CN104335717B - 低磁环境磁场中卫星部件充退磁设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种卫星部件在低磁环境磁场中的充退磁方法，直流充磁可改善磁稳定性，提高充磁后的退磁效果，交流退磁破坏取向一致的磁畴，在抵消地磁场的近零磁空间内施加交流磁场，使退磁场缓慢减小而趋于零，恢复到杂乱无章状态。试件退磁应先充磁。充退磁设备包括南-北和天-地向近零磁线圈系统，方形主框架最大边长3.6m，退磁强度±50-0.005Gs，退磁剩余磁场±5mGs，均匀度500nT；充退磁线圈系统螺旋管内径1.5m，长1.8m，厚10mm，中央最大充磁强度±25Gs，最大退磁强度±50Gs；电源设计交直流电流、工作模式和衰减方式可选以及退磁频率与充退磁时间设定，退磁效果优于90％。

Description

低磁环境磁场中卫星部件充退磁设备

技术领域

本发明涉及一种卫星部件的充退磁方法，特别是在低磁环境磁场中卫星部件的充退磁方法及其充退磁设备。

背景技术

在卫星研制中，从零部件组装、地面环境模拟试验和运输，到卫星发射，都要经受各种外磁场的磁化作用。对磁性较大的卫星组件和部件都要进行退磁处理，以达到减小磁矩的目的。为此，卫星磁试验中，充退磁是必要环节。建立卫星部件充退磁设备，可对一些磁性较大的卫星部件进行充退磁试验。充磁不是为了增加磁性，而是为了改善磁稳定性，充磁是给充退磁线圈通以直流电流，使放置于充退磁线圈中的试件产生磁化作用，提高试件充磁后的退磁效果；退磁是给充退磁线圈通以交流电流，使放置于充退磁线圈中的试件产生磁化作用，破坏试件因磁化而取向一致的磁畴，使它恢复到杂乱无章的状态。在交流退磁中，必须在抵消地磁场的近零磁空间内施加交流磁场，试件的磁性以磁滞回线(即B-H曲线)变化，其初始值一定要高于充磁场。

现有的手提式消磁器，仅能对一些较小的部件或部件的局部进行退磁。由于受到线圈尺寸、磁场强弱、充退磁时间间隔以及手提移动 不稳定性等因素的影响，不易规范操作，特别是对一些体积大、形状复杂的部件，充退磁效果不够理想。由于对卫星部件的退磁不够理想，其结果将导致在轨运行的卫星总是保持较大的磁矩，增加了卫星姿态控制系统控制和稳定卫星姿态的难度，因而影响了卫星长期稳定工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服手提式消磁器只能对一些较小的部件或者部件的局部进行退磁的不足，提供一种在低磁环境磁场中适合于体积较大、形状较复杂，并由不同材料制造的卫星部件的充退磁方法及其充退磁设备。

本发明所采用的技术方案，在低磁环境磁场中，充磁是对充退磁线圈通以直流电流，使放置于充退磁线圈中的试件产生磁化作用，改善试件的磁稳定性，以提高试件充磁后的退磁效果；退磁是对充退磁线圈通以交流电流，使放置于充退磁线圈中的试件产生磁化作用，破坏试件因磁化而取向一致的磁畴，抵消地磁场的近零磁空间施加的交流磁场，使退磁场以一定的速率按指数或直线衰减，并缓慢地减少而趋于零，恢复到杂乱无章的状态，以达到最佳的退磁效果。

卫星部件的充退磁方法，包括下列步骤：

(1)对南-北方向和天-地方向近零磁线圈系统通以直流电流，使之产生磁场，以抵消南-北方向和天-地方向的地球磁场；

(2)将试件放入充退磁线圈系统内；

(3)接通充退磁电源，选择直流充磁工作模式，设定充磁电 流值和充磁时间；

(4)启动设备自动运行，到达充磁时间停止运行，充磁结束；

(5)试件若要退磁，按照退磁应先充磁的要求，完成上述充磁步骤(1)-(4)后，再次启动充退磁电源，选择交流退磁工作模式和交流电流衰减方式；

(6)设定交流退磁电流值、交流退磁频率值和退磁时间；

(7)启动设备自动运行，到达退磁时间停止运行，退磁结束。

本发明卫星部件的充退磁设备，由抵消地磁场的近零磁线圈系统、充退磁线圈系统、电源系统和操纵装置等组成。所述近零磁线圈系统包括一对由铝框架和线圈绕组组成的南-北方向方形亥姆霍兹线圈系统[6]和一对由铝框架和线圈绕组组成的天-地方向方形亥姆霍兹线圈系统[7]，近零磁线圈系统的框架采用磁化率为10^-6的铝框架方形结构，所述的框架由产生南-北方向补偿磁场的垂直线圈对、产生垂直方向补偿磁场的水平线圈对和调节线圈整体水平并支撑与连接两组线圈的底座[23]及支撑架[11]四部分组成，南-北方向的垂直线圈套在水平线圈里面，分别对称放置，框架线槽内绕有抵消地磁场的绕组，近零磁线圈系统的框架的最大边长为3.6m，退磁场强度为±50-0.005Gs，退磁剩余磁场±5mGs，均匀度为500nT，有效范围在均匀区内直径为0.8m的球域；所述充退磁线圈系统采用充退磁螺旋管[2]，包括螺旋管骨架和线圈绕组两部分，用于缠绕充退磁线圈绕组，由高强度环氧玻璃纤维复合材料制造，螺旋管内径1.5m，长1.8m，管壁厚10mm，有效空间直径为0.8m球域，螺旋管中央最大充磁场强度为±25Gs，最大退磁场强度为±50Gs-0.005Gs，退磁剩余磁场为±5mGs，退磁场的衰减特性采用交流电流衰减 方式，卫星部件退磁时，螺旋管安装在小车上可随小车移动，从南-北方向进出近零磁线圈系统，充磁时，最大磁场不超过30×10^-4T，退磁的初始磁场选取50×10^-4T，可使低矫顽力的软铁磁材料完全退磁，该初始磁场不影响强磁体的磁矩，不改变含有这些磁体元器件的卫星部件的工作状态；所述电源系统包括南-北方向抵消地磁场电源[8]、天-地方向抵消地磁场电源[9]、充退磁电源[10]以及用于监测电流的数字电流表和电阻箱，南-北方向和天-地方向抵消地磁场电源，采用可调数字式直流恒流稳压电源，不确定度为1×10^-4，电压输出为0～120V，电流输出为0～2A；充退磁电源设计直流充磁和交流退磁两种工作模式，设计有电压显示，输出对地浮空：对输入过压、欠压、缺相和输出开路与短路设计有保护措施，并能发出声光报警；直流充磁工作模式电压输出为0～120V，交流退磁工作模式电压输出为0～300V，其中直流电流和交流电流可调节；所述操作装置包括升降式小支架[3]、小车[4]、导轨[5]、支撑架[11]、基座[12]和调整机构[13]，其中导轨[5]及其支撑脚[20]组成平台[1]，导轨[5]可承重500Kg，用于承载小车[4]、充退磁螺旋管[2]和安放在充退磁螺旋管[2]内的升降式小支架[3]及其放置在小支架[3]上的试件；所述的小车[4]由1.6m×2m，厚15mm铝板承载面[17]、铝杆把手[18]和无磁轮[19]组成，其中无磁轮[19]采用可水平调节的支撑型机器脚轮，顶端设计有4个安装孔，通过安装孔使无磁轮[19]与承载面[17]牢固连接；升降式小支架[3]由0.8m×0.8m，厚0.01mm的方形台面[21]、剪刀型交叉升降调节装置[22]和底座[23]组成，采用铜、铝或其他无磁性材料制成，升降式小支架[3]安放在充退磁螺旋管[2]内，可承载卫星充退磁试验部件50Kg。

附图说明

下面通过附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明，其中：

图1：卫星部件充退磁设备结构示意图；

图2：近零磁方形亥姆霍兹线圈系统主框架剖面示意图；

图3：水平线圈对与垂直线圈对框架连接示意图；

图4：铝制小车示意图；

图5：无磁性铝制导轨示意图；

图6：铝制可升降小支架示意图。

具体实施方式

本发明卫星部件的充退磁设备由近零磁线圈系统、充退磁线圈系统、电源系统和操作装置组成，如图1所示，包括平台1、充退磁螺旋管2、可升降小支架3、小车4、导轨5、南一北方向方形亥姆霍兹线圈系统6与天一地方向方形亥姆霍兹线圈系统7、南一北方向抵消地磁场电源8与天一地方向抵消地磁场电源9和充退磁电源10以及支撑架11、基座12、调整机构13等。

所述操作装置，包括可升降小支架3、小车4、导轨5、支撑架11、基座12和调整机构13等，如图5所示，由无磁性铝制件(LC9，上海广亚铝型材厂生产)制成的导轨5及其支撑脚2组成平台1，可承重500kg，用于承载小车4、充退磁螺旋管2和安放在充退磁螺旋管2内的可升降小支架3以及放置在可升降小支架3上的试件，导轨5长6m(双轨)，承载充退磁螺旋管2的小车4可根据试验的要求在导轨5上移动。

如图4所示，小车4由1.6m×2m铝板(LY12，上海广亚铝型材厂生产)承载面17(厚15mm)，铝杆((LY12，上海广亚铝型材厂生产)把手18和无磁轮19组成，无磁轮19采用可水平调节的支撑型机器脚轮，顶端设计有4个安装孔，通过安装孔使无磁轮19与承载 面17牢固连接。

如图6所示，可升降小支架3由0.8m×0.8m方形台面(厚0.01m)21，剪刀型交叉升降调节机构22和底座23组成，采用铜、铝或其他无磁性材料(H62、LY12，上海广亚铝型材厂生产)制成，可升降小支架3安放在充退磁螺旋管2内，可承载卫星充退磁试验部件50kg。

所述近零磁线圈系统由一对由铝框架和线圈绕组组成的南-北方向方形亥姆霍兹线圈系统6和一对由铝框架和线圈绕组组成的天-地方向方形亥姆霍兹线圈系统7组成。近零磁线圈系统的框架采用磁化率为10^-6的铝框架方形结构，所述的框架由产生南-北方向补偿磁场的垂直线圈对、产生垂直方向补偿磁场的水平线圈对和调节线圈整体水平，并支撑与连接两组线圈的底座及支撑架等三部分组成，南-北方向的垂直线圈套在水平线圈里面，分别对称放置，框架线槽内绕有抵消地磁场的绕组。南-北方向方形亥姆霍兹线圈系统6缠绕线圈绕组，用于抵消地球南-北方向地磁场；天-地方向方形亥姆霍兹线圈系统7缠绕线圈绕组，用于抵消地球天-地两个方向的地磁场。

近零磁线圈系统的框架的均匀度根据充退磁衰减系数确定，由于设备电性能的原因，磁场的衰减不能达到零值，退磁场强度取值为±50-0.005Gs，退磁剩余磁场为±5mGs，近零磁线圈系统的框架的均匀度为500nT，退磁效果可满足要求；根据卫星部件的通常尺寸，均匀区的直径比理论区要小，确定均匀区为0.8m的球域，可满足卫星部件安放空间的要求；框架最大边长为3.6m，采用方形亥姆霍兹线圈结构，可满足卫星部件的试验要求，并能达到最佳的退磁效果。

为保证线圈的垂直度、平整度和连接的牢固性，两组线圈框架采用特制的非标铝型材(LD31，上海广亚铝型材厂生产)，铝槽剖面14和导线绕组剖面15如图2所示，支撑架与水平线圈对的连接以及支撑架底座采用角铝，底边设计有3个由H62铜制成的调节螺丝13，通过调节螺丝13可调节系统至水平，水平线圈对框架与垂直线圈对框架各自选用角铝连接，角铝剖面16如图3所示。

所述充退磁线圈采用螺旋管2，包括螺旋管骨架和线圈绕组两部分，用于缠绕充退磁线圈绕组，由高强度环氧玻璃纤维复合材料制造。螺旋管的大小由均匀区、卫星部件尺寸、进出口通道和采用线圈的类型确定，螺线管内径为1.5m，长1.8m，管壁厚10mm，有效空间直径0.8m球域，螺旋管中央产生的最大充磁场强度为±25Gs、最大退磁场强度为±50-0.005Gs，退磁剩余磁场为±5mGs。

交流退磁是在方形亥姆霍兹线圈系统抵消地磁场后，对螺旋管内的近零磁空间中施加交流磁场进行的。退磁时，螺旋管安装在小车上，从南一北方向进出零磁场线圈系统。考虑到卫星部件在加工、运输和地面环境模拟试验时可能经受最大环境磁场，充磁时，最大磁场的选择一般不超过30×10^-4T；退磁时，对使用铁磁材料的卫星部件，最大磁场可选用等于或超出材料的最大矫顽力，这个场值能够较好地除去材料饱和以前引起的磁化。退磁的初始磁场值选取50×10^-4T可使低矫顽力的软铁磁材料完全退磁，该初始磁场值不会影响诸如铷铁硼、镍铬钴等强磁体的磁矩。因此，不会改变含有这些磁体元器件的卫星部件的工作状态。根据卫星退磁材料的多样性，退磁场的衰减特性可采用指数衰减和直线衰减两种方式，本发明采用交流电流衰减方式。

电源系统包括南-北方向抵消地磁场电源8、天-地方向抵消地磁场电源9、充退磁电源10以及用于监测电流的数字电流表和电阻箱等。

南-北方向和天-地方向抵消地磁场电源，采用上海中测电子有限公司制造的型号为DF1782SL2A的可调数字式直流恒流稳压电源，不确定度为1×10^-4，电压输出为0～120V，电流输出为0～2A。

充退磁电源采用上海704所制造的具有直流充磁和交流退磁功能的电源，设计有直流充磁和交流退磁两种工作模式，输入和输出设计有电压显示，输出对地浮空：对输入过压、欠压、缺相和输出开路与短路等设计有保护措施，并能发出声光报警。直流充磁工作模式，电压输出0～120V，电流变化范围：-10A～10A，分10档，每档2A 任选，直流充磁时间：1s～60s，每档1秒任选；交流退磁工作模式，电压输出0～300V(连续可调)，电流变化范围：-15A～15A，分10档，每档3A任选，交流充磁时间：1s～60s，每档1秒任选，交流退磁频率变化范围：0.1～1.0Hz，每档0.1Hz任选，采用交流电流衰减方式。

充退磁电源的电流输出，采用苏州固纬电子有限公司制造的型号为GDM-8145的半数字式电流表监测；采用上海精密科学仪器有限公司制造的型号为ZX25a的电阻箱，电阻箱的阻值为0～9999.9Ω。

本发明的具体充退磁方法是：

(1)接通南-北方向抵消地磁场电源8和天-地方向抵消地磁场电源9，分别对南-北方向方形亥姆霍兹线圈系统6和天-地方向方形亥姆霍兹线圈系统7通以直流电流，设定电压值：120V(DC)，电流为1.10A～1.15A任一数值，电阻为106Ω-107Ω任一数值，较好的电流值为1.13A和较好的电阻值为106.2Ω，用数字电流表监测，并把电阻箱调节到要求的阻值，使之产生34000nT的磁场，以抵消南-北方向和天-地方向的地球磁场。

(2)将试件放入充退磁螺旋管2内的可升降小支架3上，从南-北方向进出近零磁线圈系统，可根据试验要求移动小车4，使充退磁螺旋管沿导轨移动；

(3)接通充退磁电源10，选择直流充磁模式；

(4)设定充退磁电源10的电压值：120V(DC)；充磁电流选取：-10A，-8A，-6A，-4A，-2A，0，2A，4A，6A，8A，10A任一档数值；较好的充磁电流为-6A，-4A，-2A，0，2A，4A，6A任一档数值；最好的直流充磁电流为-4A或4A；充磁时间选取：1s，2s，3s，4s……58s，59s，60s任一档数值；较好的充磁时间为25s，26s，27s，28s，29s，30s，31s，32s任一档数值。

(5)启动设备自动运行，到达充磁时间停止运行，充磁结束。

(6)试件若要退磁，按照退磁应先充磁的要求，完成上述充磁步骤(1)-(5)后，再次启动充退磁电源，选择交流退磁工作模式和交流电流衰减方式；

(7)设定充退磁电源10的电压值：300V(AC)；退磁电流选取：-15A，-12A，-9A，-6A，-3A，0，3A，6A，9A，12A，15A任一档数值，较好的退磁电流为一9A或9A；退磁频率选取：0.1Hz，0.2Hz，0.3Hz，0.4Hz，0.5Hz，0.6Hz，0.7Hz，0.8Hz，0.9Hz，1.0Hz任一档数值，较好的交流退磁频率为0.5Hz；退磁时间选取：1s，2s，3s，4s……58s，59s，60s任一档数值；较好的充磁时间为30s。

(8)启动设备自动运行，到达设定值停止运行，退磁结束。

采用上述充退磁方法及其充退磁设备，可使卫星部件的退磁效果优于90％。

Claims (1)

1. 一种卫星部件在低磁环境磁场中的充退磁设备，其特征在于：由近零磁线圈系统、充退磁线圈系统、电源系统和操作装置组成，所述近零磁线圈系统包括一对由铝框架和线圈绕组组成的南-北方向方形亥姆霍兹线圈系统[6]和一对由铝框架和线圈绕组组成的天-地方向方形亥姆霍兹线圈系统[7]，近零磁线圈系统的框架采用磁化率为10^-6的铝框架方形结构，所述的框架由产生南-北方向补偿磁场的垂直线圈对、产生垂直方向补偿磁场的水平线圈对和调节线圈整体水平并支撑与连接两组线圈的底座[23]及支撑架[11]四部分组成，南-北方向的垂直线圈套在水平线圈里面，分别对称放置，框架线槽内绕有抵消地磁场的绕组，近零磁线圈系统的框架的最大边长为3.6m，退磁场强度为±50-0.005Gs，退磁剩余磁场±5mGs，均匀度为500nT，有效范围在均匀区内直径为0.8m的球域；所述充退磁线圈系统采用充退磁螺旋管[2]，包括螺旋管骨架和线圈绕组两部分，用于缠绕充退磁线圈绕组，由高强度环氧玻璃纤维复合材料制造，螺旋管内径1.5m，长1.8m，管壁厚10mm，有效空间直径为0.8m球域，螺旋管中央最大充磁场强度为±25Gs，最大退磁场强度为±50Gs-0.005Gs，退磁剩余磁场为±5mGs，退磁场的衰减特性采用交流电流衰减方式，卫星部件退磁时，螺旋管安装在小车上可随小车移动，从南-北方向进出近零磁线圈系统，充磁时，最大磁场不超过30×10^-4T，退磁的初始磁场选取50×10^-4T，可使低矫顽力的软铁磁材料完全退磁，该初始磁场不影响强磁体的磁矩，不改变含有这些磁体元器件的卫星部件的工作状态；所述电源系统包括南-北方向抵消地磁场电源[8]、天-地方向抵消地磁场电源[9]、充退磁电源[10]以及用于监测电流的数字电流表和电阻箱，南-北方向和天-地方向抵消地磁场电源，采用可调数字式直流恒流稳压电源，不确定度为1×10^-4，电压输出为0～120V，电流输出为0～2A；充退磁电源设计直流充磁和交流退磁两种工作模式，设计有电压显示，输出对地浮空：对输入过压、欠压、缺相和输出开路与短路设计有保护措施，并能发出声光报警；直流充磁工作模式电压输出为0～120V，交流退磁工作模式电压输出为0～300V，其中直流电流和交流电流可调节；所述操作装置包括升降式小支架[3]、小车[4]、导轨[5]、支撑架[11]、基座[12]和调整机构[13]，其中导轨[5]及其支撑脚[20]组成平台[1]，导轨[5]可承重500Kg，用于承载小车[4]、充退磁螺旋管[2]和安放在充退磁螺旋管[2]内的升降式小支架[3]及其放置在小支架[3]上的试件；所述的小车[4]由1.6m×2m，厚15mm铝板承载面[17]、铝杆把手[18]和无磁轮[19]组成，其中无磁轮[19]采用可水平调节的支撑型机器脚轮，顶端设计有4个安装孔，通过安装孔使无磁轮[19]与承载面[17]牢固连接；升降式小支架[3]由0.8m×0.8m，厚0.01mm的方形台面[2小剪刀型交叉升降调节装置[22]和底座[23]组成，采用铜、铝或其他无磁性材料制成，升降式小支架[3]安放在充退磁螺旋管[2]内，可承载卫星充退磁试验部件50Kg。