柴油機尿素噴射系統電磁泵特性研究

廖義德，余龍兵，廖　昱，楊　凱，祝　俊，?！t，武良雙，向少偉，高立志

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

柴油機尿素噴射系統電磁泵特性研究

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

（1.武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430205；
2.武漢理工大學 自動化學院，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SCR尾氣后處理系統發展較快，但SCR系統中添藍噴射泵的研究依舊是空白.本文基于柱塞泵的基本原理，提出一種電磁力驅動的新型電磁泵，對設計方法、工作原理進行了簡要理論分析，并利用電磁場有限元分析軟件Ansoft Maxwell對電磁泵在不同氣隙、不同驅動電壓條件下進行電磁力仿真.同時，在理論分析的基礎上進行一系列實驗，實驗結果表明：電磁泵整體性能良好，其一致性、穩定性、精度等性能均滿足設計要求.

電磁泵；電磁驅動；Ansoft Maxwell仿真

當前，世界汽車技術強國均將降低NOX和微粒排放技術視為汽車的核心技術之一，并已形成事實上的技術封鎖和市場壟斷.目前，國內發動機和整車企業，在汽車排放技術升級過程中，嚴重依賴進口產品來滿足市場使用要求.SCR尾氣后處理系統的主要核心零部件高精度計量電磁泵，基本都是依賴進口，不僅價格昂貴，而且維修不便.針對國內基于柴油機尿素噴射系統的計量電磁泵的研究較少，以及電磁泵應用技術不成熟的現狀，本文就柴油機尿素噴射系統電磁泵特性展開研究.

1　結構與工作原理

本文提出一種采用固定行程，并由電磁力驅動的柱塞泵設計方法，通過改變泵的輸入頻率調節泵的輸出流量，該設計結構簡單，可靠性高，電磁泵結構設計如圖1所示.

圖1　電磁泵結構與原理

電磁驅動中的激勵線圈通電后在套管和柱塞內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，套管內的工作腔容積減小，腔內壓強增大，在壓力差的作用下，定鐵芯內單向閥打開，流體流出.當線圈斷電電磁力消失時，在復位彈簧的彈力作用下，柱塞克服阻力向右運動，使工作腔內的容積增大，此時，外部壓力大于腔內壓力，進口單向閥打開，液體進入工作腔.通過寬頻脈沖調控（PWM），柱塞在套管內作往復直線運動，不斷地吸入和排出液體.

2　柱塞的結構設計

在此設計中，柱塞也充當銜鐵的作用，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.取某一極限狀態為研究對象，由牛頓第一定律可知有如下關系：

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定性及壽命，因此，流量泵的排出壓力不會太大.設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運動，其對材料的綜合性能要求較高，設計中，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，磁性能穩定及較高的疲勞強度.

式（1）中，d為柱塞直徑，單位m；Pmax為泵輸出最大壓強，單位Pa.

根據軸向電磁泵工作原理，單個周期內流量QL約等于工作腔體積變化，可表示為：

3　電磁線圈的設計

電磁泵采用的是通電螺旋線圈產生的電磁力作為柱塞的驅動力，通過驅動柱塞作往復直線運動，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，假設材料均勻且各向同性，忽略線圈發熱對線圈性能以及導磁材料磁阻系數的影響.設計中采用直流螺線圈的電磁鐵，由電磁力計算公式可知，穩態狀態時的電磁力為［3］：

式

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

式（3）中：N為線圈匝數；I為電流強度（A）；U為電源電壓；Kf為漏磁系數，電磁泵設計中通常取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，當電壓不可變時，提高電磁鐵吸力可以增加線圈匝數、減小線圈電阻或者縮短柱塞的行程.同時，優化磁路結構以減少漏磁系數也可以提高電磁力.由于該方法由經驗總結而來，所以對于具體的結構，漏磁系數的取值所得到的電磁力，可能會與實際測量差異較大［4］.在線圈各項參數的選擇中應實驗與理論結合，選擇合適的參數.

3.2線圈溫升計算

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

式（6）中，Kt為散熱系數，其值為12×10-4W/cm2·℃，D為線圈外側表面周長（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.設計過程中，需反復檢驗線圈尺寸設計是否滿足要求.

4　電磁驅動的設計

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

圖3　電磁泵驅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、彈簧等進行建模.由于單向閥、彈簧等非軟磁材料的磁導性能較小，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設置參數化求解

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

5.3計算結果

利用軟件后處理報告功能，得到相關的圖表，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.

在電磁泵設計時可以結合仿真結果對電磁泵進行優化，減小電磁泵的研發時間.

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

電磁泵在根據要求設計完成后，進行了樣機試制，并對樣機做了大量實驗來測試泵的相關性能，樣機設計參數如表2所示.

為了檢驗所設計電磁泵性能，隨機抽取了5件樣機進行試驗，5件樣機在不同頻率下的質量流量曲線圖如圖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線性增長.圖中10組流量曲線線性度較好，穩定性較高，雖然不同樣機在不同頻率下存在波動，但在誤差允許范圍內.

表2　電磁泵設計參數

7　結論

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

圖7　5件樣機不同頻率下的質量流量曲線

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

［2］馬亞麗.小型變流量電磁泵的結構優化與控制系統設計［J］.吉林工程技術師范學院學報，2007（9）：57-59.

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

［4］婁路亮.電磁閥設計中電磁力的工程計算方法［J］.導彈與航天運載技術，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“柴油機后處理系統（SCR）關鍵技術研發及產業化”（2012AA111716）

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