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结构参数对电控单元泵电磁阀静态电磁特性的影响
摘要：本文研究了驱动电流和电磁阀结构参数（如铁芯长度、磁极横截面积、线圈匝数和位置、衔铁厚度、阻尼孔的位置和直径、工作气隙的大小等）对电磁阀的静态电磁特性的影响。结果表明：因为驱动电流是磁场强度和磁饱和现象的影响因素，驱动电流会极大地影响电磁能的转换效率，过度的增大驱动电流会减小电磁能转换效率，导致加速功率的损失。电磁能转换的能力还和电磁阀的每一个参数有关，虽然不是对每一个参数的变化都很敏感。增加铁芯的长度、平衡主、副极横截面积的大小、适当增加线圈匝数、减小线圈到衔铁中心的距离、增加衔铁厚度、增大阻尼孔到衔铁中心的距离、减小阻尼孔的直径、减小工作气隙都会增加产生的电磁力。但是一点驱动电流过大，这些方法都不会起作用。
- 绪论
喷油系统在柴油机的总体性能上起着极大的作用，电控高压直喷系统因为其在动态功率和原始排放上的优越性被广泛认为是现代柴油机的一种先进喷油方式，并且电控单元泵（简称EUP）因为其耐高压的能力、严密的设计、高度的可靠性和可动态调整的能力等，成为一种最普遍的重型柴油机高性能柴油喷射系统中的模块化高压供油装置。在EUP中，电磁阀是一个至关重要的成分，在响应性和排放性上都起着决定性的作用。因为电磁阀的重要性，越来越多的学者已经投身于电磁阀的科学研究中。迄今为止，大量的学术论文已经说明了电磁阀的固有特性，但这些因素不是电磁阀的静态电磁特性。因此，还需要去做更多关于电磁阀静态电磁特性的工作。
目前，一些学者已经在理解电磁阀静态电磁特性上做除了重大的贡献，并且对静态电磁特性的影响因素的研究一直是一个重要的研究方向。因为Seilly的所做的研究，缩短电磁阀的响应时间已经成为一个热点，电磁阀的响应性与其结构之间的关系已经被着重研究。电磁阀的静态电磁特性因为能直接影响响应性而引起越来越多的学者的关注。Topcu的研究团队，Luharuka的研究团队和Al-Jaber分别研究了驱动电流对不同结构的电控气动阀和电磁阀的静磁力的影响；Nitu的研究团队和Taghizadeh的研究团队分别研究了驱动电压和脉冲宽度调制频率对电磁阀静磁力的影响；已发表的结论表明驱动参数对电磁阀的工作过程有很大的影响。为了进一步提高电磁阀的总体性能，电磁阀的结构参数和静磁力的关系已经在近几年被重视。Miller的研究团队研究了线圈参数对重型车辆紧急制动系统的新型电磁阀的电磁性能的影响，Wang的研究团队研究了磁路结构对用具有软磁性的铝铁合金材料制作的电磁阀的电磁特性的影响。Liu的研究团队研究了磁路部分结构参数对静磁力的影响，并且这些发表的结论显示了磁路的结构参数对电磁阀电磁能转换很重要。除了电磁阀的工作过程，电磁阀电磁能转换过程中的能量损失也受到一些学者的关注（如Angadi的研究团队和Chen的研究团队），他们的研究结果表面一些结构参数对电磁阀的电磁场和温度场有重大的影响，但还缺乏更多的和更加详细的信息。
从上述成果来看，电磁阀的静态电磁特性与其结构参数（尤其是磁路的结构参数）有密切的联系；但是，仍然需要系统的有深度的研究。为了提供在电磁阀的电磁能转换上更有价值的信息，我们已经做了一个系统的研究，利用得到的数据对驱动电流和磁路的八种重要的结构参数对电磁力的影响进行了研究和分析。
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模型描述和研究方法
- 模型和计算方法
在本次研究中，通过三种精度的仿真数字化的研究了电磁阀的静态电磁特性，并且一种E型两路电磁阀已经被广泛应用于现代重型柴油机的EUP上。正如图一1所示，阀由电磁体（装有励磁线圈）和阀体（包括衔铁、阀柱、回位弹簧、弹簧座和密封圈）组成。为了节省计算时间，只考虑对电磁能转换有影响的磁性元件（包括铁芯、励磁线圈和衔铁），非磁性的元件不在模型的考虑范围。更进一步说，用薄的硅钢片将铁芯封装进一个单独的模块。图1还表示了直观的简化模型的点此结构并在模型中标出了相关的物理参数。
因为电磁阀的电磁转换过程是一个复杂的过程，很难用一般分析法和差分法来研究，所以采用了有限元分析法（FEA）。从以前的研究中可知，ANSYS Maxwell可以提供这种算法。计算的单位是分散的四面体网格，这种多重网格的方法（如图1所示）被当作一种可以得到更好的拓扑性质的网格策略而被采用。用自适应网络法（AMR）形成边界元素网络有以下原因：（1）研究的模型相对简单且高度对称，很适合用AMR通过软件来分析。（2）与手动划分网络不同的是，手动划分网络需要大量的操作和相对较长的时间，而AMR仅需要简单的设置就可以自动划分网络。（3）如果手动划分网络，为了更理想和更精确的计算就需要划分出更多的网络。关于拓扑性质、初始边界、模型选择和网络元素的详细信息如表1所示。需要强调的是，在本次研究中，驱动条件是电流驱动，驱动电流是直流电（简称DC），验证试验中所用的驱动电流也是直流电。与交流电（简称AC）不同的是直流电在导体的横截面上的分布是均匀的，没有明显的趋肤效应，而趋肤效应不应该在本次研究中出现。
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- 计算结果的验证
为了证明所提供模型的精确性，计算出的数据需要被实验结果所验证。电磁力（Fe）作为用来反应电磁能转换过程的重要指标而成为验证的重点。
验证试验在静磁力试验台上进行。试验台由五个重要的组成成分（和最普遍的用于测量电磁力的试验台一样）：（a）夹紧和定位装置，（b）气隙大小的微调装置，（c）快速起重机构，（d）位移测量装置（e）力值测量装置。气隙大小用一对不同尺寸的螺栓（一个是M16times;1.75，另一个是M16times;1.50）根据不同的原理进行调整，用一个感应同步器去测量位移，用一个高精度电阻应变式压力传感器来测量Fe。
按照试验要求，电磁体被固定在试验台的自由端而衔铁和与其相连接的S型压力传感器被固定在试验台的固定端，衔铁的和电磁体的轴线要通过调整试验台自由端的高度达到同一高度，自由端和固定端之间的距离需要用测隙规的刀片来调整。一旦工作气隙的大小到达给定值（所有的验证试验都是0.28mm），锁住自由端，随后向励磁线圈中通入连续不断的电流。与衔铁连接的电阻应变式压力传感器受到电磁吸力后产生一个电压信号，用高精度放大器（AMPV系列）将信号放大，然后用示波器（Ageilent系列）测量被放大的信号，再通过换算表计算出Fe。通过改变驱动电流和工作气隙的大小得到Fe的变化规律。在验证试验中，驱动电流在4.0-15.0间每个1.0A取一个值。得到的试验数据如图2所示。
图2比较了计算结果和试验结果中Fe的区别。随着I的增加，计算结果与试验结果中Fe的差别（Delta;Fe）先增大后减小，Delta;Fe在9.0A附近达到最大值，当I超过13.0A（试验所用电磁阀的维持电流）时变化不再明显。当I从4.0A上升到13.0A时，I对滞后现象的影响很大以致于在实际测量中不能被忽略，但是这种影响在静磁力的仿真中常常被忽略；并且Delta;Fe是正的且单调递增的。当I超过13.0A时，引起的局部饱和现象在仿真中被充分考虑，因此计算出的Fe比测量出的Fe小。一般的，计算出的数据和现实状况相一致并且能较好地和试验结果相吻合，最大误差（）不超过5%；所以，建立和使用的模型的科学性和可靠性是可信的。
图1. E型阀的说明，电磁结构直观简易模型，阀的物理模型
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结果与讨论
- 驱动电流的影响
由于驱动电流（I）是电磁阀的驱动参数，需要首先研究I对电磁力（Fe）的变化规律的影响。对于电磁元件，电磁能转换的潜能由B-H（B，磁感应强度，T；H，磁场强度，A/m）的特性曲线决定。因为软磁性材料（如在研究的物理模型中使用的材料）的导磁率（B-H的比值）是随I变化的，在电磁阀的电磁能转换中I对H和B的影响是至关重要的。
图3显示了磁场强度（H）和磁感应强度（B）在不同的驱动电流（I）下的分布状况。如图3所示，在研究中，H和B在与励磁线圈垂直衔铁是的地方较大；并且离线圈中心越远，H和B越小。除了线圈的中心，在阻尼孔附近B也较大，所以当磁感应线垂直于磁力线是封闭曲线。当I=5.0A时，H通常不超过275A/m，对应的B不超过1.2T（仍然远小于达到磁饱和所需的条件）。当I上升到10.0A时，H和B的值明显上升，甚至在阻尼孔附近的H的值达到了500A/m，而对应的B的值大约为1.45T（接近磁饱和的条件）。因为磁路是一直优先通过高导磁率的材料的，而衔铁的导磁率远远高于空气的导磁率，阻尼孔附近的磁感应线开始挤在一起并形成磁饱和，而电磁能转换的能力也因此减弱。随着I的进一步增大，H和B的值继续急速上升，H大于500A/m的地方在不停地扩大，局部磁饱和现象也严重恶化。当I到达15.0A时，甚至衔铁上的磁场也几乎要饱和了。
图4显示了Fe在不同的驱动电流（I）下的变化。当I从4.0A上升到15.0A，
表1
三维计算细节的设定
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项目 |
分类 |
设定或赋值 |
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物理性质 |
铁芯 |
材料性质 |
硅铁片 |
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结构性质 |
叠片状 |
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铁芯厚度（mm） |
0.35 |
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叠片参数 |
0.97 |
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相关电磁导磁率 |
磁化曲线[32] |
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铁芯长度（mm） |
变量，7-25 |
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副极横截面积（mm2） |
变量，80-200 |
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励磁线圈 |
材料性质 |
铜 |
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相关电磁导磁率 的 |
1.01 |
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绕组型式 |
标准 |
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电流在绕组中的分布 |
平均分布 |
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趋肤效应 |
忽略 |
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线圈匝数 |
变量，40-120 |
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线圈到气隙的距离 |
变量，2-16 |
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衔铁 |
材料性质 |
软磁性材料 |
|
|
相关电磁导磁率 |
磁化曲线[32] |
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衔铁厚度（mm） |
变量，2,5-5.5 |
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|
阻尼孔直径（mm） |
变量，0.6-1.8 |
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|
阻尼孔中心到衔铁中心的距离（mm） |
变量，4.5-6.5 |
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求解区域 |
材料性质 |
空气 |
|
|
相关电磁导磁率 |
1[33] |
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|
气隙（mm） |
变量，0.20-0.32 |
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初始边界 |
驱动条件 |
驱动电流，直流（DC） |
变量 |
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网格信息 |
铁芯 |
网格数量 |
12,431 |
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