铁心的导磁能力取决于磁性材料的磁导率μ 。根据磁导率的符号和大小, 磁性材料又可分为三类, 即逆磁性(μ < 1)、顺磁性(μ > 1)以及强磁性(μ > > 1)。其中, 顺磁性物质中各分子磁矩排序杂乱无章, 合磁矩为零, 对外不显磁性。一旦把顺磁性物质放入外磁场中, 在外磁场的作用下物质中分子就会排列规则, 且分子磁矩方向与外磁场几乎相同, 从而使总磁场增强。强磁性物质可以理解为顺磁效应更强的物质, 其磁导率最大能达到数十乃至数百万, 这类物质中使用最广泛的就是铁及其氧化物, 以及铁的合金, 即铁磁物质^[6]。

铁磁物质的选择主要考虑其饱和磁感应强度、矫顽力、磁导率、居里点、磁滞回线、磁滞损耗以及涡流损耗等。常用磁性材料通常分软磁材料和硬磁材料两种, 矫顽力较小的称为软磁材料, 这类材料导磁性较好, 而且涡流损耗和磁滞损耗(合称铁损耗)小, 在外磁场中容易被磁化并且剩磁容易消除, 对试验的准确度影响较小。而硬磁材料矫顽力大、磁滞效应明显且不容易消磁, 不适合做电磁元件的铁心, 但可以制成永久磁铁。综合考虑铁磁材料的相关特性, 本文所设计电磁铁的铁心采用软磁材料。对于直流电磁铁, 因直流无磁滞和涡流损耗, 铁心本身损耗小, 故可采用圆柱形工业纯铁。

为便于分析, 该装置的作用过程可以理解为无衔铁式电磁铁与永磁体间的斥力克服铁心与永磁铁间的吸力的过程, 即F_r=F_a。在满足抛载性能的情况下, 考虑到电磁铁结构设计的简化, 本文采用经验公式与试验研究相结合的方式对无衔铁式电磁铁进行参数设计与分析。根据体积最小化以及载荷设计要求, 铁心采用工业纯铁, 永磁体采用钕铁硼NdFeB系列的N35。电磁铁部分的结构示意图如图2所示, 电磁铁设计给定的结构参数如表1所示。由于设备浸泡在海水中, 散热性较好, 故对于电磁力的理论计算, 可以不考虑线圈通电产生的温升对线圈磁势及导磁材料磁阻的影响, 忽略导磁材料的磁滞效应, 假定材料均匀且各向同性。

图2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 电磁铁部分的结构示意图

表1

表1

表1 电磁铁设计给定的结构参数 序号 给定参数 参数值 1 线圈高度hc/mm 65 2 线圈直径dc/mm 13 3 导线直径de/mm 0.21 4 铁心高度hi/mm 65 5 铁心直径di/mm 11 6 工作气隙δ /mm 1 7 永磁体直径dp/mm 10 8 永磁体高度hp/mm 8

表1 电磁铁设计给定的结构参数

考虑到漏磁等因素, 永磁体与铁心间的磁吸力可近似用麦克斯韦公式表示为^{[7, 8, 9]}

Fa=1.51+aδ?Bp2Ap2μ0(1)

式中: F_a— — 所需电磁吸力;

B_p— — 永磁体与铁心作用面处的磁感应强度;

A_p— — 永磁磁路有效横截面积;

μ ₀— — 真空磁导率;

a— — 修正系数, 随间隙大小递增, 通常取3~5。

根据磁路计算的基本公式^[10], 磁感应强度可表示为

Bp=μ0Hch2h2/μr+δ+d2+h2(2)

其中, 真空磁导率μ ₀=4π × 10^-7 H/m, 矫顽力H_c=890 kA/m。永磁体剩磁感应强度B_r=1.25 T, 永磁的相对磁导率μ _r=B_r/(μ ₀H_c)=1.124, 结合表1的相关数据, 则有B_p=0.343 T。磁路有效截面积A_p=π dp2/4=7.85× 10^-5 m², 由于间隙很小, 故修正系数a取3, 则永磁体与铁心间的磁吸力F_a≈ 5.5 N。在永磁体与铁心间垫1 mm的塑料板, 沿水平方向用测力计实测永磁体与铁心间的吸力约为6 N。虽然实测值与理论计算结果有偏差, 但基本可以说明根据式(1)、式(2)所求得的磁吸力具有较大的可信度。考虑到图2结构中电磁铁与永磁体姿态的变化6, 以及永磁体压载质量0.4 kg, 则电磁铁释放永磁体压载所需的最大电磁斥力F_rmax=10 N。

电磁悬浮方式的电磁斥力可表示为^[11]

Fr=μ0(IN)2Ai4δ2(3)

式中: IN— — 电磁铁的安匝数, I为线圈电流, N为线圈匝数;

A_i— — 电磁磁路有效横截面积。

根据表1, A_i=π di2/4=9.5× 10^-5 m², 电磁斥力取最大值F_rmax=10 N, 根据式(3)可知电磁铁所需安匝数IN=579 A。

电磁铁工作状态下, 电流通过励磁线圈产生磁势, 要使产生的磁势满足前面所计算出的安匝数, 就要建立电压方程。对于直流电磁铁, 线圈电压方程为

U=IRx=INρe·πDqe(4)

其中, D=(d_c+d_i)/2, q_e=π de2/4。

式中: R_x— — 线圈电阻;

q_e— — 导线截面积;

ρ _e— — 导线相应温度电阻率, 已知铜导线在105 ℃时取2.23× 10^-8 Ω · m;

D— — 线圈平均直径。

根据上述分析以及表1的设计参数可知, q_e≈ 0.035 mm², 从而有线圈电压为13.9 V。

电磁铁的工作状况有长时间工作制、反复短时工作制、短时工作制三种^[8]。由于线圈内阻的影响, 电磁铁的工作时长直接影响线圈导线的发热程度。为了防止线圈因过热而烧毁, 需要根据不同的工作制来规定线圈导线的容许电流密度。直流供电情况下, 为实现快速抛载, 通电时间必须尽可能短, 采用短时间工作制, 线圈导线电流密度j取15 A/mm², 导线所允许电流I= jq_x≈ 0.525 A, 线圈匝数N≈ 1 103。电磁铁设计的理论计算参数如表2所示。

表2

表2

表2 电磁铁设计的理论计算参数 序号 计算参数 参数值 1 安匝数IN/A 579 2 最少线圈匝数N 1 103 3 允许通电电流I/A 0.525 4 对应安匝数下的供电电压U/V 13.9

表2 电磁铁设计的理论计算参数

为实现有效抛载, 必须保证给电磁铁通电瞬间, 线圈中流过足够大的电流, 这样电磁铁才能产生足够大的电磁斥力来克服永磁体与铁心间的吸力。本文设计的触发电路中供电电源采用超级电容, 控制开关采用功率开关管IRF540, 控制开关接收浮标主控电路的控制信号完成电磁铁线圈的电源通断功能。超级电容功率密度高、超低温特性好、瞬间大电流放电能力超强, 完全满足电磁铁导通瞬间所需的大电流。功率MOSFET具有驱动电路简单、功耗低、开关速度快等优点。两者结合构成的触发电路不仅可以简化电路结构, 更重要的是可以提高控制电路的可靠性。抛载系统电路结构如图3所示。

图3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 抛载系统电路结构

根据表1和表2给出的电磁铁参数以及图3的电路结构, 在实验室环境搭建了测试装置, 并通过调整相关参数对电磁铁工作性能进行测试。测试装置如图4所示。

图4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 测试装置

基于图4的测试装置, 分别调整无衔铁式电磁铁的线圈匝数、电源电压进行电磁铁特性测试。线圈匝数一定的情况下, 电磁斥力随电源电压的变化情况如图5所示。

图5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 电磁斥力随电源电压的变化情况

由图5可知, 为了保证抛载时能够提供足够的电磁斥力, 电磁铁的电源电压应高于14 V, 即所设计电磁铁的安匝数应高于580 A。实测电源电压高于13 V的情况下, 样机就可以完成抛载动作。因所设计浮标系统的电源电压为14.8 V, 抛载系统中超级电容的充电电源来源于浮标系统电源, 所以样机测试电源采用14.8 V电压, 则实际安匝数高于580 A。电源电压维持不变的情况下, 电磁斥力随线圈匝数的变化情况如图6所示。

图6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 电磁斥力随线圈匝数的变化情况

由图6可见, 由于线圈电源电压保持14.8 V不变, 即电磁铁的安匝数不变, 在改变线圈匝数的情况下, 线圈电阻发生变化, 线圈电流也随之变化, 但电磁力基本维持在约10 N。试验过程中发现, 线圈匝数为900匝时也能够实现抛载功能, 只是经过多次试验后, 线圈略微发热, 主要因为电流增加的缘故。基于表1给出的设计参数, 综合考虑抛载系统自身的质量, 最终确定所设计电磁铁的线圈匝数为1 100匝。经过大量试验测试, 结果表明所设计样机均可实现0.4 kg压载的可靠释放。