液壓自由活塞發動機大流量快速響應電磁閥電磁仿真

李 歡

（天津中德職業技術學院，中國 天津 300350）

液壓自由活塞發動機(Hydraulic free piston engine，簡稱HFPE)集液壓泵與內燃機于一體，從結構上看可分為液壓泵和內燃機兩大組成部分。根據其中內燃機部分活塞組及燃燒室數目的不同，可將其分為三種基本類型：單活塞式、雙活塞式和對置活塞式。

本文以雙活塞式液壓自由活塞發動機作為對象，其與傳統內燃機相比，壓縮比可以實現瞬變和逐循環改變。如果壓縮能得不到精確的控制，就會影響到壓縮比。而大流量快速響應電磁閥正是直接控制壓縮能的關鍵，通過控制此閥的開啟過程和開啟時間，達到控制壓縮能的目的。而且電磁閥必須具有快速響應的能力，根據指令快速產生滿足要求的流通面積，避免較大的壓力損失。

本文提出的大流量快速響應電磁閥要達到的要求是：內部無偶件、足夠的驅動力、能夠快速開啟以及一定條件下有大流量供給液壓油能力。大流量快速響應電磁閥由起銜鐵作用的圓柱型塊和頂針（兩者構成動鐵）、小閥片，大閥片和復位彈簧等構成，原理圖如圖1所示。在小閥片和頂針之間存在自由間隙h，稱為自由升程。動鐵通過電磁力獲得初速度，此時在彈簧復位力和液壓力作用下大、小閥片處于關閉狀態；當h=0時，頂針撞擊打開小閥片，高壓液壓油開始進入液壓腔；動鐵帶動小閥片一起向上運動，撞擊打開大閥片，液壓油開始大量流入液壓腔，動鐵、小閥片和大閥片繼續一起向上運動，直到兩個閥片開啟過程結束，即大流量快速響應電磁閥的開啟過程結束。斷電后，大、小閥片在小彈簧復位彈簧力作用下帶動動鐵一起向下運動，同時動鐵受到大彈簧復位彈簧力，直到大、小閥片落座，供油停止；然后，動鐵在慣性和大彈簧復位彈簧力的作用下與小閥片分離并繼續向下運動，直到與大流量快速響應電磁閥體內部的止口接觸，大流量快速響應電磁閥回到復位狀態。

圖1 大流量快速響應電磁閥結構原理圖

本文利用三維電磁仿真軟件MAXWELL建立電磁仿真模型。

1 電磁閥結構

大流量快速響應電磁閥是電磁直接驅動針閥，結構采用吸入式螺線管結構，包括導磁套，復位彈簧，電磁鐵（包括靜鐵芯、銜鐵、線圈），隔磁套。動鐵既是導磁體又是閥片運動的執行體，因此材料既要保證高的導磁率也要保證一定的機械強度。當線圈斷電時，閥片在彈簧預緊力和液壓油壓力作用下緊壓住閥座，關閉油道出口；當線圈通電時，電磁力吸引動鐵向上運動，與閥片碰撞接觸后帶動閥片運動，從而打開電磁閥供油。

2 電磁場有限元建模

將矢量磁勢位函數A和標量電勢位函數Ф的概念引入，基于麥克斯韋方程組對電磁場作瞬態有限元分析，得出電磁場的瞬態獨立磁場和電場偏微分方程：

σ：電導率μ：導磁率ρ：電阻率ε：介電常數

因此電磁場有限元計算的核心是求得磁場各處的矢量磁位A，進而得到相應的磁場磁感應強度和磁場強度分布。對于低頻驅動或絞線類導體，可以忽略渦流的產生，矢量磁勢及標量電勢位函數二階導數為零。電磁場解算以計算電流為起點，如果激勵是外部電壓或外部電路，由于其電流未知，要假設一初始電流，解算得出磁場分布，從而得到相應的反向電動勢，代入電路方程看是否滿足相應的電壓約束條件。電磁場方程與電路方程反復迭代，直至滿足相應的電壓約束，從而解出磁矢量A和勵磁電流，得到所需的磁場的分布。根據虛擬功原理方程和運動物體的機械運動方程即可獲得相應的電磁力及運動狀態。根據快速響應電磁閥的結構，通過MAXWELL3D（即電磁三維有限元軟件）建立如圖2的電磁仿真結構模型。

圖2 三維電磁計算模型

由于其對稱結構，所以采用其1/4模型計算。將銜鐵簡化為等質量的有孔圓柱體，將彈簧力施加在運動的銜鐵上，相對電磁力很小的摩擦力和粘性阻尼可以忽略。由于在一定的位置出現碰撞，在接近碰撞位置處采用變步長計算。采用電鐵材料制作電磁閥的銜鐵、靜鐵以及閥體，使用不銹鋼材料作隔磁套。激勵采用外電路驅動，可設置單脈沖驅動或PWM驅動。電磁計算采用奇對稱邊界條件，選用瞬態解算器得出電磁閥的磁場的分布變化及銜鐵的電磁力和位移等運動的時域變化曲線。

3 大流量快速響應電磁閥響應特性仿真研究

3.1 線圈匝數的影響

在其它結構參數及驅動電流相同時，電磁力的靜態特性使得線圈匝數增加提高磁勢，促進電能與磁能的轉換。從動態特性講匝數增加會導致線圈電感及電阻的增大，減緩電流的上升速度，從而影響電磁力上升速度。為了在不減少電磁力的前提下電磁力的響應速度得到明顯提升，線圈采用并聯繞制。匝數較少時，電阻和電感都較小，加快電流上升速度，對提高電磁力響應速度有利。

從能量損耗的角度講，要考慮線圈的熱量損耗，減少溫升。匝數少的線圈，電流快速增大，電磁閥產生的熱量也隨之增大，從而縮短使用壽命。

圖3 不同匝數對電磁力、電流響應的影響曲線

圖3是三種不同線圈匝數(線徑1mm)的脈沖2ms動態電磁力和電流的響應曲線。從圖中看出隨匝數線圈減少，其電磁力與電流以及電流上升響應速度都顯著提高，但其電磁力的衰退速度相對略低。

3.2 高壓源壓力的影響

從電磁閥的工作原理來看，高壓源壓力對于小閥片的開啟響應時間沒有太大影響，而是對小閥片的開啟后的過程有影響，進而影響到電磁力的上升速度，最終對電磁閥實現大流量供油響應時間產生影響。

4 結論

1）通過電磁仿真研究表明：線圈匝數的合理選擇，可以調節和優化電磁閥的響應特性。在其它參數相同的條件下，電流的上升速率隨著線圈匝數的增加而下降，在一定時間內，電流所能達到的最大值下降，電磁力上升速度下降，在自由升程階段所需時間增大，由于電磁閥的設計原理是基于碰撞，所以碰撞時，動鐵所能達到的速度越大。

2）高壓源壓力基本不影響小閥片的開啟響應，而影響閥片的關閉響應，隨著高壓源壓力的升高，電磁閥關閉響應速度加快。

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