高频电磁泵瞬态驱动特性研究

高频电磁泵瞬态驱动特性研究
余祖耀;柯炯;温江涛;廖远才
【摘要】通过经验公式计算得到高频电磁铁基本结构参数;利用电磁仿真软件Ansoft分析了电磁铁在静态磁场下的行程力特性,并据此对隔磁环、挡铁和衔铁进行了优化设计;最后分析了在瞬态磁场下复位弹簧和衔铁对电磁铁高频特性的影响,对电磁铁复位弹簧参数进行了优化,最终仿真得到电磁铁的最大运动频率.
【期刊名称】《液压与气动》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】5页(P53-56,69)
【关键词】电磁铁;Ansoft;静态特性;瞬态特性;高频特性
【作者】余祖耀;柯炯;温江涛;廖远才
【作者单位】华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉430074;中船重工711研究所,上海201108;华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉430074
【正文语种】中文
【中图分类】TH137;TH35;U664.81+2
引言
在液压传动领域，传统的柱塞泵都采用旋转型驱动方式。

其传动链长、柱塞泵内部至少存在3对以上的主要摩擦副，能量损失环节多，而且泵的加工精度高，装配
关系复杂。

应用直线电磁驱动技术的柱塞泵将直线电磁推力直接传递到柱塞上，去掉了一系列中间传动链，大大提高了泵的工作效率。

而且泵体结构和制造工艺变得更加简单，柱塞泵更加易于实现流量自适应控制。

基于以上优点，直线电磁驱动柱塞泵将广泛应用于汽车、船舶、航空航天、生物工程等领域。

英国、日本等发达国家对于直线电磁驱动技术的研究已经比较成熟，而且已有产品投入应用[1-3]。

但
是国内对于该项技术的研究较少，而且大多数还只是处于理论层面以及实验阶段[4-6]。

一种高频直线电磁驱动柱塞泵[7](图1)基本工作原理如下：电磁铁线圈通电，衔铁在电磁力的推动下向上运动，带动柱塞向上运动，此时入口配流阀关闭，出口配流阀开启，电磁泵开始向外排油；电磁铁线圈断电，衔铁在弹簧力的作用下向下运动，柱塞也随着向下运动，此时入口配流阀开启，出口配流阀关闭，电磁泵吸油。

电磁泵通过PWM脉宽调制实现灵活控制，高频电磁脉冲驱动是该泵的主要优点，但同时也是研究难点。

该泵如果应用到小排量发动机电喷系统中，驱动频率要求
至少可以达到50～60 Hz。

而电磁泵的运动频率主要取决于电磁铁的运动频率，
因此高频电磁铁是该泵的研究重点。

本研究着重对高频电磁铁的动态特性进行了研究，得到电磁铁的最大运动频率。

图1 电磁泵模型
1 高频电磁铁结构参数设计
1.1 电磁铁设计要求
电磁铁运行频率要求至少可以达到50～60 Hz；电磁铁衔铁额定行程为3 mm；
电磁铁采用12 V电压供电；电磁铁衔铁推力不小于10 N，并且利用弹簧复位。

1.2 电磁铁结构参数设计计算
初步设计得到电磁铁结构如图2所示，电磁铁主要由挡铁、线圈、导套、隔磁环、
衔铁、磁轭和后盖等7部分组成。

1.挡铁
2.线圈
3.导套
4.隔磁环
5.衔铁
6.磁轭
7.后盖图2 电磁铁二维结构模型
查取相关资料，根据经验计算公式[8-11]，通过计算得到电磁铁初步结构参数如表1所示。

根据经验公式计算得到了衔铁直径、衔铁长度、安匝数、导套参数和线圈参数等，但是经验公式中有许多系数都是选取的经验值，计算结果并不太精确。

而且隔磁环结构、挡铁结构和衔铁结构对电磁铁的行程力特性也有很大的影响，但是并不能通过经验公式的计算准确得到。

下面将采用有限元分析的方法，对电磁铁的行程力特性进行仿真研究，并据此对隔磁环、挡铁和衔铁进行结构优化设计。

表1 电磁铁初步结构参数参数量值参数量值衔铁直径/mm10．8安匝数1260线圈高度/mm40线圈内径/mm16线圈外径/mm28导线直径/mm0．45导套内径/mm11导套外径/mm15隔磁环角度/°20～40隔磁环长度/mm2～4衔铁长度/mm24隔磁环位置/mm1．5～3．5
2 电磁铁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电磁场仿真分析软件[12]建立电磁铁有限元模型。

该软件基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解，具有很高的准确性和快捷性。

电磁铁为轴对称结构，由电磁铁的1/2轴对称模型即可得到整个电磁铁的行程力特性。

而且Maxwell 2D/3D软件在进行磁场分析时二维模型的精度要比三维模型高，同时占用内存少，计算效率高。

故电磁铁模型设计为二维轴对称模型[13](图3)。

图3 电磁铁二维仿真模型
2.2 静态磁场有限元仿真分析
在电磁仿真软件Ansoft的静态磁场求解器中，依次改变隔磁环位置、隔磁环长度、隔磁环角度、挡铁类型(复位弹簧内置和复位弹簧外置)、衔铁内腔深度以及衔铁内腔直径(如图3，去掉对电磁力无影响的部分材料)，仿真得到电磁铁在不同结构下
的行程力特性曲线。

通过对行程力特性曲线进行对比分析，选择最优结构参数值，最终得到静态磁场下的最优电磁力曲线(图4中电磁力为F，位移为x)和经过优化
设计后的电磁铁结构参数(表2)。

图4 静态电磁力曲线
表2 电磁铁优化后的结构参数参数量值参数量值衔铁直径/mm10．8安匝数1260线圈高度/mm40线圈内径/mm16线圈外径/mm28导线直径/mm0．45
导套内径/mm11导套外径/mm15隔磁环角度/°30隔磁环长度/mm3衔铁长度
/mm24隔磁环位置/mm2．5衔铁内腔长度/mm16衔铁内腔直径/mm7
2.3 瞬态磁场有限元仿真分析
通过静态磁场有限元仿真分析优化了电磁铁结构，为了得到电磁铁的高频驱动特性，还需要作进一步的仿真研究。

利用Ansoft瞬态磁场求解器可以对电磁铁的动态特性进行仿真分析，得到电磁铁的高频瞬态空载驱动特性。

电磁铁在瞬态磁场下的
仿真模型是经过优化了的模型，该模型考虑了衔铁质量、弹簧力、阻尼等机械特性，并通过Ansoft电路编辑器设计电磁铁外部电路(图5)。

外部电路给电磁铁提供频率和占空比可变的方波电压(12 V)，以实现对电磁铁的PWM脉宽调制。

外部电路中并联了一个电阻，在衔铁复位时开关断开，电阻与电磁铁线圈串联，以快速消耗线圈内部存储的电能，减小电磁阻力，使衔铁快速复位。

1) 弹簧刚度对电磁铁高频特性的影响
复位弹簧的作用是保证电磁铁在断电后能够快速复位，弹簧参数的选择对电磁铁的高频特性有很大的影响。

由仿真结果(图6、图7)可知，弹簧刚度对电磁铁从开始
运动直至到达最大位移以及电磁铁复位时的动态特性有影响。

电磁铁通电后，线圈电流逐渐增大，电磁力也随着逐渐增大。

当电磁力超过弹簧预紧力时，衔铁开始运动。

由于电磁力持续增大，衔铁速度越来越快。

当衔铁速度到达某一值后，由于反电动势的作用，线圈电流开始减小，但电磁力依然持续增大，衔铁速度也持续增大，直至到达最大位移。

在此过程中，随着弹簧刚度的增大，电磁力变化并不大，但是弹簧力逐渐增大，所以衔铁运动加速度逐渐减小，但是变化并不是很明显，最终衔铁几乎在同一时间到达最大位移。

弹簧刚度过大时，在到达最大位移后，由于弹簧力要大于电磁力，因此衔铁马上开始复位。

由于电磁铁还在通电，电磁力仍然持续增大。

当电磁力大于弹簧力时，衔铁又开始返回直到电磁铁断电。

电磁铁断电后，电磁力迅速减小，衔铁在弹簧力的作用下开始复位。

随着弹簧刚度的增大，弹簧力变大，因此弹簧复位速度加快，弹簧复位时间变短。

由以上分析可知，随着弹簧刚度的增大，衔铁从初始位置运动到最大位移时的时间几乎不变，但是复位时间变短，因此较大的弹簧刚度可以改善电磁铁的高频特性。

但是弹簧刚度过大时，会在衔铁到达最大位移后产生振荡，使电磁铁运行不稳定。

因此弹簧刚度应该选择合适的值，保证衔铁能够在运动过程中不会产生振荡的同时其运动一个周期的时间达到最小值，从而尽可能的提高电磁铁的运动频率。

图5 电磁铁外部模拟电路
图6 不同弹簧刚度下动态位移和电流曲线
图7 不同弹簧刚度下动态电磁力和速度曲线
2) 弹簧预紧力对电磁铁高频特性的影响
弹簧预紧力对电磁铁的高频特性也有很大的影响。

由仿真结果(图8)可知，随着弹
簧预紧力的增大，电磁铁从开始通电到衔铁开始运动所需的时间变长。

这是因为电磁铁线圈电流是逐渐增大的，电磁力也随着逐渐增大。

只有当电磁力大于弹簧预紧力时，衔铁才会开始运动。

所以弹簧预紧力越大，就需要更大的电磁力来克服，电
磁铁线圈所需的电流也就越大，通电时间也就越长，同时消耗的能量就越大。

在衔铁开始运动直至到达最大位移的过程中，随着弹簧预紧力的增大，衔铁运动加速度基本不变，所以到达最大位移处所用的时间基本不变。

电磁铁断电后，衔铁在弹簧力的作用下迅速复位。

弹簧预紧力越大，复位所用的时间越短。

但由仿真结果可以发现，弹簧预紧力每增大1 N，从电磁铁开始通电直至衔铁开始运动所用的时间
的增加量比衔铁复位所用的时间的减少量要大得多。

图8 不同弹簧预紧力下动态位移和电磁力曲线
因此弹簧预紧力越小，电磁铁运动一个周期所需要的时间就越短。

由以上分析可知，在保证衔铁能够快速复位的情况下，弹簧预紧力要尽量小，使得电磁铁运动一个周期的时间更短，以提高电磁铁的运动频率。

3) 衔铁内腔对电磁铁高频特性的影响
由运动学知识可知，衔铁质量对电磁铁的高频特性有很大的影响。

电磁铁衔铁质量越小，惯性力越小，衔铁响应速度就越快。

因此在保证不影响电磁力的情况下，应当尽可能减小衔铁质量。

通过静态磁场仿真分析可知，衔铁内部有一部分材料对电磁力并不起作用。

这是因为在电磁铁通电时，磁场主要分布于衔铁的外层。

由此可以去掉对电磁力无影响的部分材料，在衔铁后端部形成一个内腔(图3)，内腔尺寸
根据静态磁场仿真分析得到。

通过在衔铁后端部设置内腔，使得衔铁质量减小了29.4%。

由仿真结果(图9)可知，在设置了衔铁内腔之后，衔铁从初始位置运动到
最大位移的时间以及复位的时间都大大减少，而且所消耗的电能也因此减小很多。

由以上分析可知，通过设置衔铁内腔，减小衔铁质量，不但可以提高电磁铁的运动频率，还可以降低电磁铁在运动过程中的能耗。

图9 衔铁内腔对动态位移和电磁力的影响
4) 电磁铁最大空载运动频率分析
通过以上仿真分析可以得到优化的电磁铁参数，由此作进一步仿真分析，得到电磁
铁所能够达到的最大空载运动频率。

由仿真结果(图10)可知，在每个周
图10 最高频率下动态位移和电磁力曲线
期内给电磁铁通电10.5 ms(电压12 V)，断电1.5 ms，电磁铁仍然可以在额定行
程内作周期运动。

由仿真结果可以发现，在给电磁铁通电10.5 ms后，衔铁并未
运动到最大位移处。

电磁铁断电后，电磁力迅速减小，衔铁速度受到弹簧力的作用逐渐减小，但在惯性力的作用下衔铁继续向上运动直至到达最大位移，此时衔铁运动速度刚好减小到几乎为零。

接着在弹簧力的作用下衔铁马上开始复位，但是电磁铁还没来得及回到初始位置，方波电压已经进入下一个周期，线圈开始得电。

由于此时弹簧力要大于电磁力，所以衔铁继续向下运动直至到达初始位置。

达到初始位置后电磁力已经足够克服弹簧力，衔铁又马上开始向上运动，如此周而复始。

由以上分析可知，电磁铁空载运动频率最高可以达到80 Hz以上，完全满足工作需求。

3 结论
本研究在通过经验公式计算的基础上利用有限元电磁仿真软件Ansoft建立了电磁铁仿真模型，利用静态磁场求解器仿真分析了电磁铁的行程力特性，由此对隔磁环、挡铁和衔铁结构进行了优化，同时利用瞬态磁场求解器仿真分析了复位弹簧和衔铁对电磁铁高频特性的影响，并得到了电磁铁的最大空载运动频率。

此工作为电磁泵的进一步研究奠定了基础。

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