串并聯(lián)永磁對(duì)共軌高速電磁閥電磁力的影響*

劉 鵬，鄧家福，范立云，吳 鋼，胡 林

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410114；2.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱150001）

前言

高速電磁閥作為高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)的核心部件，它的性能直接影響燃油噴射的控制精度和靈活噴射規(guī)律。目前，研究高速電磁閥主要集中在兩個(gè)方面：一方面是對(duì)影響其電磁力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行分析，揭示相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律；另一方面是通過優(yōu)化電磁執(zhí)行器結(jié)構(gòu)與參數(shù)來提高其電磁力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。張建宇等［1］和王蘭等［2］通過實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法建立高速電磁閥的三維數(shù)值仿真模型，研究部分控制參數(shù)對(duì)電磁閥動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)特性的影響；范立云等［3］采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，在全工況平面下對(duì)影響高速電磁閥電磁力的參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得出影響電磁力的關(guān)鍵參數(shù)；趙建輝等［4］采用有限元分析法研究渦流對(duì)高速電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，結(jié)果表明渦流變化與驅(qū)動(dòng)電流有關(guān)，會(huì)阻礙鐵磁材料的磁化過程；王秋霞等［5］運(yùn)用AMESim建模仿真平臺(tái)，建立了高速電磁閥的數(shù)學(xué)模型，并通過分析其占空比-流量特性來驗(yàn)證了模型的精確性；張榛等［6］將永磁體置于電磁閥的磁路中，通過提供偏置磁場(chǎng)來降低電磁閥的電感，從而提高響應(yīng)能力；Qian等［7］采用鋁鐵軟磁材料研制了一種新型高速電磁閥，有效地降低了磁路磁阻，加快了電流的上升速度；胡素云等［8］用Visual Basic 7.0和Matlab聯(lián)合建立柴油機(jī)高速電磁閥的仿真模型，并采用自適應(yīng)變尺度混沌優(yōu)化算法對(duì)電磁閥結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；管長(zhǎng)斌等［9］基于能量回收原理，利用特殊的高剛度回復(fù)彈簧及其銜鐵頂桿的微小間隙設(shè)計(jì)出一種新型電磁閥，以此來解決螺線管電磁閥的開啟響應(yīng)與關(guān)閉響應(yīng)難以同步提高的問題。以上研究大多通過建立不同的高速電磁閥仿真模型，采用不同的分析方法對(duì)其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行研究，針對(duì)高速電磁執(zhí)行器的某參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

本文中以一種串并聯(lián)永磁與電磁混合勵(lì)磁的新型高速電磁閥（以下簡(jiǎn)稱“新型高速電磁閥”）作為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究全工況平面下串、并聯(lián)永磁體以及兩者交互作用對(duì)新型高速電磁閥電磁力的影響，為新型高速電磁閥串、并聯(lián)永磁體的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 新型高速電磁閥結(jié)構(gòu)原理

新型高速電磁閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由鐵芯主磁極、鐵芯副磁極、線圈、串聯(lián)永磁體、并聯(lián)永磁環(huán)及銜鐵構(gòu)成。當(dāng)線圈通電時(shí)，電磁線圈與串、并聯(lián)永磁環(huán)混合勵(lì)磁，產(chǎn)生并聯(lián)磁通Φ1、Φ2，復(fù)合疊加流經(jīng)銜鐵，同時(shí)并聯(lián)永磁環(huán)能屏蔽部分鐵芯主、副磁極間的漏磁，使得銜鐵工作氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，從而有效增大作用于銜鐵的電磁力，降低驅(qū)動(dòng)電流以及減小系統(tǒng)功耗與線圈發(fā)熱量，而此時(shí)串聯(lián)永磁環(huán)產(chǎn)生的反向串聯(lián)磁通Φ3則有助于降低系統(tǒng)電感，加快線圈激勵(lì)電流的增長(zhǎng)速度，提升電磁力的上升速度，從而加快銜鐵的動(dòng)態(tài)吸合速度。當(dāng)線圈斷電時(shí)，串、并聯(lián)永磁環(huán)混合勵(lì)磁，并聯(lián)永磁環(huán)產(chǎn)生并聯(lián)磁通Φ4、Φ5，雖然Φ4磁通回路為鐵芯軟磁材料回路，Φ5磁通為包含工作氣隙的銜鐵磁通回路，磁阻相比后者回路甚大，Φ5小于Φ4，而串聯(lián)永磁環(huán)產(chǎn)生的反向磁通Φ6將進(jìn)一步對(duì)磁通Φ5進(jìn)行調(diào)控削減，同時(shí)降低系統(tǒng)斷電時(shí)的電感，有利于線圈激勵(lì)電流的快速下降，使得作用于銜鐵的電磁力迅速消退，加快銜鐵的動(dòng)態(tài)釋放速度。

圖1 新型高速電磁閥結(jié)構(gòu)及勵(lì)磁原理

本文中采用串、并聯(lián)永磁體采用釹鐵硼永磁體，已知永磁體產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為Fc=Hhr，其中H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，hr為永磁體的徑向厚度，可知永磁體磁動(dòng)勢(shì)與永磁體徑向厚度有關(guān)。永磁體對(duì)外工作磁通為Φm=AmB，其中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，Am為供磁面積。永磁內(nèi)阻為Rm=hr/μAm，可知永磁體徑向厚度會(huì)影響內(nèi)阻，軸向高度越大，永磁內(nèi)阻越小，勵(lì)磁能力就越強(qiáng)，永磁磁通越大。故后續(xù)引入串、并聯(lián)永磁環(huán)高度兩個(gè)變量來研究串并聯(lián)永磁對(duì)電磁力的作用。

2 新型高速電磁閥仿真模型

本文中采用專業(yè)電磁場(chǎng)有限元分析軟件AN?SYS Maxwell建立新型高速電磁閥數(shù)值仿真模型。由于新型高速電磁閥磁路較封閉，磁力線主要聚集在鐵芯主磁極、鐵芯副磁極、串聯(lián)永磁體、并聯(lián)永磁體和銜鐵構(gòu)成的磁回路里，漏磁較小，因此建模時(shí)主要考慮這些部件以及激勵(lì)線圈；同時(shí)由于上述部件結(jié)構(gòu)比較對(duì)稱，故建立其1/4結(jié)構(gòu)模型，以加快計(jì)算速度提高仿真效率。網(wǎng)格剖分采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分的方法，逐步加密網(wǎng)格，直到滿足設(shè)定的能量誤差或者達(dá)到最大迭代次數(shù)為止。本文中自適應(yīng)網(wǎng)格剖分設(shè)定的最大迭代次數(shù)為10，能量誤差為1%，每次迭代加密剖分單元增加比例為30%，非線性殘差為1.0×10-6。圖2是建立的新型高速電磁閥三維仿真模型。目前新型高速電磁閥正處于設(shè)計(jì)階段，其結(jié)構(gòu)形式與普通電磁閥僅存在永磁體的區(qū)別，它采用與普通電磁閥相同的建模和標(biāo)定方法，兩者模型差異小；而普通電磁閥仿真模型的精度已在文獻(xiàn)［10］中被驗(yàn)證，其電磁力最大誤差為6%，說明該數(shù)值建模方法能夠滿足系統(tǒng)的分析計(jì)算要求，可采用該方法開展新型高速電磁閥的電磁力特性研究。

圖2 新型高速電磁閥三維仿真模型

3 串并聯(lián)永磁對(duì)電磁力的影響

為了全面分析串、并聯(lián)永磁體對(duì)高速電磁閥的影響，根據(jù)高速電磁閥的工作特點(diǎn)，將其工況平面離散為圖3所示的6條特性直線（驅(qū)動(dòng)電流直線6、12、18 A和工作氣隙直線0.1、0.175、0.25 mm）相交所構(gòu)成的9個(gè)工況點(diǎn)，通過研究這9個(gè)工況點(diǎn)上的高速電磁閥電磁力變化，來揭示串、并聯(lián)永磁體對(duì)高速電磁閥電磁力的影響規(guī)律。

圖3 新型高速電磁閥工況點(diǎn)

3.1 串聯(lián)永磁環(huán)對(duì)電磁力的影響

圖4（a）~圖4（c）分別為工作氣隙為0.1、0.175和0.25 mm時(shí)不同驅(qū)動(dòng)電流情況下，電磁力隨串聯(lián)永磁環(huán)高度變化的情況。圖5（a）~圖5（c）分別為驅(qū)動(dòng)電流為6、12和18 A時(shí)不同工作氣隙情況下，電磁力隨串聯(lián)永磁環(huán)高度變化的情況。

由圖4和圖5可知，串聯(lián)永磁環(huán)高度與電磁力呈負(fù)相關(guān)，串聯(lián)永磁環(huán)高度越大，電磁力越小，這是因?yàn)榇?lián)永磁環(huán)高度增大，造成串聯(lián)永磁環(huán)對(duì)銜鐵產(chǎn)生的反向磁通隨之增大，由式（1）可知，此時(shí)疊加的工作磁通Φc減小，電磁力也變小。

由圖4可知，在高電流情況下，串聯(lián)永磁環(huán)高度越小，電磁力變化越小，此時(shí)銜鐵處磁場(chǎng)接近飽和，電流增大，電磁力上升幅度變慢；串聯(lián)永磁環(huán)高度越大，電磁力變化大，此時(shí)串聯(lián)永磁環(huán)的反向磁通對(duì)工作磁通削弱多，此時(shí)磁場(chǎng)未達(dá)到飽和，電流增大，電磁力也隨之增大，變化幅度也隨之加快；所以串聯(lián)永磁環(huán)對(duì)新型高速電磁閥銜鐵處的磁飽和現(xiàn)象有改善的作用。

圖4 不同工作氣隙下串聯(lián)永磁環(huán)對(duì)電磁力的影響

由圖5可知，工作氣隙越大，電磁力越小。由于電磁閥工作磁阻主要集中在工作氣隙處，氣隙越大，磁阻也越大，造成銜鐵處的磁場(chǎng)強(qiáng)度降低，電磁力減小。在小電流情況下，當(dāng)串聯(lián)永磁環(huán)高度較大時(shí)，會(huì)造成銜鐵處的工作磁通較小，使得電磁力接近于零；因此為保證電磁力的上升速率，在保證新型高速電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的情況下，串聯(lián)永磁環(huán)高度應(yīng)選取的盡量小一點(diǎn)。此外，由圖5（a）和圖5（b）可知，當(dāng)電流較小時(shí)，串聯(lián)永磁環(huán)高度越大，工作氣隙對(duì)電磁力變化的影響越小，串聯(lián)永磁環(huán)高度過大會(huì)造成反向磁通過大，其對(duì)銜鐵的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作氣隙變化對(duì)銜鐵造成的影響；當(dāng)串聯(lián)永磁環(huán)高度過大時(shí)，銜鐵處磁場(chǎng)強(qiáng)度低，工作氣隙變化對(duì)電磁力變化影響較小。由圖5（c）可知，處于高電流情況下時(shí)，不同工作氣隙下的電磁力變化曲線近似平行，說明此時(shí)串聯(lián)永磁環(huán)高度對(duì)電磁閥電磁力的影響規(guī)律相似。這是因?yàn)殡娏鬏^高時(shí)，線圈所產(chǎn)生的磁通大于串聯(lián)永磁環(huán)產(chǎn)生的反向磁通，串聯(lián)永磁環(huán)對(duì)工作磁通影響減小，此時(shí)工作氣隙變化在串聯(lián)永磁環(huán)高度時(shí)對(duì)電磁力的影響程度基本保持不變。

圖5 不同驅(qū)動(dòng)電流下串聯(lián)永磁環(huán)對(duì)電磁力的影響

3.2 并聯(lián)永磁環(huán)對(duì)電磁力的影響

圖6（a）~圖6（c）分別為工作氣隙為0.1、0.175和0.25 mm時(shí)不同驅(qū)動(dòng)電流情況下，電磁力隨并聯(lián)永磁環(huán)高度變化的情況。圖7（a）~圖7（c）分別為驅(qū)動(dòng)電流為6、12和8 A時(shí)不同工作氣隙情況下，電磁力隨并聯(lián)永磁環(huán)高度變化的情況。

由圖6和圖7可知，并聯(lián)永磁環(huán)高度與電磁力呈正相關(guān)，并聯(lián)永磁環(huán)高度越大，電磁力也越大。這是因?yàn)殡S著并聯(lián)永磁環(huán)高度增大，其磁流通截面積增大，永磁環(huán)的內(nèi)磁阻減小，對(duì)外勵(lì)磁能力增強(qiáng)，使得并聯(lián)永磁環(huán)產(chǎn)生的并聯(lián)磁通變大，新型高速電磁閥的工作磁通增大，所以電磁力隨之變大。此外，當(dāng)電磁閥處于中小氣隙、高電流情況下時(shí)，隨著并聯(lián)永磁環(huán)高度的變大，電磁力增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，在并聯(lián)永磁環(huán)高度取2.5~3 mm時(shí)尤為明顯；這是在中小氣隙、高電流情況下時(shí)，系統(tǒng)磁阻較小，而磁動(dòng)勢(shì)較大，銜鐵磁場(chǎng)越趨近于飽和，所以此時(shí)并聯(lián)永磁環(huán)的作用減弱，電磁力提升變緩。

圖6 不同工作氣隙下并聯(lián)永磁環(huán)對(duì)電磁力的影響

圖7 不同驅(qū)動(dòng)電流下并聯(lián)永磁環(huán)對(duì)電磁力的影響

此外，由圖6可知，在獲得相同電磁力水平下，并聯(lián)永磁環(huán)高度越大越有利于降低驅(qū)動(dòng)電流；由圖7可知，在獲得相同電磁力水平下，永磁環(huán)高度越大越有利于擴(kuò)大工作氣隙，即可通過增大電磁閥的初始工作氣隙來降低銜鐵運(yùn)動(dòng)燃油阻尼力，以提高高速電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

4 串并聯(lián)永磁體的交互作用

交互作用指兩個(gè)或兩個(gè)以上自變量相互依賴、相互制約，共同對(duì)因變量的變化發(fā)生影響。而對(duì)一個(gè)多參數(shù)的系統(tǒng)而言，它不僅受到單參數(shù)的影響，還受到參數(shù)間交互作用的影響。研究串并聯(lián)永磁環(huán)之間的交互作用，是為了更好地分析串、并聯(lián)永磁環(huán)對(duì)新型高速電磁閥的影響，為其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。因此，采用均勻拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法結(jié)合最小二乘法構(gòu)建了串、并聯(lián)永磁體高度與電磁力的二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，得到了不同工況點(diǎn)下串、并聯(lián)永磁體高度與電磁力的等高線圖，如圖8~圖16所示。

圖8 6 A、0.1 mm時(shí)永磁環(huán)與電磁力關(guān)系

圖9 6 A、0.175 mm時(shí)永磁環(huán)與電磁力關(guān)系

圖11 12 A、0.1 mm時(shí)永磁環(huán)與電磁力關(guān)系

由圖16可知，在大電流和大氣隙情況下時(shí)，新型高速電磁閥的電磁力達(dá)到130 N以上，滿足高速電磁閥的工作要求。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為同一電流時(shí)，在不同工作氣隙下，圖中等高線變化不大，此時(shí)串并聯(lián)永磁環(huán)變化對(duì)電磁力的影響較小。而在不同驅(qū)動(dòng)電流情況下時(shí)，串并聯(lián)永磁環(huán)高度變化之間的相互作用在不斷變化。由圖8~圖13可知，在小電流和中電流情況下時(shí)，串聯(lián)永磁環(huán)高度與并聯(lián)永磁環(huán)高度兩者的交互作用明顯，此時(shí)對(duì)電磁力的影響分為兩種情況：當(dāng)串聯(lián)永磁環(huán)高度大于并聯(lián)永磁環(huán)高度時(shí)，串聯(lián)永磁環(huán)高度變化對(duì)電磁力的影響較大，此時(shí)電磁力明顯減??；當(dāng)串聯(lián)永磁環(huán)高度小于并聯(lián)永磁環(huán)高度時(shí)，串聯(lián)永磁環(huán)對(duì)銜鐵產(chǎn)生的反向磁通變小，對(duì)電磁力的影響明顯減弱。由圖8~圖16可知，隨著驅(qū)動(dòng)電流的上升，并聯(lián)永磁環(huán)高度對(duì)電磁力的影響逐步增強(qiáng)，但串并聯(lián)永磁環(huán)高度之間的交互作用逐步減弱。如圖14~圖16可知，在大電流情況下時(shí)，串聯(lián)永磁環(huán)高度接近0.5 mm，并聯(lián)永磁環(huán)高度大于1.5 mm時(shí)，電磁力等高線近似垂直線，隨著并聯(lián)永磁環(huán)高度的增大，串聯(lián)永磁環(huán)高度基本保持不變，兩者的交互作用減弱。

圖12 12 A、0.175 mm時(shí)永磁環(huán)與電磁力關(guān)系

圖13 12 A、0.25 mm時(shí)永磁環(huán)與電磁力關(guān)系

圖14 18 A、0.1 mm時(shí)永磁環(huán)與電磁力關(guān)系

圖15 18 A、0.175 mm時(shí)永磁環(huán)與電磁力關(guān)系

圖16 18 A、0.25 mm時(shí)永磁環(huán)與電磁力關(guān)系

由圖8~圖10可知，串聯(lián)永磁環(huán)高度大于并聯(lián)永磁環(huán)高度時(shí)，兩者交互作用明顯，此時(shí)串聯(lián)永磁環(huán)產(chǎn)生的反向磁通對(duì)銜鐵的影響遠(yuǎn)大于并聯(lián)永磁環(huán)產(chǎn)生磁通對(duì)銜鐵的影響，使得工作總磁通減小，造成電磁力下降，所以可知設(shè)定永磁環(huán)高度時(shí)，串聯(lián)永磁環(huán)的勵(lì)磁路徑要小于并聯(lián)永磁環(huán)的勵(lì)磁路徑。圖8~圖10中A、B、C處存在負(fù)電磁力，實(shí)際仍為電磁力吸力，只是磁通的流通方向變反，因?yàn)樵谛〉尿?qū)動(dòng)電流情況時(shí)，串聯(lián)永磁環(huán)高度較大而并聯(lián)永磁環(huán)高度偏小時(shí)，由于此時(shí)線圈產(chǎn)生的磁通較小，并聯(lián)永磁環(huán)產(chǎn)生的并聯(lián)磁通也較小，由式（1）可知，串聯(lián)永磁環(huán)產(chǎn)生的反向磁通較大，造成穿過銜鐵的工作磁通的方向相反。

圖10 6 A、0.25 mm時(shí)永磁環(huán)與電磁力關(guān)系

5 結(jié)論

（1）串聯(lián)永磁環(huán)高度與高速電磁閥電磁力呈負(fù)相關(guān)，串聯(lián)永磁環(huán)的存在可以改善大電流時(shí)銜鐵處的磁飽和現(xiàn)象，但串聯(lián)永磁環(huán)高度過大，會(huì)造成電磁力上升過于緩慢。

（2）并聯(lián)永磁環(huán)高度與高速電磁閥電磁力呈正相關(guān)，并聯(lián)永磁環(huán)有助于電磁力的提升，在獲得相同電磁力水平下，并聯(lián)永磁環(huán)高度越大越有利于降低驅(qū)動(dòng)電流，且越有利于擴(kuò)大工作氣隙，并可通過增大電磁閥的初始工作氣隙來降低銜鐵運(yùn)動(dòng)燃油阻尼力，以提高高速電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

（3）隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，串聯(lián)永磁環(huán)高度與并聯(lián)永磁環(huán)高度兩者之間的交互作用逐步減弱；當(dāng)串聯(lián)永磁環(huán)高度大于并聯(lián)永磁環(huán)高度時(shí)，串聯(lián)永磁環(huán)高度變化對(duì)電磁力的影響較大，此時(shí)兩者的交互作用尤為顯著，需綜合考慮串、并聯(lián)永磁環(huán)對(duì)電磁力的影響。