為研究環(huán)境溫度對(duì)燃油電磁閥電磁鐵驅(qū)動(dòng)性能的影響，基于電磁閥工作原理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)作動(dòng)特性等關(guān)系，建立了熱環(huán)境下電磁閥的數(shù)學(xué)模型，通過溫度與磁場(chǎng)特性分析確定了對(duì)溫度最敏感的關(guān)鍵功能部件為電磁線圈。利用有限元軟件 Ansoft Maxwell對(duì)由線圈和銜鐵構(gòu)成的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到不同環(huán)境溫度下電磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度分布及系統(tǒng)關(guān)鍵響應(yīng) 指標(biāo)，研究了閥啟閉過程的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。分析在額定工作狀態(tài)下環(huán)境溫度對(duì)電磁鐵磁場(chǎng)分布和響應(yīng)特性的影響，獲得不同環(huán)境溫度下的線圈電流、電磁力、銜鐵速度及位移的變化和響應(yīng)規(guī)律。

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基于電磁力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析某直動(dòng)式2位2通燃油開關(guān)電磁閥在不同環(huán)境溫度下的輸出特性及 內(nèi)在機(jī)理，研究環(huán)境溫度對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)裝置的影響，為電磁閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 原理與數(shù)學(xué)模型

1.1 構(gòu)成原理

某燃油開關(guān)電磁閥結(jié) 構(gòu)如圖 1 所示。電磁閥主 要由閥體、線圈、彈簧、銜 鐵和閥芯（圖中連為一體） 等組成。當(dāng)電磁閥通電時(shí)，磁 路中產(chǎn)生電磁力使銜鐵克 服彈簧阻力、油液壓力和 摩擦力向上移動(dòng)，閥開啟使燃油介質(zhì)流通；當(dāng)電磁閥 斷電時(shí)，磁路中產(chǎn)生的電磁力消失，銜鐵在彈簧復(fù)位 力的作用下向下移動(dòng)至閥關(guān)閉。

圖1 電磁閥結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)學(xué)模型

電磁閥是電、磁、機(jī)、液的非線性耦合體，其工作過程就是四者相互作用的過程。

同樣案例分享對(duì)原理性方程不做過多介紹，主要應(yīng)用以下方程：電路方程、磁路方程、運(yùn)動(dòng)方程、流量方程、以及溫度與線圈磁動(dòng)勢(shì)關(guān)系方程。

電磁力大小與磁動(dòng)勢(shì)、氣隙 長(zhǎng)度及磁路截面積有關(guān)，而磁動(dòng)勢(shì)受環(huán)境溫度影響。上述方程雖能表達(dá)電磁力隨環(huán)境溫度變化的機(jī)理，但無法描述電磁鐵結(jié)構(gòu)對(duì)工作氣隙及附近磁場(chǎng)的影響， 難以獲得準(zhǔn)確的電磁力，開展特定電磁鐵結(jié)構(gòu)下的電磁場(chǎng)建模與仿真，獲得溫度對(duì)磁場(chǎng)分布的影響，繼而分析其對(duì)電磁力的影響機(jī)理，為電磁閥及其驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)提供必要的理論參考。

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2 電磁場(chǎng)有限元仿真

2.1 電磁鐵建模

電磁力由電磁鐵組件 產(chǎn)生，不考慮電磁閥殼體結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)的影響，在An? soft Maxwell中建立簡(jiǎn)化的電磁鐵3維有限元模型（如圖 2 所示）進(jìn)行瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真。靜鐵芯與外殼為 靜止部件且材料相同，可視為是一體的，建立環(huán)形電 磁線圈幾何模型，在環(huán)的任意縱截面上添加激勵(lì)源。因銜鐵為運(yùn)動(dòng)部件，需在其外部建立Band域，其作用 是將靜止部件與運(yùn)動(dòng)部件分開，提高動(dòng)態(tài)計(jì)算所需的 網(wǎng)格質(zhì)量。設(shè)置銜鐵為直線運(yùn)動(dòng)，最大運(yùn)動(dòng)距離為電 磁閥的工作行程，z軸負(fù)方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的正方向。考慮 到電磁鐵周圍漏磁的影響，需設(shè)置1個(gè)較大尺寸的空氣域模擬電磁鐵正常工作時(shí)的外部環(huán)境，最后建立1個(gè)求解域包圍所有部件。鐵芯、銜鐵和外殼通常采用電工純鐵 DT4 制造，因其磁導(dǎo)率高且易于磁化，剩磁也易消失。線圈采用 銅材料，其它非軟磁材料因?qū)Т判阅芘c空氣相近，可視為空氣。電磁閥的主要參數(shù)見表 1，對(duì)各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃 分，求解時(shí)間為210ms。

圖2 電磁鐵3維有限元模型

2.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

電磁閥在一定頻率 PWM 信號(hào)（占空比為 0.5）下 1.5 個(gè)工作周期內(nèi)的電磁鐵輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖 3 所 示，圖中V為銜鐵的運(yùn)動(dòng)速度。

圖3 電磁鐵輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)

從圖中可見，由于電磁鐵線圈存在感應(yīng)電流，使得電磁閥的開啟和關(guān)閉均滯后于 PWM 的控制信號(hào)。在激勵(lì)電壓作用下，線圈電流自 0 時(shí)刻起呈 指數(shù)增大，到達(dá)A點(diǎn)時(shí)，由于銜鐵開始運(yùn)動(dòng)，切割磁路 中的磁力線產(chǎn)生反電勢(shì)，使得電流開始減小。當(dāng)電流 減至 B 點(diǎn)時(shí)銜鐵吸合靜鐵芯，閥完全打開，隨后電流 開始增大直至穩(wěn)定。B 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為電磁閥完全 開啟所需時(shí)間。銜鐵釋放過程與吸合過程相似，在彈 簧復(fù)位力作用下自C點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻開始運(yùn)動(dòng)，直至D點(diǎn) 對(duì)應(yīng)時(shí)刻完全關(guān)閉。從電磁力曲線中可見，銜鐵在運(yùn) 動(dòng)過程中由于氣隙變小，所受電磁力隨之增大，負(fù)號(hào) 表示電磁力與阻力方向相反；從速度和位移曲線中可 見銜鐵開始和停止運(yùn)動(dòng)的時(shí)間及對(duì)應(yīng)時(shí)刻的速度。

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3 溫度對(duì)電磁閥特性的影響

研究要求電磁閥可在環(huán)境溫度最高為 260 ℃時(shí)正常工作，不考慮電磁閥線圈溫升及絕緣材 料受溫度的影響，在仿真時(shí)設(shè)置溫度為 20~420 ℃以 研究電磁閥無法打開的極限溫度，將線圈電導(dǎo)率定義 為溫度的函數(shù)，初始線圈磁動(dòng)勢(shì)為1054A。

3.1 磁動(dòng)勢(shì)和初始位置電磁力

將環(huán)境溫度設(shè)置為變量，已知表明線圈磁動(dòng)勢(shì)和初始位置電磁力隨環(huán)境溫度升高而減小。線 圈磁動(dòng)勢(shì)和電磁力隨溫度的變化曲線如圖 4 所示。從圖中可見，當(dāng)溫度由 20 ℃升至 420 ℃時(shí)，線圈磁動(dòng) 勢(shì)由初始值1054A 減小至403A，減小幅度約為 61.8％，電磁力減小了約81.4％，表明環(huán)境溫度對(duì)磁 動(dòng)勢(shì)和電磁力的影響較大。

圖4 線圈磁動(dòng)勢(shì)和電磁力隨溫度的變化曲線

3.2 靜態(tài)特性分析

在電磁鐵磁路中，因軟磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大 于空氣的，故磁路中的磁阻主要由氣隙產(chǎn)生。在20 ℃時(shí)電磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖 5 所示。從圖中可 見，磁場(chǎng)強(qiáng)度主要分布在氣隙處，包括銜鐵與靜鐵芯 間的工作氣隙、銜鐵與外殼間的非工作氣隙以及銜鐵 上端與 Band 域間的空氣層。其中，在工作氣隙處的 磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，在20℃時(shí)可達(dá)到106A/m。

圖5 在20 ℃時(shí)電磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度分布

在全溫度范圍內(nèi)的3個(gè)典型工況（即溫度 θ=20 、220、420 ℃）下的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖 6 所示。在銜 鐵與靜鐵芯之間的工作氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度分別約為 1.5、0.8 和 0.5 T。對(duì)于以 DT4 為代表的軟磁材料，在電磁鐵靜鐵芯底部磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大，在 20 ℃時(shí) 最大磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)到 2.15 T，而在 220、420 ℃時(shí)最 大磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為1.38、1.12 T，遠(yuǎn)小于其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。由此可見，在20~420 ℃時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨環(huán)境溫度升高而降低。

圖6 不同環(huán)境溫度下電磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

3.3 動(dòng)態(tài)特性分析

為了掌握溫度對(duì)電磁閥啟閉過程的動(dòng)態(tài)影響，研 究了電磁鐵在不同環(huán)境溫度下的線圈電流、電磁閥電 磁力、銜鐵（閥芯）速度和位移的響應(yīng)特性，各曲線分 別如圖 7~10 所示。從圖 7、8 中可見，隨著環(huán)境溫度的升高，線圈電流和電磁力減小。在20~340 ℃時(shí)，線 圈電流和電磁力隨溫度的升高而減小，且溫度越高， 減小的幅值也越小；在 420 ℃時(shí)，電流變化規(guī)律與其 它溫度下的截然不同，且電磁力驟降。從圖 9、10 中 可見，此時(shí)銜鐵的運(yùn)動(dòng)速度和位移均為 0，表明電磁 閥在溫度為420 ℃時(shí)未正常開啟。

圖7 不同環(huán)境溫度下電磁閥動(dòng)態(tài)電流曲線

圖8 不同環(huán)境溫度下電磁閥動(dòng)態(tài)電磁力曲線

圖9 不同環(huán)境溫度下電磁閥的速度響應(yīng)

圖10 不同環(huán)境溫度下電磁閥的位移響應(yīng)

此外，在不同環(huán)境溫度下銜鐵的運(yùn)動(dòng)時(shí)間也不同，環(huán)境溫度越高，其開啟過程用時(shí)越短，關(guān)閉過程 用時(shí)越長(zhǎng)。在開啟過程中，當(dāng)電磁閥通電時(shí)，電磁鐵 迅速達(dá)到磁飽和，從而使電磁力達(dá)到最大，銜鐵在電 磁力作用下迅速向上運(yùn)動(dòng)推動(dòng)閥芯使閥開啟；當(dāng)電 磁閥斷電后，由于軟磁材料的磁滯特性，電磁鐵存在 剩磁，電磁力減小緩慢，當(dāng)彈簧復(fù)位力大于電磁力時(shí)，銜鐵向下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)閥芯使閥口關(guān)閉。當(dāng)額定電壓不變時(shí)，環(huán)境溫度為 20~340 ℃時(shí)所 對(duì)應(yīng)的電磁閥開啟與閉合時(shí)間見表2。在環(huán)境溫度初始為 20 ℃時(shí)，電磁閥關(guān)閉用時(shí)大于開啟用時(shí)。當(dāng) 環(huán)境溫度升高時(shí)，線圈磁動(dòng)勢(shì)隨之減小，工作氣隙處 的磁場(chǎng)強(qiáng)度也相應(yīng)減小。由于磁路的磁滯效應(yīng)，電磁 閥的關(guān)閉時(shí)間會(huì)縮短。可見在環(huán)境溫度從20 ℃升至 260 ℃的過程中，每升高 80 ℃，電磁閥開啟時(shí)間延長(zhǎng) 幅度為 0.5、1.0、2.0 ms，小于關(guān)閉時(shí)間縮短幅度 6.0、3.5、3.0 ms，當(dāng)溫度從260℃升至340℃時(shí)，電磁閥關(guān) 閉時(shí)間縮短了1.5ms，開啟時(shí)間延長(zhǎng)了3.5 ms。由此可見，溫度變化對(duì)電磁閥啟閉時(shí)間的影響規(guī)律不同。在某一溫度范圍內(nèi)電磁閥關(guān)閉時(shí)間受溫度變化影響較大，但當(dāng)溫度高于某一值時(shí)，開啟時(shí)間較關(guān)閉時(shí)間所受影響更大。

在不同環(huán)境溫度下電磁閥啟閉時(shí)間隨驅(qū)動(dòng)電壓 變化的曲線分別如圖11、12所示。從圖中可見，隨著 驅(qū)動(dòng)電壓的升高，電磁閥的開啟時(shí)間變短、閉合時(shí)間 變長(zhǎng)。在驅(qū)動(dòng)電壓由18 V升高至 36 V 的過程中，開 啟時(shí)間受電壓的影響更大。分析可知，在環(huán)境溫度為 260、340、420 ℃時(shí)，電磁閥最低啟動(dòng)電壓分別為 24、27、30 V。

圖11 不同環(huán)境溫度下電磁閥開啟時(shí)間隨電壓的變化曲線

圖12 不同環(huán)境溫度下電磁閥閉合時(shí)間隨電壓的變化曲線

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4. 總結(jié)

（1）不考慮線圈發(fā)熱及絕緣材料受溫度的影響，在額定工作電壓下環(huán)境溫度的變化使線圈導(dǎo)線的電阻率改變，電流和線圈磁動(dòng)勢(shì)隨溫度的升高而減小。 

（2）環(huán)境溫度升高會(huì)使磁路中工作氣隙處的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度變?nèi)酰姶砰y電磁力減小，當(dāng)初始位置電磁力小于預(yù)緊力時(shí)，閥無法開啟。 

（3）電磁閥啟閉的時(shí)長(zhǎng)與電磁力、磁場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)，環(huán)境溫度升高會(huì)使電磁閥開啟時(shí)間延長(zhǎng)、關(guān)閉時(shí)間縮短。 

（4）在某一臨界溫度范圍內(nèi)，環(huán)境溫度對(duì)電磁閥關(guān)閉時(shí)長(zhǎng)的影響大于對(duì)開啟時(shí)長(zhǎng)的影響；在達(dá)到臨界 溫度之后，環(huán)境溫度對(duì)電磁閥開啟時(shí)長(zhǎng)的影響大于對(duì) 關(guān)閉時(shí)長(zhǎng)的影響，直至電磁閥無法正常工作。 

綜上所述，電磁閥啟閉時(shí)長(zhǎng)受到影響的溫度范圍不一。特別是對(duì)于高速開關(guān)電磁閥，其平均流量受脈寬調(diào)制信號(hào)占空比大小的影響，電磁閥的控制應(yīng)考慮環(huán)境溫度變化因素。

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文章來源：機(jī)電君