电磁驱动配气机构内部执行器的输出特性研究
应用电磁驱动配气机构取代常规发动机中的凸轮驱动配气机构，实现发动机进、排气门开启和关闭时刻、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。作为一种新型的全可变配气机构，电磁驱动配气机构具有结构简单、响应速度快、落座特性好和调节灵活等优点。本文提出了一类基于动圈式电磁直线执行器的发动机电磁驱动配气机构，运用理论分析、仿真计算与试验研究相结合的方法对其设计、分析及控制技术进行了深入、系统地研究，为电磁驱动配气机构的进一步深入研究和工程化应用奠定了基础。关键词 配气机构，电磁直线执行器，无凸轮，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电磁直线执行器的国内外研究现状 1
2电磁直线执行器的建模与仿真 5
2.1电磁直线执行器的结构与工作原理 6
2.2基于Maxwell的有限元模型建立及仿真 8
3电磁直线执行器有限元结果分析 11
3.1静态特性分析 11
3.2瞬态特性分析 14
3.3输出特性的综合分析 17
本章小结 18
4电磁直线执行器输出特性的影响因素分析 18
4.1结构设计参数的影响 19
4.2材料选择的影响 20
本章小结 20
结论 21
致谢 22
参考文献 23
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，汽车的进出口量日益增长。汽车行业的经济发展及其带来的次生经济逐渐成为我国国民经济发展的重要组成部分，且仍保持着强劲的增长势头。随着汽车行业的蓬勃发展以及汽车保有量的持续增长，环境污染问题和能源消耗问题变得越来越严重。基于上述情况，新能源汽车的发展及节能减排技术的研究就成为当前和今后汽车产业发展的迫切要求。
根据工业部的最新数据统计，从2016年1月份开始至10月份结束，全国累计生产新能源汽车35.5万辆，销售33.7万辆， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
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[3]，基于这些原因，考虑采用电磁驱动配气机构来取代传统的凸轮驱动配气机构，这样既可以实现气门在各种工况下的全时可控，达到发动机的最佳性能，又可以通过对气门开闭时刻和升程的控制，实现取消节气门的目的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执行元件，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电磁直线执行器的国内外研究现状
汽车发动机配气机构主要经历了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三个重要的发展阶段[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]。无凸轮配气机构的形式多种多样，目前最为成熟的一种形式就是电磁驱动配气机构。电磁直线执行器作为电磁驱动配气机构的执行元件，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。直线电机及其相关专利首次为世人所知始于1890年，美国匹兹堡市市长在他的一篇发言稿中提出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。从1955年开始，随着时代的不断进步，控制技术和电磁材料等的迅猛发展推动直线电机研究进入了第三阶段——研究开发阶段。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机技术在磁悬浮列车领域的应用已处于世界先进水平。迄今为止，世界各国的科研人员和各大汽车主机厂的开发人员就双弹簧、双电磁铁形式的EMVA方案，进行了大量的实验和数据分析。目前在技术上较为成熟的机构有德国的FEV公司[5]、美国通用汽车公司[6]、德国西门子公司[7]、宝马公司[8]和法国的雷诺汽车公司等。
目 录
1.绪论 1
1.1本课题研究的背景及意义 1
1.2电磁直线执行器的国内外研究现状 1
2电磁直线执行器的建模与仿真 5
2.1电磁直线执行器的结构与工作原理 6
2.2基于Maxwell的有限元模型建立及仿真 8
3电磁直线执行器有限元结果分析 11
3.1静态特性分析 11
3.2瞬态特性分析 14
3.3输出特性的综合分析 17
本章小结 18
4电磁直线执行器输出特性的影响因素分析 18
4.1结构设计参数的影响 19
4.2材料选择的影响 20
本章小结 20
结论 21
致谢 22
参考文献 23
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，汽车的进出口量日益增长。汽车行业的经济发展及其带来的次生经济逐渐成为我国国民经济发展的重要组成部分，且仍保持着强劲的增长势头。随着汽车行业的蓬勃发展以及汽车保有量的持续增长，环境污染问题和能源消耗问题变得越来越严重。基于上述情况，新能源汽车的发展及节能减排技术的研究就成为当前和今后汽车产业发展的迫切要求。
根据工业部的最新数据统计，从2016年1月份开始至10月份结束，全国累计生产新能源汽车35.5万辆，销售33.7万辆， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
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[3]，基于这些原因，考虑采用电磁驱动配气机构来取代传统的凸轮驱动配气机构，这样既可以实现气门在各种工况下的全时可控，达到发动机的最佳性能，又可以通过对气门开闭时刻和升程的控制，实现取消节气门的目的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执行元件，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电磁直线执行器的国内外研究现状
汽车发动机配气机构主要经历了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三个重要的发展阶段[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]。无凸轮配气机构的形式多种多样，目前最为成熟的一种形式就是电磁驱动配气机构。电磁直线执行器作为电磁驱动配气机构的执行元件，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。直线电机及其相关专利首次为世人所知始于1890年，美国匹兹堡市市长在他的一篇发言稿中提出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。从1955年开始，随着时代的不断进步，控制技术和电磁材料等的迅猛发展推动直线电机研究进入了第三阶段——研究开发阶段。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机技术在磁悬浮列车领域的应用已处于世界先进水平。迄今为止，世界各国的科研人员和各大汽车主机厂的开发人员就双弹簧、双电磁铁形式的EMVA方案，进行了大量的实验和数据分析。目前在技术上较为成熟的机构有德国的FEV公司[5]、美国通用汽车公司[6]、德国西门子公司[7]、宝马公司[8]和法国的雷诺汽车公司等。
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