些研究机构，如湖南科技大学的胡燕平[3,4]分析了凸形衔铁结构对整体式隔磁套电磁铁位移-力特性的影响；吴波[5]通过建立电磁铁数学模型及物理模型研究了圆柱形衔铁的电磁铁磁场分布及吸力特性[6]；李勇[7]提出了一种梯形衔铁结构的大推程电磁分离机构，分析其在不同行程下的磁通分布与位移-力特性。随着航天系统工程和兵器装备工程的发展进步，进一步提高电磁推程力仍是一个热门的研究课题。本文在前人的基础上，通过不同形状的衔铁相对比的方法，深入分析了衔铁的截面形状结构对电磁铁行程-力特性的影响并确立了最优的衔铁结构。

1 电磁结构和工作原理

直流电磁铁分离机构如图1所示。电磁铁分离机构由衔铁、极靴、线圈、线圈骨架、弹簧、拉杆、外壳组成。线圈采用螺旋管式缠绕，装在线圈骨架、极靴和外壳之间，形成闭合的磁通回路。极靴一端设有不同形状的凸台（包括圆柱形、锥形、双锥形、喇叭形、郁金香形）如图2所示。利用凸台底部薄壁材料的局部磁饱和实现左右两侧磁路的通断。衔铁凹槽的形状与极靴的凸台一致。其中，衔铁、极靴和外壳采用软磁材料，拉杆采用非磁性材料。

图2 衔铁的截面形状

电磁结构的工作原理为：当线圈无电流流过时，推杆在弹簧力的作用下向上运动，使连接器插头与插座处于锁紧状态，此时反向拉动推杆可实现机械解锁；当线圈通电时，在衔铁、极靴和外壳中形成闭合的磁路，衔铁产生电磁力并克服弹簧的弹力使拉杆逆向运动，实现连接器插头与插座的分离。

2 数学模型

磁介质在外磁场的作用下，原子的磁偶矩发生定向偏转，产生磁场[8]。对于脱落电连接器，磁场的强弱严重影响着连接器是否正常解锁分离。对于铁磁材料，虽然磁导率很高，但仍有漏磁现象[9,10]。因此，在恒定电磁场中，磁场能量存在于铁磁材料和气隙中，由虚位移法计算得到的衔铁的电磁力[11]为

式中，分别为铁磁材料的磁场强度和磁感应强度；0，0分别为空气气隙的磁场强度和磁感应强度。

当衔铁衔铁与铁芯吸合时，线圈中电流不变，忽略边缘效应和漏磁现象，则存在铁磁材料中的磁场能量近似不变，则式（1）等于：

由磁通的定义得：

根据文献[3]，当衔铁处于额定行程位置时电磁力为

从式（4）、式（5）中可以看出，衔铁磁场力的大小受衔铁截面形状影响较大。因此，可以通过调整衔铁的截面形状，改变磁场力的大小。

3 仿真与分析

3.1 仿真模型

本文采用电磁仿真软件，利用有限线元法，建立了直流电磁铁仿真模型，如图3所示。模型关于轴对称，为简化模型，提高计算效率，采用柱坐标系建立1/2模型并在边界添加Balloon Boundary边界条件。衔铁、极靴和外壳使用非线性材料模型[11]，使用自适应网格法对模型进行划分，为提高计算精度，在电磁衔铁外表面进行了网格加密处理[12～14]。

图3 直流电磁铁仿真模型

3.2 仿真分析

3.2.1 不同形状的衔铁对电磁场分布的影响

为探求不同形状的衔铁对电磁吸力的影响，需对其磁场分布进行分析。类比恒定电流场转化为电路的方法，将恒定电磁场转化为磁路进行分析，即分析磁路中的磁通，其对应的矢量场为磁通密度，即磁感应强度。为直观地描述衔铁的形状对磁力线分布的影响，衔铁的形状设计为圆柱形、锥形、双锥形、喇叭形和郁金香形，如图2所示。取衔铁的初始行程为0.5 mm时，分析衔铁的形状对磁场分布的影响。

由于磁通量受气隙、衔铁和极靴端面形状的影响较大，取衔铁移动0.5 mm时的气隙中线为参考线，分析磁场强度的变化，因为衔铁移动相同距离时，参考线上的磁感应强度越大，说明该处的磁力线密集即磁通量大。图4为参考线磁感应强度的分布曲线。其横坐标仅代表参考线的长度，长短对结果分析无影响。

从图4a、图4b可以看出，圆柱形和锥形衔铁在气隙参考线上的磁感应强度约为恒定值，磁力线在气隙中均匀分布；从图4c、图4d可以看出，双锥形和喇叭形衔铁在气隙参考线上的磁感应强度受衔铁形状影响较大，磁感应强度先增大然后达到恒定值，且中间出现了波动，这是因为受到第2个锥角拐点的影响，使磁力线大小和方向都发生了变化，且磁力线在第2个锥角以后的气隙中较密；从图4e可以看出，郁金香形衔铁的磁力线分布为先密后疏。因此，研究衔铁在不同位置时，对电磁力有何影响具有重要意义。

3.2.2 衔铁的行程对电磁吸力的影响

不同的磁场分布，必然导致电磁场磁力发生变化。为更加清楚明了地表达衔铁的行程对电磁力的影响，对不同形状的衔铁在不同位置对磁场力的影响进行仿真分析，仿真结果如图5所示。

图5 行程-力变化曲线

从图5可以看出，圆柱形衔铁随着行程的增加，电磁吸力成反比例降低，与文献[3]研究结果一致。圆锥形、双锥形、喇叭形电磁衔铁随着行程的增加，电磁吸力出现先增加后减小的现象。分析原因为电磁衔铁在较小行程位置处时，衔铁与外壳接触面积减小，闭合磁路的磁场达到了磁饱和现象。郁金香电磁铁随着行程的增加，电磁吸力先减小后增加，分析原因为电磁衔铁在较小行程位置处与极靴接触面积大，电磁力较大，随着行程增加，二者间隙增加，磁阻增加，电磁力迅速下降，随着衔铁行程的增加，衔铁与极靴产生的磁阻小于衔铁与外壳产生磁通量时，磁力开始慢慢增加，当衔铁行程增加到一定程度后，磁阻较大，磁场力开始减小。

3.2.3 双锥角衔铁结构的优化

从图5还可看出，圆柱形衔铁行程越短电磁力越大，在较短行程是可以优先考虑的，但最大缺点是电磁力衰减极快；喇叭形衔铁从顶部到底部锥角逐渐增大，电磁力的输出比较大且稳定，但在生产加工时工艺性[15]不好，产品质量不易保证；双锥形衔铁相对喇叭形衔铁电磁力稍低，但便于生产加工，因此本文选用双锥形衔铁作为分析对象，对其结构进行优化分析。

由3.2.1分析得知，双锥形电磁衔铁的磁力线在拐角位置发生变化，则电磁力也一定变化，因此研究拐点位置能否提高电磁吸力具有重要意义。电磁衔铁的优化参数如图6所示，仿真结果如图7至图9所示。

图6 衔铁的参数

图7 的大小对电磁吸力的影响结果

图8 的大小对电磁吸力的影响结果

图9 衔铁的长度对电磁吸力的影响结果

从仿真结果图9可以看出，衔铁的长度也是影响电磁吸力的影响因素，当衔铁缩短0.5 mm时，电磁吸力稳定在90～95 N之间。

4 结 论

本文采用有限元法进行仿真模拟，分析了电磁铁的形状对电磁吸力的影响，得到如下结论：

a）不同形状的衔铁对磁力线在气隙中的分布影响不同。圆柱形和圆锥形衔铁的磁力线在气隙中均匀分布；双锥形和喇叭形衔铁的磁力线在气隙中的分布主要集中在第2锥角母线位置或喇叭形衔铁孔口边缘且呈均匀分布。郁金香形衔铁的磁力线主要集中在中心线位置，且受边缘的影响较大。

b）衔铁的截面形状以双锥形为最优。圆柱形衔铁对电磁吸力的影响最大，随着衔铁行程的增加电磁吸力衰减最快；喇叭形和双锥形衔铁对电磁吸力的影响较小，输出的电磁吸力比较稳定，但喇叭形衔铁可加工性最差，因此在电磁分析中，优选双锥形衔铁。

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Numerical Simulation of the Structure of Electromagnetic Armature to Improve Electromagnetic Attraction

Shao Xian-feng

(Guizhou Space Appliance Co. Ltd, Guizhou, 550009)

In order to study the influence of the shape of armature on the electromagnetic attraction of electromagnetic connector, alectromagnetic simulation software is used to simulate the distribution of magnetic force lines in magnetic field with different shapes of armature and analyze the influence on magnetic force, determine the optimal shape of armature, and optimize its structural parameters. The results show: in the small displacement electromagnetic separation mechanism, which can achieve a constant force of 90N in the range of 0.5mm to 2.5mm, which provides theoretical guidance for the improvement of electromagnetic force in the electromagnetic separation mechanism of electrical connector.

guided missile; electrical connector; electromagnetic separation; armature force; structural parameters

2097-1974(2023)01-0026-05

10.7654/j.issn.2097-1974.20230106

V447

A

2020-04-01；

2020-05-21

邵先锋（1990-），男，工程师，主要研究方向为电磁分离连接器。