串并联永磁对共轨高速电磁阀电磁力的影响*

2021-08-31邓家福范立云

汽车工程 2021年8期

刘鹏，邓家福，范立云，吴钢，胡林

（1.长沙理工大学汽车与机械工程学院，长沙410114；2.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨150001）

前言

高速电磁阀作为高压共轨电控燃油喷射系统的核心部件，它的性能直接影响燃油喷射的控制精度和灵活喷射规律。目前，研究高速电磁阀主要集中在两个方面：一方面是对影响其电磁力和动态响应的参数进行分析，揭示相关参数的影响规律；另一方面是通过优化电磁执行器结构与参数来提高其电磁力和动态响应。张建宇等［1］和王兰等［2］通过实验研究与数值模拟相结合的方法建立高速电磁阀的三维数值仿真模型，研究部分控制参数对电磁阀动静态响应特性的影响；范立云等［3］采用实验设计的方法，在全工况平面下对影响高速电磁阀电磁力的参数进行相关性分析，得出影响电磁力的关键参数；赵建辉等［4］采用有限元分析法研究涡流对高速电磁阀动态响应的影响，结果表明涡流变化与驱动电流有关，会阻碍铁磁材料的磁化过程；王秋霞等［5］运用AMESim建模仿真平台，建立了高速电磁阀的数学模型，并通过分析其占空比-流量特性来验证了模型的精确性；张榛等［6］将永磁体置于电磁阀的磁路中，通过提供偏置磁场来降低电磁阀的电感，从而提高响应能力；Qian等［7］采用铝铁软磁材料研制了一种新型高速电磁阀，有效地降低了磁路磁阻，加快了电流的上升速度；胡素云等［8］用Visual Basic 7.0和Matlab联合建立柴油机高速电磁阀的仿真模型，并采用自适应变尺度混沌优化算法对电磁阀结构参数进行优化；管长斌等［9］基于能量回收原理，利用特殊的高刚度回复弹簧及其衔铁顶杆的微小间隙设计出一种新型电磁阀，以此来解决螺线管电磁阀的开启响应与关闭响应难以同步提高的问题。以上研究大多通过建立不同的高速电磁阀仿真模型，采用不同的分析方法对其相关参数进行研究，针对高速电磁执行器的某参数进行改进优化。

本文中以一种串并联永磁与电磁混合励磁的新型高速电磁阀（以下简称“新型高速电磁阀”）作为研究对象，采用数值模拟方法结合试验设计方法，研究全工况平面下串、并联永磁体以及两者交互作用对新型高速电磁阀电磁力的影响，为新型高速电磁阀串、并联永磁体的设计优化提供参考依据。

1 新型高速电磁阀结构原理

新型高速电磁阀结构如图1所示，主要由铁芯主磁极、铁芯副磁极、线圈、串联永磁体、并联永磁环及衔铁构成。当线圈通电时，电磁线圈与串、并联永磁环混合励磁，产生并联磁通Φ1、Φ2，复合叠加流经衔铁，同时并联永磁环能屏蔽部分铁芯主、副磁极间的漏磁，使得衔铁工作气隙处的磁感应强度增强，从而有效增大作用于衔铁的电磁力，降低驱动电流以及减小系统功耗与线圈发热量，而此时串联永磁环产生的反向串联磁通Φ3则有助于降低系统电感，加快线圈激励电流的增长速度，提升电磁力的上升速度，从而加快衔铁的动态吸合速度。当线圈断电时，串、并联永磁环混合励磁，并联永磁环产生并联磁通Φ4、Φ5，虽然Φ4磁通回路为铁芯软磁材料回路，Φ5磁通为包含工作气隙的衔铁磁通回路，磁阻相比后者回路甚大，Φ5小于Φ4，而串联永磁环产生的反向磁通Φ6将进一步对磁通Φ5进行调控削减，同时降低系统断电时的电感，有利于线圈激励电流的快速下降，使得作用于衔铁的电磁力迅速消退，加快衔铁的动态释放速度。

图1 新型高速电磁阀结构及励磁原理

本文中采用串、并联永磁体采用钕铁硼永磁体，已知永磁体产生的磁动势为Fc=Hhr，其中H为磁场强度，hr为永磁体的径向厚度，可知永磁体磁动势与永磁体径向厚度有关。永磁体对外工作磁通为Φm=AmB，其中B为磁感应强度，Am为供磁面积。永磁内阻为Rm=hr/μAm，可知永磁体径向厚度会影响内阻，轴向高度越大，永磁内阻越小，励磁能力就越强，永磁磁通越大。故后续引入串、并联永磁环高度两个变量来研究串并联永磁对电磁力的作用。

2 新型高速电磁阀仿真模型

本文中采用专业电磁场有限元分析软件AN⁃SYS Maxwell建立新型高速电磁阀数值仿真模型。由于新型高速电磁阀磁路较封闭，磁力线主要聚集在铁芯主磁极、铁芯副磁极、串联永磁体、并联永磁体和衔铁构成的磁回路里，漏磁较小，因此建模时主要考虑这些部件以及激励线圈；同时由于上述部件结构比较对称，故建立其1/4结构模型，以加快计算速度提高仿真效率。网格剖分采用自适应网格剖分的方法，逐步加密网格，直到满足设定的能量误差或者达到最大迭代次数为止。本文中自适应网格剖分设定的最大迭代次数为10，能量误差为1%，每次迭代加密剖分单元增加比例为30%，非线性残差为1.0×10-6。图2是建立的新型高速电磁阀三维仿真模型。目前新型高速电磁阀正处于设计阶段，其结构形式与普通电磁阀仅存在永磁体的区别，它采用与普通电磁阀相同的建模和标定方法，两者模型差异小；而普通电磁阀仿真模型的精度已在文献［10］中被验证，其电磁力最大误差为6%，说明该数值建模方法能够满足系统的分析计算要求，可采用该方法开展新型高速电磁阀的电磁力特性研究。

图2 新型高速电磁阀三维仿真模型

3 串并联永磁对电磁力的影响

为了全面分析串、并联永磁体对高速电磁阀的影响，根据高速电磁阀的工作特点，将其工况平面离散为图3所示的6条特性直线（驱动电流直线6、12、18 A和工作气隙直线0.1、0.175、0.25 mm）相交所构成的9个工况点，通过研究这9个工况点上的高速电磁阀电磁力变化，来揭示串、并联永磁体对高速电磁阀电磁力的影响规律。

图3 新型高速电磁阀工况点

3.1 串联永磁环对电磁力的影响

图4（a）~图4（c）分别为工作气隙为0.1、0.175和0.25 mm时不同驱动电流情况下，电磁力随串联永磁环高度变化的情况。图5（a）~图5（c）分别为驱动电流为6、12和18 A时不同工作气隙情况下，电磁力随串联永磁环高度变化的情况。

由图4和图5可知，串联永磁环高度与电磁力呈负相关，串联永磁环高度越大，电磁力越小，这是因为串联永磁环高度增大，造成串联永磁环对衔铁产生的反向磁通随之增大，由式（1）可知，此时叠加的工作磁通Φc减小，电磁力也变小。

由图4可知，在高电流情况下，串联永磁环高度越小，电磁力变化越小，此时衔铁处磁场接近饱和，电流增大，电磁力上升幅度变慢；串联永磁环高度越大，电磁力变化大，此时串联永磁环的反向磁通对工作磁通削弱多，此时磁场未达到饱和，电流增大，电磁力也随之增大，变化幅度也随之加快；所以串联永磁环对新型高速电磁阀衔铁处的磁饱和现象有改善的作用。

图4 不同工作气隙下串联永磁环对电磁力的影响

由图5可知，工作气隙越大，电磁力越小。由于电磁阀工作磁阻主要集中在工作气隙处，气隙越大，磁阻也越大，造成衔铁处的磁场强度降低，电磁力减小。在小电流情况下，当串联永磁环高度较大时，会造成衔铁处的工作磁通较小，使得电磁力接近于零；因此为保证电磁力的上升速率，在保证新型高速电磁阀动态响应快的情况下，串联永磁环高度应选取的尽量小一点。此外，由图5（a）和图5（b）可知，当电流较小时，串联永磁环高度越大，工作气隙对电磁力变化的影响越小，串联永磁环高度过大会造成反向磁通过大，其对衔铁的影响远远大于工作气隙变化对衔铁造成的影响；当串联永磁环高度过大时，衔铁处磁场强度低，工作气隙变化对电磁力变化影响较小。由图5（c）可知，处于高电流情况下时，不同工作气隙下的电磁力变化曲线近似平行，说明此时串联永磁环高度对电磁阀电磁力的影响规律相似。这是因为电流较高时，线圈所产生的磁通大于串联永磁环产生的反向磁通，串联永磁环对工作磁通影响减小，此时工作气隙变化在串联永磁环高度时对电磁力的影响程度基本保持不变。

图5 不同驱动电流下串联永磁环对电磁力的影响

3.2 并联永磁环对电磁力的影响

图6（a）~图6（c）分别为工作气隙为0.1、0.175和0.25 mm时不同驱动电流情况下，电磁力随并联永磁环高度变化的情况。图7（a）~图7（c）分别为驱动电流为6、12和8 A时不同工作气隙情况下，电磁力随并联永磁环高度变化的情况。

由图6和图7可知，并联永磁环高度与电磁力呈正相关，并联永磁环高度越大，电磁力也越大。这是因为随着并联永磁环高度增大，其磁流通截面积增大，永磁环的内磁阻减小，对外励磁能力增强，使得并联永磁环产生的并联磁通变大，新型高速电磁阀的工作磁通增大，所以电磁力随之变大。此外，当电磁阀处于中小气隙、高电流情况下时，随着并联永磁环高度的变大，电磁力增长趋势变缓，在并联永磁环高度取2.5~3 mm时尤为明显；这是在中小气隙、高电流情况下时，系统磁阻较小，而磁动势较大，衔铁磁场越趋近于饱和，所以此时并联永磁环的作用减弱，电磁力提升变缓。

图6 不同工作气隙下并联永磁环对电磁力的影响

图7 不同驱动电流下并联永磁环对电磁力的影响

此外，由图6可知，在获得相同电磁力水平下，并联永磁环高度越大越有利于降低驱动电流；由图7可知，在获得相同电磁力水平下，永磁环高度越大越有利于扩大工作气隙，即可通过增大电磁阀的初始工作气隙来降低衔铁运动燃油阻尼力，以提高高速电磁阀的动态响应速度。

4 串并联永磁体的交互作用

交互作用指两个或两个以上自变量相互依赖、相互制约，共同对因变量的变化发生影响。而对一个多参数的系统而言，它不仅受到单参数的影响，还受到参数间交互作用的影响。研究串并联永磁环之间的交互作用，是为了更好地分析串、并联永磁环对新型高速电磁阀的影响，为其优化设计提供参考。因此，采用均匀拉丁超立方试验设计方法结合最小二乘法构建了串、并联永磁体高度与电磁力的二次多项式函数关系，得到了不同工况点下串、并联永磁体高度与电磁力的等高线图，如图8~图16所示。

图8 6 A、0.1 mm时永磁环与电磁力关系

图9 6 A、0.175 mm时永磁环与电磁力关系

图11 12 A、0.1 mm时永磁环与电磁力关系

由图16可知，在大电流和大气隙情况下时，新型高速电磁阀的电磁力达到130 N以上，满足高速电磁阀的工作要求。当驱动电流为同一电流时，在不同工作气隙下，图中等高线变化不大，此时串并联永磁环变化对电磁力的影响较小。而在不同驱动电流情况下时，串并联永磁环高度变化之间的相互作用在不断变化。由图8~图13可知，在小电流和中电流情况下时，串联永磁环高度与并联永磁环高度两者的交互作用明显，此时对电磁力的影响分为两种情况：当串联永磁环高度大于并联永磁环高度时，串联永磁环高度变化对电磁力的影响较大，此时电磁力明显减小；当串联永磁环高度小于并联永磁环高度时，串联永磁环对衔铁产生的反向磁通变小，对电磁力的影响明显减弱。由图8~图16可知，随着驱动电流的上升，并联永磁环高度对电磁力的影响逐步增强，但串并联永磁环高度之间的交互作用逐步减弱。如图14~图16可知，在大电流情况下时，串联永磁环高度接近0.5 mm，并联永磁环高度大于1.5 mm时，电磁力等高线近似垂直线，随着并联永磁环高度的增大，串联永磁环高度基本保持不变，两者的交互作用减弱。

图12 12 A、0.175 mm时永磁环与电磁力关系

图13 12 A、0.25 mm时永磁环与电磁力关系

图14 18 A、0.1 mm时永磁环与电磁力关系

图15 18 A、0.175 mm时永磁环与电磁力关系

图16 18 A、0.25 mm时永磁环与电磁力关系

由图8~图10可知，串联永磁环高度大于并联永磁环高度时，两者交互作用明显，此时串联永磁环产生的反向磁通对衔铁的影响远大于并联永磁环产生磁通对衔铁的影响，使得工作总磁通减小，造成电磁力下降，所以可知设定永磁环高度时，串联永磁环的励磁路径要小于并联永磁环的励磁路径。图8~图10中A、B、C处存在负电磁力，实际仍为电磁力吸力，只是磁通的流通方向变反，因为在小的驱动电流情况时，串联永磁环高度较大而并联永磁环高度偏小时，由于此时线圈产生的磁通较小，并联永磁环产生的并联磁通也较小，由式（1）可知，串联永磁环产生的反向磁通较大，造成穿过衔铁的工作磁通的方向相反。