CN112228619A - 一种高速电磁阀磁路计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种高速电磁阀磁路计算方法，包括以下步骤：对电磁阀的电磁场网络拓扑结构进行划分，求解高速电磁阀的外电路模型部分，求解等效磁网络中各部分磁阻，计算得出磁网络的连支磁通矩阵，并利用电路每个环集都有一条只属于自己的连支的特性，列出等效磁网络的环集矩阵，则得到矩阵元磁通矩阵。本发明提供了高速电磁阀磁路计算方法，该方法通过引入涡电阻和涡电感考虑到磁性材料在高频磁场下涡流现象，从而实现了电磁阀详细磁路的详细建模，该方法适用于不同类型的电磁驱动的高速电磁执行器。

Description

一种高速电磁阀磁路计算方法

技术领域

本发明涉及的是一种电磁阀，具体地说是电磁阀磁路计算方法。

背景技术

等效磁网络法允许针对复杂的电磁驱动部件进行详细磁路的划分，在电机模型开发领域得到了广泛应用。专利“一种基于磁网络的永磁电机建模和电磁性能计算方法(申请号201910920662.3)”公布了采用磁网络进行永磁电机的定子、转子、气隙的建模方法以及电机电磁性能计算方法。专利“一种混合转子永磁同步电机的等效磁网络分析方法(授权号CN107565782B)”公布了混合转子永磁同步电机的等效磁网络分析方法，综合考虑到了磁场分布特点和电机拓扑结构，实现了漏磁和边缘效应的考虑。在柴油机高压共轨燃油喷射系统中，高速电磁阀是共轨喷油器的核心部件，是实现燃油精确喷射的保证，其动态性能受到系统的机械运动和液压特性影响。因此，需要进行电、磁、机、液等多物理场耦合计算分析，才能准确预测高压共轨的动态喷射特性，然而，目前，没有关于采用磁网络拓扑法进行高速电磁阀磁路计算的公开专利，这极大制约共轨系统的精确计算。

发明内容

本发明的目的在于提供能实现在高频脉冲作用下电磁阀内部涡流效应准确模拟的一种高速电磁阀磁路计算方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种高速电磁阀磁路计算方法，其特征是：

(1)电磁阀的电磁场网络拓扑结构划分：解析电磁阀结构特征，推测出电磁阀实际工作过程中的磁感线的所有可能流向，包括磁性材料中的磁场分布、磁性材料发生磁饱和时的不同漏磁情况、气隙中的磁场分布情况以及在径向和轴向的磁场分布的区别，并用磁网络图进行表达；

(2)求解高速电磁阀的外电路模型部分，采用电感和电阻组成的RL电路描述外电路特性，定义电磁阀线圈绕组的电阻R_inj，电磁阀驱动外电路的电阻R_c，其中线圈绕组的等效电感L_inj的求解表示为：

上式中N为线圈匝数，R_m为等效磁网络的总磁阻，总磁阻通过计算等效磁网络中各部分磁阻，再根据各磁阻的串、并联关系求得，各个部分的磁阻计算方法：

上式中l_k为磁路的长度，S_nT为磁路的有效流通面积，u_nT为磁导率，k＝1～n，根据基本电路方程求解该电路：

上式中U为驱动电压，R为电磁阀总电阻，i为线圈内通电电流，φ为磁通量；

(3)根据步骤(2)等效磁网络中各部分磁阻的计算结果，计算得出磁网络的连支磁通矩阵F_iL0，并利用电路每个环集都有一条只属于自己的连支的特性，列出等效磁网络的环集矩阵C，则得到矩阵元磁通矩阵，即电磁阀元件磁通矩阵为：

F_iK＝C×F_iL0。

本发明还可以包括：

1、步骤(1)中在基于网络拓扑法对于磁阻元件划分时，明确区分重要边界线与材质分界线，在不同磁性材料的交界处，以及磁性材料与空气的边界。

2、步骤(2)、(3)中求解高速电磁阀的外电路模型部分时，电磁阀线圈绕组的电阻R_inj、电磁阀驱动外电路的电阻R_c和线圈匝数N根据电磁阀具体实际参数值设定，磁性材料的涡流效应用并联一个涡流等效电感L_e和电阻R_e描述，其值由试验数据进行拟合获取。

3、计算等效磁网络中各部分磁阻的具体方法为：

a)输入磁阻计算基本结构参数，包括线圈匝数、气隙、真空磁导率、铁芯高度、线圈高度、铁芯内部中空孔直径、线圈内侧直径、线圈外侧直径、铁芯下端面靠近衔铁凹口处直径、衔铁直径、衔铁厚度，根据网络拓扑结构划分的磁路走向与磁感线走势，计算轴向、径向、曲向和漏磁各部分磁路面积，当有n部分磁路时，磁路面积矩阵S_nT具体表示为：

其中S₁～S_n为各部分磁路的有效流通面积；

b)设置等效磁网络的迭代初始磁导率u_nT＝[u₀,u₁…u_n-1,u_n]，其中气隙部分设置为真空磁导率，非气隙部分磁导率初值设置为1，输入以时间t为自变量的电磁阀外电路的电压曲线U，设置计算步长为Δt、计算总时长为t_T，在一个时间步长内，进行c)-d)的磁阻迭代；

c)根据u_nT的值，运用公式

对轴向、径向、曲向和漏磁各部分磁路等效磁阻计算，获得等效磁阻矩阵Z_mnT:

根据各磁阻的串、并联关系计算获得等效磁网络的总磁阻R_m，并由公式

计算得出线圈绕组的等效电感L_inj，衔铁的位移会导致外电路等效电感的变化，其变化率可以表示为：

上式中v_move为衔铁的运动速度，u_k和S_k分别为对应衔铁位置部分的气隙磁导率和有效流通面积，根据计算得出的L_inj和

运用基本电路方程可得出等效外电路的电流I，根据线圈匝数N和电流I得出等效磁网络的磁势元矩阵F_i；

d)根据等效磁阻矩阵Z_mnT、磁势元矩阵F_i和环集矩阵C，求取等效磁网络的连支磁通矩阵F_iL0:

F_iL0＝(C^TZ_mnTC)^-1C^TF_i

n部分磁路的磁场强度计算公式为：

上式中电磁阀元件磁通矩阵F_iK＝C×F_iL0，引入磁化曲线拟合公式，求得n个部分磁路的磁感应强度B(k)，磁导率

将u_nT ^*中非气隙部分的值赋值到对应u_nT中，输入到步骤c)中重复以上计算，终止条件：

若达到终止条件则进行步骤e)；

e)更新参数数据并返回步骤b)进行下一时间步长的计算，直至时间t达到计算总时长t_T，则计算终止，输出电磁阀元件总磁通。

本发明的优势在于：本发明提供了高速电磁阀磁路计算方法，该方法通过引入涡电阻和涡电感考虑到磁性材料在高频磁场下涡流现象，从而实现了电磁阀详细磁路的详细建模，该方法适用于不同类型的电磁驱动的高速电磁执行器。

附图说明

图1为高速电磁阀的结构示意图；

图2为高速电磁阀磁网络拓扑分布图；

图3为高速电磁阀等效磁磁阻关系示意图；

图4为本发明提出的计算方法的算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-4，本发明一种高速电磁阀磁路计算方法，其步骤具体包括：

(1)根据图1电磁阀部分的结构示意图，对电磁阀的电磁场进行图2所示的网络拓扑结构的划分：解析电磁阀结构特征可推测出电磁阀实际工作过程中的磁感线的所有可能流向，包括磁性材料中的磁场分布，磁性材料发生磁饱和时的不同漏磁情况，气隙中的磁场分布情况，以及在径向和轴向的磁场分布的区别，图3为划分后的磁网络表达；

(2)求解高速电磁阀的外电路模型部分时，外电路特性用电感和电阻组成的RL电路描述，设定电磁阀线圈绕组的电阻R_inj，电磁阀驱动外电路的电阻R_c，其中线圈绕组的等效电感L_inj的求解表示为：

上式中N为线圈匝数，R_m是系统磁阻，即等效磁网络的总磁阻，总磁阻通过计算等效磁网络中各部分磁阻，再根据各磁阻的串、并联关系求得，各个部分的磁阻计算公式：

上式中l_k是磁路的长度，S_nT是磁路的有效流通面积，u_nT是磁导率，k＝1～n。根据基本电路方程求解该电路：

上式中U是电磁阀驱动电压，R是回路电阻，i是线圈通电电流，N是线圈匝数，φ是单匝线圈中的磁通量。

(3)根据步骤(2)等效磁网络中各部分磁阻的计算结果，计算得出磁网络的连支磁通矩阵F_iL0，并利用电路每个环集都有一条只属于自己的连支的特性，列出等效磁网络的环集矩阵C，则得到矩阵元磁通矩阵，即电磁阀元件磁通矩阵为：

F_iK＝C×F_iL0 (4)

所述步骤(1)中，基于网络拓扑法对于磁阻元件的划分，必须明确区分重要边界线与材质分界线，在不同磁性材料的交界处，以及磁性材料与空气的边界；尽可能地包含有磁路所有可能的走势，保证足够的划分精度，使得划分区域内磁场特征可视为一致；磁路走向需与磁感线走势相符，使得磁路元件性质易于表达与计算。

所述步骤(2)(3)中，求解高速电磁阀的外电路模型部分，电磁阀线圈绕组的电阻R_inj、电磁阀驱动外电路的电阻R_c和线圈匝数N根据电磁阀具体实际参数值设定，磁性材料的涡流效应用并联一个涡流等效电感L_e和电阻R_e描述，其值由试验数据进行拟合获取。根据已划分的磁网络计算等效磁网络中各部分磁阻的具体方法为：

a)输入磁阻计算基本结构参数，包括线圈匝数、气隙、真空磁导率、铁芯高度、线圈高度、铁芯内部中空孔直径、线圈内侧直径、线圈外侧直径、铁芯下端面靠近衔铁凹口处直径、衔铁直径、衔铁厚度。根据网络拓扑结构划分的磁路走向与磁感线走势，计算轴向、径向、曲向和漏磁各部分磁路面积，当有n部分磁路时，磁路面积矩阵S_nT具体表示为：

其中S₁～S_n为各部分磁路的有效流通面积；

b)设置等效磁网络的迭代初始磁导率u_nT＝[u₀,u₁…u_n-1,u_n]，其中气隙部分设置为真空磁导率，非气隙部分磁导率初值设置为1。输入以时间t为自变量的电磁阀外电路的电压曲线U，设置计算步长为Δt、计算总时长为t_T，在一个时间步长内，进行c)-d)的磁阻迭代；

c)根据u_nT的值和基本结构参数，运用公式(2)对轴向、径向、曲向和漏磁各部分磁路等效磁阻计算，获得等效磁阻矩阵Z_mnT:

根据各磁阻的串、并联关系计算获得等效磁网络的总磁阻R_m，并由公式(1)计算得出线圈绕组的等效电感L_inj，由于衔铁的位移会导致外电路等效电感的变化，其变化率可以表示为：

上式中v_move为衔铁的运动速度，u_k和S_k分别为对应衔铁位置部分的气隙磁导率和有效流通面积。根据计算得出的L_inj和

运用基本电路方程可得出等效外电路的电流I，根据线圈匝数N和电流I得出等效磁网络的磁势元矩阵F_i；

d)根据等效磁阻矩阵Z_mnT、磁势元矩阵F_i和环集矩阵C，求取等效磁网络的连支磁通矩阵F_iL0:

F_iL0＝(C^TZ_mnTC)^-1C^TF_i (6)

则n部分磁路的磁场强度计算公式为：

上式中电磁阀元件磁通矩阵F_iK＝C×F_iL0，引入磁化曲线拟合公式，求得n个部分磁路的磁感应强度B(k)，则磁导率

将u_nT ^*中非气隙部分的值赋值到对应u_nT中，输入到c)中重复以上计算，终止条件：

若达到终止条件则进行e)步；

e)更新参数数据并返回b)进行下一时间步长的计算，直至时间t达到计算总时长t_T，则计算终止，输出电磁阀元件总磁通。

Claims (4)

1.一种高速电磁阀磁路计算方法，其特征是：

(1)电磁阀的电磁场网络拓扑结构划分：解析电磁阀结构特征，推测出电磁阀实际工作过程中的磁感线的所有可能流向，包括磁性材料中的磁场分布、磁性材料发生磁饱和时的不同漏磁情况、气隙中的磁场分布情况以及在径向和轴向的磁场分布的区别，并用磁网络图进行表达；

(2)求解高速电磁阀的外电路模型部分，采用电感和电阻组成的RL电路描述外电路特性，定义电磁阀线圈绕组的电阻R_inj，电磁阀驱动外电路的电阻R_c，其中线圈绕组的等效电感L_inj的求解表示为：

上式中N为线圈匝数，R_m为等效磁网络的总磁阻，总磁阻通过计算等效磁网络中各部分磁阻，再根据各磁阻的串、并联关系求得，各个部分的磁阻计算方法：

上式中l_k为磁路的长度，S_nT为磁路的有效流通面积，u_nT为磁导率，k＝1～n，根据基本电路方程求解该电路：

上式中U为驱动电压，R为电磁阀总电阻，i为线圈内通电电流，φ为磁通量；

(3)根据步骤(2)等效磁网络中各部分磁阻的计算结果，计算得出磁网络的连支磁通矩阵F_iL0，并利用电路每个环集都有一条只属于自己的连支的特性，列出等效磁网络的环集矩阵C，则得到矩阵元磁通矩阵，即电磁阀元件磁通矩阵为：

F_iK＝C×F_iL0。

2.根据权利要求1所述的一种高速电磁阀磁路计算方法，其特征是：步骤(1)中在基于网络拓扑法对于磁阻元件划分时，明确区分重要边界线与材质分界线，在不同磁性材料的交界处，以及磁性材料与空气的边界。

3.根据权利要求1所述的一种高速电磁阀磁路计算方法，其特征是：步骤(2)、(3)中求解高速电磁阀的外电路模型部分时，电磁阀线圈绕组的电阻R_inj、电磁阀驱动外电路的电阻R_c和线圈匝数N根据电磁阀具体实际参数值设定，磁性材料的涡流效应用并联一个涡流等效电感L_e和电阻R_e描述，其值由试验数据进行拟合获取。

4.根据权利要求1所述的一种高速电磁阀磁路计算方法，其特征是：计算等效磁网络中各部分磁阻的具体方法为：

a)输入磁阻计算基本结构参数，包括线圈匝数、气隙、真空磁导率、铁芯高度、线圈高度、铁芯内部中空孔直径、线圈内侧直径、线圈外侧直径、铁芯下端面靠近衔铁凹口处直径、衔铁直径、衔铁厚度，根据网络拓扑结构划分的磁路走向与磁感线走势，计算轴向、径向、曲向和漏磁各部分磁路面积，当有n部分磁路时，磁路面积矩阵S_nT具体表示为：

其中S₁～S_n为各部分磁路的有效流通面积；

b)设置等效磁网络的迭代初始磁导率u_nT＝[u₀,u₁…u_n-1,u_n]，其中气隙部分设置为真空磁导率，非气隙部分磁导率初值设置为1，输入以时间t为自变量的电磁阀外电路的电压曲线U，设置计算步长为Δt、计算总时长为t_T，在一个时间步长内，进行c)-d)的磁阻迭代；

c)根据u_nT的值，运用公式

对轴向、径向、曲向和漏磁各部分磁路等效磁阻计算，获得等效磁阻矩阵Z_mnT:

根据各磁阻的串、并联关系计算获得等效磁网络的总磁阻R_m，并由公式

计算得出线圈绕组的等效电感L_inj，衔铁的位移会导致外电路等效电感的变化，其变化率可以表示为：

上式中v_move为衔铁的运动速度，u_k和S_k分别为对应衔铁位置部分的气隙磁导率和有效流通面积，根据计算得出的L_inj和

运用基本电路方程可得出等效外电路的电流I，根据线圈匝数N和电流I得出等效磁网络的磁势元矩阵F_i；

d)根据等效磁阻矩阵Z_mnT、磁势元矩阵F_i和环集矩阵C，求取等效磁网络的连支磁通矩阵F_iL0:

F_iL0＝(C^TZ_mnTC)^-1C^TF_i

n部分磁路的磁场强度计算公式为：

上式中电磁阀元件磁通矩阵F_iK＝C×F_iL0，引入磁化曲线拟合公式，求得n个部分磁路的磁感应强度B(k)，磁导率

将u_nT ^*中非气隙部分的值赋值到对应u_nT中，输入到步骤c)中重复以上计算，终止条件：

若达到终止条件则进行步骤e)；

e)更新参数数据并返回步骤b)进行下一时间步长的计算，直至时间t达到计算总时长t_T，则计算终止，输出电磁阀元件总磁通。

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