液压自由活塞发动机大流量快速响应电磁阀电磁仿真

李欢

（天津中德职业技术学院，中国天津 300350）

【摘要】从结构和原理方面设计仿真了一种大流量快速响应电磁阀。结合大流量快速响应电磁阀的工作过程，基于电磁有限元理论，建立了电磁阀的三维电磁动态响应过程的计算模型，并对其进行仿真。

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关键词液压自由活塞发动机；大流量快速响应电磁阀；电磁仿真

液压自由活塞发动机(Hydraulic free piston engine，简称HFPE)集液压泵与内燃机于一体，从结构上看可分为液压泵和内燃机两大组成部分。根据其中内燃机部分活塞组及燃烧室数目的不同，可将其分为三种基本类型：单活塞式、双活塞式和对置活塞式。

本文以双活塞式液压自由活塞发动机作为对象，其与传统内燃机相比，压缩比可以实现瞬变和逐循环改变。如果压缩能得不到精确的控制，就会影响到压缩比。而大流量快速响应电磁阀正是直接控制压缩能的关键，通过控制此阀的开启过程和开启时间，达到控制压缩能的目的。而且电磁阀必须具有快速响应的能力，根据指令快速产生满足要求的流通面积，避免较大的压力损失。

本文提出的大流量快速响应电磁阀要达到的要求是：内部无偶件、足够的驱动力、能够快速开启以及一定条件下有大流量供给液压油能力。大流量快速响应电磁阀由起衔铁作用的圆柱型块和顶针（两者构成动铁）、小阀片，大阀片和复位弹簧等构成，原理图如图1所示。在小阀片和顶针之间存在自由间隙h，称为自由升程。动铁通过电磁力获得初速度，此时在弹簧复位力和液压力作用下大、小阀片处于关闭状态；当h=0时，顶针撞击打开小阀片，高压液压油开始进入液压腔；动铁带动小阀片一起向上运动，撞击打开大阀片，液压油开始大量流入液压腔，动铁、小阀片和大阀片继续一起向上运动，直到两个阀片开启过程结束，即大流量快速响应电磁阀的开启过程结束。断电后，大、小阀片在小弹簧复位弹簧力作用下带动动铁一起向下运动，同时动铁受到大弹簧复位弹簧力，直到大、小阀片落座，供油停止；然后，动铁在惯性和大弹簧复位弹簧力的作用下与小阀片分离并继续向下运动，直到与大流量快速响应电磁阀体内部的止口接触，大流量快速响应电磁阀回到复位状态。

本文利用三维电磁仿真软件MAXWELL建立电磁仿真模型。

1电磁阀结构

大流量快速响应电磁阀是电磁直接驱动针阀，结构采用吸入式螺线管结构，包括导磁套，复位弹簧，电磁铁（包括静铁芯、衔铁、线圈），隔磁套。动铁既是导磁体又是阀片运动的执行体，因此材料既要保证高的导磁率也要保证一定的机械强度。当线圈断电时，阀片在弹簧预紧力和液压油压力作用下紧压住阀座，关闭油道出口；当线圈通电时，电磁力吸引动铁向上运动，与阀片碰撞接触后带动阀片运动，从而打开电磁阀供油。

2电磁场有限元建模

将矢量磁势位函数A和标量电势位函数Ф的概念引入，基于麦克斯韦方程组对电磁场作瞬态有限元分析，得出电磁场的瞬态独立磁场和电场偏微分方程：

σ：电导率μ：导磁率ρ：电阻率ε：介电常数

因此电磁场有限元计算的核心是求得磁场各处的矢量磁位A，进而得到相应的磁场磁感应强度和磁场强度分布。对于低频驱动或绞线类导体，可以忽略涡流的产生，矢量磁势及标量电势位函数二阶导数为零。电磁场解算以计算电流为起点，如果激励是外部电压或外部电路，由于其电流未知，要假设一初始电流，解算得出磁场分布，从而得到相应的反向电动势，代入电路方程看是否满足相应的电压约束条件。电磁场方程与电路方程反复迭代，直至满足相应的电压约束，从而解出磁矢量A和励磁电流，得到所需的磁场的分布。根据虚拟功原理方程和运动物体的机械运动方程即可获得相应的电磁力及运动状态。

根据快速响应电磁阀的结构，通过MAXWELL3D（即电磁三维有限元软件）建立如图2的电磁仿真结构模型。

由于其对称结构，所以采用其1/4模型计算。将衔铁简化为等质量的有孔圆柱体，将弹簧力施加在运动的衔铁上，相对电磁力很小的摩擦力和粘性阻尼可以忽略。由于在一定的位置出现碰撞，在接近碰撞位置处采用变步长计算。采用电铁材料制作电磁阀的衔铁、静铁以及阀体，使用不锈钢材料作隔磁套。激励采用外电路驱动，可设置单脉冲驱动或PWM驱动。电磁计算采用奇对称边界条件，选用瞬态解算器得出电磁阀的磁场的分布变化及衔铁的电磁力和位移等运动的时域变化曲线。

3大流量快速响应电磁阀响应特性仿真研究

3.1线圈匝数的影响

在其它结构参数及驱动电流相同时，电磁力的静态特性使得线圈匝数增加提高磁势，促进电能与磁能的转换。从动态特性讲匝数增加会导致线圈电感及电阻的增大，减缓电流的上升速度，从而影响电磁力上升速度。为了在不减少电磁力的前提下电磁力的响应速度得到明显提升，线圈采用并联绕制。匝数较少时，电阻和电感都较小，加快电流上升速度，对提高电磁力响应速度有利。

从能量损耗的角度讲，要考虑线圈的热量损耗，减少温升。匝数少的线圈，电流快速增大，电磁阀产生的热量也随之增大，从而缩短使用寿命。