电磁驱动配气机构内部执行器的性能优化研究
电磁直线执行器驱动配气机构是近年来汽车节能研究的热点。因此电磁直线执行器的优化完善也成为较为迫切需求。本文针对电磁直线驱动配气机构内执行器的优化进行了一系列研究，分析了可能能优化的方面及可优化时具体优化方案和成果。本文先理论分析再利用ANSOFT软件仿真计算对多种优化方案进行了比较，最后多种方案并行得到了较好优化结果。主要优化成果有确定了永磁体最佳尺寸及其材料；气隙大小对电磁直线执行器的影响及最佳气隙确定；基于给定电流激励线圈参数的优化；永磁体布置形式的优化。关键词 电磁直线执行器，优化分析，永磁体参数，电磁力，材料
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 电磁直线执行器的发展概述 2
1.3 电磁直线执行器优化研究现状及发展趋势 3
2 电磁直线执行器结构尺寸参数的优化 5
2.1 电磁直线执行器的初始参数分析 5
2.2 永磁体尺寸优化 6
2.3 线圈参数优化 8
2.4 气隙大小优化 9
3 电磁直线执行器内永磁体的优化分析 12
3.1 不同永磁体材料的特性比较 12
3.2 永磁体的布置形式对比分析 13
3.3 优化前后电磁直线执行器的性能对比 14
4 电磁直线执行器的其他材料优化 18
4.1 线圈骨架材料优化 18
4.2 磁轭材料优化 19
4.3 多种优化方案并行的执行器性能对比分析 19
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
首先，由于全球煤炭、石油、天然气等主要能源的日益减少，人们对能源紧张问题也越来越重视[1]。随之产生的一个主要问题便是怎么样节省能源。节省能源有很多方法，比如出行尽量骑自行车，少用一次性物品，买节能电器等等。汽车作为一种现代快捷交通工具，随着使用量的增加，随之消耗的能源也是越来越多，由此而造成的污染也逐渐影响着人们的生活。怎样减少汽车能源消耗与污染已成为当今社会需要考虑问题的重中之重。现 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
代社会提出的减少汽车能源消耗及污染的主要措施有以下两个大的方面：
（1）交通路面和交通设施的合理布置及应用。
（2）改变汽车的动力装置。包括以下几小点：
a 推广电动汽车技术；
b 改进常规内燃机的技术；
c 推进代用燃料技术。
本课题的研究内容主要是针对混合动力电动汽车的“内燃直线发电集成系统”的配气机构[2]。气缸内燃料的化学能通过燃烧膨胀做功，燃烧产生动能推动活塞作往复运动，而活塞连接直线电机，输出电能带动汽车运转、储存备用或者在汽车需要动力时为执行器输入电能驱动配气机构运转，并通过电磁力控制活塞的运动规律。这种代替传统内燃机的曲柄连杆机构，减少了能量转换与传递的环节，活塞的运动规律及配气机构的调节可以得到更大程度的优化，同时也为改进内燃机的运行情况和能量循环提供了更好条件。本课题主要研究电磁驱动配气机构的性能，以达到优化新型内燃机，减少能源损耗以及降低污染的目标。
目前，我国对直线电机的相关研究也十分重视。在06年下半年科技部就发布了“十一五”国家科技重点支持关键项目“关键基础和通用部件”课题的申请指南，此指南特地指出国家把研究重点放在研发最高进给速度大于60m/min，定位精度大于0.01mm，行程大于600mm的直线伺服控制系统、试验和测试系统[3]。国务院在国家中长期科学和技术发展规划纲要中将制造业和先进制造技术列为重点领域和前沿技术，并确定了16个重要研究项目，其中极大规模集成电路制造技术高档数控机床、基础制造技术、成套工艺等重要项目都和电磁直线执行器息息相关[4]。
1.2 电磁直线执行器的发展概述
国外关于“内燃直线发电集成系统”的研究已有很长时间，英国物理学家惠特斯顿在1845年最早提出并制作了电磁直线执行器的初始模型，但由于电磁直线执行器内气隙过大导致执行器工作效率太低，无法与普通三相电机相比显然是失败的但提出的原理确是非常优秀的[5]。国内关于“内燃直线发电集成系统”的研究时间并不长[6]。我国在863计划中首先提出这一课题，在这以后国内关于电磁直线执行器的研究才逐渐火热起来[7]。浙江大学对直线电机的研究已有三十多年，并专门成立了国内首家直线电机研究所。其次，华中科技大学研制出一款高响应，短行程直线直流电机[8]。
随着研究的不断进步电磁直线执行器已经研发出了很多类型的结构，主要有圆盘型、圆筒型、扁平型的电磁直线执行器，市场存在的类型基本都是这三种[9]。另外根据电磁直线执行器的工作原理我们把执行器分为永磁同步直线执行器、感应直线执行器和无刷直流直线执行器等[10]。
在国外一些技术成熟的国家已经可以把电磁直线执行器产品化。在美国就有一家世界一流的电磁直线执行器生产厂家Anorad公司，Anorad公司的主要产品类型有两种分为有铁心和无铁芯。两个突出优点决定了电磁直线执行器在市场得应用，其中一个优点是它得直线动力推进装置具有功率大、推力大的特点，可在直线抽油机、垂直电梯、磁悬浮列车、电磁炮等方面进行应用；它得另一个优点是具有快响应、高精度的直线运动装置，把这一特点应用在数控车床进给系统、半导体制作封装系统、工业机械手等方面拥有突出效果。而电磁驱动配气机构就是利用电磁直线执行器的快响应、高精度特点，从而精准调节配气机构气门开关，达到最优的发动机性能，随着发动机工况的实时变化配气定时、气门开启持续期和气门升程也做出相应变化。目前电磁驱动配气机构得研究大部分基于这个优点，在较多研究出成果得机构当中具代表性的有美国加利福尼亚大学和密歇根大学、德国FEV公司、法国Valeo公司等，其中较为先进的公司有两个，FEV公司已经完成电磁直线电机在汽车上的实际应用，而法国Valeo公司很早就在2006年就已经有了大量生产电磁直线执行器控制配气机构的汽车的意向，但到现在还见到有产品出世，可见其中还有很大问题没有克服，需要研究人员的进一步创新与深入优化[11]。我国的清华和浙大也对动圈式双电磁铁式电磁直线执行器展开过一些研究优化，他们的基本研究方案与国外的相关研究近似相同，而且在控制程序上作过一些仿真分析与实验，从其研究得出的结果看来，他们制作的样机体积很大，而且响应时间达不到理论要求，很难在配气机构中应用，因此研究陷入瓶颈最近都没有新的研究结果出现[12]。从这我们可以看出来，虽然电磁直线执行器有优良特性，很好发展潜力但将电磁直线执行器应用于配气机构，充分发挥其优点、改善发动机性能还需要攻克一些技术难题，需要我们对其进行不断的优化[13]。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 电磁直线执行器的发展概述 2
1.3 电磁直线执行器优化研究现状及发展趋势 3
2 电磁直线执行器结构尺寸参数的优化 5
2.1 电磁直线执行器的初始参数分析 5
2.2 永磁体尺寸优化 6
2.3 线圈参数优化 8
2.4 气隙大小优化 9
3 电磁直线执行器内永磁体的优化分析 12
3.1 不同永磁体材料的特性比较 12
3.2 永磁体的布置形式对比分析 13
3.3 优化前后电磁直线执行器的性能对比 14
4 电磁直线执行器的其他材料优化 18
4.1 线圈骨架材料优化 18
4.2 磁轭材料优化 19
4.3 多种优化方案并行的执行器性能对比分析 19
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
首先，由于全球煤炭、石油、天然气等主要能源的日益减少，人们对能源紧张问题也越来越重视[1]。随之产生的一个主要问题便是怎么样节省能源。节省能源有很多方法，比如出行尽量骑自行车，少用一次性物品，买节能电器等等。汽车作为一种现代快捷交通工具，随着使用量的增加，随之消耗的能源也是越来越多，由此而造成的污染也逐渐影响着人们的生活。怎样减少汽车能源消耗与污染已成为当今社会需要考虑问题的重中之重。现 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
代社会提出的减少汽车能源消耗及污染的主要措施有以下两个大的方面：
（1）交通路面和交通设施的合理布置及应用。
（2）改变汽车的动力装置。包括以下几小点：
a 推广电动汽车技术；
b 改进常规内燃机的技术；
c 推进代用燃料技术。
本课题的研究内容主要是针对混合动力电动汽车的“内燃直线发电集成系统”的配气机构[2]。气缸内燃料的化学能通过燃烧膨胀做功，燃烧产生动能推动活塞作往复运动，而活塞连接直线电机，输出电能带动汽车运转、储存备用或者在汽车需要动力时为执行器输入电能驱动配气机构运转，并通过电磁力控制活塞的运动规律。这种代替传统内燃机的曲柄连杆机构，减少了能量转换与传递的环节，活塞的运动规律及配气机构的调节可以得到更大程度的优化，同时也为改进内燃机的运行情况和能量循环提供了更好条件。本课题主要研究电磁驱动配气机构的性能，以达到优化新型内燃机，减少能源损耗以及降低污染的目标。
目前，我国对直线电机的相关研究也十分重视。在06年下半年科技部就发布了“十一五”国家科技重点支持关键项目“关键基础和通用部件”课题的申请指南，此指南特地指出国家把研究重点放在研发最高进给速度大于60m/min，定位精度大于0.01mm，行程大于600mm的直线伺服控制系统、试验和测试系统[3]。国务院在国家中长期科学和技术发展规划纲要中将制造业和先进制造技术列为重点领域和前沿技术，并确定了16个重要研究项目，其中极大规模集成电路制造技术高档数控机床、基础制造技术、成套工艺等重要项目都和电磁直线执行器息息相关[4]。
1.2 电磁直线执行器的发展概述
国外关于“内燃直线发电集成系统”的研究已有很长时间，英国物理学家惠特斯顿在1845年最早提出并制作了电磁直线执行器的初始模型，但由于电磁直线执行器内气隙过大导致执行器工作效率太低，无法与普通三相电机相比显然是失败的但提出的原理确是非常优秀的[5]。国内关于“内燃直线发电集成系统”的研究时间并不长[6]。我国在863计划中首先提出这一课题，在这以后国内关于电磁直线执行器的研究才逐渐火热起来[7]。浙江大学对直线电机的研究已有三十多年，并专门成立了国内首家直线电机研究所。其次，华中科技大学研制出一款高响应，短行程直线直流电机[8]。
随着研究的不断进步电磁直线执行器已经研发出了很多类型的结构，主要有圆盘型、圆筒型、扁平型的电磁直线执行器，市场存在的类型基本都是这三种[9]。另外根据电磁直线执行器的工作原理我们把执行器分为永磁同步直线执行器、感应直线执行器和无刷直流直线执行器等[10]。
在国外一些技术成熟的国家已经可以把电磁直线执行器产品化。在美国就有一家世界一流的电磁直线执行器生产厂家Anorad公司，Anorad公司的主要产品类型有两种分为有铁心和无铁芯。两个突出优点决定了电磁直线执行器在市场得应用，其中一个优点是它得直线动力推进装置具有功率大、推力大的特点，可在直线抽油机、垂直电梯、磁悬浮列车、电磁炮等方面进行应用；它得另一个优点是具有快响应、高精度的直线运动装置，把这一特点应用在数控车床进给系统、半导体制作封装系统、工业机械手等方面拥有突出效果。而电磁驱动配气机构就是利用电磁直线执行器的快响应、高精度特点，从而精准调节配气机构气门开关，达到最优的发动机性能，随着发动机工况的实时变化配气定时、气门开启持续期和气门升程也做出相应变化。目前电磁驱动配气机构得研究大部分基于这个优点，在较多研究出成果得机构当中具代表性的有美国加利福尼亚大学和密歇根大学、德国FEV公司、法国Valeo公司等，其中较为先进的公司有两个，FEV公司已经完成电磁直线电机在汽车上的实际应用，而法国Valeo公司很早就在2006年就已经有了大量生产电磁直线执行器控制配气机构的汽车的意向，但到现在还见到有产品出世，可见其中还有很大问题没有克服，需要研究人员的进一步创新与深入优化[11]。我国的清华和浙大也对动圈式双电磁铁式电磁直线执行器展开过一些研究优化，他们的基本研究方案与国外的相关研究近似相同，而且在控制程序上作过一些仿真分析与实验，从其研究得出的结果看来，他们制作的样机体积很大，而且响应时间达不到理论要求，很难在配气机构中应用，因此研究陷入瓶颈最近都没有新的研究结果出现[12]。从这我们可以看出来，虽然电磁直线执行器有优良特性，很好发展潜力但将电磁直线执行器应用于配气机构，充分发挥其优点、改善发动机性能还需要攻克一些技术难题，需要我们对其进行不断的优化[13]。
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