, 　, , (.華中科技大學 船舶與海洋工程學院， 湖北 武漢　430074； .中船重工7研究所， 上海　008)

引言

在液壓傳動領域，傳統的柱塞泵都采用旋轉型驅動方式。其傳動鏈長、柱塞泵內部至少存在3對以上的主要摩擦副，能量損失環(huán)節(jié)多，而且泵的加工精度高，裝配關系復雜。應用直線電磁驅動技術的柱塞泵將直線電磁推力直接傳遞到柱塞上，去掉了一系列中間傳動鏈，大大提高了泵的工作效率。而且泵體結構和制造工藝變得更加簡單，柱塞泵更加易于實現流量自適應控制?；谝陨蟽?yōu)點，直線電磁驅動柱塞泵將廣泛應用于汽車、船舶、航空航天、生物工程等領域。英國、日本等發(fā)達國家對于直線電磁驅動技術的研究已經比較成熟，而且已有產品投入應用[1-3]。但是國內對于該項技術的研究較少，而且大多數還只是處于理論層面以及實驗階段[4-6]。

一種高頻直線電磁驅動柱塞泵[7](圖1)基本工作原理如下：電磁鐵線圈通電，銜鐵在電磁力的推動下向上運動，帶動柱塞向上運動，此時入口配流閥關閉，出口配流閥開啟，電磁泵開始向外排油；電磁鐵線圈斷電，銜鐵在彈簧力的作用下向下運動，柱塞也隨著向下運動，此時入口配流閥開啟，出口配流閥關閉，電磁泵吸油。

電磁泵通過PWM脈寬調制實現靈活控制，高頻電磁脈沖驅動是該泵的主要優(yōu)點，但同時也是研究難點。該泵如果應用到小排量發(fā)動機電噴系統中， 驅動頻率要求至少可以達到50～60 Hz。而電磁泵的運動頻率主要取決于電磁鐵的運動頻率，因此高頻電磁鐵是該泵的研究重點。本研究著重對高頻電磁鐵的動態(tài)特性進行了研究，得到電磁鐵的最大運動頻率。

圖1　電磁泵模型

1　高頻電磁鐵結構參數設計

1.1　電磁鐵設計要求

電磁鐵運行頻率要求至少可以達到50～60 Hz；電磁鐵銜鐵額定行程為3 mm；電磁鐵采用12 V電壓供電；電磁鐵銜鐵推力不小于10 N，并且利用彈簧復位。

1.2　電磁鐵結構參數設計計算

初步設計得到電磁鐵結構如圖2所示，電磁鐵主要由擋鐵、線圈、導套、隔磁環(huán)、銜鐵、磁軛和后蓋等7部分組成。

1.擋鐵　2.線圈　3.導套　4.隔磁環(huán)　5.銜鐵　6.磁軛　7.后蓋圖2　電磁鐵二維結構模型

查取相關資料，根據經驗計算公式[8-11]，通過計算得到電磁鐵初步結構參數如表1所示。

根據經驗公式計算得到了銜鐵直徑、銜鐵長度、安匝數、導套參數和線圈參數等，但是經驗公式中有許多系數都是選取的經驗值，計算結果并不太精確。而且隔磁環(huán)結構、擋鐵結構和銜鐵結構對電磁鐵的行程力特性也有很大的影響，但是并不能通過經驗公式的計算準確得到。下面將采用有限元分析的方法，對電磁鐵的行程力特性進行仿真研究，并據此對隔磁環(huán)、擋鐵和銜鐵進行結構優(yōu)化設計。

表1　電磁鐵初步結構參數

2　電磁鐵有限元建模及仿真分析

2.1　有限元仿真模型

本研究采用某公司的Maxwell 2D/3D電磁場仿真分析軟件[12]建立電磁鐵有限元模型。該軟件基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場計算轉變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼?，具有很高的準確性和快捷性。

電磁鐵為軸對稱結構，由電磁鐵的1/2軸對稱模型即可得到整個電磁鐵的行程力特性。而且Maxwell 2D/3D軟件在進行磁場分析時二維模型的精度要比三維模型高，同時占用內存少，計算效率高。故電磁鐵模型設計為二維軸對稱模型[13](圖3)。

圖3　電磁鐵二維仿真模型

2.2　靜態(tài)磁場有限元仿真分析

在電磁仿真軟件Ansoft的靜態(tài)磁場求解器中，依次改變隔磁環(huán)位置、隔磁環(huán)長度、隔磁環(huán)角度、擋鐵類型(復位彈簧內置和復位彈簧外置)、銜鐵內腔深度以及銜鐵內腔直徑(如圖3，去掉對電磁力無影響的部分材料)，仿真得到電磁鐵在不同結構下的行程力特性曲線。通過對行程力特性曲線進行對比分析，選擇最優(yōu)結構參數值，最終得到靜態(tài)磁場下的最優(yōu)電磁力曲線(圖4中電磁力為F，位移為x)和經過優(yōu)化設計后的電磁鐵結構參數(表2)。

圖4　靜態(tài)電磁力曲線

表2　電磁鐵優(yōu)化后的結構參數

2.3　瞬態(tài)磁場有限元仿真分析

通過靜態(tài)磁場有限元仿真分析優(yōu)化了電磁鐵結構，為了得到電磁鐵的高頻驅動特性，還需要作進一步的仿真研究。利用Ansoft瞬態(tài)磁場求解器可以對電磁鐵的動態(tài)特性進行仿真分析， 得到電磁鐵的高頻瞬態(tài)空載驅動特性。電磁鐵在瞬態(tài)磁場下的仿真模型是經過優(yōu)化了的模型，該模型考慮了銜鐵質量、彈簧力、阻尼等機械特性，并通過Ansoft電路編輯器設計電磁鐵外部電路(圖5)。

外部電路給電磁鐵提供頻率和占空比可變的方波電壓(12 V)， 以實現對電磁鐵的PWM脈寬調制。外部電路中并聯了一個電阻，在銜鐵復位時開關斷開，電阻與電磁鐵線圈串聯，以快速消耗線圈內部存儲的電能，減小電磁阻力，使銜鐵快速復位。

1) 彈簧剛度對電磁鐵高頻特性的影響

復位彈簧的作用是保證電磁鐵在斷電后能夠快速復位，彈簧參數的選擇對電磁鐵的高頻特性有很大的影響。由仿真結果(圖6、圖7)可知，彈簧剛度對電磁鐵從開始運動直至到達最大位移以及電磁鐵復位時的動態(tài)特性有影響。電磁鐵通電后，線圈電流逐漸增大，電磁力也隨著逐漸增大。當電磁力超過彈簧預緊力時，銜鐵開始運動。由于電磁力持續(xù)增大，銜鐵速度越來越快。當銜鐵速度到達某一值后，由于反電動勢的作用，線圈電流開始減小，但電磁力依然持續(xù)增大，銜鐵速度也持續(xù)增大，直至到達最大位移。在此過程中，隨著彈簧剛度的增大，電磁力變化并不大，但是彈簧力逐漸增大，所以銜鐵運動加速度逐漸減小，但是變化并不是很明顯，最終銜鐵幾乎在同一時間到達最大位移。彈簧剛度過大時，在到達最大位移后，由于彈簧力要大于電磁力，因此銜鐵馬上開始復位。由于電磁鐵還在通電，電磁力仍然持續(xù)增大。當電磁力大于彈簧力時，銜鐵又開始返回直到電磁鐵斷電。電磁鐵斷電后，電磁力迅速減小，銜鐵在彈簧力的作用下開始復位。隨著彈簧剛度的增大，彈簧力變大，因此彈簧復位速度加快，彈簧復位時間變短。由以上分析可知，隨著彈簧剛度的增大， 銜鐵從初始位置運動到最大位移時的時間幾乎不變，但是復位時間變短，因此較大的彈簧剛度可以改善電磁鐵的高頻特性。但是彈簧剛度過大時，會在銜鐵到達最大位移后產生振蕩，使電磁鐵運行不穩(wěn)定。因此彈簧剛度應該選擇合適的值，保證銜鐵能夠在運動過程中不會產生振蕩的同時其運動一個周期的時間達到最小值，從而盡可能的提高電磁鐵的運動頻率。

圖5　電磁鐵外部模擬電路

圖6　不同彈簧剛度下動態(tài)位移和電流曲線

圖7　不同彈簧剛度下動態(tài)電磁力和速度曲線

2) 彈簧預緊力對電磁鐵高頻特性的影響

彈簧預緊力對電磁鐵的高頻特性也有很大的影響。由仿真結果(圖8)可知，隨著彈簧預緊力的增大，電磁鐵從開始通電到銜鐵開始運動所需的時間變長。這是因為電磁鐵線圈電流是逐漸增大的，電磁力也隨著逐漸增大。只有當電磁力大于彈簧預緊力時，銜鐵才會開始運動。所以彈簧預緊力越大，就需要更大的電磁力來克服，電磁鐵線圈所需的電流也就越大，通電時間也就越長，同時消耗的能量就越大。在銜鐵開始運動直至到達最大位移的過程中，隨著彈簧預緊力的增大，銜鐵運動加速度基本不變，所以到達最大位移處所用的時間基本不變。電磁鐵斷電后，銜鐵在彈簧力的作用下迅速復位。彈簧預緊力越大，復位所用的時間越短。但由仿真結果可以發(fā)現， 彈簧預緊力每增大1 N，從電磁鐵開始通電直至銜鐵開始運動所用的時間的增加量比銜鐵復位所用的時間的減少量要大得多。

圖8　不同彈簧預緊力下動態(tài)位移和電磁力曲線

因此彈簧預緊力越小，電磁鐵運動一個周期所需要的時間就越短。由以上分析可知，在保證銜鐵能夠快速復位的情況下，彈簧預緊力要盡量小，使得電磁鐵運動一個周期的時間更短，以提高電磁鐵的運動頻率。

3) 銜鐵內腔對電磁鐵高頻特性的影響

由運動學知識可知，銜鐵質量對電磁鐵的高頻特性有很大的影響。電磁鐵銜鐵質量越小，慣性力越小，銜鐵響應速度就越快。因此在保證不影響電磁力的情況下，應當盡可能減小銜鐵質量。通過靜態(tài)磁場仿真分析可知，銜鐵內部有一部分材料對電磁力并不起作用。這是因為在電磁鐵通電時，磁場主要分布于銜鐵的外層。由此可以去掉對電磁力無影響的部分材料，在銜鐵后端部形成一個內腔(圖3)，內腔尺寸根據靜態(tài)磁場仿真分析得到。通過在銜鐵后端部設置內腔，使得銜鐵質量減小了29.4%。由仿真結果(圖9)可知，在設置了銜鐵內腔之后，銜鐵從初始位置運動到最大位移的時間以及復位的時間都大大減少，而且所消耗的電能也因此減小很多。由以上分析可知，通過設置銜鐵內腔，減小銜鐵質量，不但可以提高電磁鐵的運動頻率，還可以降低電磁鐵在運動過程中的能耗。

圖9　銜鐵內腔對動態(tài)位移和電磁力的影響

4) 電磁鐵最大空載運動頻率分析

通過以上仿真分析可以得到優(yōu)化的電磁鐵參數，由此作進一步仿真分析，得到電磁鐵所能夠達到的最大空載運動頻率。由仿真結果(圖10)可知，在每個周

圖10　最高頻率下動態(tài)位移和電磁力曲線

期內給電磁鐵通電10.5 ms(電壓12 V)，斷電1.5 ms，電磁鐵仍然可以在額定行程內作周期運動。由仿真結果可以發(fā)現，在給電磁鐵通電10.5 ms后，銜鐵并未運動到最大位移處。電磁鐵斷電后，電磁力迅速減小，銜鐵速度受到彈簧力的作用逐漸減小，但在慣性力的作用下銜鐵繼續(xù)向上運動直至到達最大位移，此時銜鐵運動速度剛好減小到幾乎為零。接著在彈簧力的作用下銜鐵馬上開始復位，但是電磁鐵還沒來得及回到初始位置， 方波電壓已經進入下一個周期， 線圈開始得電。由于此時彈簧力要大于電磁力，所以銜鐵繼續(xù)向下運動直至到達初始位置。達到初始位置后電磁力已經足夠克服彈簧力，銜鐵又馬上開始向上運動，如此周而復始。由以上分析可知，電磁鐵空載運動頻率最高可以達到80 Hz以上，完全滿足工作需求。

3　結論

本研究在通過經驗公式計算的基礎上利用有限元電磁仿真軟件Ansoft建立了電磁鐵仿真模型，利用靜態(tài)磁場求解器仿真分析了電磁鐵的行程力特性，由此對隔磁環(huán)、擋鐵和銜鐵結構進行了優(yōu)化，同時利用瞬態(tài)磁場求解器仿真分析了復位彈簧和銜鐵對電磁鐵高頻特性的影響，并得到了電磁鐵的最大空載運動頻率。此工作為電磁泵的進一步研究奠定了基礎。

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