一种电磁直线执行器的能耗分析
电磁驱动配气机构相比传统发动机中的凸轮驱动配气机构，能实现发动机气门开闭时刻、升程及其运动规律随发动机工况独立地、连续地实时优化调节，能够显著提升发动机的节能环保性能以及动力性能，是提高汽车发动机节能环保性能的重要技术发展方向，同时具有结构紧凑、线性度高、功率密度大等优点。电磁驱动配气机构的核心驱动部件为电磁直线执行器，若执行器能耗偏高将直接导致电磁驱动配气机构的能耗偏高、高速运动下的适应性以及长时间稳定工作的可靠性偏差等，进而影响到发动机的动力性和燃油经济性。因此，对电磁直线执行器的能耗的研究具有重要的理论研究意义和实际应用价值。本文以电磁驱动配气机构动力元件——电磁直线执行器为研究对象，通过理论分析、数学模型建立和仿真分析相结合的方法对电磁直线执行器的能耗进行了深入研究，为执行器性能的改进及配气机构降耗研究奠定基础。关键词 配气机构，电磁直线执行器，能耗，仿真建模分析
目 录
1 绪论 1
1.1 本课题研究的背景及意义 1
1.2 电磁直线执行器的发展概述 1
1.3 电磁直线执行器的能耗研究现状及存在问题 3
2 电磁直线执行器的能耗构成 4
2.1 电磁直线执行器的结构组成 4
2.2 电磁直线执行器的能量转化过程 5
2.3 电磁直线执行器的能耗构成分析 6
3 电磁直线执行器有限元仿真模拟 8
3.1 有限元仿真软件介绍 8
3.2 能耗计算的数值模型分析 8
3.3 电磁直线执行器有限元模型建立 11
3.4 电磁直线执行器能耗仿真结果分析 13
4 电磁直线执行器能耗影响因素 15
4.1 线圈损耗影响因素 15
4.2 涡流损耗影响因素 16
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 绪论
1.1 本课题研究的背景及意义
现代汽车技术迅速发展，汽车不断升级换代，我国作为汽车产销量大国，汽车的使用已经非常普遍。汽车工业已成为我国国民经济的支柱产业，且仍保持着强劲的增长势头。随着汽车产业的迅猛发展，随 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
之而来的是日益严重的环境污染问题及能源问题。基于上述情况，汽车新能源发展及节能减排技术的研究就成为当前及今后汽车产业发展的迫切要求。
据统计，2016年110月新能源汽车生产35.5万辆，销售33.7万辆，比上年同期分别增长77.9%和82.2%。尽管新能源汽车发展前景很好且正处于蓬勃发展时期，但是我国新能源汽车的发展仍需直面诸多挑战，如：关键技术没有突破，基础设施有待健全[1, 2]，因而对常规发动机的性能提升的研究更具实际使用价值。在常规汽油发动机中，凸轮驱动配气机构受到凸轮型线的束缚，不利于发动机性能的改善，因此应用电磁驱动配气机构取代凸轮驱动配气机构，不仅可以实现气门运动规律在运行范围内根据发动机的工况全柔性化调节，使发动机在各工况下都能达到最佳性能。此外，还可以通过调节气门的开启持续时间和气门升程来实现发动机的负荷调节，进而取消节气门，减小节气门泵气损失，从而显著提升发动机的动力性、燃油经济性及节能环保性能。
本课题组所研究的电机，属于圆筒状动圈式直线电机，称为电磁直线执行器。该电磁直线执行器相比传统电机或其它型式的直线电机，具有结构紧凑、线性度高、功率密度大等优点，但也存在内部能耗较高的缺点。电磁直线执行器作为电磁驱动配气机构的动力部件，其能耗的高低将直接影响到电磁驱动配气机构的能耗及其工作的可靠性等，进而影响到发动机配器机构的动力性和燃油经济性。因此，对电磁直线执行器的能耗分析的研究具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
1.2 电磁直线执行器的发展概述
发动机配气机构主要经历了三个发展阶段，分别是常规凸轮驱动配气机构、凸轮驱动可变配气机构和无凸轮驱动配气机构[3, 4]。其中，凸轮驱动配气机构和凸轮驱动可变配气机构，受到凸轮型线的限制，只能满足发动机在实际运行时部分工况的要求，并没有满足发动机任意工况下的最佳工作要求，因而难以满足各种不同工况的动力性和燃油经济性的需求。唯有完全取消凸轮机构，以无凸轮方式即直线驱动的方式来驱动配气机构，才能实现气门运动规律在运行范围内的全柔性化调节，从而实现发动机在各工况下的工作要求，最终能有效节约资源，提高汽车燃油经济性及节能减排性能[4]。电磁驱动配气机构是无凸轮配气机构的一种重要形式。电磁直线执行器作为电磁驱动配气机构的动力部件，具有结构简单，响应快，精度高等优点。
电磁直线执行器即直线电机的发展过程大概可分为四个阶段。第一个阶段是直线电机理论的提出，从最初电机雏形到完整概念的提出前后共经历近百余年。直线电机的最早雏形是由惠斯登（Wheatstone）在1840年提出的[5]，但并没有获得实质意义上的成功。1890年美国匹兹堡市的市长曾在他的一篇文章中首次提到了直线电机及其专利，想将直线电机用于织布机的棱子中。然而受限由于当时较低的制造业技术水平、匮乏的工程制造材料以及不成熟的控制技术，在前后经过断断续续20多年的努力尝试后，最后不得不以失败而告终。不过直线电机的全新概念已极大引起了科学家们的关注。1937年，德国工程师肯珀（Kemper）首次提出了利用直线电机来驱动磁悬浮车辆的概念并申请了第一个磁悬浮技术专利[6]。第二个阶段是直线电机实验尝试阶段，美国西屋（Westinghouse）电气公司在1945年首先研制成功电力牵引飞机弹射器，以直线感应电动机为动力，用4.1s的时间将飞机由静止加速至188km/h，从而使得飞机能够在航母上165m的行程内弹射起飞，这一成功案例使得直线电机受到了越来越多科学人员的重视，并且以该成果为基础的电磁弹射器已广泛运用于美国航空母舰上。自1955年以后，关于直线电机研究进入第三个阶段——研究开发阶段，特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展更加助长了这种势头，其中以英国Laithwaite教授为代表的研究团队，在直线感应电机方面的理论探究与样机研制都取得了卓越的成绩[7]，推动了直线电机领域的发展。1980年至今，直线电机进入实际应用的新时期，在这个新时期，不同结构形式、不同激励方式以及不同工作原理的直线电机应运而生[8]，各类直线电机的应用得到了迅速的推广及应用。
当今世界上，欧美及日本在直线电机领域具备较强的研究和开发能力。我国直线电机研究起步相对较晚，始于19世纪70年代初，但一些高校及研究机构仍然取得不错研究成果，具有代表性高校有浙江大学、南京理工大学、西安交通大学以及原工业大学等。引以为傲的是我国直线电磁技术在磁悬浮列车领域的应用已处于世界先进水平。
1.3 电磁直线执行器的能耗研究现状及存在问题
我国在直线电机领域的研究起步相对较晚，因此目前针对电磁直线执行器能耗分析的文本资料较少，但这方面的研究对电磁直线执行器综合性的能提升及电磁驱动配气机构节能减排性能的提升具有重要意义。国外对电磁直线电机的研究相对较早，但是在直线电机能耗方面的研究还是不太成熟。
目 录
1 绪论 1
1.1 本课题研究的背景及意义 1
1.2 电磁直线执行器的发展概述 1
1.3 电磁直线执行器的能耗研究现状及存在问题 3
2 电磁直线执行器的能耗构成 4
2.1 电磁直线执行器的结构组成 4
2.2 电磁直线执行器的能量转化过程 5
2.3 电磁直线执行器的能耗构成分析 6
3 电磁直线执行器有限元仿真模拟 8
3.1 有限元仿真软件介绍 8
3.2 能耗计算的数值模型分析 8
3.3 电磁直线执行器有限元模型建立 11
3.4 电磁直线执行器能耗仿真结果分析 13
4 电磁直线执行器能耗影响因素 15
4.1 线圈损耗影响因素 15
4.2 涡流损耗影响因素 16
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 绪论
1.1 本课题研究的背景及意义
现代汽车技术迅速发展，汽车不断升级换代，我国作为汽车产销量大国，汽车的使用已经非常普遍。汽车工业已成为我国国民经济的支柱产业，且仍保持着强劲的增长势头。随着汽车产业的迅猛发展，随 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
之而来的是日益严重的环境污染问题及能源问题。基于上述情况，汽车新能源发展及节能减排技术的研究就成为当前及今后汽车产业发展的迫切要求。
据统计，2016年110月新能源汽车生产35.5万辆，销售33.7万辆，比上年同期分别增长77.9%和82.2%。尽管新能源汽车发展前景很好且正处于蓬勃发展时期，但是我国新能源汽车的发展仍需直面诸多挑战，如：关键技术没有突破，基础设施有待健全[1, 2]，因而对常规发动机的性能提升的研究更具实际使用价值。在常规汽油发动机中，凸轮驱动配气机构受到凸轮型线的束缚，不利于发动机性能的改善，因此应用电磁驱动配气机构取代凸轮驱动配气机构，不仅可以实现气门运动规律在运行范围内根据发动机的工况全柔性化调节，使发动机在各工况下都能达到最佳性能。此外，还可以通过调节气门的开启持续时间和气门升程来实现发动机的负荷调节，进而取消节气门，减小节气门泵气损失，从而显著提升发动机的动力性、燃油经济性及节能环保性能。
本课题组所研究的电机，属于圆筒状动圈式直线电机，称为电磁直线执行器。该电磁直线执行器相比传统电机或其它型式的直线电机，具有结构紧凑、线性度高、功率密度大等优点，但也存在内部能耗较高的缺点。电磁直线执行器作为电磁驱动配气机构的动力部件，其能耗的高低将直接影响到电磁驱动配气机构的能耗及其工作的可靠性等，进而影响到发动机配器机构的动力性和燃油经济性。因此，对电磁直线执行器的能耗分析的研究具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
1.2 电磁直线执行器的发展概述
发动机配气机构主要经历了三个发展阶段，分别是常规凸轮驱动配气机构、凸轮驱动可变配气机构和无凸轮驱动配气机构[3, 4]。其中，凸轮驱动配气机构和凸轮驱动可变配气机构，受到凸轮型线的限制，只能满足发动机在实际运行时部分工况的要求，并没有满足发动机任意工况下的最佳工作要求，因而难以满足各种不同工况的动力性和燃油经济性的需求。唯有完全取消凸轮机构，以无凸轮方式即直线驱动的方式来驱动配气机构，才能实现气门运动规律在运行范围内的全柔性化调节，从而实现发动机在各工况下的工作要求，最终能有效节约资源，提高汽车燃油经济性及节能减排性能[4]。电磁驱动配气机构是无凸轮配气机构的一种重要形式。电磁直线执行器作为电磁驱动配气机构的动力部件，具有结构简单，响应快，精度高等优点。
电磁直线执行器即直线电机的发展过程大概可分为四个阶段。第一个阶段是直线电机理论的提出，从最初电机雏形到完整概念的提出前后共经历近百余年。直线电机的最早雏形是由惠斯登（Wheatstone）在1840年提出的[5]，但并没有获得实质意义上的成功。1890年美国匹兹堡市的市长曾在他的一篇文章中首次提到了直线电机及其专利，想将直线电机用于织布机的棱子中。然而受限由于当时较低的制造业技术水平、匮乏的工程制造材料以及不成熟的控制技术，在前后经过断断续续20多年的努力尝试后，最后不得不以失败而告终。不过直线电机的全新概念已极大引起了科学家们的关注。1937年，德国工程师肯珀（Kemper）首次提出了利用直线电机来驱动磁悬浮车辆的概念并申请了第一个磁悬浮技术专利[6]。第二个阶段是直线电机实验尝试阶段，美国西屋（Westinghouse）电气公司在1945年首先研制成功电力牵引飞机弹射器，以直线感应电动机为动力，用4.1s的时间将飞机由静止加速至188km/h，从而使得飞机能够在航母上165m的行程内弹射起飞，这一成功案例使得直线电机受到了越来越多科学人员的重视，并且以该成果为基础的电磁弹射器已广泛运用于美国航空母舰上。自1955年以后，关于直线电机研究进入第三个阶段——研究开发阶段，特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展更加助长了这种势头，其中以英国Laithwaite教授为代表的研究团队，在直线感应电机方面的理论探究与样机研制都取得了卓越的成绩[7]，推动了直线电机领域的发展。1980年至今，直线电机进入实际应用的新时期，在这个新时期，不同结构形式、不同激励方式以及不同工作原理的直线电机应运而生[8]，各类直线电机的应用得到了迅速的推广及应用。
当今世界上，欧美及日本在直线电机领域具备较强的研究和开发能力。我国直线电机研究起步相对较晚，始于19世纪70年代初，但一些高校及研究机构仍然取得不错研究成果，具有代表性高校有浙江大学、南京理工大学、西安交通大学以及原工业大学等。引以为傲的是我国直线电磁技术在磁悬浮列车领域的应用已处于世界先进水平。
1.3 电磁直线执行器的能耗研究现状及存在问题
我国在直线电机领域的研究起步相对较晚，因此目前针对电磁直线执行器能耗分析的文本资料较少，但这方面的研究对电磁直线执行器综合性的能提升及电磁驱动配气机构节能减排性能的提升具有重要意义。国外对电磁直线电机的研究相对较早，但是在直线电机能耗方面的研究还是不太成熟。
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