廖義德，余龍兵，廖　昱，楊　凱，祝　俊，危　則，武良雙，向少偉，高立志

（1.武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070；3.湖北天雄科技有限公司，湖北 浠水 438200）

柴油機(jī)尿素噴射系統(tǒng)電磁泵特性研究

廖義德1，余龍兵1，廖昱2，楊凱1，祝俊1，危則1，武良雙1，向少偉1，高立志3

（1.武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；
2.武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070；3.湖北天雄科技有限公司，湖北 浠水 438200）

目前，國內(nèi)SCR尾氣后處理系統(tǒng)發(fā)展較快，但SCR系統(tǒng)中添藍(lán)噴射泵的研究依舊是空白.本文基于柱塞泵的基本原理，提出一種電磁力驅(qū)動的新型電磁泵，對設(shè)計方法、工作原理進(jìn)行了簡要理論分析，并利用電磁場有限元分析軟件Ansoft Maxwell對電磁泵在不同氣隙、不同驅(qū)動電壓條件下進(jìn)行電磁力仿真.同時，在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列實驗，實驗結(jié)果表明：電磁泵整體性能良好，其一致性、穩(wěn)定性、精度等性能均滿足設(shè)計要求.

電磁泵；電磁驅(qū)動；Ansoft Maxwell仿真

當(dāng)前，世界汽車技術(shù)強(qiáng)國均將降低NOX和微粒排放技術(shù)視為汽車的核心技術(shù)之一，并已形成事實上的技術(shù)封鎖和市場壟斷.目前，國內(nèi)發(fā)動機(jī)和整車企業(yè)，在汽車排放技術(shù)升級過程中，嚴(yán)重依賴進(jìn)口產(chǎn)品來滿足市場使用要求.SCR尾氣后處理系統(tǒng)的主要核心零部件高精度計量電磁泵，基本都是依賴進(jìn)口，不僅價格昂貴，而且維修不便.針對國內(nèi)基于柴油機(jī)尿素噴射系統(tǒng)的計量電磁泵的研究較少，以及電磁泵應(yīng)用技術(shù)不成熟的現(xiàn)狀，本文就柴油機(jī)尿素噴射系統(tǒng)電磁泵特性展開研究.

1　結(jié)構(gòu)與工作原理

本文提出一種采用固定行程，并由電磁力驅(qū)動的柱塞泵設(shè)計方法，通過改變泵的輸入頻率調(diào)節(jié)泵的輸出流量，該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，電磁泵結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示.

圖1　電磁泵結(jié)構(gòu)與原理

電磁驅(qū)動中的激勵線圈通電后在套管和柱塞內(nèi)部形成回路的電磁場，柱塞受到電磁的作用力，向左運動，在柱塞向左運動的過程中，套管內(nèi)的工作腔容積減小，腔內(nèi)壓強(qiáng)增大，在壓力差的作用下，定鐵芯內(nèi)單向閥打開，流體流出.當(dāng)線圈斷電電磁力消失時，在復(fù)位彈簧的彈力作用下，柱塞克服阻力向右運動，使工作腔內(nèi)的容積增大，此時，外部壓力大于腔內(nèi)壓力，進(jìn)口單向閥打開，液體進(jìn)入工作腔.通過寬頻脈沖調(diào)控（PWM），柱塞在套管內(nèi)作往復(fù)直線運動，不斷地吸入和排出液體.

2　柱塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在此設(shè)計中，柱塞也充當(dāng)銜鐵的作用，柱塞的截面尺寸主要由電磁力以及流量的大小所決定.在柱塞行程和柱塞返復(fù)運動頻率一定的條件下，柱塞的截面積決定了流量的大小.由于柱塞就作為銜鐵的存在，所以還必須考慮泵的流量和所需的電磁力［1］.

取柱塞為研究對象分析其受力情況，柱塞在運動的過程中，受到電磁力、彈簧作用力、摩擦力以及液壓力，為了方便計算，將最大彈簧力和摩擦力的合力記為定值Ff.取某一極限狀態(tài)為研究對象，由牛頓第一定律可知有如下關(guān)系：

式（2）中，QL為泵輸出的流量（ml）；δ為柱塞行程（mm）.

由式（1）、（2）可以看出，銜鐵所受電磁力和單個周期的流量都與柱塞截面積成正比.當(dāng)電磁力恒定時，液體排出的壓力越大，就需要減小柱塞的截面積，為了保證電磁泵的流量，柱塞的行程也會增加，但是，行程過大會影響到柱塞的穩(wěn)定性及壽命，因此，流量泵的排出壓力不會太大.設(shè)計中需合理選擇柱塞的直徑和行程.

由于柱塞以銜鐵的形式在電磁力的作用下以較高的頻率往復(fù)運動，其對材料的綜合性能要求較高，設(shè)計中，一般選擇軟磁材料.由于軟磁材料矯頑磁力小、容易被磁化，在磁路中能充分利用磁能，減小磁性材料的磁阻，降低磁能消耗.另外，還要求軟磁材料的電阻率大，居里點溫度高，磁性能穩(wěn)定及較高的疲勞強(qiáng)度.

式（1）中，d為柱塞直徑，單位m；Pmax為泵輸出最大壓強(qiáng)，單位Pa.

根據(jù)軸向電磁泵工作原理，單個周期內(nèi)流量QL約等于工作腔體積變化，可表示為：

3　電磁線圈的設(shè)計

電磁泵采用的是通電螺旋線圈產(chǎn)生的電磁力作為柱塞的驅(qū)動力，通過驅(qū)動柱塞作往復(fù)直線運動，從而使得電磁泵吸入和排出液體［2］.

3.1電磁力計算

在電磁力計算中，假設(shè)材料均勻且各向同性，忽略線圈發(fā)熱對線圈性能以及導(dǎo)磁材料磁阻系數(shù)的影響.設(shè)計中采用直流螺線圈的電磁鐵，由電磁力計算公式可知，穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時的電磁力為［3］：

式

（3）中：φ為工作氣隙磁通量（Wb）；B為工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；μ0為真空磁導(dǎo)率；S為磁路截面積（m2）.在不考慮其他連接間隙的條件下，并且認(rèn)為主氣隙即為柱塞行程，此時電磁鐵的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度B可表示為：

式（3）中：N為線圈匝數(shù)；I為電流強(qiáng)度（A）；U為電源電壓；Kf為漏磁系數(shù)，電磁泵設(shè)計中通常取1.2～5.0；R為線圈總電阻；δ為氣隙長度.

將式（4）代入式（3）可得：

由（5）可知，當(dāng)電壓不可變時，提高電磁鐵吸力可以增加線圈匝數(shù)、減小線圈電阻或者縮短柱塞的行程.同時，優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)以減少漏磁系數(shù)也可以提高電磁力.由于該方法由經(jīng)驗總結(jié)而來，所以對于具體的結(jié)構(gòu)，漏磁系數(shù)的取值所得到的電磁力，可能會與實際測量差異較大［4］.在線圈各項參數(shù)的選擇中應(yīng)實驗與理論結(jié)合，選擇合適的參數(shù).

3.2線圈溫升計算

作為電磁泵的驅(qū)動裝置，線圈的溫度上升幅度也是一個重要的性能指標(biāo).溫度上升過快將嚴(yán)重影響電磁泵的性能穩(wěn)定性，這里，給出一個線圈溫升公式，檢驗溫升（θ）是否在設(shè)計允許范圍內(nèi).

式（6）中，Kt為散熱系數(shù)，其值為12×10-4W/cm2·℃，D為線圈外側(cè)表面周長（cm）.

由式6可知，線圈的外徑和高度的大小會影響線圈的溫升情況，而線圈的尺寸又間接影響柱塞的界面大小，從而影響電磁泵的流量.設(shè)計過程中，需反復(fù)檢驗線圈尺寸設(shè)計是否滿足要求.

4　電磁驅(qū)動的設(shè)計

在控制系統(tǒng)中，電磁泵的流量特性可以用一個對應(yīng)的比例系數(shù)Kf來描述，流量QL對應(yīng)的輸入、輸出特性框圖如圖2所示.

圖3　電磁泵驅(qū)動電源的脈沖波形圖

式（7）中，

5　Ansoft Maxwell電磁仿真

利用電磁仿真軟件Ansoft Maxwell，對電磁泵在不同氣隙、不同工作電壓條件下進(jìn)行建模，做有限元分析.

圖4　電磁泵幾何建模

5.1幾何建模

分別對電磁泵中線圈、柱塞、定鐵芯、單向閥、彈簧等進(jìn)行建模.由于單向閥、彈簧等非軟磁材料的磁導(dǎo)性能較小，近似于空氣，建模時，將它們視為空氣模型.圖4為Ansoft Maxwell仿真建模.

表1為材料的屬性特性，建模材料均可以在Ansoft Maxwell軟件材料庫中找到.

5.2設(shè)置參數(shù)化求解

分別添加Hight和AmpTurn為參數(shù)化求解中的變量，其中，Hight變化范圍為0.3～0.7 mm，step設(shè)為0.1 mm；AmpTurn變化范圍為200～280 A，step設(shè)為20 A.這樣產(chǎn)生了36組計算變量，然后運行軟件對這些計算變量進(jìn)行仿真計算.

5.3計算結(jié)果

利用軟件后處理報告功能，得到相關(guān)的圖表，如圖5和圖6所示.

由圖5可以看出，在工作間隙一定時，激勵電流越大，軸向電磁力越大；當(dāng)工作間隙變大時，軸向電磁力減小，此時柱塞所受到的軸向電磁力變化趨勢較小.

由圖6可以看出，在同一間隙下，激勵電流與柱塞所受的軸向電磁力呈線性關(guān)系.整體來看，電流越大，柱塞所受到的軸向電磁力越大.

在電磁泵設(shè)計時可以結(jié)合仿真結(jié)果對電磁泵進(jìn)行優(yōu)化，減小電磁泵的研發(fā)時間.

表1　材料模型屬性

圖5　不同激勵電流條件下的工作間隙軸向電磁力曲線

圖6　不同工作間隙條件下電流軸向電磁力曲線

6　實驗與分析

電磁泵在根據(jù)要求設(shè)計完成后，進(jìn)行了樣機(jī)試制，并對樣機(jī)做了大量實驗來測試泵的相關(guān)性能，樣機(jī)設(shè)計參數(shù)如表2所示.

為了檢驗所設(shè)計電磁泵性能，隨機(jī)抽取了5件樣機(jī)進(jìn)行試驗，5件樣機(jī)在不同頻率下的質(zhì)量流量曲線圖如圖7所示.

從圖7中可看出，電磁泵的流量隨著頻率的升高呈現(xiàn)線性增長.圖中10組流量曲線線性度較好，穩(wěn)定性較高，雖然不同樣機(jī)在不同頻率下存在波動，但在誤差允許范圍內(nèi).

表2　電磁泵設(shè)計參數(shù)

7　結(jié)論

以上基于電磁泵的基本原理，對設(shè)計方法、工作原理進(jìn)行了簡要理論分析，利用有限元分析軟件Ansoft Maxwell對電磁力進(jìn)行了仿真分析，并進(jìn)行了大量相關(guān)性能試驗，試驗結(jié)果表明：電磁泵性能達(dá)到了設(shè)計要求.

圖7　5件樣機(jī)不同頻率下的質(zhì)量流量曲線

［1］凌國平.電磁泵的設(shè)計和應(yīng)用［J］.流體工程，1992（11）：41-46.

［2］馬亞麗.小型變流量電磁泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2007（9）：57-59.

［3］錢家驪.電磁鐵吸力公式的討論［J］.電工技術(shù)雜志，2001（1）：59-60.

［4］婁路亮.電磁閥設(shè)計中電磁力的工程計算方法［J］.導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2007（1）：40-45.

Characteristics Research for Electromagnetic Pump of Diesel Urea Injection System

LIAO Yi-de1，YU Long-bing1，LIAO YU2，YANG Kai1，ZHU Jun1，WEI Ze1，WU Liang-shuang1，XIANG Shao-wei1，GAO Li-zhi3
（1.School of Mechanical&Electrical Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430205,China；2.School of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China 3.Hubei Tsung Technology Co.,Ltd,Xishui 438200,China）

At present,the SCR exhaust treatment system is developing rapidly in China,but the research of Ad?Blue injection pump in the SCR system is still blank.Based on the basic principle of piston pump,this paper proposed a new type of electromagnetic force-driven piston pump,and conducted a brief theoretical analysis of the working principle and design method.By using finite element analysis software Ansoft Maxwell,the electro?magnetic force was simulated under the conditions of different air gaps and different driving voltages and on the basis of the theory,a large number of experiments were carried out.The research results show that the consisten?cy,stability,accuracy for overall fine performance of the electromagnetic pump can meet the requirements.

electromagnetic pump；solenoid drive；Ansoft Maxwell simulation

TH35

A

1008-2794（2015）02-0005-04

2014-06-06

國家“863”計劃項目“柴油機(jī)后處理系統(tǒng)（SCR）關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”（2012AA111716）

通訊聯(lián)系人：廖義德，教授，博士，研究方向：流體傳動與控制，E-mail：whgcdx@163.com.