高頻電磁泵瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)特性研究

, 　, , (.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 湖北 武漢　430074； .中船重工7研究所， 上?！?08)

引言

在液壓傳動(dòng)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的柱塞泵都采用旋轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)方式。其傳動(dòng)鏈長(zhǎng)、柱塞泵內(nèi)部至少存在3對(duì)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(guān)系復(fù)雜。應(yīng)用直線電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)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(dòng)鏈，大大提高了泵的工作效率。而且泵體結(jié)構(gòu)和制造工藝變得更加簡(jiǎn)單，柱塞泵更加易于實(shí)現(xiàn)流量自適應(yīng)控制?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，直線電磁驅(qū)動(dòng)柱塞泵將廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空航天、生物工程等領(lǐng)域。英國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于直線電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟，而且已有產(chǎn)品投入應(yīng)用[1-3]。但是國(guó)內(nèi)對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的研究較少，而且大多數(shù)還只是處于理論層面以及實(shí)驗(yàn)階段[4-6]。

一種高頻直線電磁驅(qū)動(dòng)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(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)柱塞向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)入口配流閥關(guān)閉，出口配流閥開(kāi)啟，電磁泵開(kāi)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(yùn)動(dòng)，柱塞也隨著向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)入口配流閥開(kāi)啟，出口配流閥關(guān)閉，電磁泵吸油。

電磁泵通過(guò)PWM脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)靈活控制，高頻電磁脈沖驅(qū)動(dòng)是該泵的主要優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也是研究難點(diǎn)。該泵如果應(yīng)用到小排量發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)中， 驅(qū)動(dòng)頻率要求至少可以達(dá)到50～60 Hz。而電磁泵的運(yùn)動(dòng)頻率主要取決于電磁鐵的運(yùn)動(dòng)頻率，因此高頻電磁鐵是該泵的研究重點(diǎn)。本研究著重對(duì)高頻電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，得到電磁鐵的最大運(yùn)動(dòng)頻率。

圖1　電磁泵模型

1　高頻電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1　電磁鐵設(shè)計(jì)要求

電磁鐵運(yùn)行頻率要求至少可以達(dá)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(fù)位。

1.2　電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

初步設(shè)計(jì)得到電磁鐵結(jié)構(gòu)如圖2所示，電磁鐵主要由擋鐵、線圈、導(dǎo)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(dǎo)套　4.隔磁環(huán)　5.銜鐵　6.磁軛　7.后蓋圖2　電磁鐵二維結(jié)構(gòu)模型

查取相關(guān)資料，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[8-11]，通過(guò)計(jì)算得到電磁鐵初步結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到了銜鐵直徑、銜鐵長(zhǎng)度、安匝數(shù)、導(dǎo)套參數(shù)和線圈參數(shù)等，但是經(jīng)驗(yàn)公式中有許多系數(shù)都是選取的經(jīng)驗(yàn)值，計(jì)算結(jié)果并不太精確。而且隔磁環(huán)結(jié)構(gòu)、擋鐵結(jié)構(gòu)和銜鐵結(jié)構(gòu)對(duì)電磁鐵的行程力特性也有很大的影響，但是并不能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算準(zhǔn)確得到。下面將采用有限元分析的方法，對(duì)電磁鐵的行程力特性進(jìn)行仿真研究，并據(jù)此對(duì)隔磁環(huán)、擋鐵和銜鐵進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1　電磁鐵初步結(jié)構(gòu)參數(shù)

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(chǎng)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(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼?，具有很高的?zhǔn)確性和快捷性。

電磁鐵為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由電磁鐵的1/2軸對(duì)稱模型即可得到整個(gè)電磁鐵的行程力特性。而且Maxwell 2D/3D軟件在進(jìn)行磁場(chǎng)分析時(shí)二維模型的精度要比三維模型高，同時(shí)占用內(nèi)存少，計(jì)算效率高。故電磁鐵模型設(shè)計(jì)為二維軸對(duì)稱模型[13](圖3)。

圖3　電磁鐵二維仿真模型

2.2　靜態(tài)磁場(chǎng)有限元仿真分析

在電磁仿真軟件Ansoft的靜態(tài)磁場(chǎng)求解器中，依次改變隔磁環(huán)位置、隔磁環(huán)長(zhǎng)度、隔磁環(huán)角度、擋鐵類型(復(fù)位彈簧內(nèi)置和復(fù)位彈簧外置)、銜鐵內(nèi)腔深度以及銜鐵內(nèi)腔直徑(如圖3，去掉對(duì)電磁力無(wú)影響的部分材料)，仿真得到電磁鐵在不同結(jié)構(gòu)下的行程力特性曲線。通過(guò)對(duì)行程力特性曲線進(jìn)行對(duì)比分析，選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)值，最終得到靜態(tài)磁場(chǎng)下的最優(yōu)電磁力曲線(圖4中電磁力為F，位移為x)和經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)(表2)。

圖4　靜態(tài)電磁力曲線

表2　電磁鐵優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3　瞬態(tài)磁場(chǎng)有限元仿真分析

通過(guò)靜態(tài)磁場(chǎng)有限元仿真分析優(yōu)化了電磁鐵結(jié)構(gòu)，為了得到電磁鐵的高頻驅(qū)動(dòng)特性，還需要作進(jìn)一步的仿真研究。利用Ansoft瞬態(tài)磁場(chǎng)求解器可以對(duì)電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析， 得到電磁鐵的高頻瞬態(tài)空載驅(qū)動(dòng)特性。電磁鐵在瞬態(tài)磁場(chǎng)下的仿真模型是經(jīng)過(guò)優(yōu)化了的模型，該模型考慮了銜鐵質(zhì)量、彈簧力、阻尼等機(jī)械特性，并通過(guò)Ansoft電路編輯器設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵的PWM脈寬調(diào)制。外部電路中并聯(lián)了一個(gè)電阻，在銜鐵復(fù)位時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電阻與電磁鐵線圈串聯(lián)，以快速消耗線圈內(nèi)部存儲(chǔ)的電能，減小電磁阻力，使銜鐵快速?gòu)?fù)位。

1) 彈簧剛度對(duì)電磁鐵高頻特性的影響

復(fù)位彈簧的作用是保證電磁鐵在斷電后能夠快速?gòu)?fù)位，彈簧參數(shù)的選擇對(duì)電磁鐵的高頻特性有很大的影響。由仿真結(jié)果(圖6、圖7)可知，彈簧剛度對(duì)電磁鐵從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)直至到達(dá)最大位移以及電磁鐵復(fù)位時(shí)的動(dòng)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(dāng)電磁力超過(guò)彈簧預(yù)緊力時(shí)，銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。由于電磁力持續(xù)增大，銜鐵速度越來(lái)越快。當(dāng)銜鐵速度到達(dá)某一值后，由于反電動(dòng)勢(shì)的作用，線圈電流開(kāi)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(dá)最大位移。在此過(guò)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(yùn)動(dòng)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(shí)間到達(dá)最大位移。彈簧剛度過(guò)大時(shí)，在到達(dá)最大位移后，由于彈簧力要大于電磁力，因此銜鐵馬上開(kāi)始復(fù)位。由于電磁鐵還在通電，電磁力仍然持續(xù)增大。當(dāng)電磁力大于彈簧力時(shí)，銜鐵又開(kāi)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(kāi)始復(fù)位。隨著彈簧剛度的增大，彈簧力變大，因此彈簧復(fù)位速度加快，彈簧復(fù)位時(shí)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(yùn)動(dòng)到最大位移時(shí)的時(shí)間幾乎不變，但是復(fù)位時(shí)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(guò)大時(shí)，會(huì)在銜鐵到達(dá)最大位移后產(chǎn)生振蕩，使電磁鐵運(yùn)行不穩(wěn)定。因此彈簧剛度應(yīng)該選擇合適的值，保證銜鐵能夠在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生振蕩的同時(shí)其運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的時(shí)間達(dá)到最小值，從而盡可能的提高電磁鐵的運(yùn)動(dòng)頻率。

圖5　電磁鐵外部模擬電路

圖6　不同彈簧剛度下動(dòng)態(tài)位移和電流曲線

圖7　不同彈簧剛度下動(dòng)態(tài)電磁力和速度曲線

2) 彈簧預(yù)緊力對(duì)電磁鐵高頻特性的影響

彈簧預(yù)緊力對(duì)電磁鐵的高頻特性也有很大的影響。由仿真結(jié)果(圖8)可知，隨著彈簧預(yù)緊力的增大，電磁鐵從開(kāi)始通電到銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間變長(zhǎng)。這是因?yàn)殡姶盆F線圈電流是逐漸增大的，電磁力也隨著逐漸增大。只有當(dāng)電磁力大于彈簧預(yù)緊力時(shí)，銜鐵才會(huì)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。所以彈簧預(yù)緊力越大，就需要更大的電磁力來(lái)克服，電磁鐵線圈所需的電流也就越大，通電時(shí)間也就越長(zhǎng)，同時(shí)消耗的能量就越大。在銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)直至到達(dá)最大位移的過(guò)程中，隨著彈簧預(yù)緊力的增大，銜鐵運(yùn)動(dòng)加速度基本不變，所以到達(dá)最大位移處所用的時(shí)間基本不變。電磁鐵斷電后，銜鐵在彈簧力的作用下迅速?gòu)?fù)位。彈簧預(yù)緊力越大，復(fù)位所用的時(shí)間越短。但由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)， 彈簧預(yù)緊力每增大1 N，從電磁鐵開(kāi)始通電直至銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)所用的時(shí)間的增加量比銜鐵復(fù)位所用的時(shí)間的減少量要大得多。

圖8　不同彈簧預(yù)緊力下動(dòng)態(tài)位移和電磁力曲線

因此彈簧預(yù)緊力越小，電磁鐵運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期所需要的時(shí)間就越短。由以上分析可知，在保證銜鐵能夠快速?gòu)?fù)位的情況下，彈簧預(yù)緊力要盡量小，使得電磁鐵運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的時(shí)間更短，以提高電磁鐵的運(yùn)動(dòng)頻率。

3) 銜鐵內(nèi)腔對(duì)電磁鐵高頻特性的影響

由運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)可知，銜鐵質(zhì)量對(duì)電磁鐵的高頻特性有很大的影響。電磁鐵銜鐵質(zhì)量越小，慣性力越小，銜鐵響應(yīng)速度就越快。因此在保證不影響電磁力的情況下，應(yīng)當(dāng)盡可能減小銜鐵質(zhì)量。通過(guò)靜態(tài)磁場(chǎng)仿真分析可知，銜鐵內(nèi)部有一部分材料對(duì)電磁力并不起作用。這是因?yàn)樵陔姶盆F通電時(shí)，磁場(chǎng)主要分布于銜鐵的外層。由此可以去掉對(duì)電磁力無(wú)影響的部分材料，在銜鐵后端部形成一個(gè)內(nèi)腔(圖3)，內(nèi)腔尺寸根據(jù)靜態(tài)磁場(chǎng)仿真分析得到。通過(guò)在銜鐵后端部設(shè)置內(nèi)腔，使得銜鐵質(zhì)量減小了29.4%。由仿真結(jié)果(圖9)可知，在設(shè)置了銜鐵內(nèi)腔之后，銜鐵從初始位置運(yùn)動(dòng)到最大位移的時(shí)間以及復(fù)位的時(shí)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(guò)設(shè)置銜鐵內(nèi)腔，減小銜鐵質(zhì)量，不但可以提高電磁鐵的運(yùn)動(dòng)頻率，還可以降低電磁鐵在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能耗。

圖9　銜鐵內(nèi)腔對(duì)動(dòng)態(tài)位移和電磁力的影響

4) 電磁鐵最大空載運(yùn)動(dòng)頻率分析

通過(guò)以上仿真分析可以得到優(yōu)化的電磁鐵參數(shù)，由此作進(jìn)一步仿真分析，得到電磁鐵所能夠達(dá)到的最大空載運(yùn)動(dòng)頻率。由仿真結(jié)果(圖10)可知，在每個(gè)周

圖10　最高頻率下動(dòng)態(tài)位移和電磁力曲線

期內(nèi)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(nèi)作周期運(yùn)動(dòng)。由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在給電磁鐵通電10.5 ms后，銜鐵并未運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)直至到達(dá)最大位移，此時(shí)銜鐵運(yùn)動(dòng)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(kāi)始復(fù)位，但是電磁鐵還沒(méi)來(lái)得及回到初始位置， 方波電壓已經(jīng)進(jìn)入下一個(gè)周期， 線圈開(kāi)始得電。由于此時(shí)彈簧力要大于電磁力，所以銜鐵繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)直至到達(dá)初始位置。達(dá)到初始位置后電磁力已經(jīng)足夠克服彈簧力，銜鐵又馬上開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，如此周而復(fù)始。由以上分析可知，電磁鐵空載運(yùn)動(dòng)頻率最高可以達(dá)到80 Hz以上，完全滿足工作需求。

3　結(jié)論

本研究在通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的基礎(chǔ)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(chǎng)求解器仿真分析了電磁鐵的行程力特性，由此對(duì)隔磁環(huán)、擋鐵和銜鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)利用瞬態(tài)磁場(chǎng)求解器仿真分析了復(fù)位彈簧和銜鐵對(duì)電磁鐵高頻特性的影響，并得到了電磁鐵的最大空載運(yùn)動(dòng)頻率。此工作為電磁泵的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

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