吳 銳，王儀明，方繼根，吳進(jìn)軍

(1.北京印刷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，北京 102600；2.機(jī)械科學(xué)研究總院中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044)

引言

高速開關(guān)閥是ESC系統(tǒng)中液壓控制單元的關(guān)鍵部件之一，它關(guān)系到輪缸的增減壓特性，從而影響汽車的操控穩(wěn)定性。對高速開關(guān)閥電磁特性的研究有助于深入探索開關(guān)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制機(jī)理。

國內(nèi)外學(xué)者對高速開關(guān)閥進(jìn)行了大量的研究并取得了一些成果。方洋等[1]運(yùn)用建模軟件搭建高速開關(guān)閥的閥芯位移動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，根據(jù)仿真結(jié)果分析了響應(yīng)時(shí)間滯后的原因，并從提高閥芯響應(yīng)時(shí)間角度，提出參數(shù)優(yōu)化調(diào)整策略。姚靜等[2]建立了高速開關(guān)閥溫度、閥口兩端壓差、閥口開度的有限元仿真模型，得出了高速開關(guān)閥液壓力的變化規(guī)律。張斌等[3]通過搭建高速電磁鐵的仿真模型，優(yōu)化控制策略來提升其頻響特性，在一定程度上緩解流量和頻響這對內(nèi)在矛盾,并且通過不同的控制策略，在控制該電磁鐵的開關(guān)閥流量特性不變的條件下，研究了其動(dòng)態(tài)特性的變化。王瓊等[4]建立了基于MATLAB/Simulink平臺(tái)PWM維持占空比方式控制下的仿真模型,與定壓信號(hào)控制方式相比，采用PWM維持占空比的控制方式以及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié),有效提高了閥的響應(yīng)速度。

DAVID T[5]等建立高速開關(guān)閥的數(shù)學(xué)模型，對脈沖信號(hào)的輸出結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。宗書宇等[6]研究了高速開關(guān)閥的滯后特性并搭建了數(shù)學(xué)模型。王春光等[7]對不同工況下的高速開關(guān)閥內(nèi)部流場速度場進(jìn)行了分析，研究了高速開關(guān)閥閥芯液壓力影響因素。LAUVIN P等[8]已研制出可在超高壓工作狀態(tài)下的高速開關(guān)閥，對閥的啟閉時(shí)間做出了改進(jìn)。此外,在閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9-10]、流量估算[11]以及閥的動(dòng)態(tài)特性分析[12-14]等方面，國內(nèi)外學(xué)者也做了大量的研究。但在研究中，大都只涉及到控制策略、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流量分析等方面，沒有考慮到線圈溫度對閥動(dòng)態(tài)特性的影響，電磁線圈電阻會(huì)隨溫度上升而變大，其電磁力也會(huì)隨之改變，進(jìn)而影響到閥的整體控制性能。

本研究通過搭建ESC高速開關(guān)閥的電磁場模型，研究了溫度、氣隙等因素對閥體內(nèi)部的電磁力的影響，并給出了相應(yīng)的關(guān)系曲線圖，為提升閥的控制精度提供理論依據(jù)。

1 ESC高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

高速開關(guān)閥由動(dòng)鐵、定鐵、閥芯推桿、回位彈簧、閥座、隔磁管、端濾網(wǎng)、閥體、環(huán)濾網(wǎng)和單向閥鋼球組成，如圖1所示。閥芯推桿與閥座接觸與否決定了電磁閥啟閉狀態(tài)。如圖2所示，線圈是高速開關(guān)閥的核心部件，動(dòng)鐵所受的電磁力是由通過線圈的電流所產(chǎn)生的，動(dòng)鐵的材料為軟磁體。主氣隙(最小為 0.22 mm)為動(dòng)鐵與定鐵的距離，隨著動(dòng)鐵的運(yùn)動(dòng)而變化。次氣隙(最大為 0.20 mm)是動(dòng)鐵與外殼之間的距離，是恒定值。單向閥和高速開關(guān)閥是并聯(lián)的，在輪缸增壓時(shí)，單向閥處于關(guān)閉，在回流時(shí)打開以加快回流速度。如圖3所示，線圈斷電時(shí)，閥芯在彈簧力的作用下將動(dòng)鐵推到頂端與隔磁管接觸，此時(shí)閥口處于打開狀態(tài)，且開口最大。

圖1 高速開關(guān)閥增壓閥結(jié)構(gòu)圖

圖2 高速開關(guān)閥+線圈

圖3 高速開關(guān)閥閥口開度

2 ESC高速開關(guān)閥電磁場模型建立

高速開關(guān)閥的電磁場可以分為2個(gè)子場：電場和磁場。從磁場來看，線圈通過的電流使得在氣隙之間產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生的磁場使得兩個(gè)軟磁體在氣隙之間產(chǎn)生相互吸引的作用力，即電磁力。當(dāng)電磁力作用時(shí)，動(dòng)鐵將靠近閥體，氣隙縮小，磁阻減小，從而提升相應(yīng)的電磁力。

由于高速開關(guān)閥是受電磁線圈產(chǎn)生的電磁力控制，其電磁線圈的電流、電壓等因素，以及閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，均會(huì)影響高速開關(guān)閥的控制精度。

高速開關(guān)閥實(shí)際作業(yè)情況下電磁力FM為：

(1)

式中，B—— 電磁感應(yīng)強(qiáng)度

Ae—— 主截面積

μ0—— 空氣磁導(dǎo)率

φ—— 氣隙磁通量

L—— 線圈感應(yīng)強(qiáng)度

i—— 線圈電流值

由式(1)可知，電磁力主要受線圈自身的一些參數(shù)(如線圈匝數(shù)、溫度)和外部因素(如氣隙、電流等)的影響。對于一個(gè)電磁開關(guān)閥，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，所以電磁力大小主要與氣隙的大小和電流相關(guān)。

如圖4所示，在電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路中，有1個(gè)續(xù)流二極管與線圈并聯(lián)，續(xù)流二極管是為了消除采用PWM控制時(shí)電壓突變產(chǎn)生的電流回路，電流回路可以消耗儲(chǔ)藏在磁場中的能量，進(jìn)而可以避免回路產(chǎn)生電壓尖峰而毀壞電路。

圖4 高速開關(guān)閥的電路回路

根據(jù)電壓定律針對開關(guān)閥進(jìn)行分析：

(2)

式中，i—— 線圈電流

u—— 線圈電壓

R—— 線圈電阻值

其中dψ/dt是線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢，與電感和電流相關(guān)。

由于電場與電磁場之間的分析方式相同，具體情況如下表1所示。

表1 電場與磁場之間的關(guān)系

類比于電場，磁場可以簡化為磁路回路，用于試驗(yàn)的高速開關(guān)閥的等效磁場回路如圖5所示。

圖5 高速開關(guān)閥的磁路回路

由基爾霍夫的磁路第二定律可得：

Ni=φδRT=φδ(RM+Rδ1+Rδ2)

(3)

式中,N—— 電磁線圈匝數(shù)

φδ—— 氣隙磁通量

RT—— 磁路總磁阻

Rδ1—— 主氣隙磁阻

Rδ2—— 次氣隙磁阻

RM—— 軟磁體磁阻

在進(jìn)行理論分析時(shí)，由于磁漏周圍的氣隙程度較低，因此可以將其具體數(shù)值忽略不計(jì)，并且將磁漏裝置周圍的磁通量忽略不計(jì)。即φ=φδ。

其中磁阻分別為：

RM=HMlM

(4)

(5)

(6)

式中，HM—— 軟磁場強(qiáng)度數(shù)值

lM—— 磁路長度

S—— 線圈橫截面積

μ0—— 空氣磁導(dǎo)率

Ae—— 主氣隙截面積

r1，r2—— 次氣隙兩同心圓的半徑

ln—— 磁路中次氣隙長度

(7)

(8)

(9)

式中，B—— 磁感應(yīng)強(qiáng)度

μM—— 軟磁體實(shí)際數(shù)值

μr—— 軟磁體相對磁導(dǎo)率

電磁閥位移公式具體為：

(10)

可得：

(11)

3 電磁特性測試試驗(yàn)臺(tái)的搭建及試驗(yàn)

圖6、圖7所示為電磁特性測試試驗(yàn)裝置，該裝置具有本次實(shí)驗(yàn)所用的基礎(chǔ)裝置(高速開關(guān)閥、線圈供電電源)外，還有可以調(diào)節(jié)影響電磁力的一些外在因素的機(jī)構(gòu)(如氣隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu))。同時(shí)該裝置也具備實(shí)驗(yàn)所要用到的所有數(shù)據(jù)測量傳感器(如拉壓力傳感器、激光位移傳感器、力傳感器以及測量頭)。其中動(dòng)鐵與定鐵之間會(huì)產(chǎn)生電磁力反應(yīng)，并且將磁力值傳輸?shù)较鄳?yīng)的傳感器中，這樣能夠有效改變氣隙與調(diào)節(jié)裝置的實(shí)際距離，傳感器通過對動(dòng)鐵位置進(jìn)行分析，并且針對線圈的實(shí)際工作情況進(jìn)行整合，能夠?qū)庀吨?、?dòng)鐵位移距離等數(shù)值進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。利用Maxwell電磁場仿真軟件建立高速開關(guān)閥的二維軸對稱模型，通過調(diào)整不同的參數(shù)進(jìn)行仿真，得出仿真值與試驗(yàn)值進(jìn)行對比分析。

圖6 電磁力測試試驗(yàn)臺(tái)截面圖

圖7 電磁力測試試驗(yàn)臺(tái)

4 電磁特性試驗(yàn)分析

在控制激勵(lì)電壓值不變的條件下，通過改變氣隙的大小得到氣隙值與電磁力之間的變化關(guān)系，根據(jù)圖8中的情況能夠看出，在實(shí)驗(yàn)過程中的仿真數(shù)值與實(shí)際作業(yè)時(shí)的數(shù)值大致相同，并且針對氣隙值進(jìn)行調(diào)整，還能夠準(zhǔn)確計(jì)算出試驗(yàn)過程與仿真過程中的變化程度。

圖8 電磁力-氣隙關(guān)系曲線

圖9所示是通過控制氣隙值的大小(氣隙值分別為0.1 mm和0.3 mm時(shí))，改變導(dǎo)體內(nèi)電流的大小得到電磁力與電流之間的曲線關(guān)系圖，通過圖像我們可以得到其電流值與電磁力之間的變化情況呈現(xiàn)出正比情況，并且仿真數(shù)值與最終的試驗(yàn)結(jié)果相同。

圖9 電磁力-電流關(guān)系曲線

在測試電磁力隨時(shí)間變化關(guān)系時(shí)，實(shí)驗(yàn)控制氣隙和激勵(lì)電壓值都不變，測量從實(shí)驗(yàn)開始300 s內(nèi)的電磁力變化曲線圖，并且通過改變激勵(lì)電壓值(U=5，6，7，8，9，10，11，12 V)得出多組結(jié)果。如圖10所示，通過曲線圖我們可以得電磁力與電磁線圈的通電時(shí)間的變化趨勢，150 s之前變化較為顯著，開關(guān)閥中的電磁力會(huì)隨時(shí)間而產(chǎn)生改變，并且變化程度也會(huì)不斷下降，等到時(shí)間數(shù)值為200 s時(shí)變化幅度會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。

根據(jù)圖10中的情況能夠了解到，當(dāng)閥門的電壓值與氣隙值符合工作條件時(shí)，實(shí)際電磁力會(huì)隨著時(shí)間發(fā)展而產(chǎn)生變化，而且變化幅度主要受到氣隙值與外部電壓值的影響，還存在著其他的影響因素。由此，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果能夠看出，線圈溫度也會(huì)隨著時(shí)間發(fā)展而產(chǎn)生變化，而且在不同電壓情況下，溫度的變化幅度也會(huì)不同(U=6，8，10，12 V)，線圈溫度隨通電時(shí)間變化曲線，如圖11所示。

圖10 電磁力-時(shí)間關(guān)系曲線

圖11 線圈溫度-時(shí)間關(guān)系曲線

通過圖示曲線可以得到在通電前150 s內(nèi)，線圈溫度快速上升，但上升速度逐漸變小。150～200 s溫度上升速度逐漸趨向于0，直到200 s之后線圈處于穩(wěn)定值時(shí)，會(huì)使溫度變化情況趨于穩(wěn)定，溫度變化值中與電阻值之間的關(guān)系也會(huì)呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，具體情況如圖12所示，當(dāng)線圈實(shí)際通電時(shí)長處于150 s時(shí)，表現(xiàn)為快速下降，并且下降速度逐漸趨于平緩，達(dá)到200 s 之后基本穩(wěn)定。由電磁力-時(shí)間與電流-時(shí)間曲線變化得知，高速開關(guān)閥門電磁力會(huì)隨著時(shí)間而產(chǎn)生變化，并且電流值也會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生變化，這也說明電磁與電流的變化與線圈電阻值存在一定的聯(lián)系。

圖12 線圈電流-時(shí)間關(guān)系曲線

如圖8～圖10所示3組數(shù)據(jù)分別為電磁力與氣隙、電流、時(shí)間的關(guān)系曲線，由于力的作用是相互的，高速開關(guān)閥動(dòng)鐵與定鐵之間的距離變化必然會(huì)引起電磁力的變化，且通過電磁線圈的電流變化也會(huì)使電磁線圈產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化，進(jìn)而影響電磁力的大小，由式(1)可知其理論關(guān)系。當(dāng)把電壓作為單變量時(shí)，電磁力隨著時(shí)間增大而逐漸減小并趨于穩(wěn)定，因此可以推斷出還有其他影響電磁力的因素。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，隨著線圈通電時(shí)間的增大，線圈溫度會(huì)逐漸上升，由金屬銅導(dǎo)線的物理性質(zhì)，銅導(dǎo)線電阻隨溫度的升高，電阻逐漸增大，電流也會(huì)相應(yīng)減小，進(jìn)而影響到電磁力，使之逐漸減小。由圖11、圖12所示2組數(shù)據(jù)可以看出溫度對電磁力的影響，驗(yàn)證了溫度也是影響電磁力變化的因素之一。

5 結(jié)論

本研究針對高速開關(guān)閥電磁特性情況進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

(1) 電磁力與氣隙值之間沒有明確的線性關(guān)系。當(dāng)氣隙的值在0～0.6 mm內(nèi)，電磁力會(huì)逐漸降低，但是當(dāng)氣隙值上升到臨界值時(shí)，電磁力的提速趨勢會(huì)趨于穩(wěn)定；

(2) 當(dāng)氣隙值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電流與電磁力之間的關(guān)系為正比例關(guān)系；

(3) 當(dāng)氣隙值增加至一定范圍時(shí)，將不再對電磁力造成影響；

(4) 由于金屬導(dǎo)線的特性，電流在流過導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，而溫度的增大會(huì)引起金屬導(dǎo)體電阻的增大，從而影響電流而改變電磁力大小。