陳益廣，郭喜彬，唐明龍，張明燦

(1．天津大學(xué)，天津300072;2．天津蹊徑動(dòng)力技術(shù)有限公司，天津300457)

0引 言

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)使用機(jī)械凸輪連桿氣門系統(tǒng)，氣門進(jìn)排氣時(shí)間只能由凸輪的形狀和相位角確定，而不能根據(jù)燃料充分燃燒、低排放、最大轉(zhuǎn)矩等因素來選擇最佳時(shí)機(jī)，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)在較寬速度范圍內(nèi)效率低［1-3］。發(fā)動(dòng)機(jī)改用電磁驅(qū)動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)后，不僅省去凸輪連桿機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且由于氣門可獨(dú)立控制完成正時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出提高，燃料消耗可減少高達(dá)15%，有害排放也大大降低［4］。

目前，電磁氣門驅(qū)動(dòng)裝置一般采用雙彈簧、雙電磁鐵的典型結(jié)構(gòu)［5］，它由 U型鐵心、雙線圈、雙彈簧、銜鐵和氣門等主要部件構(gòu)成。氣門行程一般為8 mm，通過一個(gè)線圈斷電釋放與另一線圈通電吸合完成開啟和關(guān)閉兩個(gè)位置的過渡，過渡時(shí)間不宜超過4 ms［6］。氣門在開啟和關(guān)閉位置滯留時(shí)，線圈必須持續(xù)通電來維持銜鐵吸合，損耗較大。為解決此問題，本文提出一種永磁自鎖型電磁氣門驅(qū)動(dòng)裝置，它能夠在氣門開啟或者關(guān)閉位置，僅靠永磁體產(chǎn)生的電磁吸力與彈簧力平衡而實(shí)現(xiàn)自鎖;同時(shí)，在兩個(gè)工作位置切換過程中，該裝置又是一臺(tái)能夠四象限工作的圓筒式永磁直流直線電動(dòng)機(jī)。

1永磁自鎖型電磁氣門驅(qū)動(dòng)裝置

1．1永磁自鎖型電磁氣門驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)

圖1 永磁自鎖型電磁氣門驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

永磁自鎖型電磁氣門驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它呈圓筒形，整體軸對(duì)稱，它包括氣門、預(yù)壓縮雙彈簧和上下基本對(duì)稱的兩套電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每套電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可分為動(dòng)子和定子兩部分。動(dòng)子包括圓盤形銜鐵、固定在銜鐵上的動(dòng)子支架和氣門頂桿等主要部件;定子主要包括內(nèi)鐵心、外鐵心、銅鐵交疊螺旋狀線圈和線圈架等主要部件。

動(dòng)子支架內(nèi)側(cè)粘貼著徑向充磁的稀土永磁體，并在永磁體與銜鐵之間區(qū)域粘貼由軟磁復(fù)合材料制成的導(dǎo)磁環(huán)。動(dòng)子運(yùn)動(dòng)過程時(shí)導(dǎo)磁環(huán)為永磁磁場(chǎng)提供部分磁路，增強(qiáng)直線電動(dòng)機(jī)性能。動(dòng)子支架通過定位環(huán)固定在銜鐵骨架上。氣門頂桿與氣門組成一整體，動(dòng)子做上下直線運(yùn)動(dòng)，氣門隨之關(guān)閉或開啟。

內(nèi)、外鐵心是由軸線方向看去徑向呈扇形的相互絕緣的特制硅鋼片拼制、疊壓而成的兩個(gè)圓筒。銅鐵交疊螺旋狀線圈是電磁驅(qū)動(dòng)裝置的核心部件，其制做方法:將寬為4 mm、平均厚度為0．2 mm兩側(cè)稍微不等厚的漆包銅帶和軟鐵帶上下疊放在一起，經(jīng)拉伸設(shè)備盤繞在線圈支架上，銅線圈圓周方向?qū)щ?，鐵線圈徑向?qū)Т?，最后可將這一完整的切向?qū)щ姟较驅(qū)Т诺碾姶啪€圈嵌入外鐵心中。

銜鐵整體呈圓盤狀，由徑向呈扇形的特制硅鋼片拼制、疊壓后填充于銜鐵骨架間。圓盤狀銜鐵通過卡環(huán)固定在氣門頂桿上，構(gòu)成一完整動(dòng)子。

動(dòng)子支架、線圈架和定位環(huán)等可構(gòu)成環(huán)形回路的部件均需采用只導(dǎo)磁不導(dǎo)電的軟磁復(fù)合材料或其它特殊材料，防止電磁阻尼現(xiàn)象出現(xiàn)。

1．2永磁自鎖型電磁氣門驅(qū)動(dòng)裝置工作原理

與普通雙線圈、雙彈簧電磁氣門的工作原理類似，它因配置了永磁體而能自鎖。氣門總升程8 mm。

以一個(gè)行程為例，其工作原理如下:假設(shè)開始時(shí)氣門完全開啟，銜鐵位于下止點(diǎn)，位于下方的那一套電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的銜鐵與內(nèi)外鐵心間永磁電磁力大于彈簧力，處于自鎖保持狀態(tài)。線圈通入起去磁作用的電流，銜鐵與內(nèi)外鐵心間永磁氣隙磁通被削弱，電磁力一旦小于彈簧力，銜鐵就得以釋放，在彈簧力作用下動(dòng)子開始加速向上運(yùn)動(dòng)，此后動(dòng)子處于近似的簡(jiǎn)諧振動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，通電線圈與永磁體間構(gòu)成的圓筒式永磁直流直線電動(dòng)機(jī)也形成向上的電磁力，為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)充能量，克服運(yùn)動(dòng)中形成的各種損耗。銜鐵越過中間位置后，彈簧力方向改變，銜鐵減速，控制去磁電流大小，銜鐵最后以低于0．1 m/s的速度落座于上止點(diǎn)，氣門完全閉合;同時(shí)位于上方的那一套電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了自鎖，并保持至控制氣門開啟之時(shí)。

電磁裝置整體結(jié)構(gòu)軸對(duì)稱，用二維模型就能夠反映三維情況。由于上下兩部分結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱，故可取如圖1所示裝置下半部分的右截面作為分析對(duì)象，采用二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析，所得電磁氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)自鎖與解除自鎖時(shí)磁場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 電磁氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)自鎖與解鎖時(shí)的磁場(chǎng)分布

圖2(a)為線圈未通電僅由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布圖，銜鐵與內(nèi)外鐵心工作氣隙間磁場(chǎng)較強(qiáng)，電磁力大于彈簧力，處于自鎖狀態(tài)。為了理解去磁電流對(duì)工作氣隙間磁場(chǎng)的影響，將永磁體按空氣處理，得到線圈去磁電流單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布圖如圖2(b)所示。線圈去磁電流單獨(dú)作用與永磁體單獨(dú)作用在工作氣隙間產(chǎn)生的磁力線方向相反。圖2(c)為永磁體和線圈去磁電流共同作用下的磁場(chǎng)分布，工作氣隙間磁場(chǎng)很弱，電磁力小于彈簧力，電磁氣門即將解除自鎖;也可以看出，此時(shí)永磁磁場(chǎng)與線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)是正交的，永磁直流直線電機(jī)動(dòng)子永磁體受到一個(gè)方向向上的電動(dòng)力，此后電磁氣門將成為一臺(tái)圓筒形直流永磁直線電動(dòng)機(jī)。

2電磁氣門驅(qū)動(dòng)裝置的幾個(gè)重要參數(shù)

整個(gè)電磁氣門由電氣、磁和機(jī)械三個(gè)相互耦合的系統(tǒng)組成。圖3為三個(gè)子系統(tǒng)相互耦合關(guān)系的簡(jiǎn)化框圖。而空載反電動(dòng)勢(shì)、電感、電磁力又在三個(gè)子系統(tǒng)相互耦合關(guān)系中起著重要作用。

圖3 電磁氣門系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖

2．1空載反電動(dòng)勢(shì)

電磁氣門驅(qū)動(dòng)裝置的電壓方程式:

式中:uS為線圈電壓;i為線圈電流;R為線圈電阻;L為線圈電感;e為空載反電動(dòng)勢(shì)。

圖4 電磁氣門驅(qū)動(dòng)裝置空載反電動(dòng)勢(shì)

空載反電動(dòng)勢(shì)e可通過有限元法求得，圖4為動(dòng)子速度v=2 m/s時(shí)空載反電勢(shì)e隨位移變化的曲線。當(dāng)位移(即銜鐵與內(nèi)外鐵心間工作氣隙)較小時(shí)，永磁磁路磁阻較小，線圈交鏈的永磁磁鏈較大，e也較大，此時(shí)的e是由永磁磁場(chǎng)隨位移變化和線圈切割永磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的。當(dāng)位移變得較大后，永磁磁路磁阻和磁密變化緩慢，e主要由線圈切割永磁磁場(chǎng)產(chǎn)生。

2．2 電感

線圈電感是驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)最為關(guān)心的重要參數(shù)。它可通過能量攝動(dòng)法求得。根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，整個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)裝置的磁場(chǎng)儲(chǔ)能:

式中:Wm為通電線圈磁場(chǎng)儲(chǔ)能;Wpm為永磁體磁場(chǎng)儲(chǔ)能。

設(shè)ΔWm、ΔH和ΔB均為線圈電流從i攝動(dòng)到(i+Δi)時(shí)所引起的磁場(chǎng)儲(chǔ)能、磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度變化增量，則:

由式(3)和式(4)可得:

線圈電流微小變動(dòng)引起的磁場(chǎng)儲(chǔ)能變化如圖5所示，圖5(a)、圖5(b)中的陰影部分表示電流攝動(dòng)

圖5 磁場(chǎng)儲(chǔ)能增量

Δi后的磁場(chǎng)儲(chǔ)能增量。結(jié)合圖5的幾何關(guān)系，對(duì)比式(5)等號(hào)左、右兩邊，有:

式(6)的幾何意義:第一式等號(hào)左、右兩邊分別表示圖5(a)和圖5(b)中梯形陰影部分的小三角形面積;第二式等號(hào)左、右兩邊分別表示圖5(a)和圖5(b)中梯形陰影部分的正方形面積。求解電感時(shí)兩式等價(jià)，一般采用第一式，則:

有限元法的基本原理是建立在能量最小化原則上，用于計(jì)算磁場(chǎng)能量時(shí)更為方便、準(zhǔn)確。圖6為采用能量攝動(dòng)法計(jì)算得出的線圈通入不同電流時(shí)電感隨位移變化。由圖6可見，位移較大時(shí)，隨著位移的減小，電感緩慢增加。位移小于1 mm后，隨著位移的減小，電感迅速增大;但是，當(dāng)增磁電流較大時(shí)，位移減小到一定程度時(shí)，因磁路進(jìn)入高度飽和狀態(tài)，電感不增大反而迅速下降。

圖6 不同電流下電感隨位移的變化

2．3動(dòng)子所受的力

電磁驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式:

式中:Fs為彈簧力;Fm為動(dòng)子所受的電磁力;Fd為阻尼力;Ff為汽缸氣流對(duì)氣門的壓力;為動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的加速度;m為動(dòng)子總質(zhì)量。

規(guī)定氣門完全開啟時(shí)，即銜鐵位于下止點(diǎn)時(shí)，為動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)的起始零點(diǎn)x=0，則:

式中:k為彈簧剛度系數(shù);x為動(dòng)子位移。

假設(shè)動(dòng)子所受到軸向電磁力Fm有兩個(gè)力合成的，一個(gè)是動(dòng)子銜鐵與內(nèi)外鐵心間的電磁吸力Fmr;另一個(gè)是直線電動(dòng)機(jī)部分的軸向電動(dòng)力Fmi，即通電線圈與動(dòng)子永磁體相互作用產(chǎn)生的安培力，則:

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3．1彈簧的設(shè)計(jì)

氣門開關(guān)頻率取決于內(nèi)燃機(jī)最佳循環(huán)周期。氣門由開啟到閉合或者由閉合到開啟時(shí)，彈簧-氣門運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)基本處于簡(jiǎn)諧振蕩狀態(tài)，每次動(dòng)作的時(shí)間基本上就是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)固有振蕩周期的二分之一。兩個(gè)剛度系數(shù)皆為k的彈簧并聯(lián)，其固有振蕩周期:

式中:T為彈簧-氣門運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)固有振蕩周期。

實(shí)際上，氣門運(yùn)動(dòng)周期和彈簧的最大壓縮長(zhǎng)度即氣門的行程由內(nèi)燃機(jī)決定，是已知的。故動(dòng)子質(zhì)量一旦確定，彈簧剛度系數(shù)也就確定了，電磁驅(qū)動(dòng)裝置的自鎖保持力也就確定了。

3．2靜鐵心的設(shè)計(jì)

內(nèi)、外硅鋼片鐵心為永磁體和通電線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)提供磁路。內(nèi)外鐵心的徑向厚度確定時(shí)，遵循磁路截面基本相等原則。

3．3永磁體的設(shè)計(jì)

永磁體的作用，一是在銜鐵吸合時(shí)在銜鐵與內(nèi)外鐵心間形成較強(qiáng)的永磁磁通，產(chǎn)生電磁吸力，實(shí)現(xiàn)自鎖;二是在動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在銅鐵交疊螺旋狀線圈處產(chǎn)生較強(qiáng)的徑向永磁磁場(chǎng)，線圈通電時(shí)產(chǎn)生較大的軸向電動(dòng)力。

4電磁力分析

4．1單個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)裝置的電磁力

圖7為單個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)裝置線圈通入不同電流時(shí)動(dòng)子所受到電磁力Fm。由圖7可見，增磁電流增大，F(xiàn)m增大;去磁電流增大，F(xiàn)m減小;同時(shí)，在吸合位置x=0附近，F(xiàn)m對(duì)氣隙和電流的變化都非常敏感。

圖7 單個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)裝置通入不同電流時(shí)的電磁力

假設(shè)永磁磁場(chǎng)在銜鐵與內(nèi)外鐵心氣隙處產(chǎn)生的電磁吸力Fmr不受線圈電流的影響，近似認(rèn)為系統(tǒng)可以使用疊加原理。于是，將線圈通電時(shí)動(dòng)子所受的總電磁力Fm，減去未通電時(shí)動(dòng)子所受到的永磁磁場(chǎng)在銜鐵與內(nèi)外鐵心間氣隙處產(chǎn)生的電磁吸力Fmr，即可等效看作該電流下直線電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的軸向電動(dòng)力Fmi。圖8為由此得到線圈通入不同電流時(shí)直線電動(dòng)機(jī)部分產(chǎn)生的軸向電動(dòng)力Fmi。由圖8看出，通入增磁電流時(shí)，F(xiàn)mi為負(fù)，即動(dòng)子受到向下的拉力;當(dāng)線圈通入去磁電流時(shí)，F(xiàn)mi為正，即動(dòng)子受到向上的推力。

圖8 單個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)裝置直線電動(dòng)機(jī)部分產(chǎn)生的軸向電動(dòng)力

4．2上下對(duì)置的兩個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)裝置的電磁力

實(shí)際中，由于電磁氣門驅(qū)動(dòng)裝置為上、下對(duì)置的幾乎完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，無論裝置中的兩個(gè)線圈通電與否，兩個(gè)永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)始終對(duì)動(dòng)子都有力的作用，故在計(jì)算動(dòng)子所受到的總電磁力時(shí)需考慮上、下兩部分電磁驅(qū)動(dòng)裝置的共同作用。設(shè)圖1的電磁驅(qū)動(dòng)裝置中的下線圈電流為ia，上線圈電流為ib。線圈電流為正時(shí)，該通電線圈所在的那一個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)裝置的內(nèi)外鐵心和銜鐵間的工作氣隙處永磁磁場(chǎng)得到增強(qiáng)。同理，線圈電流為負(fù)時(shí)，工作氣隙處永磁磁場(chǎng)則被削弱。圖9在為一個(gè)行程中，上、下兩個(gè)線圈通入幾個(gè)典型電流時(shí)動(dòng)子所受到的總電磁力F2m曲線。

圖9 動(dòng)子所受到的總電磁力F2m

由圖9可以看出，在動(dòng)子處于上止點(diǎn)或下止點(diǎn)附近時(shí)，即動(dòng)子位移x在0～1 mm和在7～8 mm間，銜鐵與內(nèi)外鐵心間氣隙較小那一側(cè)的線圈的通電可以大幅度改變?cè)搨?cè)電磁力大小;通增磁電流加速自鎖，通一定的去磁電流就能解鎖。

當(dāng)銜鐵與內(nèi)外鐵心間的工作氣隙較大，即動(dòng)子位移x在1～7 mm間時(shí)，總電磁力主要是直線電動(dòng)機(jī)部分產(chǎn)生的軸向電動(dòng)力，線圈電流的大小和方向決定著總電磁力的大小和方向。觀察圖9中動(dòng)子位移x在1～7 mm間各條曲線，由ia=0，ib=0時(shí)曲線可知，兩個(gè)線圈都不通電時(shí)動(dòng)子所受到的總電磁力幾乎為零;由ia=0，ib=5 A和ia=0，ib=0時(shí)兩條曲線可知，一個(gè)線圈通電時(shí)，動(dòng)子所受到的總電磁力與通電線圈所屬直線電動(dòng)機(jī)部分的軸向電動(dòng)力方向一致;由ia=5 A，ib=5 A時(shí)曲線可知，一線圈通增磁電流、另一線圈通去磁電流，動(dòng)子受到的兩個(gè)軸向電動(dòng)力方向一致，總電磁力最大。

5結(jié) 論

在傳統(tǒng)雙彈簧、雙電磁鐵電磁氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入永磁體，利用永磁體在氣門完全關(guān)閉或完全開啟的狀態(tài)下提供的電磁力實(shí)現(xiàn)自鎖，氣門保持在全開或全閉的位置時(shí)線圈不必通電。氣門解鎖時(shí)只需在自鎖側(cè)線圈通入起去磁作用的電流。

氣門運(yùn)動(dòng)周期是由內(nèi)燃機(jī)決定的，它同時(shí)還與氣門動(dòng)子質(zhì)量、氣門行程、彈簧剛度系數(shù)、電磁驅(qū)動(dòng)裝置的自鎖保持力等都密切相關(guān)。

線圈電感可通過能量攝動(dòng)法求解。工作氣隙較小時(shí)，線圈電感與位移呈非線性關(guān)系。

要綜合考慮永磁體長(zhǎng)度和內(nèi)外鐵心間附加磁氣隙大小，既保障自鎖時(shí)有較大電磁吸力，還要確保動(dòng)子運(yùn)動(dòng)時(shí)直線電動(dòng)機(jī)部分有足夠的軸向電動(dòng)力。

銜鐵與內(nèi)外鐵心間氣隙較大時(shí)，氣門所受到的總電磁力基本上是直線電動(dòng)機(jī)部分的軸向電動(dòng)力。

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