CN101620914A - 一种高速电磁铁负载模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机领域，是一种高速电磁铁负载模拟装置，该装置由定值电感与功率电阻串联组成来模拟高速电磁铁运动状态下的电特性。本发明通过合理的选择电感的感量与电阻的阻值，由电感模拟电磁铁的动态时间特性，电阻消耗驱动电能起到负载的作用，使得这一电感电阻组成的负载回路具有非常接近实际电磁铁的驱动电流特性，可作为模拟负载替代燃油喷射电磁铁进行各种电控单元的试验，还可用于其他模拟功率电磁铁负载的场合。

Description

一种高速电磁铁负载模拟装置

技术领域

本发明属于发动机领域，是一种模拟柴油机电控燃油喷射高速电磁阀驱动电磁铁负载特性的装置。

背景技术

电磁铁是当前汽车电控领域应用较多的重要执行部件，由电磁铁驱动的高速燃油喷射阀件是电控柴油机的关键部件。在电子控制单元ECU设计以及老化试验时，需要以实际的电磁阀为负载进行试验，而这类高速燃油喷射电磁阀的运动阀件工作在柴油中，并由柴油提供润滑，如果将完整的电控柴油机燃油喷射系统搬进电子实验室或ECU老化试验室，占用空间大且成本较高，特别是在老化试验室，需求量较大，成本因素更值得考虑。

本发明高速电磁铁负载模拟装置，没有运动部件又能模拟电磁铁的动态特性，作为电子控制单元的实验负载，解决了上述问题。

发明内容

本发明设计一种高速电磁铁负载模拟装置，该装置由定值电感与功率电阻串联组成，电感模拟电磁铁的动态时间特性，电阻消耗驱动电能起到负载的作用，使得这一电感电阻组成的负载回路具有非常接近实际电磁铁的驱动电流特性，进而可作为模拟负载替代燃油喷射电磁铁进行试验，节省了传统完整的电控柴油机燃油喷射系统，它体积小，成本低，符合试验室使用。

具体技术方案是：定值电感(2)通过螺钉(6)固定在金属底板(1)上，功率电阻(3)通过国定夹板(5)和螺钉(4)固定在金属底板(1)上，定值电感(2)与功率电阻(3)串联连接。首先测出电子控制单元驱动电磁铁的动态电流曲线，通过初步计算确定模拟负载电感和电阻的数值范围，再通过试验比对电磁铁的动态电流曲线，调整模拟负载的电感和电阻值，最终使得模拟负载的电流曲线与实际电磁铁的电流曲线趋于一致。

本发明的有益效果：高速电磁铁负载模拟装置结构简单、成本低、试验方便灵活，能够满足大多数场合试验的需求。

高速电磁铁负载模拟装置发明的有关依据

1.能量转换

1.1电磁铁的能量转换

场的能量是在建立磁场的过程中，从产生磁场的外电源或其他能源中转化来的。在线圈通电时其电流并不是立即增大，而是逐渐增大至最后的稳定值I_w(I_w＝E/R，E为外电源的电动势，R为回路电阻)。这是因为，在建立磁场的过程中，磁通增大会在线圈内感应而产生一个反电动势e，e的作用是阻止电流的增大，e的大小正比于通过各匝线圈的磁通量对时间变化率的总和，即

$e=-\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{d{\mathrm{\φ}}_K}{\mathrm{dt}}---(1-1)$

式中φ_k——通过第K匝线圈的磁通量(Wb)；

    N——线圈总匝数。

将上式适当转换得：

$e=-\frac{d}{\mathrm{dt}}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_k=-\frac{\mathrm{d\ψ}}{\mathrm{dt}}---(1-2)$

$\mathrm{\ψ}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_k---(1-3)$

ψ为线圈各匝相交链的磁通总和，其定义为线圈的磁链，若通过各匝的磁通相等并等于φ，则ψ＝Nφ。外电源E在克服这个反电动势的过程中提供了能量，其能量可从电路方程求得：

Eidt＝i²Rdt+idψ                             (1-4)

式子中Eidt代表外电源在dt时间内所提供的能量，这个能量中的i²Rdt部分转化为热能，消耗在回路电阻R内，而剩下的一项idψ就代表外电源在dt时间内克服反电势所供给的能量。根据能量守恒定律，如果磁铁的衔铁保持不动(即不做任何机械功)，并忽略导磁体内的涡流和磁滞损耗，它就必然代表磁场中增加的储能。

若线圈电流由零增大到某一值I₁，磁通相应地由零增加到φ₁，则磁场所获得的能量W_c为

$W_c=\underset{0}{\overset{{\mathrm{\ψ}}_1}{\∫}}\mathrm{id\ψ}---(1-5)$

如通过各匝的磁通相等并等于φ则得

$W_c=\underset{0}{\overset{{\mathrm{\ψ}}_1}{\∫}}\mathrm{iNd\φ}---(1-6)$

如果已经通过磁通计算求得磁系统的磁化曲线φ＝f(iN)，或求得其激磁特性ψ＝f(i)，如图2所示，则W_c正比于图中的阴影面积。值得指出的是，磁系统内的储能只和其磁化曲线的形状以及最终的ψ₁及I₁有关，而和其建立过程中电流(或磁通)随时间增长的快慢无关。

W_c也可以用其他形式表示，例如当磁系统中铁磁材料并不饱和时(或者在空心线圈时)，φ(或ψ)与i的关系为线性，则式(1-5)式可以转化为下列形式：

$W_c=\frac{1}{2}{I}_1{\mathrm{\ψ}}_1---(1-7)$

$W_c=\frac{1}{2}{I}_1{\mathrm{N\φ}}_1---(1-8)$

在磁材料不饱和时，φ(或ψ)与i的比例系数就是线圈的电感L，即

显然，若ψ与i的关系为非线性，则L不是常数。但是若ψ-i的关系为线性，则L为常数。因此，可用下式计算磁能W_c(J)：

$W_c=\frac{1}{2}{\mathrm{Li}}^2---(1-10)$

以上讨论了电磁铁的衔铁保持不动时，电能与磁能的转化关系。

下面推导当衔铁在电磁吸力的作用下移动一个距离而作机械功时，电能、磁能和机械功之间的转换关系。

若主工作气隙为δ₁时的激磁特性ψ＝f(i)如图3所示，当线圈电流为I₁时，线圈磁链为ψ₁。此时磁系统内的储能为W_c1，W_c1正比于面积A_oac，即

$W_{c1}=\underset{0}{\overset{\mathrm{\ψ}1}{\∫}}\mathrm{id\ψ}=A_{\mathrm{oac}}---(1-11)$

若此时作用于衔铁上的电磁吸力使工作气隙减小，又假设衔铁在该吸力的作用下移动一个微小的距离Δl，此时气隙将由δ₁减小为δ₂，而Δl＝δ₁-δ₂。在衔铁移动的过程中，保持线圈电流不变，则由于气隙减小，磁阻减小，磁路中的磁通和线圈磁链将会增大。当δ＝δ₂时，磁链为ψ₂，ψ₂可由δ＝δ₂时的ψ＝f(i)求得，如图3所示，在衔铁移动的过程中，磁系统又要从电源内吸收一部分能量，用W_m表示，则

即W_m正比于图3的A_cabd。

至此，磁系统由外电源总共吸收了W_c1+W_c2的能量。显然，这些能量不是都储藏在磁系统内。因为在衔铁移动的过程中，电磁吸力作了一定的机械功，因此必然有一部分磁能转变为机械能。实际上，当气隙为δ₂，磁链为ψ2时，储藏在磁系统内的磁能为W_c2，而W_c2＝A_obd。

因此，电磁吸力所作的机械功ΔW即可根据能量守恒定律由下式确定：

ΔW＝W_c1+W_m-W_c2＝A_oac+A_cabd-A_obd＝A_oab，即ΔW正比于图2中的阴影面积。

电磁铁工作的过程中电能转化了机械能，那么模拟装置中能量是如何转化的呢，下面分析模拟装置中的能量转化关系。

1.2高速电磁铁负载模拟装置中的能量转换

在模拟装置中，定值电感串联一定的功率电阻R′的形式，整个装置的电阻为R_总＝R+R′，因为电感只能对非稳恒电流起作用，这时(1-4)式与(1-10)式分别应为：

Eidt＝i²R_总dt+idψ′                      (1-12)

$W\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{Li}}^2\left(t\right)---(1-13)$

(1-12)式子中Eidt代表外电源在dt时间内所提供的能量。这个能量中的i²R_总dt全部转化为热能，消耗在回路电阻R内，而剩下的一项idψ′就代表外电源在dt时间内克服反电势所供给的能量。根据能量守恒定律，它就必然代表磁场中增加的储能。(1-13)式表明，电感元件在任一时刻的储能，只取决于该时刻电感元件电流的值而与电感元件的电压值无关。只要电感电流存在它就存在储能。这时(1-12)式中的idψ′就和W(t)相等了，其实他们表示相同的意义。这时可以得到：

Eidt＝i²R_总dt+W(t)                        (1-14)

从时间t₁到t₂电感元件吸收的磁能为：

W＝W(t₂)-W(t₁)                            (1-15)

当电流|i|增加时，W(t₂)＞W(t₁)，W＞0，故在这段时间内电感元件吸收能量；当电流|i|减小时，，W(t₂)＜W(t₁)，W＜0，电感元件释放能量到回路中(此部分的能量也由串联的功率电阻吸收)。可见，电感元件不消耗能量，电感只是一种储能元件。因此高速电磁铁负载模拟装置在工作的过程中所消耗的电能全部转化为了热能。

由此可以看出电磁铁和高速电磁铁负载模拟装置在工作的时候都消耗了能量，电磁铁消耗的电能转化为了机械能，高速电磁铁负载模拟装置消耗的电能转化为了热能。且两者消耗的能量近似相等，这使高速电磁铁负载模拟装置的电流曲线更接近电磁铁的实际曲线。

2.电流曲线

2.1电磁铁工作时的电流曲线

不论何种方式的电磁铁，作为高速开关阀的驱动机构时，电磁铁总是一个带铁心的线圈，具有一定的电感值。当加上电压U后，线圈中的电流不能跃变到稳态的I_w(I_w＝U/R，R为线圈回路内的电阻值)，而是随时间按一定的规律上升，如图4所示。线圈电流增长到I_cd所需时间t′_cd，称为吸合触动时间。当线圈电流增长到I_cd后，电磁铁吸力将大于电磁铁所受反力，衔铁开始运动。衔铁开始运动到最后达到闭合位置所需的时间t′_yd，称为吸合运动时间。所以电磁铁的固有吸合时间t_xh包括两部分：

t_xh＝t′_cd+t′_yd                       (2-1)

式中t′_cd——吸合触动时间；t′_yd——吸合运动时间。

当线圈加上直流电压U以后，其电流(磁通)增长的过渡过程可以由电压平衡方程求得，即

$U=\mathrm{iR}+\frac{\mathrm{d\ψ}}{\mathrm{dt}}---(2-2)$

式中U为线圈电流电压(V)；i为线圈电流(A)；R为线圈回路总电阻(Ω)；ψ为线圈总的磁链(Wb)；t为通电时间(s)。当衔铁处于打开位置，并且电流又不是很大时，磁路一般并不饱和，则可以认为线圈电感L＝ψ/i常数，则电压平衡方程可以写为

$U=\mathrm{iR}+L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---(2-3)$

解之得

$i=I_w(1-e^{-\frac{t}{T}})---(2-4)$

式中I_w—线圈的稳态电流值(A)，I_w＝U/R；

T——线圈的时间常数(s)，T＝L/R。

可见，电流按指数曲线上升，如图4所示，如果线圈电流到达I_cd后，衔铁仍保持不动，则电流将按图4中的曲线2上升到稳态值I_w。

衔铁运动后，电流不再按式(2-4)的指数曲线上升。因为衔铁运动过程中，气隙减小，磁通增大，而磁通的变化将在线圈内感应而产生一个反电势。这个反电势和线圈的自感电势共同阻止线圈电流的增长。此时，由于线圈电感在变化，电路的电压平衡方程将不同于式(2-3)，而是如下：

$U=\mathrm{iR}+L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+i\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}---(2-5)$

等式右边的第二项为自感电势，而第三项即为电感变化时的反电势。因此，电流的增长规律将低于式(2-4)的指数曲线，并且随着衔铁速度的增加，反电势就愈大，两者的差别就愈大，电流甚至不一再上升反而下降，如图4中曲线1中AB段所示。B点的位置与衔铁运动的速度有关。速度愈大，B点就愈低。到达B点，衔铁已闭合，气隙不再变化，线圈电流又近似按指数规律增长，但这时线圈的时间常数已不同于衔铁打开时的电时间常数，因为电感变大了。

在电磁铁中，存储的大部分能量转化为了机械能供衔铁运动做功，极小部分能量又释放到回路中转化为热能。电磁铁工作时能量的消耗(机械功)反映在图4的动态曲线1与曲动态曲线2不同的增长变化上。用功率电阻消耗驱动电能起到电磁铁负载的作用，使得这一电感电阻组成的负载回路具有更接近实际电磁铁的驱动电流特性.

2.2.高速电磁铁负载模拟装置工作时的电流曲线

因为整个装置的电阻为R_总＝R+R′，这时(2-3)式就变成了

解之得

令I′_w＝U/R_总则

$i=I_w^{\text{'}}(1-e^{-\frac{t}{T}})---(2-8)$

式中I′_w——线圈的稳态电流值(A)，I′_w＝U/R_总；

    T——线圈的时间常数(s)，T＝L/R。

由式(2-8)可知，线圈中电流也是按指数增长的，这正是高速电磁铁负载模拟装置可以模拟电磁铁工作的依据，通过正确选择功率电阻和定值电感就可以使高速电磁铁模拟装置的电流曲线接近曲线3，曲线3位于曲线1与曲线2之间而更偏向曲线1，更接近电磁铁工作的实际曲线，达到了设计的要求。

附图说明

图1-高速电磁铁负载模拟装置内部结构图

1.金属底板，2.定值电感，3.功率电阻，4、6.螺钉，5.国定夹板

图2——磁链与电流的关系图

横轴i表示电流，纵轴ψ表示磁链，I₁.某一时刻的电流，ψ₁.电流为I₁时所对应的磁链，W_c.电流I₁时的磁场能量。

图3——电磁铁的能量转换图

横轴i表示电流，纵轴ψ表示磁链，δ1、δ2.电磁铁的工作气隙，且δ1＞δ2，I₁.某一时刻的电流，ψ₁.电流为I₁时，工作气隙为δ1所对应的磁链，ψ₂.电流为I₁，工作气隙为δ2所对应的磁链。a、b是电流为I₁时工作气隙分别为δ1，δ2时所对应的激磁特性曲线上的两点，c、d分别是a，b所对应的纵轴上的两点。A_oab.电磁铁工作时所做的机械功。

图4——线圈电流增长曲线图

横轴t表示时间，纵轴i表示电流.

曲线1.电磁铁的实际电流曲线图

曲线2.衔铁没有运动时的电流曲线

曲线3.高速电磁铁模拟装置的电流曲线

t′_cd.衔铁的吸合触动时间，

t′_yd.衔铁的吸合运动时间，

t_xh.衔铁的固有吸合时间，

I_w.电流的峰值，

I_cd.衔铁运动起始点对应的电流。

A，B分别为衔铁运动的起始点和终止点所对应的电流曲线上的两点。

具体实施方式

附图1所示，定值电感(2)通过螺钉(6)固定在金属底板(1)上，功率电阻(3)通过螺钉(4)和国定夹板(5)固定在金属底板(1)上，定值电感(2)与功率电阻(3)串联连接。

以下按优选事例说明实施办法。

a.功率电阻的阻值与功率的确定

根据电磁铁实际电流曲线的最大值I_w和所使用的电压U来确定功率电阻的阻值，功率电阻的阻值应为R′＝U/I_w-R，其中R为回路电阻(R′除外)，根据具体需要功率电阻的阻值可适当小于R′，这样可以通过软件利用pwm控制峰值电流。根据电磁铁的电流和占空比计算功率电阻应该满足的功率要求，其功率为

W＝RI²

其中 $\stackrel{\‾}{I}=\frac{1}{T_0}\underset{0}{\overset{I_0}{\∫}}\mathrm{idt}$

I为电磁铁工作一个周期的平均电流，T₀为电磁铁工作的周期。一般应功率选择应为W的两倍。

b.模拟装置中定值电感的选择

定值电感的丝径应满足所需功率的要求，定值电感电感量选择应先测试出电磁铁断电时的电感值L，因为衔铁在运动时电磁铁的电感量会增大，选择的定值电感的感量应大于电磁铁断电时的静态感量，分别选择1.5L、2L、2.5L、3L的定值电感与计算好的功率电阻串联测试并记录工作时的电流曲线，选择最接近图4曲线1的电流曲线所对应的定值电感作为基准再细分电感值，再和曲线1进行比较，选择位于曲线1和曲线2之间而偏向曲线1的曲线3所对应的电感作为模拟装置中的定值电感和功率电阻串联连接。

选定的定值电感模拟电磁铁的动态时间特性，选定的功率电阻消耗驱动电能起到模拟电磁铁负载的作用，使得这一电感电阻组成的负载回路具有非常接近实际电磁铁的驱动电流特性，进而可作为模拟负载替代燃油喷射电磁铁进行试验。它具有成本低，结构简单，试验方便灵活的特点。高速电磁铁负载模拟装置不仅用于代替电子控制单元对燃油喷射电磁铁的驱动实验，还可用于其它模拟功率电磁铁负载的场合，是一个良好的多功能装置。

Claims (3)

1.一种高速电磁铁负载模拟装置，其特征是由固定电感、功率电阻组成，固定电感和功率电阻采用串联方式连接。

2.根据权利要求1所述的高速电磁铁负载模拟装置，其特征是固定电感和功率电阻的选择依据是：固定电感和功率电阻组成的负载回路的驱动电流曲线与被模拟的电磁铁的驱动电流曲线相一致。

3.根据权利要求1所述的高速电磁铁负载模拟装置，其特征是固定电感与功率电阻固定在金属底板上。

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