一種永磁自鎖型電磁氣門驅動裝置

陳益廣，郭喜彬，唐明龍，張明燦

(1．天津大學，天津300072;2．天津蹊徑動力技術有限公司，天津300457)

0引 言

傳統內燃機使用機械凸輪連桿氣門系統，氣門進排氣時間只能由凸輪的形狀和相位角確定，而不能根據燃料充分燃燒、低排放、最大轉矩等因素來選擇最佳時機，導致內燃機在較寬速度范圍內效率低［1-3］。發動機改用電磁驅動氣門機構后，不僅省去凸輪連桿機構，簡化系統結構，而且由于氣門可獨立控制完成正時，發動機轉矩輸出提高，燃料消耗可減少高達15%，有害排放也大大降低［4］。

目前，電磁氣門驅動裝置一般采用雙彈簧、雙電磁鐵的典型結構［5］，它由 U型鐵心、雙線圈、雙彈簧、銜鐵和氣門等主要部件構成。氣門行程一般為8 mm，通過一個線圈斷電釋放與另一線圈通電吸合完成開啟和關閉兩個位置的過渡，過渡時間不宜超過4 ms［6］。氣門在開啟和關閉位置滯留時，線圈必須持續通電來維持銜鐵吸合，損耗較大。為解決此問題，本文提出一種永磁自鎖型電磁氣門驅動裝置，它能夠在氣門開啟或者關閉位置，僅靠永磁體產生的電磁吸力與彈簧力平衡而實現自鎖;同時，在兩個工作位置切換過程中，該裝置又是一臺能夠四象限工作的圓筒式永磁直流直線電動機。

1永磁自鎖型電磁氣門驅動裝置

1．1永磁自鎖型電磁氣門驅動裝置的結構

圖1 永磁自鎖型電磁氣門驅動裝置結構示意圖

永磁自鎖型電磁氣門驅動裝置的結構如圖1所示。它呈圓筒形，整體軸對稱，它包括氣門、預壓縮雙彈簧和上下基本對稱的兩套電磁驅動機構，每套電磁驅動機構可分為動子和定子兩部分。動子包括圓盤形銜鐵、固定在銜鐵上的動子支架和氣門頂桿等主要部件;定子主要包括內鐵心、外鐵心、銅鐵交疊螺旋狀線圈和線圈架等主要部件。

動子支架內側粘貼著徑向充磁的稀土永磁體，并在永磁體與銜鐵之間區域粘貼由軟磁復合材料制成的導磁環。動子運動過程時導磁環為永磁磁場提供部分磁路，增強直線電動機性能。動子支架通過定位環固定在銜鐵骨架上。氣門頂桿與氣門組成一整體，動子做上下直線運動，氣門隨之關閉或開啟。

內、外鐵心是由軸線方向看去徑向呈扇形的相互絕緣的特制硅鋼片拼制、疊壓而成的兩個圓筒。銅鐵交疊螺旋狀線圈是電磁驅動裝置的核心部件，其制做方法:將寬為4 mm、平均厚度為0．2 mm兩側稍微不等厚的漆包銅帶和軟鐵帶上下疊放在一起，經拉伸設備盤繞在線圈支架上，銅線圈圓周方向導電，鐵線圈徑向導磁，最后可將這一完整的切向導電、徑向導磁的電磁線圈嵌入外鐵心中。

銜鐵整體呈圓盤狀，由徑向呈扇形的特制硅鋼片拼制、疊壓后填充于銜鐵骨架間。圓盤狀銜鐵通過卡環固定在氣門頂桿上，構成一完整動子。

動子支架、線圈架和定位環等可構成環形回路的部件均需采用只導磁不導電的軟磁復合材料或其它特殊材料，防止電磁阻尼現象出現。

1．2永磁自鎖型電磁氣門驅動裝置工作原理

與普通雙線圈、雙彈簧電磁氣門的工作原理類似，它因配置了永磁體而能自鎖。氣門總升程8 mm。

以一個行程為例，其工作原理如下:假設開始時氣門完全開啟，銜鐵位于下止點，位于下方的那一套電磁驅動機構的銜鐵與內外鐵心間永磁電磁力大于彈簧力，處于自鎖保持狀態。線圈通入起去磁作用的電流，銜鐵與內外鐵心間永磁氣隙磁通被削弱，電磁力一旦小于彈簧力，銜鐵就得以釋放，在彈簧力作用下動子開始加速向上運動，此后動子處于近似的簡諧振動狀態。同時，通電線圈與永磁體間構成的圓筒式永磁直流直線電動機也形成向上的電磁力，為運動系統補充能量，克服運動中形成的各種損耗。銜鐵越過中間位置后，彈簧力方向改變，銜鐵減速，控制去磁電流大小，銜鐵最后以低于0．1 m/s的速度落座于上止點，氣門完全閉合;同時位于上方的那一套電磁驅動機構實現了自鎖，并保持至控制氣門開啟之時。

電磁裝置整體結構軸對稱，用二維模型就能夠反映三維情況。由于上下兩部分結構基本對稱，故可取如圖1所示裝置下半部分的右截面作為分析對象，采用二維軸對稱模型進行分析，所得電磁氣門驅動機構自鎖與解除自鎖時磁場分布如圖2所示。

圖2 電磁氣門驅動機構自鎖與解鎖時的磁場分布

圖2(a)為線圈未通電僅由永磁體產生的磁場分布圖，銜鐵與內外鐵心工作氣隙間磁場較強，電磁力大于彈簧力，處于自鎖狀態。為了理解去磁電流對工作氣隙間磁場的影響，將永磁體按空氣處理，得到線圈去磁電流單獨作用時產生的磁場分布圖如圖2(b)所示。線圈去磁電流單獨作用與永磁體單獨作用在工作氣隙間產生的磁力線方向相反。圖2(c)為永磁體和線圈去磁電流共同作用下的磁場分布，工作氣隙間磁場很弱，電磁力小于彈簧力，電磁氣門即將解除自鎖;也可以看出，此時永磁磁場與線圈電流產生的磁場是正交的，永磁直流直線電機動子永磁體受到一個方向向上的電動力，此后電磁氣門將成為一臺圓筒形直流永磁直線電動機。

2電磁氣門驅動裝置的幾個重要參數

整個電磁氣門由電氣、磁和機械三個相互耦合的系統組成。圖3為三個子系統相互耦合關系的簡化框圖。而空載反電動勢、電感、電磁力又在三個子系統相互耦合關系中起著重要作用。

圖3 電磁氣門系統簡化框圖

2．1空載反電動勢

電磁氣門驅動裝置的電壓方程式:

式中:uS為線圈電壓;i為線圈電流;R為線圈電阻;L為線圈電感;e為空載反電動勢。

圖4 電磁氣門驅動裝置空載反電動勢

空載反電動勢e可通過有限元法求得，圖4為動子速度v=2 m/s時空載反電勢e隨位移變化的曲線。當位移(即銜鐵與內外鐵心間工作氣隙)較小時，永磁磁路磁阻較小，線圈交鏈的永磁磁鏈較大，e也較大，此時的e是由永磁磁場隨位移變化和線圈切割永磁磁場產生的。當位移變得較大后，永磁磁路磁阻和磁密變化緩慢，e主要由線圈切割永磁磁場產生。

2．2 電感

線圈電感是驅動控制系統最為關心的重要參數。它可通過能量攝動法求得。根據機電能量轉換原理，整個電磁驅動裝置的磁場儲能:

式中:Wm為通電線圈磁場儲能;Wpm為永磁體磁場儲能。

設ΔWm、ΔH和ΔB均為線圈電流從i攝動到(i+Δi)時所引起的磁場儲能、磁場強度和磁感應強度變化增量，則:

由式(3)和式(4)可得:

線圈電流微小變動引起的磁場儲能變化如圖5所示，圖5(a)、圖5(b)中的陰影部分表示電流攝動

圖5 磁場儲能增量

Δi后的磁場儲能增量。結合圖5的幾何關系，對比式(5)等號左、右兩邊，有:

式(6)的幾何意義:第一式等號左、右兩邊分別表示圖5(a)和圖5(b)中梯形陰影部分的小三角形面積;第二式等號左、右兩邊分別表示圖5(a)和圖5(b)中梯形陰影部分的正方形面積。求解電感時兩式等價，一般采用第一式，則:

有限元法的基本原理是建立在能量最小化原則上，用于計算磁場能量時更為方便、準確。圖6為采用能量攝動法計算得出的線圈通入不同電流時電感隨位移變化。由圖6可見，位移較大時，隨著位移的減小，電感緩慢增加。位移小于1 mm后，隨著位移的減小，電感迅速增大;但是，當增磁電流較大時，位移減小到一定程度時，因磁路進入高度飽和狀態，電感不增大反而迅速下降。

圖6 不同電流下電感隨位移的變化

2．3動子所受的力

電磁驅動裝置的機械運動方程式:

式中:Fs為彈簧力;Fm為動子所受的電磁力;Fd為阻尼力;Ff為汽缸氣流對氣門的壓力;為動子運動的加速度;m為動子總質量。

規定氣門完全開啟時，即銜鐵位于下止點時，為動子做直線運動的起始零點x=0，則:

式中:k為彈簧剛度系數;x為動子位移。

假設動子所受到軸向電磁力Fm有兩個力合成的，一個是動子銜鐵與內外鐵心間的電磁吸力Fmr;另一個是直線電動機部分的軸向電動力Fmi，即通電線圈與動子永磁體相互作用產生的安培力，則:

3結構設計

3．1彈簧的設計

氣門開關頻率取決于內燃機最佳循環周期。氣門由開啟到閉合或者由閉合到開啟時，彈簧-氣門運動系統基本處于簡諧振蕩狀態，每次動作的時間基本上就是運動系統固有振蕩周期的二分之一。兩個剛度系數皆為k的彈簧并聯，其固有振蕩周期:

式中:T為彈簧-氣門運動系統固有振蕩周期。

實際上，氣門運動周期和彈簧的最大壓縮長度即氣門的行程由內燃機決定，是已知的。故動子質量一旦確定，彈簧剛度系數也就確定了，電磁驅動裝置的自鎖保持力也就確定了。

3．2靜鐵心的設計

內、外硅鋼片鐵心為永磁體和通電線圈所產生的磁場提供磁路。內外鐵心的徑向厚度確定時，遵循磁路截面基本相等原則。

3．3永磁體的設計

永磁體的作用，一是在銜鐵吸合時在銜鐵與內外鐵心間形成較強的永磁磁通，產生電磁吸力，實現自鎖;二是在動子做直線運動時，在銅鐵交疊螺旋狀線圈處產生較強的徑向永磁磁場，線圈通電時產生較大的軸向電動力。

4電磁力分析

4．1單個電磁驅動裝置的電磁力

圖7為單個電磁驅動裝置線圈通入不同電流時動子所受到電磁力Fm。由圖7可見，增磁電流增大，Fm增大;去磁電流增大，Fm減小;同時，在吸合位置x=0附近，Fm對氣隙和電流的變化都非常敏感。

圖7 單個電磁驅動裝置通入不同電流時的電磁力

假設永磁磁場在銜鐵與內外鐵心氣隙處產生的電磁吸力Fmr不受線圈電流的影響，近似認為系統可以使用疊加原理。于是，將線圈通電時動子所受的總電磁力Fm，減去未通電時動子所受到的永磁磁場在銜鐵與內外鐵心間氣隙處產生的電磁吸力Fmr，即可等效看作該電流下直線電動機產生的軸向電動力Fmi。圖8為由此得到線圈通入不同電流時直線電動機部分產生的軸向電動力Fmi。由圖8看出，通入增磁電流時，Fmi為負，即動子受到向下的拉力;當線圈通入去磁電流時，Fmi為正，即動子受到向上的推力。

圖8 單個電磁驅動裝置直線電動機部分產生的軸向電動力

4．2上下對置的兩個電磁驅動裝置的電磁力

實際中，由于電磁氣門驅動裝置為上、下對置的幾乎完全對稱的結構，無論裝置中的兩個線圈通電與否，兩個永磁體產生的磁場始終對動子都有力的作用，故在計算動子所受到的總電磁力時需考慮上、下兩部分電磁驅動裝置的共同作用。設圖1的電磁驅動裝置中的下線圈電流為ia，上線圈電流為ib。線圈電流為正時，該通電線圈所在的那一個電磁驅動裝置的內外鐵心和銜鐵間的工作氣隙處永磁磁場得到增強。同理，線圈電流為負時，工作氣隙處永磁磁場則被削弱。圖9在為一個行程中，上、下兩個線圈通入幾個典型電流時動子所受到的總電磁力F2m曲線。

圖9 動子所受到的總電磁力F2m

由圖9可以看出，在動子處于上止點或下止點附近時，即動子位移x在0～1 mm和在7～8 mm間，銜鐵與內外鐵心間氣隙較小那一側的線圈的通電可以大幅度改變該側電磁力大小;通增磁電流加速自鎖，通一定的去磁電流就能解鎖。

當銜鐵與內外鐵心間的工作氣隙較大，即動子位移x在1～7 mm間時，總電磁力主要是直線電動機部分產生的軸向電動力，線圈電流的大小和方向決定著總電磁力的大小和方向。觀察圖9中動子位移x在1～7 mm間各條曲線，由ia=0，ib=0時曲線可知，兩個線圈都不通電時動子所受到的總電磁力幾乎為零;由ia=0，ib=5 A和ia=0，ib=0時兩條曲線可知，一個線圈通電時，動子所受到的總電磁力與通電線圈所屬直線電動機部分的軸向電動力方向一致;由ia=5 A，ib=5 A時曲線可知，一線圈通增磁電流、另一線圈通去磁電流，動子受到的兩個軸向電動力方向一致，總電磁力最大。

5結 論

在傳統雙彈簧、雙電磁鐵電磁氣門驅動機構的基礎上，引入永磁體，利用永磁體在氣門完全關閉或完全開啟的狀態下提供的電磁力實現自鎖，氣門保持在全開或全閉的位置時線圈不必通電。氣門解鎖時只需在自鎖側線圈通入起去磁作用的電流。

氣門運動周期是由內燃機決定的，它同時還與氣門動子質量、氣門行程、彈簧剛度系數、電磁驅動裝置的自鎖保持力等都密切相關。

線圈電感可通過能量攝動法求解。工作氣隙較小時，線圈電感與位移呈非線性關系。

要綜合考慮永磁體長度和內外鐵心間附加磁氣隙大小，既保障自鎖時有較大電磁吸力，還要確保動子運動時直線電動機部分有足夠的軸向電動力。

銜鐵與內外鐵心間氣隙較大時，氣門所受到的總電磁力基本上是直線電動機部分的軸向電動力。

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