專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，是一種模擬柴油機(jī)電控燃油噴射高速電磁閥驅(qū)動(dòng)電磁鐵負(fù)載特 性的裝置。
背景技術(shù)：
電磁鐵是當(dāng)前汽車(chē)電控領(lǐng)域應(yīng)用較多的重要執(zhí)行部件，由電磁鐵驅(qū)動(dòng)的高速燃油噴射閥 件是電控柴油機(jī)的關(guān)鍵部件。在電子控制單元ECU設(shè)計(jì)以及老化試驗(yàn)時(shí)，需要以實(shí)際的電磁 閥為負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)，而這類(lèi)高速燃油噴射電磁閥的運(yùn)動(dòng)閥件工作在柴油中，并由柴油提供潤(rùn) 滑，如果將完整的電控柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)搬進(jìn)電子實(shí)驗(yàn)室或ECU老化試驗(yàn)室，占用空間大 且成本較高，特別是在老化試驗(yàn)室，需求量較大，成本因素更值得考慮。
本發(fā)明高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件又能模擬電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性，作為電子 控制單元的實(shí)驗(yàn)負(fù)載，解決了上述問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)計(jì)一種高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置，該裝置由定值電感與功率電阻串聯(lián)組成，電 感模擬電磁鐵的動(dòng)態(tài)時(shí)間特性，電阻消耗驅(qū)動(dòng)電能起到負(fù)載的作用，使得這一電感電阻組成 的負(fù)載回路具有非常接近實(shí)際電磁鐵的驅(qū)動(dòng)電流特性，進(jìn)而可作為模擬負(fù)載替代燃油噴射電 磁鐵進(jìn)行試驗(yàn)，節(jié)省了傳統(tǒng)完整的電控柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)，它體積小，成本低，符合試驗(yàn) 室使用。
具體技術(shù)方案是定值電感(2)通過(guò)螺釘(6)固定在金屬底板(1)上，功率電阻(3) 通過(guò)國(guó)定夾板(5)和螺釘(4)固定在金屬底板(1)上，定值電感(2)與功率電阻(3)串 聯(lián)連接。首先測(cè)出電子控制單元驅(qū)動(dòng)電磁鐵的動(dòng)態(tài)電流曲線，通過(guò)初步計(jì)算確定模擬負(fù)載電 感和電阻的數(shù)值范圍，再通過(guò)試驗(yàn)比對(duì)電磁鐵的動(dòng)態(tài)電流曲線，調(diào)整模擬負(fù)載的電感和電阻 值，最終使得模擬負(fù)載的電流曲線與實(shí)際電磁鐵的電流曲線趨于一致。
本發(fā)明的有益效果高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、試驗(yàn)方便靈活，能夠 滿足大多數(shù)場(chǎng)合試驗(yàn)的需求。
高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置發(fā)明的有關(guān)依據(jù)
1.能量轉(zhuǎn)換
1. 1電磁鐵的能量轉(zhuǎn)換
場(chǎng)的能量是在建立磁場(chǎng)的過(guò)程中，從產(chǎn)生磁場(chǎng)的外電源或其他能源中轉(zhuǎn)化來(lái)的。在線圈 通電時(shí)其電流并不是立即增大，而是逐漸增大至最后的穩(wěn)定值^(/^^E/R， E為外電源的電動(dòng)
勢(shì)，R為回路電阻)。這是因?yàn)?，在建立磁?chǎng)的過(guò)程中，磁通增大會(huì)在線圈內(nèi)感應(yīng)而產(chǎn)生一個(gè) 反電動(dòng)勢(shì)e， e的作用是阻止電流的增大，e的大小正比于通過(guò)各匝線圈的磁通量對(duì)時(shí)間變化率的總和，即
e , a—"
式中A——ffi過(guò)第K匝線圈的磁ffl量(Wb); N——線圈總匝數(shù)。 將上式適當(dāng)轉(zhuǎn)換得
eJf^=—^ (1一2)
『i>* a-3)
w為線圈各匝相交鏈的磁通總和，其定義為線圈的磁鏈，若通過(guò)各匝的磁通相等并等于
0，則^二N0。外電源E在克服這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)程中提供了能量，其能量可從電路方程求 得
￡M =/2i tft +(1-4)
式子中&W代表外電源在A時(shí)間內(nèi)所提供的能量，這個(gè)能量中的PiW/部分轉(zhuǎn)化為熱能， 消耗在回路電阻11內(nèi)，而剩下的一項(xiàng)/^//就代表外電源在^時(shí)間內(nèi)克服反電勢(shì)所供給的能量。 根據(jù)能量守恒定律，如果磁鐵的銜鐵保持不動(dòng)(即不做任何機(jī)械功)，并忽略導(dǎo)磁體內(nèi)的渦流 和磁滯損耗，它就必然代表磁場(chǎng)中增加的儲(chǔ)能。
若線圈電流由零增大到某一值/,，磁通相應(yīng)地由零增加到^，則磁場(chǎng)所獲得的能量^為
『c= J* (1-5) o
如通過(guò)各匝的磁通相等并等于^則得
R= f/卿 (l-6)
如果已經(jīng)通過(guò)磁通計(jì)算求得磁系統(tǒng)的磁化曲線^ = /(W)，或求得其激磁特性^ = /(/)， 如圖2所示，則R正比于圖中的陰影面積。值得指出的是，磁系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)能只和其磁化曲線 的形狀以及最終的^及A有關(guān)，而和其建立過(guò)程中電流(或磁通)隨時(shí)間增長(zhǎng)的快慢無(wú)關(guān)。
^也可以用其他形式表示，例如當(dāng)磁系統(tǒng)中鐵磁材料并不飽和時(shí)(或者在空心線圈時(shí))， "或^)與/的關(guān)系為線性，則式(1-5)式可以轉(zhuǎn)化為下列形式
『c=> (1-7)
^會(huì)/!繩 (1-8)
在磁材料不飽和時(shí)，^(或W)與z'的比例系數(shù)就是線圈的電感L，即
L^(或b歷) (1—9)
4顯然，若y與；的關(guān)系為非線性，則L不是常數(shù)。但是若^/-/的關(guān)系為線性，則L為常數(shù)。 因此，可用下式計(jì)算磁能^(J):
『,丄"2 (1-10) c 2
以上討論了電磁鐵的銜鐵保持不動(dòng)時(shí)，電能與磁能的轉(zhuǎn)化關(guān)系。
下面推導(dǎo)當(dāng)銜鐵在電磁吸力的作用下移動(dòng)一個(gè)距離而作機(jī)械功時(shí)，電能、磁能和機(jī)械功 之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
若主工作氣隙為《時(shí)的激磁特性^ = /(/)如圖3所示，當(dāng)線圈電流為/,時(shí)，線圈磁鏈為 K。此時(shí)磁系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)能為『d，『d正比于面積4^，艮P
『cl= h《 (WD
0
若此時(shí)作用于銜鐵上的電磁吸力使工作氣隙減小，又假設(shè)銜鐵在該吸力的作用下移動(dòng)一個(gè)微
小的距離A/，此時(shí)氣隙將由《減小為^，而厶/=《-&。在銜鐵移動(dòng)的過(guò)程中，保持線圈電 流不變，則由于氣隙減小，磁阻減小，磁路中的磁通和線圈磁鏈將會(huì)增大。當(dāng)5 =《時(shí)，磁 鏈為^， ^可由3 =《時(shí)的^/ = /(/)求得，如圖3所示，在銜鐵移動(dòng)的過(guò)程中，磁系統(tǒng)又要 從電源內(nèi)吸收一部分能量，用『 表示，則
l = JW = 4M (HI)
即^;正比于圖3的4。M。
至此，磁系統(tǒng)由外電源總共吸收了^,+^2的能量。顯然，這些能量不是都儲(chǔ)藏在磁系 統(tǒng)內(nèi)。因?yàn)樵阢曡F移動(dòng)的過(guò)程中，電磁吸力作了一定的機(jī)械功，因此必然有一部分磁能轉(zhuǎn)變
為機(jī)械能。實(shí)際上，當(dāng)氣隙為&,磁鏈為^2時(shí)，儲(chǔ)藏在磁系統(tǒng)內(nèi)的磁能為)^2，而^2 = 4^。 因此，電磁吸力所作的機(jī)械功AW即可根據(jù)能量守恒定律由下式確定 △『=『d—R2 =《e +4。M —j。M = 4。A,即A『正比于圖2中的陰影面積。
電磁鐵工作的過(guò)程中電能轉(zhuǎn)化了機(jī)械能，那么模擬裝置中能量是如何轉(zhuǎn)化的呢，下面分 析模擬裝置中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系。
1. 2高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置中的能量轉(zhuǎn)換
在模擬裝置中，定值電感串聯(lián)一定的功率電阻,的形式，整個(gè)裝置的電阻為Rs^R+i '， 因?yàn)殡姼兄荒軐?duì)非穩(wěn)恒電流起作用，這時(shí)(1-4)式與(1-10)式分別應(yīng)為
= z'2R總tft + Wy/' (1—12)
,=會(huì)丄/2(/) (1—13)
(l-12)式子中&A代表外電源在A時(shí)間內(nèi)所提供的能量。這個(gè)能量中的/21^^全部轉(zhuǎn)化為熱 能，消耗在回路電阻R內(nèi)，而剩下的一項(xiàng)/^//就代表外電源在&時(shí)間內(nèi)克服反電勢(shì)所供給的 能量。根據(jù)能量守恒定律，它就必然代表磁場(chǎng)中增加的儲(chǔ)能。(l-13)式表明，電感元件在任一
5時(shí)刻的儲(chǔ)能，只取決于該時(shí)刻電感元件電流的值而與電感元件的電壓值無(wú)關(guān)。只要電感電流 存在它就存在儲(chǔ)能。這時(shí)(1-12)式中的W^就和『(0相等了，其實(shí)他們表示相同的意義。這 時(shí)可以得到
￡M = /211一 +(1-14)
從時(shí)間&到t2電感元件吸收的磁能為
『=PT(,2)-『(0 (1-15) 當(dāng)電流m增加時(shí)，『>0，故在這段時(shí)間內(nèi)電感元件吸收能量；當(dāng)電流|/| 減小時(shí)，，『<0，電感元件釋放能量到回路中(此部分的能量也由串聯(lián)的功率 電阻吸收)?？梢?jiàn)，電感元件不消耗能量，電感只是一種儲(chǔ)能元件。因此高速電磁鐵負(fù)載模擬 裝置在工作的過(guò)程中所消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為了熱能。
由此可以看出電磁鐵和高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置在工作的時(shí)候都消耗了能量，電磁鐵消耗 的電能轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能，高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置消耗的電能轉(zhuǎn)化為了熱能。且兩者消耗的 能量近似相等，這使高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置的電流曲線更接近電磁鐵的實(shí)際曲線。
2.電流曲線
2. 1電磁鐵工作時(shí)的電流曲線
不論何種方式的電磁鐵，作為高速開(kāi)關(guān)閥的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，電磁鐵總是一個(gè)帶鐵心的線圈，
具有一定的電感值。當(dāng)加上電壓t/后，線圈中的電流不能躍變到穩(wěn)態(tài)的乙(/w=t//i ， R為 線圈回路內(nèi)的電阻值)，而是隨時(shí)間按一定的規(guī)律上升，如圖4所示。線圈電流增長(zhǎng)到/^所 需時(shí)間^，稱(chēng)為吸合觸動(dòng)時(shí)間。當(dāng)線圈電流增長(zhǎng)到/^后，電磁鐵吸力將大于電磁鐵所受反 力，銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到最后達(dá)到閉合位置所需的時(shí)間^，稱(chēng)為吸合運(yùn)動(dòng)時(shí)間。
所以電磁鐵的固有吸合時(shí)間^包括兩部分
"、 (2-1)
式中^——吸合觸動(dòng)時(shí)間；^——吸合運(yùn)動(dòng)時(shí)間。
當(dāng)線圈加上直流電壓t/以后，其電流(磁通)增長(zhǎng)的過(guò)渡過(guò)程可以由電壓平衡方程求得，
即
f/"7 + ， (2一2)
式中C/為線圈電流電壓(V);i為線圈電流(A);R為線圈回路總電阻(Q) ; ^為線圈總的磁鏈 (Wb);t為通電時(shí)間(s)。當(dāng)銜鐵處于打開(kāi)位置，并且電流又不是很大時(shí)，磁路一般并不飽和， 則可以認(rèn)為線圈電感1^^///常數(shù)，則電壓平衡方程可以寫(xiě)為
"=/風(fēng)業(yè) (2-3)
解之得
二
/ = /w(l-e—7) (2-4) 式中乙——線圈的穩(wěn)態(tài)電流值(A)， /w=C//i ;
6T-
-線圈的時(shí)間常數(shù)(S)，T《/R
可見(jiàn)，電流按指數(shù)曲線上升，如圖4所示，如果線圈電流到達(dá)/^后，銜鐵仍保持不動(dòng)， 則電流將按圖4中的曲線2上升到穩(wěn)態(tài)值乙。
銜鐵運(yùn)動(dòng)后，電流不再按式(2-4)的指數(shù)曲線上升。因?yàn)殂曡F運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，氣隙減小，磁 通增大，而磁通的變化將在線圈內(nèi)感應(yīng)而產(chǎn)生一個(gè)反電勢(shì)。這個(gè)反電勢(shì)和線圈的自感電勢(shì)共 同阻止線圈電流的增長(zhǎng)。此時(shí)，由于線圈電感在變化，電路的電壓平衡方程將不同于式(2-3)， 而是如下
〃廠
(2-5)
等式右邊的第二項(xiàng)為自感電勢(shì)，而第三項(xiàng)即為電感變化時(shí)的反電勢(shì)。因此，電流的增長(zhǎng) 規(guī)律將低于式(2-4)的指數(shù)曲線，并且隨著銜鐵速度的增加，反電勢(shì)就愈大，兩者的差別就愈 大，電流甚至不一再上升反而下降，如圖4中曲線1中^B段所示。B點(diǎn)的位置與銜鐵運(yùn)動(dòng)的 速度有關(guān)。速度愈大，B點(diǎn)就愈低。到達(dá)B點(diǎn)，銜鐵已閉合，氣隙不再變化，線圈電流又近 似按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，但這時(shí)線圈的時(shí)間常數(shù)已不同于銜鐵打開(kāi)時(shí)的電時(shí)間常數(shù)，因?yàn)殡姼凶?大了。
在電磁鐵中，存儲(chǔ)的大部分能量轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能供銜鐵運(yùn)動(dòng)做功，極小部分能量又釋放 到回路中轉(zhuǎn)化為熱能。電磁鐵工作時(shí)能量的消耗(機(jī)械功)反映在圖4的動(dòng)態(tài)曲線1與曲動(dòng) 態(tài)曲線2不同的增長(zhǎng)變化上。用功率電阻消耗驅(qū)動(dòng)電能起到電磁鐵負(fù)載的作用，使得這一電 感電阻組成的負(fù)載回路具有更接近實(shí)際電磁鐵的驅(qū)動(dòng)電流特性. 2.2.高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置工作時(shí)的電流曲線 因?yàn)檎麄€(gè)裝置的電阻為Re =R+i '，這時(shí)(2-3)式就變成了
<formula>formula see original document page 7</formula>
解之得
令/:,= 7/11總則
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中/w——線圈的穩(wěn)態(tài)電流值(A)， / T——線圈的時(shí)間常數(shù)(s) ， T-L/R
<formula>formula see original document page 7</formula>由式(2-8)可知，線圈中電流也是按指數(shù)增長(zhǎng)的，這正是高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置可以模 擬電磁鐵工作的依據(jù)，通過(guò)正確選擇功率電阻和定值電感就可以使高速電磁鐵模擬裝置的電 流曲線接近曲線3，曲線3位于曲線1與曲線2之間而更偏向曲線1，更接近電磁鐵工作的實(shí) 際曲線，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。


圖1一高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 l.金屬底板，2.定值電感，3.功率電阻，4、 6.螺釘，5.國(guó)定夾板 圖2——磁鏈與電流的關(guān)系圖
橫軸i表示電流，縱軸^表示磁鏈，^.某一時(shí)刻的電流，w電流為A時(shí)所對(duì)應(yīng)的磁鏈， R.電流/,時(shí)的磁場(chǎng)能量。
圖3一電磁鐵的能量轉(zhuǎn)換圖
橫軸i表示電流,縱軸y表示磁鏈，51、 52.電磁鐵的工作氣隙,且M〉32,/,.某一時(shí)刻的 電流，w電流為/,時(shí)，工作氣隙為51所對(duì)應(yīng)的磁鏈，^.電流為A，工作氣隙為52所對(duì)應(yīng) 的磁鏈。a、 b是電流為/,時(shí)工作氣隙分別為Sl， 52時(shí)所對(duì)應(yīng)的激磁特性曲線上的兩點(diǎn)，c、 d分別是a， b所對(duì)應(yīng)的縱軸上的兩點(diǎn)。4。A.電磁鐵工作時(shí)所做的機(jī)械功。
圖4——線圈電流增長(zhǎng)曲線圖
橫軸t表示時(shí)間，縱軸i表示電流.
曲線1.電磁鐵的實(shí)際電流曲線圖
曲線2.銜鐵沒(méi)有運(yùn)動(dòng)吋的電流曲線
曲線3.高速電磁鐵模擬裝置的電流曲線
乙.銜鐵的吸合觸動(dòng)時(shí)間，
C.銜鐵的吸合運(yùn)動(dòng)時(shí)間，
G.銜鐵的固有吸合時(shí)間，
乙.電流的峰值，
.銜鐵運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流。
A， B分別為銜鐵運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流曲線上的兩點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
附圖1所示，定值電感(2)通過(guò)螺釘(6)固定在金屬底板(1)上，功率電阻(3)通 過(guò)螺釘(4)和國(guó)定夾板(5)固定在金屬底板(1)上，定值電感(2)與功率電阻(3)串聯(lián) 連接。
以下按優(yōu)選事例說(shuō)明實(shí)施辦法。 a.功率電阻的阻值與功率的確定
根據(jù)電磁鐵實(shí)際電流曲線的最大值乙.和所使用的電壓f/來(lái)確定功率電阻的阻值，功率電 阻的阻值應(yīng)為及'=[//乙-及，其中i 為回路電阻(i '除外)，根據(jù)具體需要功率電阻的阻值可 適當(dāng)小于,，這樣可以通過(guò)軟件利用pwm控制峰值電流。根據(jù)電磁鐵的電流和占空比計(jì)算功 率電阻應(yīng)該滿足的功率要求，其功率為
『="7為電磁鐵工作一個(gè)周期的平均電流，r。為電磁鐵工作的周期。 一般應(yīng)功率選擇應(yīng)為『的兩 倍。
b.模擬裝置中定值電感的選擇
定值電感的絲徑應(yīng)滿足所需功率的要求，定值電感電感量選擇應(yīng)先測(cè)試出電磁鐵斷電時(shí) 的電感值l，因?yàn)殂曡F在運(yùn)動(dòng)時(shí)電磁鐵的電感量會(huì)增大，選擇的定值電感的感量應(yīng)大于電磁
鐵斷電時(shí)的靜態(tài)感量，分別選擇1.5l、 2l、 2.5l、 3l的定值電感與計(jì)算好的功率電阻串聯(lián)測(cè) 試并記錄工作時(shí)的電流曲線，選擇最接近圖4曲線1的電流曲線所對(duì)應(yīng)的定值電感作為基準(zhǔn) 再細(xì)分電感值，再和曲線l進(jìn)行比較，選擇位于曲線1和曲線2之間而偏向曲線1的曲線3 所對(duì)應(yīng)的電感作為模擬裝置中的定值電感和功率電阻串聯(lián)連接。
選定的定值電感模擬電磁鐵的動(dòng)態(tài)時(shí)間特性，選定的功率電阻消耗驅(qū)動(dòng)電能起到模擬電 磁鐵負(fù)載的作用，使得這一電感電阻組成的負(fù)載回路具有非常接近實(shí)際電磁鐵的驅(qū)動(dòng)電流特 性，進(jìn)而可作為模擬負(fù)載替代燃油噴射電磁鐵進(jìn)行試驗(yàn)。它具有成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，試驗(yàn)方 便靈活的特點(diǎn)。高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置不僅用于代替電子控制單元對(duì)燃油噴射電磁鐵的驅(qū) 動(dòng)實(shí)驗(yàn)，還可用于其它模擬功率電磁鐵負(fù)載的場(chǎng)合，是一個(gè)良好的多功能裝置。
9
權(quán)利要求
1.一種高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置，其特征是由固定電感、功率電阻組成，固定電感和功率電阻采用串聯(lián)方式連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置，其特征是固定電感和功率電阻的選擇依據(jù)是固定電感和功率電阻組成的負(fù)載回路的驅(qū)動(dòng)電流曲線與被模擬的電磁鐵的驅(qū) 動(dòng)電流曲線相一致。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置，其特征是固定電感與功率電阻固定 在金屬底板上。
全文摘要
本發(fā)明屬于發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，是一種高速電磁鐵負(fù)載模擬裝置，該裝置由定值電感與功率電阻串聯(lián)組成來(lái)模擬高速電磁鐵運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的電特性。本發(fā)明通過(guò)合理的選擇電感的感量與電阻的阻值，由電感模擬電磁鐵的動(dòng)態(tài)時(shí)間特性，電阻消耗驅(qū)動(dòng)電能起到負(fù)載的作用，使得這一電感電阻組成的負(fù)載回路具有非常接近實(shí)際電磁鐵的驅(qū)動(dòng)電流特性，可作為模擬負(fù)載替代燃油噴射電磁鐵進(jìn)行各種電控單元的試驗(yàn)，還可用于其他模擬功率電磁鐵負(fù)載的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H01F7/18GK101620914SQ20091020315
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月6日
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