一種高速電磁鐵負載模擬裝置的製作方法

2023-04-25 09:27:36 2

專利名稱：一種高速電磁鐵負載模擬裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於發動機領域，是一種模擬柴油機電控燃油噴射高速電磁閥驅動電磁鐵負載特 性的裝置。
背景技術：
電磁鐵是當前汽車電控領域應用較多的重要執行部件，由電磁鐵驅動的高速燃油噴射閥 件是電控柴油機的關鍵部件。在電子控制單元ECU設計以及老化試驗時，需要以實際的電磁 閥為負載進行試驗，而這類高速燃油噴射電磁閥的運動閥件工作在柴油中，並由柴油提供潤 滑，如果將完整的電控柴油機燃油噴射系統搬進電子實驗室或ECU老化試驗室，佔用空間大 且成本較高，特別是在老化試驗室，需求量較大，成本因素更值得考慮。
本發明高速電磁鐵負載模擬裝置，沒有運動部件又能模擬電磁鐵的動態特性，作為電子 控制單元的實驗負載，解決了上述問題。

發明內容
本發明設計一種高速電磁鐵負載模擬裝置，該裝置由定值電感與功率電阻串聯組成，電 感模擬電磁鐵的動態時間特性，電阻消耗驅動電能起到負載的作用，使得這一電感電阻組成 的負載迴路具有非常接近實際電磁鐵的驅動電流特性，進而可作為模擬負載替代燃油噴射電 磁鐵進行試驗，節省了傳統完整的電控柴油機燃油噴射系統，它體積小，成本低，符合試驗 室使用。
具體技術方案是定值電感(2)通過螺釘(6)固定在金屬底板(1)上，功率電阻(3) 通過國定夾板(5)和螺釘(4)固定在金屬底板(1)上，定值電感(2)與功率電阻(3)串 聯連接。首先測出電子控制單元驅動電磁鐵的動態電流曲線，通過初步計算確定模擬負載電 感和電阻的數值範圍，再通過試驗比對電磁鐵的動態電流曲線，調整模擬負載的電感和電阻 值，最終使得模擬負載的電流曲線與實際電磁鐵的電流曲線趨於一致。
本發明的有益效果高速電磁鐵負載模擬裝置結構簡單、成本低、試驗方便靈活，能夠 滿足大多數場合試驗的需求。
高速電磁鐵負載模擬裝置發明的有關依據
1.能量轉換
1. 1電磁鐵的能量轉換
場的能量是在建立磁場的過程中，從產生磁場的外電源或其他能源中轉化來的。在線圈 通電時其電流並不是立即增大，而是逐漸增大至最後的穩定值^(/^^E/R， E為外電源的電動
勢，R為迴路電阻)。這是因為，在建立磁場的過程中，磁通增大會在線圈內感應而產生一個 反電動勢e， e的作用是阻止電流的增大，e的大小正比於通過各匝線圈的磁通量對時間變化率的總和，即
e , a—"
式中A——ffi過第K匝線圈的磁ffl量(Wb); N——線圈總匝數。 將上式適當轉換得
eJf^=—^ (1一2)
『i>* a-3)
w為線圈各匝相交鏈的磁通總和，其定義為線圈的磁鏈，若通過各匝的磁通相等並等於
0，則^二N0。外電源E在克服這個反電動勢的過程中提供了能量，其能量可從電路方程求 得
￡M =/2i tft +(1-4)
式子中&W代表外電源在A時間內所提供的能量，這個能量中的PiW/部分轉化為熱能， 消耗在迴路電阻11內，而剩下的一項/^//就代表外電源在^時間內克服反電勢所供給的能量。 根據能量守恆定律，如果磁鐵的銜鐵保持不動(即不做任何機械功)，並忽略導磁體內的渦流 和磁滯損耗，它就必然代表磁場中增加的儲能。
若線圈電流由零增大到某一值/,，磁通相應地由零增加到^，則磁場所獲得的能量^為
『c= J* (1-5) o
如通過各匝的磁通相等並等於^則得
R= f/卿 (l-6)
如果已經通過磁通計算求得磁系統的磁化曲線^ = /(W)，或求得其激磁特性^ = /(/)， 如圖2所示，則R正比於圖中的陰影面積。值得指出的是，磁系統內的儲能只和其磁化曲線 的形狀以及最終的^及A有關，而和其建立過程中電流(或磁通)隨時間增長的快慢無關。
^也可以用其他形式表示，例如當磁系統中鐵磁材料並不飽和時(或者在空心線圈時)， "或^)與/的關係為線性，則式(1-5)式可以轉化為下列形式
『c=> (1-7)
^會/!繩 (1-8)
在磁材料不飽和時，^(或W)與z'的比例係數就是線圈的電感L，即
L^(或b歷) (1—9)
4顯然，若y與；的關係為非線性，則L不是常數。但是若^/-/的關係為線性，則L為常數。 因此，可用下式計算磁能^(J):
『,丄"2 (1-10) c 2
以上討論了電磁鐵的銜鐵保持不動時，電能與磁能的轉化關係。
下面推導當銜鐵在電磁吸力的作用下移動一個距離而作機械功時，電能、磁能和機械功 之間的轉換關係。
若主工作氣隙為《時的激磁特性^ = /(/)如圖3所示，當線圈電流為/,時，線圈磁鏈為 K。此時磁系統內的儲能為『d，『d正比於面積4^，艮P
『cl= h《 (WD
0
若此時作用於銜鐵上的電磁吸力使工作氣隙減小，又假設銜鐵在該吸力的作用下移動一個微
小的距離A/，此時氣隙將由《減小為^，而厶/=《-&。在銜鐵移動的過程中，保持線圈電 流不變，則由於氣隙減小，磁阻減小，磁路中的磁通和線圈磁鏈將會增大。當5 =《時，磁 鏈為^， ^可由3 =《時的^/ = /(/)求得，如圖3所示，在銜鐵移動的過程中，磁系統又要 從電源內吸收一部分能量，用『 表示，則
l = JW = 4M (HI)
即^;正比於圖3的4。M。
至此，磁系統由外電源總共吸收了^,+^2的能量。顯然，這些能量不是都儲藏在磁系 統內。因為在銜鐵移動的過程中，電磁吸力作了一定的機械功，因此必然有一部分磁能轉變
為機械能。實際上，當氣隙為&,磁鏈為^2時，儲藏在磁系統內的磁能為)^2，而^2 = 4^。 因此，電磁吸力所作的機械功AW即可根據能量守恆定律由下式確定 △『=『d—R2 =《e +4。M —j。M = 4。A,即A『正比於圖2中的陰影面積。
電磁鐵工作的過程中電能轉化了機械能，那麼模擬裝置中能量是如何轉化的呢，下面分 析模擬裝置中的能量轉化關係。
1. 2高速電磁鐵負載模擬裝置中的能量轉換
在模擬裝置中，定值電感串聯一定的功率電阻,的形式，整個裝置的電阻為Rs^R+i '， 因為電感只能對非穩恆電流起作用，這時(1-4)式與(1-10)式分別應為
= z'2R總tft + Wy/' (1—12)
,=會丄/2(/) (1—13)
(l-12)式子中&A代表外電源在A時間內所提供的能量。這個能量中的/21^^全部轉化為熱 能，消耗在迴路電阻R內，而剩下的一項/^//就代表外電源在&時間內克服反電勢所供給的 能量。根據能量守恆定律，它就必然代表磁場中增加的儲能。(l-13)式表明，電感元件在任一
5時刻的儲能，只取決於該時刻電感元件電流的值而與電感元件的電壓值無關。只要電感電流 存在它就存在儲能。這時(1-12)式中的W^就和『(0相等了，其實他們表示相同的意義。這 時可以得到
￡M = /211一 +(1-14)
從時間&到t2電感元件吸收的磁能為
『=PT(,2)-『(0 (1-15) 當電流m增加時，『>0，故在這段時間內電感元件吸收能量；當電流|/| 減小時，，『<0，電感元件釋放能量到迴路中(此部分的能量也由串聯的功率 電阻吸收)。可見，電感元件不消耗能量，電感只是一種儲能元件。因此高速電磁鐵負載模擬 裝置在工作的過程中所消耗的電能全部轉化為了熱能。
由此可以看出電磁鐵和高速電磁鐵負載模擬裝置在工作的時候都消耗了能量，電磁鐵消耗 的電能轉化為了機械能，高速電磁鐵負載模擬裝置消耗的電能轉化為了熱能。且兩者消耗的 能量近似相等，這使高速電磁鐵負載模擬裝置的電流曲線更接近電磁鐵的實際曲線。
2.電流曲線
2. 1電磁鐵工作時的電流曲線
不論何種方式的電磁鐵，作為高速開關閥的驅動機構時，電磁鐵總是一個帶鐵心的線圈，
具有一定的電感值。當加上電壓t/後，線圈中的電流不能躍變到穩態的乙(/w=t//i ， R為 線圈迴路內的電阻值)，而是隨時間按一定的規律上升，如圖4所示。線圈電流增長到/^所 需時間^，稱為吸合觸動時間。當線圈電流增長到/^後，電磁鐵吸力將大於電磁鐵所受反 力，銜鐵開始運動。銜鐵開始運動到最後達到閉合位置所需的時間^，稱為吸合運動時間。
所以電磁鐵的固有吸合時間^包括兩部分
"、 (2-1)
式中^——吸合觸動時間；^——吸合運動時間。
當線圈加上直流電壓t/以後，其電流(磁通)增長的過渡過程可以由電壓平衡方程求得，
即
f/"7 + ， (2一2)
式中C/為線圈電流電壓(V);i為線圈電流(A);R為線圈迴路總電阻(Q) ; ^為線圈總的磁鏈 (Wb);t為通電時間(s)。當銜鐵處於打開位置，並且電流又不是很大時，磁路一般並不飽和， 則可以認為線圈電感1^^///常數，則電壓平衡方程可以寫為
"=/風業 (2-3)
解之得
二
/ = /w(l-e—7) (2-4) 式中乙——線圈的穩態電流值(A)， /w=C//i ;
6T-
-線圈的時間常數(S)，T《/R
可見，電流按指數曲線上升，如圖4所示，如果線圈電流到達/^後，銜鐵仍保持不動， 則電流將按圖4中的曲線2上升到穩態值乙。
銜鐵運動後，電流不再按式(2-4)的指數曲線上升。因為銜鐵運動過程中，氣隙減小，磁 通增大，而磁通的變化將在線圈內感應而產生一個反電勢。這個反電勢和線圈的自感電勢共 同阻止線圈電流的增長。此時，由於線圈電感在變化，電路的電壓平衡方程將不同於式(2-3)， 而是如下
〃廠
(2-5)
等式右邊的第二項為自感電勢，而第三項即為電感變化時的反電勢。因此，電流的增長 規律將低於式(2-4)的指數曲線，並且隨著銜鐵速度的增加，反電勢就愈大，兩者的差別就愈 大，電流甚至不一再上升反而下降，如圖4中曲線1中^B段所示。B點的位置與銜鐵運動的 速度有關。速度愈大，B點就愈低。到達B點，銜鐵已閉合，氣隙不再變化，線圈電流又近 似按指數規律增長，但這時線圈的時間常數已不同於銜鐵打開時的電時間常數，因為電感變 大了。
在電磁鐵中，存儲的大部分能量轉化為了機械能供銜鐵運動做功，極小部分能量又釋放 到迴路中轉化為熱能。電磁鐵工作時能量的消耗(機械功)反映在圖4的動態曲線1與曲動 態曲線2不同的增長變化上。用功率電阻消耗驅動電能起到電磁鐵負載的作用，使得這一電 感電阻組成的負載迴路具有更接近實際電磁鐵的驅動電流特性. 2.2.高速電磁鐵負載模擬裝置工作時的電流曲線 因為整個裝置的電阻為Re =R+i '，這時(2-3)式就變成了
formula see original document page 7
解之得
令/:,= 7/11總則
formula see original document page 7
式中/w——線圈的穩態電流值(A)， / T——線圈的時間常數(s) ， T-L/R
formula see original document page 7由式(2-8)可知，線圈中電流也是按指數增長的，這正是高速電磁鐵負載模擬裝置可以模 擬電磁鐵工作的依據，通過正確選擇功率電阻和定值電感就可以使高速電磁鐵模擬裝置的電 流曲線接近曲線3，曲線3位於曲線1與曲線2之間而更偏向曲線1，更接近電磁鐵工作的實 際曲線，達到了設計的要求。


圖1一高速電磁鐵負載模擬裝置內部結構圖 l.金屬底板，2.定值電感，3.功率電阻，4、 6.螺釘，5.國定夾板 圖2——磁鏈與電流的關係圖
橫軸i表示電流，縱軸^表示磁鏈，^.某一時刻的電流，w電流為A時所對應的磁鏈， R.電流/,時的磁場能量。
圖3一電磁鐵的能量轉換圖
橫軸i表示電流,縱軸y表示磁鏈，51、 52.電磁鐵的工作氣隙,且M〉32,/,.某一時刻的 電流，w電流為/,時，工作氣隙為51所對應的磁鏈，^.電流為A，工作氣隙為52所對應 的磁鏈。a、 b是電流為/,時工作氣隙分別為Sl， 52時所對應的激磁特性曲線上的兩點，c、 d分別是a， b所對應的縱軸上的兩點。4。A.電磁鐵工作時所做的機械功。
圖4——線圈電流增長曲線圖
橫軸t表示時間，縱軸i表示電流.
曲線1.電磁鐵的實際電流曲線圖
曲線2.銜鐵沒有運動吋的電流曲線
曲線3.高速電磁鐵模擬裝置的電流曲線
乙.銜鐵的吸合觸動時間，
C.銜鐵的吸合運動時間，
G.銜鐵的固有吸合時間，
乙.電流的峰值，
.銜鐵運動起始點對應的電流。
A， B分別為銜鐵運動的起始點和終止點所對應的電流曲線上的兩點。
具體實施例方式
附圖1所示，定值電感(2)通過螺釘(6)固定在金屬底板(1)上，功率電阻(3)通 過螺釘(4)和國定夾板(5)固定在金屬底板(1)上，定值電感(2)與功率電阻(3)串聯 連接。
以下按優選事例說明實施辦法。 a.功率電阻的阻值與功率的確定
根據電磁鐵實際電流曲線的最大值乙.和所使用的電壓f/來確定功率電阻的阻值，功率電 阻的阻值應為及'=[//乙-及，其中i 為迴路電阻(i '除外)，根據具體需要功率電阻的阻值可 適當小於,，這樣可以通過軟體利用pwm控制峰值電流。根據電磁鐵的電流和佔空比計算功 率電阻應該滿足的功率要求，其功率為
『="7為電磁鐵工作一個周期的平均電流，r。為電磁鐵工作的周期。 一般應功率選擇應為『的兩 倍。
b.模擬裝置中定值電感的選擇
定值電感的絲徑應滿足所需功率的要求，定值電感電感量選擇應先測試出電磁鐵斷電時 的電感值l，因為銜鐵在運動時電磁鐵的電感量會增大，選擇的定值電感的感量應大於電磁
鐵斷電時的靜態感量，分別選擇1.5l、 2l、 2.5l、 3l的定值電感與計算好的功率電阻串聯測 試並記錄工作時的電流曲線，選擇最接近圖4曲線1的電流曲線所對應的定值電感作為基準 再細分電感值，再和曲線l進行比較，選擇位於曲線1和曲線2之間而偏向曲線1的曲線3 所對應的電感作為模擬裝置中的定值電感和功率電阻串聯連接。
選定的定值電感模擬電磁鐵的動態時間特性，選定的功率電阻消耗驅動電能起到模擬電 磁鐵負載的作用，使得這一電感電阻組成的負載迴路具有非常接近實際電磁鐵的驅動電流特 性，進而可作為模擬負載替代燃油噴射電磁鐵進行試驗。它具有成本低，結構簡單，試驗方 便靈活的特點。高速電磁鐵負載模擬裝置不僅用於代替電子控制單元對燃油噴射電磁鐵的驅 動實驗，還可用於其它模擬功率電磁鐵負載的場合，是一個良好的多功能裝置。
9
權利要求
1.一種高速電磁鐵負載模擬裝置，其特徵是由固定電感、功率電阻組成，固定電感和功率電阻採用串聯方式連接。
2. 根據權利要求1所述的高速電磁鐵負載模擬裝置，其特徵是固定電感和功率電阻的選擇依據是固定電感和功率電阻組成的負載迴路的驅動電流曲線與被模擬的電磁鐵的驅 動電流曲線相一致。
3. 根據權利要求1所述的高速電磁鐵負載模擬裝置，其特徵是固定電感與功率電阻固定 在金屬底板上。
全文摘要
本發明屬於發動機領域，是一種高速電磁鐵負載模擬裝置，該裝置由定值電感與功率電阻串聯組成來模擬高速電磁鐵運動狀態下的電特性。本發明通過合理的選擇電感的感量與電阻的阻值，由電感模擬電磁鐵的動態時間特性，電阻消耗驅動電能起到負載的作用，使得這一電感電阻組成的負載迴路具有非常接近實際電磁鐵的驅動電流特性，可作為模擬負載替代燃油噴射電磁鐵進行各種電控單元的試驗，還可用於其他模擬功率電磁鐵負載的場合。
文檔編號H01F7/18GK101620914SQ20091020315
公開日2010年1月6日 申請日期2009年6月6日 優先權日2009年6月6日
發明者侯留業, 張育華 申請人:鎮江恆馳科技有限公司