Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих конструкций электромагнитных приводов клапанов газораспределительного механизма и методов их расчета 12
1.1 Обзор электромагнитных приводов, применяемых для систем воздухогазообмена современных силовых энергетических установок на базе ДВС 12
1.2 Анализ конструкций электромагнитных приводов с учетом особенностей их применения 17
1.3 Обзор методик проектирования электромагнитных приводов ГРМ 44
1.4 Выводы по первой главе. Постановка задач исследования 51
2 Разработка методики проектного расчета ЭМП ГРМ 53
2.1 Подготовка исходных данных для проектирования 53
2.2 Выбор рациональной конструкции исполнительного электромагнита 61
2.3 Обоснование выбора поляризованной конструкции электромагнитного привода 63
2.4 Методика проектного расчета исполнительного электромагнита 69
2.5 Оптимизация параметров магнитной системы электромагнита 74
2.6 Определение требуемого закона движения якоря ЭМП 83
2.7 Выводы по второй главе 85
3 Математическое моделирование динамики ЭМП клапанов ГРМ 87
3.1 Моделирование механической подсистемы ЭМП ГРМ 87
3.2 Моделирование динамики прямоходового поляризованного ЭМП резонансного типа 90
3.3 Исследование влияния внешних воздействий на динамику ЭМП 101
3.3.1 Оценка влияния изменения температурных диапазонов и износа пружин 101
3.3.2 Оценка влияния изменения давления газов на клапан ГРМ 105
3.3 Разработка математической модели мультимодульного электромагнитного привода 107
3.4 Математическое моделирование тепловой подсистемы ЭМП 111
3.5 Влияние геометрических особенностей конструкции на электромагнитную силу ЭМП 117
3.7 Выводы по третьей главе 120
4 Проведение экспериментальных исследований 122
4.1 Измерение времени переключения ЭМП 124
4.2 Измерение скорости якоря ЭМП при соприкосновении с полюсом 126
4.3 Исследование теплового режима ЭМП 129
4.4 Выводы по четвертой главе 130
Заключение 132
Список литературы
- Анализ конструкций электромагнитных приводов с учетом особенностей их применения
- Выбор рациональной конструкции исполнительного электромагнита
- Моделирование динамики прямоходового поляризованного ЭМП резонансного типа
- Измерение скорости якоря ЭМП при соприкосновении с полюсом
Анализ конструкций электромагнитных приводов с учетом особенностей их применения
Конструкция индивидуального электромагнитного привода (ИЭМП) определяется в основном возлагаемыми на него задачами. При работе ДВС для клапана выделяют два условных положения – открытое или закрытое. Соответственно, ИЭМП так же должен иметь не менее двух фиксированных положений. Этому требованию удовлетворяет любой ИЭМП, в том числе и самой простой конструкции, состоящий из электромагнита и возвратной пружины. Однако такой приводной механизм не может обеспечить высокого быстродействия при переключении с ходом подвижного элемента, имеющего величину несколько (до десяти) миллиметров (необходимое время переключения составляет несколько миллисекунд), а потому является неприемлемым. Так же не могут удовлетворить требованию быстродействующие ИЭМП простой конструкции, так как они позволяют обеспечивать лишь малое время срабатывания, а время возврата их достаточно велико. Помимо этого, в простых конструкциях быстродействующих ИЭМП за счет превышения электромагнитной силы над противодействующей (необходимое условие для достижения малого времени срабатывания) якорь приобретает высокую скорость при подходе к одному из фиксированных положений, что вызывает сильный удар, вызывающий повышенные шум и механический износ.
Вышеперечисленные причины потребовали новых технических решений, наиболее успешным из которых стала концепция резонансного ИЭМП. Суть этого решения в том, что перемещение подвижной части привода осуществляется за счет использования энергии резонансного контура, состоящего из двух пружин и подвижного тела, имеющего массу. Подбирая жесткость пружин, можно при заданной массе подвижных частей добиться необходимого времени перемещения подвижных частей из одного положения в другое. Электромагниту в таком приводе отводится роль фиксатора подвижных частей в крайних положениях и (в некоторых случаях) элемента, позволяющего корректировать траекторию и скорость движения подвижных частей. Подробный анализ различных типов конструкций ЭМП и принципов их действия приведен в [12].
Типовой вариант конструкции резонансного ИЭМП включает в себя механический резонансный контур, состоящий из двух пружин, магнитную систему, в состав которой входит подвижная и неподвижная части, и одну или несколько обмоток управления. Подвижная часть связана с элементом, который необходимо привести в движение (в данном случае клапан). Наиболее часто встречающая в литературе магнитная система состоит из двух симметрично расположенных электромагнитов, имеющих общий якорь, который может совершать поступательное или вращательное движение.
При отсутствии сигнала на управляющих обмотках под воздействием пружин якорь занимает среднее положение. Для первого перевода якоря в любое из крайних положений необходима так называемая раскачка, для чего на обмотки управления поочередно с заданной периодичностью подаются управляющие сигналы. Они вызывают колебательные перемещения якоря с возрастающей амплитудой. Сигналы подаются до тех пор, пока якорь не займет одно из крайних положений. Дальнейшие переключения из одного крайнего положения в другое производится за счет энергии пружин.
Главным преимуществом такой конструкции является относительная простота изготовления магнитной системы ИЭМП. Главная задача - перемещение якоря из одного положения в другое - в подобной конструкции выполняется, но такой ЭМП обладает рядом недостатков. К ним относятся: трудности при монтаже; потребление энергии на удержание клапана в фиксированных позициях; слабая возможность регулирования скорости клапана в конце хода, следствием чего являются сильные удары и даже возможные отскоки клапана при посадке на седло; большие геометрические размеры ИЭМП вследствие использования двух электромагнитов и цилиндрических пружин. Все вышеперечисленное требует улучшения базовой конструкции ИЭМП.
Выбор рациональной конструкции исполнительного электромагнита
Альтернативой прямоходовому ЭМП является возможность применения для управления клапаном ГРМ электромагнитного привода с вращательным принципом действия (рисунок 49в). Передача движения от якоря ЭМ к клапану осуществляется с помощью рычага, который преобразует вращательное движение в поступательное. При этом, с одной стороны, уменьшается инерционность подвижной части по сравнению с ЭМ, в которых якорь движется прямолинейно. С другой – на одной общей оси можно установить несколько однотипных магнитных систем (модулей), работающих параллельно. В результате этого происходит увеличение результирующего электромагнитного момента, а геометрические размеры электромагнита в плоскости, перпендикулярной оси вращения якоря, не изменяются. Для обеспечения требуемого быстродействия в модульном ЭМ организован принцип пружинно-массовой системы [88].
Так же одним из важных параметров является обеспечение плавности закрытия и открытия клапана, что может быть обеспечено специальным профилем кулачка. При срабатывании электромагнита он давит на клапан, совершая вращательное движение, что, в свою очередь, уменьшает инерционность подвижной части по сравнению с прямоходовыми электромагнитами.
В конструкцию ЭМ входят постоянные магниты. Благодаря создаваемому ими магнитному потоку обеспечивается удержание якоря в крайних положениях без дополнительных затрат энергии. Для переключения якоря в обмотки управления подаются короткие импульсы тока, что существенно снижает среднюю мощность, потребляемую электромагнитом. Поскольку при переключении электромагнита используется принцип резонанса механической системы, то время срабатывания tср составляет половину периода собственной частоты механической системы tср = тс, J М , где J - суммарный момент инерции якоря и механизма, которым управляет ЭМ; к – предельный угол поворота якоря относительно его нейтрального положения; М – момент, созданный торсионной пружиной при угле поворота к.
На рисунке 50 показано расположение электромагнитных приводов поступательного и вращательного типа действия на головке блока цилиндров. Высота головки цилиндров будет определяться высотой привода управляющего клапанами ГРМ, откуда следует, что электромагнитный привод вращательного действия может значительно уменьшить высоту головки цилиндров.
Методика проектного расчета исполнительного электромагнита Проектирование исполнительного электромагнита (ЭМ) состоит в определении конструктивной формы ЭМ по заданным условиям работы клапанного механизма, для которого он предназначен. Затем в зависимости от требуемой величины времени переключения клапана из одного состояния в другое определяются размеры магнитопровода и параметры обмотки управления так, чтобы создать требуемую силовую характеристику электромагнита. Намагничивающая сила обмотки ЭМ должна быть достаточной для создания необходимого магнитного потока, обеспечивающего управление ЭМП. При этом катушка должна обладать такой теплоотдачей, чтобы при всех режимах работы привода ее температура не превышала допустимого значения для принятого класса нагревостойкости изоляционных материалов. Кроме того, ЭМП должен удовлетворять всем специфическим условиям эксплуатации автомобиля. Таким образом, задача проектирования ЭМ состоит из следующих этапов: определение основных размеров и параметров электромагнита.
Для проектирования электромагнита необходимо иметь следующие исходные данные:
1. Параметры и кинематическая схема механизма, для которого предназначен электромагнит, с указанием эксплуатационных условий работы, в том числе, о защищенности от действия окружающей среды (открытый, закрытый, пылеводозащищенный и др.), о вибростойкости, ударостойкости, износостойкости.
2. Противодействующие силы, которые необходимо преодолеть при заданном ходе якоря электромагнита. Обычно устанавливается зависимость величины противодействующей силы от хода якоря или момента от угла поворота, так называемая механическая характеристика. Эту характеристику целесообразно строить с учетом коэффициента запаса по силе.
Моделирование динамики прямоходового поляризованного ЭМП резонансного типа
В работе проведено исследование механической подсистемы привода при управлении импульсами тока разных форм, амплитуды и длительности для реализации требуемого перемещения и заданного времени срабатывания. В программном комплексе OpenModelica выполнено моделирование процесса перемещения якоря при подаче отпускающего импульса в одну обмотку и при подаче импульсов противоположной полярности в обе обмотки. Результаты моделирования приведены на рисунках 58 и 59 соответственно.
Из характеристик, представленных на рисунке 58б, видно, что под действием тормозящего импульса Ри1 якорь начал замедляться и действующего на него суммарного усилия не хватило для того, чтобы переместиться на заданное расстояние 8 мм (от -4 до 4 мм). Не достигнув противоположного полюса, якорь начал двигаться в обратном направлении. При подаче в другую обмотку подхватывающего ускоряющего импульса тока необходимой амплитуды и длительности якорь перемещается на требуемое расстояние за заданное время (рисунок 59б). Структуры моделей механической подсистемы ЭМП, соответствующие каждому из вариантов, представленных на рисунках 57-59, приведены на рисунке 60.
Структуры моделей механической подсистемы ЭМП: а – при управлении суммарной противодействующей характеристикой пружин ЭМП; б – при подаче силового импульса в одну из обмоток; в – при подаче силовых импульсов противоположной полярности в обе обмотки При исследовании механической подсистемы не учитывалось влияние постоянных магнитов, входящих в конструкцию ЭМП. Так как электромагнит является поляризованным, это вносит некоторые изменения в характер управляющих импульсов. Когда якорь находится в одном из крайних положений, притянутым к одному из полюсов ЭМП, он удерживается силой постоянного магнита и для отрыва его от полюса необходимо скомпенсировать не только силу пружины, но также силу постоянного магнита подачей необходимого импульса тока в обмотку. При отрыве якоря и движении его под действием пружины при приближении к противоположному полюсу на якорь начинает действовать сила постоянного магнита, расположенного у этого полюса электромагнита. Под действием этой силы и силы пружины якорь начинает разгоняться, и скорость его посадки на полюс будет превышать скорость, требуемую для обеспечения мягкой посадки клапана. Таким образом для обеспечения заданных динамических характеристик поляризованного ЭМП клапана ГРМ необходимо сформировать в обмотке электромагнита требуемые импульсы тока – «отпускающий» (обеспечивающий отрыв якоря от одного полюса) и «тормозящий» (обеспечивающий подхват якоря к противоположному полюсу с заданной скоростью в конце хода). Дальнейшие исследования направлены на определение параметров математической модели в программе OpenModelica, а также закона управления током в обмотках прямоходового ЭМП.
Работа ЭМП осуществляется под контролем системы управления, которая на основе сигналов датчиков состояния электромагнита и сигналов обратной связи от других систем управления двигателем, при помощи микроконтроллера формирует требуемый сигнал управления ЭМП. Одной из задач настоящей работы является разработка математической модели, позволяющей формировать исходный закон изменения тока в обмотках электромагнита, обеспечивающий заданный режим работы с требуемыми динамическими параметрами, а также формулирование требований и определение начальных параметров токовых импульсов для системы управления ЭМП. Следовательно, в работе будет рассматриваться математическая модель ЭМП, описывающая работу привода при питании его обмоток токовыми импульсами.
Электромагнитный привод представляется в виде подвижной массы (якоря) со встроенными ограничителями по перемещению (блок armature). На якорь действует сила, формируемая блоком force1, учитывающим силы трения, возникающие при перемещении якоря. Данные о перемещении якоря формируются в блоке x_sensor, который представляет собой модель датчика перемещения. Статические характеристики электромагнита Pэм(i,x) реализуются в блоках Р1 и Р2 в соответствии со значениями токов в обмотках i1 и i2. Для расчета статических характеристик ЭМП использовался программный комплекс FEMM 4.2 [95] с использованием скрипта на языке LUA (текст программы приведен в приложении Б2). На основе решения полевой задачи формировались семейства характеристик (i,x) и Pэм(i,x) для дальнейшего использования в программе OpenModelica [97]. Представленный ЭМП содержит два ЭМ (рисунок 51). Каждый ЭМ имеет броневую магнитную систему, которая образована внешним чашеобразным магнитопроводом, концентратором магнитного поля в рабочем воздушном зазоре и удерживающим постоянным магнитом. Общий для обоих ЭМ якорь жестко закреплен на штоке, который своим нижним концом действует на клапан ГРМ. На верхнем конце штока с помощью запорного кольца устанавливается пружина, которая по своим характеристикам идентична клапанной пружине и создает усилие противоположное последней. Под действием этих пружин осуществляется движение якоря и всего клапанного механизма в пределах его хода. Электромагниты удерживают клапан в крайних положениях и обеспечивают требуемый закон его перемещения. Магнитная система электромагнита выполняется из магнитомягкого материала с узкой петлей гистерезиса и соответственно малыми потерями на перемагничивание, поэтому влияние гистерезиса не учитывается [98].
Так как в конструкцию ЭМП входят постоянные магниты, то расчет потокосцепления и электромагнитной силы проводится для диапазона токов от -50 до 50 А. Расчеты проводились для случая, когда ток протекает только в одной обмотке электромагнита. Учитывая симметрию конструкции при переходе якоря через нейтральное положение при одинаковом токе в другой обмотке, сила будет иметь туже величину, но отличаться по знаку. На рисунке 62 приведены результаты расчета магнитного поля ЭМП в программном пакете FEMM [95].
Расчетная область включает в себя якорь, магнитопроводы, постоянные магниты, концентраторы, обмотки и воздух. Обмотки выполнены из медного провода. Якорь и магнитопровод изготовлены из стали марки 10895 (Э), постоянные магниты выполнены из материала SmCo 27 MGOe. Для определения зависимостей потокосцеплений расчетных контуров, соответствующих обмоткам электромагнитов, и усилий, действующих на якорь, были выполнены расчеты распределения магнитного поля при различных положениях якоря
Измерение скорости якоря ЭМП при соприкосновении с полюсом
Для регистрации времени срабатывания, перемещения якоря и скорости в конце хода используется вихретоковый датчик перемещения с разрешающей способностью не менее 0,1 мм и относительной погрешностью 1%. Необходимость в использовании такого преобразователя вызвана ограничением доступа к подвижному элементу электромагнитного привода и малым внутренним объемом. Система сбора данных основана на использовании концепции виртуальных приборов. В качестве блока регистрации сигналов и управления используется ПЭВМ под управлением операционной системой Windows ХР SP2 на основе аппаратно-программной платформы National Instruments «LabVIEW» [108], включающей в себя Labview Fpga Module для обеспечения аппаратной независимости временных интервалов измерения. Для проведения исследований использовался цифровой осциллограф GDS-2064. На
Сигналы, поступающие с датчика перемещения, обрабатываются в модуле измерения перемещения и вычисления скорости. Структурная схема модуля приведена на рисунке 95. Питание электромагнита обеспечивается от устройства управления [70].
Рисунок 95 - Модуль измерения перемещения и вычисления скорости Сигнал, поступающий с датчика перемещения, выводится на графический индикатор перемещения и одновременно поступает на блок дифференцирования. Последний представляет собой комбинацию элементов «вычитание» (для получения разности текущего и предыдущего значения перемещения) и «деление» (для получения непосредственно величины скорости). После этого текущее значение скорости выводится на соответствующий графический индикатор. После остановки процесса обработки сигнала на цифровых индикаторах «Перемещение» и «Скорость» остаются последние величины скорости и перемещения, которые соответствуют моменту срабатывания.
Измерение времени переключения ЭМП проводилось с помощью специализированного стенда (рисунок 94). После подключения выхода датчика перемещения, датчика тока обмотки управления и датчика напряжения обмотки управления к входам измерительного стенда включается питание измерительного стенда и электромагнитного привода клапана. При подаче управляющей команды перевода состояния ЭМП в положение «открыто» были получены осциллограммы перемещения якоря (рисунки 96-98), результаты измерений сведены в таблице
По результатам проведенных экспериментальных исследований проведена оценка адекватности используемых математических моделей. Определялась средняя относительная погрешность по времени срабатывания электромагнита и скорости якоря в конце хода. Оценка проводилась по динамическим характеристикам перемещения и скорости якоря, полученным при использовании математической модели (рисунок 61) в сравнении с результатами экспериментальных исследований. Средняя относительная погрешность по времени срабатывания составила 12%, по скорости якоря в конце хода – 15,5%.
Для исследования теплового режима ЭМП и сопоставления с результатами моделирования на опытном образце привода были проведены экспериментальные исследования по измерению температуры и плотности теплового потока в контрольных точках М\ и М2 (рисунок 85). Для измерения температуры использовался прибор Testo 922 с относительной погрешностью определения температуры S(r [Ml)) = 1 %, для измерения плотности теплового потока - ИТП-МГ4.03/3(1) «Поток» с относительной погрешностью определения плотности теплового потока 8( ДМ2))=6 %.
В ходе эксперимента в обмотке электромагнита поддерживался ток равный действующему значению тока в импульсном режиме и каждые пять минут в течение одного часа записывались показания приборов. Помимо температуры и плотности теплового потока в контрольных точках измерялась также температура окружающей среды, температура в районе клапана, температура верхней и нижней частей привода. Результаты измерений представлены в таблице
Тос – температура окружающей среды; Т1 – температура в районе клапана; Т2 – температура внутри привода; Т3 – температура верхней части привода (корпус); Т4 – температура нижней части привода (корпус); q1 – плотность теплового потока (нижняя часть); q2 – плотность теплового потока (боковая поверхность).
Результаты измерений использованы при разработке тепловой модели поляризованного ЭМП прямоходового принципа действия (раздел 3.4 диссертации). Полученные характеристики T(t) и q(t) показали совпадение с результатами, полученными при моделировании (рисунки 86, 87, раздел 3.4).
По результатам, полученным в ходе экспериментальных исследований, можно сделать следующие выводы:
Проведенные экспериментальные исследования перемещения и скорости якоря опытного образца ЭМП показали его работоспособность и совпадение с результатами моделирования динамических характеристик ЭМП с использованием программного комплекса OpenModelica, что свидетельствует об адекватности разработанных математических моделей и подтверждает корректность предложенных методик, позволивших получить оптимальную конструкцию поляризованного электромагнитного привода.
Экспериментальные исследования теплового режима работы позволили оценить диапазоны изменения температуры и плотности теплового потока в процессе работы ЭМП при питании обмоток током постоянной величины, равной действующему значению тока в импульсном режиме. Полученные результаты совпадают с результатами моделирования.
По результатам проведения экспериментальных исследований подтверждена адекватность разработанных математических моделей. Средняя относительная погрешность по времени срабатывания составила 12%, по скорости якоря в конце хода – 15,5%.
