CKD電磁閥動態(tài)特性仿真與實驗

CKD電磁閥動態(tài)響應特性直接影響高壓共軌噴油器的開啟和關(guān)閉過程。首先對電磁閥驅(qū)動電流加載和卸載過程進行了實驗研究，基于實驗結(jié)果和驅(qū)動原理求取了不同氣隙下電磁閥磁鏈與電流的關(guān)系，并根據(jù)磁鏈與電磁力的關(guān)系建立了電磁閥的電磁模型。然后根據(jù)電磁閥的工作原理建立了描述銜鐵運動特性的電磁閥動力學模型。最后，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中建立了以驅(qū)動電流為輸入的共軌噴油器電磁閥機電耦合模型，對模型進行了驗證，仿真計算結(jié)果與實驗結(jié)果顯示了很好的一致性。

引言

　　CKD電磁閥噴油器的開啟和關(guān)閉由電磁閥控制，是衡量噴油器動態(tài)響應特性的重要指標，與電磁閥的動態(tài)特性緊密相關(guān)。國內(nèi)外研究人員已經(jīng)對電磁閥特性進行了大量的研究。

之前的一篇文章中提出了一種估算銜鐵位移的方法，該方法考慮了穩(wěn)態(tài)電流對電磁閥電感的影響，適用于恒定電流作用下電感與銜鐵位移一一對應的情況。文獻采用有限元法對電磁閥靜態(tài)特性以及氣隙固定不變、控制電流動態(tài)變化情況下的電磁力與電流的關(guān)系進行了研究，采用初始磁化曲線描述鐵芯材料的磁化特性。文獻采用磁通分層磁阻模型研究了電磁閥的動態(tài)特性，考慮了磁通密度在磁路橫截面內(nèi)分布不均勻的影響，采用恒定的相對磁導率或者初始磁化曲線來描述鐵磁材料的磁化特性。文獻不考慮磁通密度在磁路橫截面內(nèi)分布不均勻的影響，基于磁路歐姆定律建立電磁閥的電磁模型，對電磁閥的動態(tài)特性進行了研究，同樣采用恒定的相對磁導率或者初始磁化曲線來描述鐵磁材料的磁化特性。

　　有限元法的缺陷在于不能模擬氣隙的動態(tài)變化過程和磁滯的影響。不考慮磁通密度在磁路橫截面內(nèi)分布不均的磁阻模型的缺陷是不能反映磁通密度分布不均導致的磁導率的變化，無法考慮磁滯的影響。綜上所述，國內(nèi)外對控制電流加載和卸載過程中電磁閥特性變化的研究還不夠深入。此外，建立的電磁閥模型沒有考慮因磁滯導致的控制電流加載和卸載過程的區(qū)別。

　　基于以上研究，本文首先對控制電流加載和卸載過程中的電磁閥驅(qū)動電流和電源電壓進行實驗研究，并根據(jù)磁鏈與電磁力的關(guān)系建立電磁閥的電磁模型。然后，建立描述銜鐵運動特性的電磁閥動力學模型，并在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中建立以驅(qū)動電流為輸入的共軌噴油器電磁閥機電耦合模型，對模型進行驗證。

1、實驗

　　1.1、CKD電磁閥結(jié)構(gòu)及工作原理

　　1為共軌噴CKD電磁閥結(jié)構(gòu)圖。工作過程中，鐵芯和銜鐵行程限制器固定不動。當電磁力和彈簧2對銜鐵施加向上的力不足以克服彈簧1對銜鐵施加向下的力時，電磁閥關(guān)閉，氣隙最大。線圈中通過電流，當電磁力和彈簧2對銜鐵施加向上的力能夠克服彈簧1對銜鐵施加向下的力時，銜鐵向上運動，電磁閥打開。

1.銜鐵 2.回位彈簧2 3.行程限制器 4.線圈 5.回位彈簧1 6.鐵芯

　　1.2、實驗設(shè)備

　　為實驗系統(tǒng)原理圖。通過氣隙粗調(diào)旋鈕和氣隙細調(diào)旋鈕來調(diào)節(jié)銜鐵與電磁閥閥體之間的氣隙，氣隙的大小通過激光位移傳感器來測量，激光位移傳感器的精度為±0.1μm，量程為±1mm。電流傳感器的測量范圍0～70A，輸出為100mV/A。驅(qū)動模塊可以調(diào)整脈寬、高電流值、保持電流值。

1.氣隙粗調(diào)旋鈕 2.激光 3.粗調(diào)鎖緊旋鈕 4.電流傳感器 5.噴油器驅(qū)動模塊 6.數(shù)據(jù)采集卡 7.工控機 8.激光位移傳感器 9.氣隙細調(diào)旋鈕 10.細調(diào)鎖緊旋鈕 11.銜鐵 12.電磁閥閥體

　　1.3、實驗方案及結(jié)果

　　通過噴油器驅(qū)動模塊可以調(diào)節(jié)燃油噴射脈寬、最大電流值以及驅(qū)動方式等。實驗中通過調(diào)節(jié)驅(qū)動模塊使驅(qū)動電流隨時間的變化如圖3所示。驅(qū)動電流隨時間變化的過程分為3個階段:電流快速上升階段A、大電流保持階段B和電流快速下降階段E。在不同的氣隙下采集A和E階段的電流和電源電壓。

實驗用共軌噴油器驅(qū)動電流曲線

3 實驗用共軌噴油器驅(qū)動電流曲線

4、結(jié)論

　　(1)對CKD電磁閥的實驗研究表明，電流發(fā)生同樣大小的變化(18A)在A階段所需要的時間大于E階段所需要的時間，這說明A階段電磁閥的電感在較大的電流范圍內(nèi)大于E階段電磁閥的電感。另外，電磁閥電感在A階段和E階段均隨電流的變化而變化。

　　(2)對A階段和E階段磁鏈的理論分析表明，氣隙較小的情況下，在電流較小時磁鏈隨電流的增加快速增大;電流增大到一定程度后，磁鏈隨電流的增加而增大的速度變慢。氣隙較大的情況下，隨電流的增加磁鏈在整個電流范圍內(nèi)均快速增加，但磁鏈小于相同電流下較小氣對應的磁鏈。電磁閥的這些特性是鐵芯和銜鐵材料的磁飽和造成的。磁滯的作用使得相同電流下對應的A階段的磁鏈小于E階段的磁鏈，E階段電流下降為0A時，電磁閥的磁鏈遠遠大于0Wb。

　　(3)提出了基于電磁閥氣隙、電流和磁鏈數(shù)據(jù)構(gòu)成的二維表格查詢和線性插值法的電磁閥電磁模型建立方法，即根據(jù)電磁閥氣隙和驅(qū)動電流的大小，通過查表和線性插值法來確定電磁閥磁鏈，并根據(jù)磁鏈與電磁力的關(guān)系計算出電磁力。模型考慮了鐵芯和銜鐵材料的磁滯和磁飽和特性的影響。仿真計算結(jié)果與實驗結(jié)果表現(xiàn)出了較好的一致性，該模型可以很好地模擬電磁閥的動態(tài)特性。

一、安裝注意事項

　　1、注意工作介質(zhì)的流動方向，應按閥體上標志的箭頭所指的工作介質(zhì)流動方向安裝，安裝前應清掃管路。

　　2、注意電源條件是直流或交流（頻率）、電壓值及波動范圍、功率等，現(xiàn)場使用是否與電磁閥銘牌所示的數(shù)據(jù)相符，以及它與控制系統(tǒng)的配合是否準確，電磁閥應安裝接地線，以保證工作中的安全。

　　3、閥內(nèi)裝有彈簧，使主閥塞及動鐵芯及時復位。該彈簧應能承受一定程度的振動，要求電磁閥盡量正立安裝，雖然有的小口徑電磁閥說明書提出可以任意安裝，根據(jù)現(xiàn)場的要求，安裝位置可自行選擇，但正立安裝可增加電磁閥工作的可靠性和壽命，否則因閥件的自重，將增加運動部件單面磨損量，直接會影響閥門的使用壽命和工作的可靠性。

　　4、導閥與閥蓋上螺釘或螺栓安裝前應分別擰緊，防止外漏影響密封性能。

　　5、在有腐蝕性的環(huán)境工作場所，一般不可以選用該電磁閥，但確實想選用本閥時，應想法在電磁閥外露部分增加防護措施。

　　6、不能在其他工作介質(zhì)中使用，只能用在氣體管路中的自控，但必須在規(guī)定的壓力范圍內(nèi)使用，工作壓力小于0.03MPa，電磁線圈通電時，只有導閥動作，主閥因壓差小不會開啟，但也關(guān)閉不嚴（漏氣），若工作壓力大于1.7MPa時，電磁線圈通電后電磁吸力不夠，導閥不能開啟，故主閥亦不能開啟。