一种永磁自锁型电磁气门驱动装置

陈益广，郭喜彬，唐明龙，张明灿

(1．天津大学，天津300072;2．天津蹊径动力技术有限公司，天津300457)

0引 言

传统内燃机使用机械凸轮连杆气门系统，气门进排气时间只能由凸轮的形状和相位角确定，而不能根据燃料充分燃烧、低排放、最大转矩等因素来选择最佳时机，导致内燃机在较宽速度范围内效率低［1-3］。发动机改用电磁驱动气门机构后，不仅省去凸轮连杆机构，简化系统结构，而且由于气门可独立控制完成正时，发动机转矩输出提高，燃料消耗可减少高达15%，有害排放也大大降低［4］。

目前，电磁气门驱动装置一般采用双弹簧、双电磁铁的典型结构［5］，它由 U型铁心、双线圈、双弹簧、衔铁和气门等主要部件构成。气门行程一般为8 mm，通过一个线圈断电释放与另一线圈通电吸合完成开启和关闭两个位置的过渡，过渡时间不宜超过4 ms［6］。气门在开启和关闭位置滞留时，线圈必须持续通电来维持衔铁吸合，损耗较大。为解决此问题，本文提出一种永磁自锁型电磁气门驱动装置，它能够在气门开启或者关闭位置，仅靠永磁体产生的电磁吸力与弹簧力平衡而实现自锁;同时，在两个工作位置切换过程中，该装置又是一台能够四象限工作的圆筒式永磁直流直线电动机。

1永磁自锁型电磁气门驱动装置

1．1永磁自锁型电磁气门驱动装置的结构

图1 永磁自锁型电磁气门驱动装置结构示意图

永磁自锁型电磁气门驱动装置的结构如图1所示。它呈圆筒形，整体轴对称，它包括气门、预压缩双弹簧和上下基本对称的两套电磁驱动机构，每套电磁驱动机构可分为动子和定子两部分。动子包括圆盘形衔铁、固定在衔铁上的动子支架和气门顶杆等主要部件;定子主要包括内铁心、外铁心、铜铁交叠螺旋状线圈和线圈架等主要部件。

动子支架内侧粘贴着径向充磁的稀土永磁体，并在永磁体与衔铁之间区域粘贴由软磁复合材料制成的导磁环。动子运动过程时导磁环为永磁磁场提供部分磁路，增强直线电动机性能。动子支架通过定位环固定在衔铁骨架上。气门顶杆与气门组成一整体，动子做上下直线运动，气门随之关闭或开启。

内、外铁心是由轴线方向看去径向呈扇形的相互绝缘的特制硅钢片拼制、叠压而成的两个圆筒。铜铁交叠螺旋状线圈是电磁驱动装置的核心部件，其制做方法:将宽为4 mm、平均厚度为0．2 mm两侧稍微不等厚的漆包铜带和软铁带上下叠放在一起，经拉伸设备盘绕在线圈支架上，铜线圈圆周方向导电，铁线圈径向导磁，最后可将这一完整的切向导电、径向导磁的电磁线圈嵌入外铁心中。

衔铁整体呈圆盘状，由径向呈扇形的特制硅钢片拼制、叠压后填充于衔铁骨架间。圆盘状衔铁通过卡环固定在气门顶杆上，构成一完整动子。

动子支架、线圈架和定位环等可构成环形回路的部件均需采用只导磁不导电的软磁复合材料或其它特殊材料，防止电磁阻尼现象出现。

1．2永磁自锁型电磁气门驱动装置工作原理

与普通双线圈、双弹簧电磁气门的工作原理类似，它因配置了永磁体而能自锁。气门总升程8 mm。

以一个行程为例，其工作原理如下:假设开始时气门完全开启，衔铁位于下止点，位于下方的那一套电磁驱动机构的衔铁与内外铁心间永磁电磁力大于弹簧力，处于自锁保持状态。线圈通入起去磁作用的电流，衔铁与内外铁心间永磁气隙磁通被削弱，电磁力一旦小于弹簧力，衔铁就得以释放，在弹簧力作用下动子开始加速向上运动，此后动子处于近似的简谐振动状态。同时，通电线圈与永磁体间构成的圆筒式永磁直流直线电动机也形成向上的电磁力，为运动系统补充能量，克服运动中形成的各种损耗。衔铁越过中间位置后，弹簧力方向改变，衔铁减速，控制去磁电流大小，衔铁最后以低于0．1 m/s的速度落座于上止点，气门完全闭合;同时位于上方的那一套电磁驱动机构实现了自锁，并保持至控制气门开启之时。

电磁装置整体结构轴对称，用二维模型就能够反映三维情况。由于上下两部分结构基本对称，故可取如图1所示装置下半部分的右截面作为分析对象，采用二维轴对称模型进行分析，所得电磁气门驱动机构自锁与解除自锁时磁场分布如图2所示。

图2 电磁气门驱动机构自锁与解锁时的磁场分布

图2(a)为线圈未通电仅由永磁体产生的磁场分布图，衔铁与内外铁心工作气隙间磁场较强，电磁力大于弹簧力，处于自锁状态。为了理解去磁电流对工作气隙间磁场的影响，将永磁体按空气处理，得到线圈去磁电流单独作用时产生的磁场分布图如图2(b)所示。线圈去磁电流单独作用与永磁体单独作用在工作气隙间产生的磁力线方向相反。图2(c)为永磁体和线圈去磁电流共同作用下的磁场分布，工作气隙间磁场很弱，电磁力小于弹簧力，电磁气门即将解除自锁;也可以看出，此时永磁磁场与线圈电流产生的磁场是正交的，永磁直流直线电机动子永磁体受到一个方向向上的电动力，此后电磁气门将成为一台圆筒形直流永磁直线电动机。

2电磁气门驱动装置的几个重要参数

整个电磁气门由电气、磁和机械三个相互耦合的系统组成。图3为三个子系统相互耦合关系的简化框图。而空载反电动势、电感、电磁力又在三个子系统相互耦合关系中起着重要作用。

图3 电磁气门系统简化框图

2．1空载反电动势

电磁气门驱动装置的电压方程式:

式中:uS为线圈电压;i为线圈电流;R为线圈电阻;L为线圈电感;e为空载反电动势。

图4 电磁气门驱动装置空载反电动势

空载反电动势e可通过有限元法求得，图4为动子速度v=2 m/s时空载反电势e随位移变化的曲线。当位移(即衔铁与内外铁心间工作气隙)较小时，永磁磁路磁阻较小，线圈交链的永磁磁链较大，e也较大，此时的e是由永磁磁场随位移变化和线圈切割永磁磁场产生的。当位移变得较大后，永磁磁路磁阻和磁密变化缓慢，e主要由线圈切割永磁磁场产生。

2．2 电感

线圈电感是驱动控制系统最为关心的重要参数。它可通过能量摄动法求得。根据机电能量转换原理，整个电磁驱动装置的磁场储能:

式中:Wm为通电线圈磁场储能;Wpm为永磁体磁场储能。

设ΔWm、ΔH和ΔB均为线圈电流从i摄动到(i+Δi)时所引起的磁场储能、磁场强度和磁感应强度变化增量，则:

由式(3)和式(4)可得:

线圈电流微小变动引起的磁场储能变化如图5所示，图5(a)、图5(b)中的阴影部分表示电流摄动

图5 磁场储能增量

Δi后的磁场储能增量。结合图5的几何关系，对比式(5)等号左、右两边，有:

式(6)的几何意义:第一式等号左、右两边分别表示图5(a)和图5(b)中梯形阴影部分的小三角形面积;第二式等号左、右两边分别表示图5(a)和图5(b)中梯形阴影部分的正方形面积。求解电感时两式等价，一般采用第一式，则:

有限元法的基本原理是建立在能量最小化原则上，用于计算磁场能量时更为方便、准确。图6为采用能量摄动法计算得出的线圈通入不同电流时电感随位移变化。由图6可见，位移较大时，随着位移的减小，电感缓慢增加。位移小于1 mm后，随着位移的减小，电感迅速增大;但是，当增磁电流较大时，位移减小到一定程度时，因磁路进入高度饱和状态，电感不增大反而迅速下降。

图6 不同电流下电感随位移的变化

2．3动子所受的力

电磁驱动装置的机械运动方程式:

式中:Fs为弹簧力;Fm为动子所受的电磁力;Fd为阻尼力;Ff为汽缸气流对气门的压力;为动子运动的加速度;m为动子总质量。

规定气门完全开启时，即衔铁位于下止点时，为动子做直线运动的起始零点x=0，则:

式中:k为弹簧刚度系数;x为动子位移。

假设动子所受到轴向电磁力Fm有两个力合成的，一个是动子衔铁与内外铁心间的电磁吸力Fmr;另一个是直线电动机部分的轴向电动力Fmi，即通电线圈与动子永磁体相互作用产生的安培力，则:

3结构设计

3．1弹簧的设计

气门开关频率取决于内燃机最佳循环周期。气门由开启到闭合或者由闭合到开启时，弹簧-气门运动系统基本处于简谐振荡状态，每次动作的时间基本上就是运动系统固有振荡周期的二分之一。两个刚度系数皆为k的弹簧并联，其固有振荡周期:

式中:T为弹簧-气门运动系统固有振荡周期。

实际上，气门运动周期和弹簧的最大压缩长度即气门的行程由内燃机决定，是已知的。故动子质量一旦确定，弹簧刚度系数也就确定了，电磁驱动装置的自锁保持力也就确定了。

3．2静铁心的设计

内、外硅钢片铁心为永磁体和通电线圈所产生的磁场提供磁路。内外铁心的径向厚度确定时，遵循磁路截面基本相等原则。

3．3永磁体的设计

永磁体的作用，一是在衔铁吸合时在衔铁与内外铁心间形成较强的永磁磁通，产生电磁吸力，实现自锁;二是在动子做直线运动时，在铜铁交叠螺旋状线圈处产生较强的径向永磁磁场，线圈通电时产生较大的轴向电动力。

4电磁力分析

4．1单个电磁驱动装置的电磁力

图7为单个电磁驱动装置线圈通入不同电流时动子所受到电磁力Fm。由图7可见，增磁电流增大，Fm增大;去磁电流增大，Fm减小;同时，在吸合位置x=0附近，Fm对气隙和电流的变化都非常敏感。

图7 单个电磁驱动装置通入不同电流时的电磁力

假设永磁磁场在衔铁与内外铁心气隙处产生的电磁吸力Fmr不受线圈电流的影响，近似认为系统可以使用叠加原理。于是，将线圈通电时动子所受的总电磁力Fm，减去未通电时动子所受到的永磁磁场在衔铁与内外铁心间气隙处产生的电磁吸力Fmr，即可等效看作该电流下直线电动机产生的轴向电动力Fmi。图8为由此得到线圈通入不同电流时直线电动机部分产生的轴向电动力Fmi。由图8看出，通入增磁电流时，Fmi为负，即动子受到向下的拉力;当线圈通入去磁电流时，Fmi为正，即动子受到向上的推力。

图8 单个电磁驱动装置直线电动机部分产生的轴向电动力

4．2上下对置的两个电磁驱动装置的电磁力

实际中，由于电磁气门驱动装置为上、下对置的几乎完全对称的结构，无论装置中的两个线圈通电与否，两个永磁体产生的磁场始终对动子都有力的作用，故在计算动子所受到的总电磁力时需考虑上、下两部分电磁驱动装置的共同作用。设图1的电磁驱动装置中的下线圈电流为ia，上线圈电流为ib。线圈电流为正时，该通电线圈所在的那一个电磁驱动装置的内外铁心和衔铁间的工作气隙处永磁磁场得到增强。同理，线圈电流为负时，工作气隙处永磁磁场则被削弱。图9在为一个行程中，上、下两个线圈通入几个典型电流时动子所受到的总电磁力F2m曲线。

图9 动子所受到的总电磁力F2m

由图9可以看出，在动子处于上止点或下止点附近时，即动子位移x在0～1 mm和在7～8 mm间，衔铁与内外铁心间气隙较小那一侧的线圈的通电可以大幅度改变该侧电磁力大小;通增磁电流加速自锁，通一定的去磁电流就能解锁。

当衔铁与内外铁心间的工作气隙较大，即动子位移x在1～7 mm间时，总电磁力主要是直线电动机部分产生的轴向电动力，线圈电流的大小和方向决定着总电磁力的大小和方向。观察图9中动子位移x在1～7 mm间各条曲线，由ia=0，ib=0时曲线可知，两个线圈都不通电时动子所受到的总电磁力几乎为零;由ia=0，ib=5 A和ia=0，ib=0时两条曲线可知，一个线圈通电时，动子所受到的总电磁力与通电线圈所属直线电动机部分的轴向电动力方向一致;由ia=5 A，ib=5 A时曲线可知，一线圈通增磁电流、另一线圈通去磁电流，动子受到的两个轴向电动力方向一致，总电磁力最大。

5结 论

在传统双弹簧、双电磁铁电磁气门驱动机构的基础上，引入永磁体，利用永磁体在气门完全关闭或完全开启的状态下提供的电磁力实现自锁，气门保持在全开或全闭的位置时线圈不必通电。气门解锁时只需在自锁侧线圈通入起去磁作用的电流。

气门运动周期是由内燃机决定的，它同时还与气门动子质量、气门行程、弹簧刚度系数、电磁驱动装置的自锁保持力等都密切相关。

线圈电感可通过能量摄动法求解。工作气隙较小时，线圈电感与位移呈非线性关系。

要综合考虑永磁体长度和内外铁心间附加磁气隙大小，既保障自锁时有较大电磁吸力，还要确保动子运动时直线电动机部分有足够的轴向电动力。

衔铁与内外铁心间气隙较大时，气门所受到的总电磁力基本上是直线电动机部分的轴向电动力。

［1］ Chun T，Andrew S，Tsu C T．Modeling and controller design of an electromagnetic engine valve［C］//Proceedings of the American Control Conference．Arlington，America，2001:2890-2895．

［2］ Parlikar T A，Chang W S，Qiu Y H，et al．Design and experimental implementation of an electromagnetic engine valve drive［J］．IEEE Transactions on Mechatronics，2005，10(5):482-494．

［3］ Jan R，Richard E C，Geraint W J．Static performance of a polarized permanent-magnet reluctance actuator for internal combustion engine valve actuation［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2006，42(8):2063-2070．

［4］ Ryan R C．Modeling and control of automotive gas exchange valve solenoid actuators［D］．Alberta:University of Alberta，2007．

［5］ 赵雨东，李红艳，陆际清．电磁气门驱动设计及其电磁铁静吸力特性试验［J］．内燃机学报，2002，20(4):339-344．

［6］ 李莉，王希珍，严兆大，等．电磁驱动气门机构系统模型［J］．内燃机工程，2002，23(4):10-12．