电磁驱动配气机构有限元强度分析

张海明 刘文 莫依琳

摘要：全球汽车保有量每年都在不断地增加，汽车工业的高速发展给全社会带来资源短缺和环境污染的问题。提高发动机燃烧效率是传统汽车节能减排的重要方面。本项目研究一种新型的电磁驱动配气机构用来取代原有的凸轮轴配气机构，以克服由于凸轮轮廓固定而导致的配气定时和升程无法调节的弊端。它能更灵活的的控制气门的升程，开闭定时从而可以提高燃烧的效率和燃油经济性，降低污染。本文先利用有限元Maxwell 2D模块计算气门所受的电磁力大小，再建立电磁驱动配气机构的有限元静力模型，利用Workbench计算机构的应变和应力值，检验其强度是否满足要求。

关键词：电磁驱动配气机构;电磁力;有限元分析

1  结构分析

1.1 结构简介

电磁驱动配气机构安装在发动机进排气门处，固定在汽缸盖上。它取代原有的凸轮控制气门运动而采用电流精确驱动气门往返运动。电力是由汽车的蓄电池提供。电磁驱动机构也被称作直线电机，本文选用的是典型的圆筒形动圈式直线电机，主要包括内外磁轭，永磁体，线圈，骨架，气门运动杆件，弹簧。骨架与内磁轭和外磁轭之间均有间隙，外磁轭与永磁体固定在一起，线圈绕在骨架上。结构选用的是动圈式，永磁体在工作时保持相对静止，磁场在电磁驱动配气机构工作时不随着时间变化。

工作时在线圈中通以电流，线圈在磁场中受到安培力作用而运动，从而带动与其相连的骨架和气门运动，从而实现气门开闭。气门不同时刻运动位置不同，线圈中的电流会不断的发生变化，根据电磁感应定律线圈中变化的电流会产生变化的磁场，变化的磁场将在磁轭材料中产生磁滞损耗和涡流损耗。为了减小涡流损耗，磁轭应做成叠片形式，以削弱感生电流在磁轭中的运动。

1.2 尺寸确定

直列四缸发动机采用的是双进气门和双排气门结构，相邻的气门之间最大距离为39mm，为满足要求把原有的双层永磁体改成单层结构。去除内层永磁体，保留外层永磁体，同时选用最大直径为39mm。去掉了内层永磁体，相比于双层永磁体磁感应强度有所下降，在激励电流不改变的情况下，为保证足够的电磁力大小，增加了导线长度。导线轴向绕组数增加导线轴向长度加大，为保证骨架有足够的强度，减小永磁体厚度，增加骨架厚度，从而增加了绕线圈剩余骨架宽度。（表1）

2  电磁力求解

2.1 永磁体排列

電磁驱动配气机构中的永磁体采用的是Halbach阵列。Halbach磁体结构是较为理想的结构。相对于普通的排列方式，Halbach排列方式在相同的数量的磁体条件下能够产生更强的的磁场。这意味着产生相同强度的磁场，Halbach排列方式相对于普通排列方式需要更少的磁体数量。这对于体积空间十分有限的电磁驱动配气机构无疑是十分有利的。

利用有限元Maxwell对比Halbach阵列方式和普通阵列发现，Halbach阵列气隙磁场强度最大值达到1.41T，如图1所示。而普通阵列磁感应强度到最大值仅有0.92T，如图2所示。相比于Halbach阵列缩小了34.78%。并且在整个70mm的范围内，特别是在中部区域，普通阵列磁感应强度只有0.058T，几乎接近于零，Halbach阵列的磁感应强度远远超过普通阵列，磁感应强度变化比较平滑，不会出现电磁力突然减小至0的情况，这对于气门能稳定运动是十分重要的。

2.2 计算电磁力

电磁驱动配气机构的驱动力是作用于线圈上的电磁力，而电磁力由安培力公式F=BIL可知，由于机构尺寸确定，线圈长度就随之确定，而电流是后期加载的，大小是已知并且可控的。而由永磁体产生的磁感应强度的数值是难以直接测量的，必须通过有限元仿真得到。

磁感应强度的求解使用Maxwell 2D模块，相比于3D在保证精度的前提下减少了仿真计算的时间。在xz坐标面中建立绕z轴的圆柱坐标，选择静态磁场建立二维模型，如图3所示。边界选择气球边界，网格精度为0.1mm， 求解域设置为30%。永磁体材料为钕铁硼N48，线圈材料为铜，骨架材料为ABS，内外磁轭及端盖材料为Q235。模型求解完成后在气隙中增加与求解模型无关的线polyline1，长度与气门升程相等为8mm，起始于线圈一端，平行于z轴。这条线显示气门在8mm的运动范围内，磁感应强度随位移的变化关系，如图4所示。

分析有限元分析结果可得8mm范围内磁感应强度最大值为1.212T，已知线圈长度为11.88m，当线圈中加载电流峰值为10A时，最大电磁力为144N，当线圈中加载电流峰值为15A时，最大电磁力为216N，当线圈中加载电流峰值为20A时，最大电磁力为288N。

3  强度的校核

3.1 模型简化

电磁驱动配气机构工作时，运动件主要是骨架和气门。附属元件包括线圈和弹簧在不影响电磁驱动配气机构主要力学特性的情况下可以忽略不计。机构的端盖和外壁固定在汽缸盖上，当加载电流峰值为10A时，对应的电磁力为144N，这个力通过线圈作用在骨架上。由于采用的时两捆线圈，这个电磁力被均匀的分布在骨架的两处，作用面是圆环面。同时永磁体受到来自线圈的144N的斥力，作用面为圆柱面。

机构是一个轴对称图形，为了减少单元网格的划分数量从而减少仿真计算的速度，将模型两次对称，仅选取四分之一的结构进行有限元分析，这种简化不会影响应力及应变的大小和分布。

3.2 网格的划分和载荷的确定

在有限元分析ANSYS软件中将在CATIA中建立完成的三位模型导入。在DM模块中将其修改成四分之一的模型。网格单元选择四面体单元，相比于六面体单元能在保相同求解精度的前提下减少单元的数量。为了保证求解结构的可靠性，对于骨架，骨架与气门的连接处和应力奇异的重要部位网格划分的细而密。对与宽大的永磁体，端盖和内外磁轭网格划分的稀疏一些。最终共有77882个节点，43999个单元。

选用四分之一模型，144N的电磁力将均分为四部分，作用在骨架两处的力均为18N，永磁体所受斥力为36N。端盖和外壁在工作时固定在汽缸盖上保持不动，气门在承受最大电磁力的同时底部受到来自气缸内气体力的作用。端盖，外壁，气门底部均采用固定约束。

3.3 计算分析

在ANSYS软件中对建立的力学模型进行加载和边界条件的约束，最终进行计算求解。得到最大电磁力为144N时机构的应变和应力云图。如图5，图6所示。

由有限元分析结果可得最大应力值为18.3MPa，位于骨架和气门的连接处。骨架和气门的材料不同，分别为ABS和Q235，屈服强度分别为50MPa和235MPa。虽然连接处有应力奇异使局部应力值增大，但是均在材料的屈服强度范围之内。最大变形量为0.0375mm，位于线圈和骨架第二接触处。从分析结果来看，变形量非常小，可以忽略不计。经过有限元力学分析后，电磁驱动配气机构的强度满足条件。

参考文献：

[1]戴建国.王程电磁驱动配气机构执行装置能耗分析与温升研究[M].南京：东南大学出版社，2016.

[2]刘梁.发动机电磁驱动配气机构的研究[D].南京：南京理工大学，2012.

[3]常思勤，刘梁，等.高功率密度的动圈式永磁直线电机[D].中国：CN101127474B.2010.

[4]Bejan A.Convection heat transfer[M]. John wiley&sons.2013.

[5]张浩.一种圆筒形直线电机的设计[D].陕西：西安理工大学，2016.DOI：10.7666/d.D01041190.

[6]张莹，周在芳，张倩.汽车线束电磁兼容设计规范及故障案例分析[J].内燃机与配件，2019（22）：103-104.