柴油机尿素喷射系统电磁泵特性研究

廖义德，余龙兵，廖　昱，杨　凯，祝　俊，危　则，武良双，向少伟，高立志

（1.武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430205；2.武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070；3.湖北天雄科技有限公司，湖北 浠水 438200）

柴油机尿素喷射系统电磁泵特性研究

廖义德1，余龙兵1，廖昱2，杨凯1，祝俊1，危则1，武良双1，向少伟1，高立志3

（1.武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430205；
2.武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070；3.湖北天雄科技有限公司，湖北 浠水 438200）

目前，国内SCR尾气后处理系统发展较快，但SCR系统中添蓝喷射泵的研究依旧是空白.本文基于柱塞泵的基本原理，提出一种电磁力驱动的新型电磁泵，对设计方法、工作原理进行了简要理论分析，并利用电磁场有限元分析软件Ansoft Maxwell对电磁泵在不同气隙、不同驱动电压条件下进行电磁力仿真.同时，在理论分析的基础上进行一系列实验，实验结果表明：电磁泵整体性能良好，其一致性、稳定性、精度等性能均满足设计要求.

电磁泵；电磁驱动；Ansoft Maxwell仿真

当前，世界汽车技术强国均将降低NOX和微粒排放技术视为汽车的核心技术之一，并已形成事实上的技术封锁和市场垄断.目前，国内发动机和整车企业，在汽车排放技术升级过程中，严重依赖进口产品来满足市场使用要求.SCR尾气后处理系统的主要核心零部件高精度计量电磁泵，基本都是依赖进口，不仅价格昂贵，而且维修不便.针对国内基于柴油机尿素喷射系统的计量电磁泵的研究较少，以及电磁泵应用技术不成熟的现状，本文就柴油机尿素喷射系统电磁泵特性展开研究.

1　结构与工作原理

本文提出一种采用固定行程，并由电磁力驱动的柱塞泵设计方法，通过改变泵的输入频率调节泵的输出流量，该设计结构简单，可靠性高，电磁泵结构设计如图1所示.

图1　电磁泵结构与原理

电磁驱动中的激励线圈通电后在套管和柱塞内部形成回路的电磁场，柱塞受到电磁的作用力，向左运动，在柱塞向左运动的过程中，套管内的工作腔容积减小，腔内压强增大，在压力差的作用下，定铁芯内单向阀打开，流体流出.当线圈断电电磁力消失时，在复位弹簧的弹力作用下，柱塞克服阻力向右运动，使工作腔内的容积增大，此时，外部压力大于腔内压力，进口单向阀打开，液体进入工作腔.通过宽频脉冲调控（PWM），柱塞在套管内作往复直线运动，不断地吸入和排出液体.

2　柱塞的结构设计

在此设计中，柱塞也充当衔铁的作用，柱塞的截面尺寸主要由电磁力以及流量的大小所决定.在柱塞行程和柱塞返复运动频率一定的条件下，柱塞的截面积决定了流量的大小.由于柱塞就作为衔铁的存在，所以还必须考虑泵的流量和所需的电磁力［1］.

取柱塞为研究对象分析其受力情况，柱塞在运动的过程中，受到电磁力、弹簧作用力、摩擦力以及液压力，为了方便计算，将最大弹簧力和摩擦力的合力记为定值Ff.取某一极限状态为研究对象，由牛顿第一定律可知有如下关系：

式（2）中，QL为泵输出的流量（ml）；δ为柱塞行程（mm）.

由式（1）、（2）可以看出，衔铁所受电磁力和单个周期的流量都与柱塞截面积成正比.当电磁力恒定时，液体排出的压力越大，就需要减小柱塞的截面积，为了保证电磁泵的流量，柱塞的行程也会增加，但是，行程过大会影响到柱塞的稳定性及寿命，因此，流量泵的排出压力不会太大.设计中需合理选择柱塞的直径和行程.

由于柱塞以衔铁的形式在电磁力的作用下以较高的频率往复运动，其对材料的综合性能要求较高，设计中，一般选择软磁材料.由于软磁材料矫顽磁力小、容易被磁化，在磁路中能充分利用磁能，减小磁性材料的磁阻，降低磁能消耗.另外，还要求软磁材料的电阻率大，居里点温度高，磁性能稳定及较高的疲劳强度.

式（1）中，d为柱塞直径，单位m；Pmax为泵输出最大压强，单位Pa.

根据轴向电磁泵工作原理，单个周期内流量QL约等于工作腔体积变化，可表示为：

3　电磁线圈的设计

电磁泵采用的是通电螺旋线圈产生的电磁力作为柱塞的驱动力，通过驱动柱塞作往复直线运动，从而使得电磁泵吸入和排出液体［2］.

3.1电磁力计算

在电磁力计算中，假设材料均匀且各向同性，忽略线圈发热对线圈性能以及导磁材料磁阻系数的影响.设计中采用直流螺线圈的电磁铁，由电磁力计算公式可知，稳态状态时的电磁力为［3］：

式

（3）中：φ为工作气隙磁通量（Wb）；B为工作气隙磁感应强度（T）；μ0为真空磁导率；S为磁路截面积（m2）.在不考虑其他连接间隙的条件下，并且认为主气隙即为柱塞行程，此时电磁铁的气隙磁感应强度B可表示为：

式（3）中：N为线圈匝数；I为电流强度（A）；U为电源电压；Kf为漏磁系数，电磁泵设计中通常取1.2～5.0；R为线圈总电阻；δ为气隙长度.

将式（4）代入式（3）可得：

由（5）可知，当电压不可变时，提高电磁铁吸力可以增加线圈匝数、减小线圈电阻或者缩短柱塞的行程.同时，优化磁路结构以减少漏磁系数也可以提高电磁力.由于该方法由经验总结而来，所以对于具体的结构，漏磁系数的取值所得到的电磁力，可能会与实际测量差异较大［4］.在线圈各项参数的选择中应实验与理论结合，选择合适的参数.

3.2线圈温升计算

作为电磁泵的驱动装置，线圈的温度上升幅度也是一个重要的性能指标.温度上升过快将严重影响电磁泵的性能稳定性，这里，给出一个线圈温升公式，检验温升（θ）是否在设计允许范围内.

式（6）中，Kt为散热系数，其值为12×10-4W/cm2·℃，D为线圈外侧表面周长（cm）.

由式6可知，线圈的外径和高度的大小会影响线圈的温升情况，而线圈的尺寸又间接影响柱塞的界面大小，从而影响电磁泵的流量.设计过程中，需反复检验线圈尺寸设计是否满足要求.

4　电磁驱动的设计

在控制系统中，电磁泵的流量特性可以用一个对应的比例系数Kf来描述，流量QL对应的输入、输出特性框图如图2所示.

图3　电磁泵驱动电源的脉冲波形图

式（7）中，

5　Ansoft Maxwell电磁仿真

利用电磁仿真软件Ansoft Maxwell，对电磁泵在不同气隙、不同工作电压条件下进行建模，做有限元分析.

图4　电磁泵几何建模

5.1几何建模

分别对电磁泵中线圈、柱塞、定铁芯、单向阀、弹簧等进行建模.由于单向阀、弹簧等非软磁材料的磁导性能较小，近似于空气，建模时，将它们视为空气模型.图4为Ansoft Maxwell仿真建模.

表1为材料的属性特性，建模材料均可以在Ansoft Maxwell软件材料库中找到.

5.2设置参数化求解

分别添加Hight和AmpTurn为参数化求解中的变量，其中，Hight变化范围为0.3～0.7 mm，step设为0.1 mm；AmpTurn变化范围为200～280 A，step设为20 A.这样产生了36组计算变量，然后运行软件对这些计算变量进行仿真计算.

5.3计算结果

利用软件后处理报告功能，得到相关的图表，如图5和图6所示.

由图5可以看出，在工作间隙一定时，激励电流越大，轴向电磁力越大；当工作间隙变大时，轴向电磁力减小，此时柱塞所受到的轴向电磁力变化趋势较小.

由图6可以看出，在同一间隙下，激励电流与柱塞所受的轴向电磁力呈线性关系.整体来看，电流越大，柱塞所受到的轴向电磁力越大.

在电磁泵设计时可以结合仿真结果对电磁泵进行优化，减小电磁泵的研发时间.

表1　材料模型属性

图5　不同激励电流条件下的工作间隙轴向电磁力曲线

图6　不同工作间隙条件下电流轴向电磁力曲线

6　实验与分析

电磁泵在根据要求设计完成后，进行了样机试制，并对样机做了大量实验来测试泵的相关性能，样机设计参数如表2所示.

为了检验所设计电磁泵性能，随机抽取了5件样机进行试验，5件样机在不同频率下的质量流量曲线图如图7所示.

从图7中可看出，电磁泵的流量随着频率的升高呈现线性增长.图中10组流量曲线线性度较好，稳定性较高，虽然不同样机在不同频率下存在波动，但在误差允许范围内.

表2　电磁泵设计参数

7　结论

以上基于电磁泵的基本原理，对设计方法、工作原理进行了简要理论分析，利用有限元分析软件Ansoft Maxwell对电磁力进行了仿真分析，并进行了大量相关性能试验，试验结果表明：电磁泵性能达到了设计要求.

图7　5件样机不同频率下的质量流量曲线

［1］凌国平.电磁泵的设计和应用［J］.流体工程，1992（11）：41-46.

［2］马亚丽.小型变流量电磁泵的结构优化与控制系统设计［J］.吉林工程技术师范学院学报，2007（9）：57-59.

［3］钱家骊.电磁铁吸力公式的讨论［J］.电工技术杂志，2001（1）：59-60.

［4］娄路亮.电磁阀设计中电磁力的工程计算方法［J］.导弹与航天运载技术，2007（1）：40-45.

Characteristics Research for Electromagnetic Pump of Diesel Urea Injection System

LIAO Yi-de1，YU Long-bing1，LIAO YU2，YANG Kai1，ZHU Jun1，WEI Ze1，WU Liang-shuang1，XIANG Shao-wei1，GAO Li-zhi3
（1.School of Mechanical&Electrical Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430205,China；2.School of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China 3.Hubei Tsung Technology Co.,Ltd,Xishui 438200,China）

At present,the SCR exhaust treatment system is developing rapidly in China,but the research of Ad⁃Blue injection pump in the SCR system is still blank.Based on the basic principle of piston pump,this paper proposed a new type of electromagnetic force-driven piston pump,and conducted a brief theoretical analysis of the working principle and design method.By using finite element analysis software Ansoft Maxwell,the electro⁃magnetic force was simulated under the conditions of different air gaps and different driving voltages and on the basis of the theory,a large number of experiments were carried out.The research results show that the consisten⁃cy,stability,accuracy for overall fine performance of the electromagnetic pump can meet the requirements.

electromagnetic pump；solenoid drive；Ansoft Maxwell simulation

TH35

A

1008-2794（2015）02-0005-04

2014-06-06

国家“863”计划项目“柴油机后处理系统（SCR）关键技术研发及产业化”（2012AA111716）

通讯联系人：廖义德，教授，博士，研究方向：流体传动与控制，E-mail：whgcdx@163.com.