CKD電磁閥動態(tài)特性仿真與實驗

CKD電磁閥動態(tài)響應(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致的磁導(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)位。該彈簧應(yīng)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(dǎo)閥與閥蓋上螺釘或螺栓安裝前應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)閥不能開啟，故主閥亦不能開啟。