[發明專利]一種高壓共軌噴油器高速電磁閥動態響應特性計算方法

有效

• 申請號: 202011095626.7
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112231905B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 趙建輝;盧相東
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/30;G06F119/14
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1.一種高壓共軌噴油器高速電磁閥動態響應特性計算方法，其特征是：

(1)對高速電磁閥的電磁場進行網絡拓撲結構的劃分：解析高速電磁閥結構特征推測出高速電磁閥實際工作過程中的磁感線的所有可能流向，包括磁性材料中的磁場分布、磁性材料發生磁飽和時的不同漏磁情況、氣隙中的磁場分布情況、以及在徑向和軸向的磁場分布的區別，并用磁網絡圖進行表達；

(2)求解高速電磁閥的外電路模型部分，外電路特性用電感和電阻組成的RL電路描述，設定高速電磁閥線圈繞組的電阻R_inj，高速電磁閥驅動外電路的電阻R_c，其中線圈繞組的等效電感L_inj的求解表示為：

上式中N為線圈匝數，R_m是系統磁阻，即等效磁網絡的總磁阻，總磁阻通過計算等效磁網絡中各部分磁阻，再根據各磁阻的串、并聯關系求得，各個部分的磁阻計算公式：

上式中l_k是磁路的長度，S_nT是磁路的有效流通面積，u_nT是磁導率，k＝1～n；根據基本電路方程求解該電路：

上式中U是高速電磁閥驅動電壓，R是回路電阻，i是線圈通電電流，N是線圈匝數，φ是單匝線圈中的磁通量；

(3)根據步驟(2)等效磁網絡中各部分磁阻的計算結果，計算得出磁網絡的連支磁通矩陣F_iL0，并利用電路每個環集都有一條只屬于自己的連支的特性，列出等效磁網絡的環集矩陣C，則得到矩陣元磁通矩陣，即高速電磁閥元件磁通矩陣為：

F_iK＝C×F_iL0。

2.根據權利要求1所述的一種高壓共軌噴油器高速電磁閥動態響應特性計算方法，其特征是：步驟(1)中，基于網絡拓撲法對于磁阻元件的劃分，明確區分重要邊界線與材質分界線，在不同磁性材料的交界處，以及磁性材料與空氣的邊界。

3.根據權利要求1所述的一種高壓共軌噴油器高速電磁閥動態響應特性計算方法，其特征是：步驟(2)(3)中，求解高速電磁閥的外電路模型部分，高速電磁閥線圈繞組的電阻R_inj、高速電磁閥驅動外電路的電阻R_c和線圈匝數N根據高速電磁閥具體實際參數值設定，磁性材料的渦流效應用并聯一個渦流等效電感L_e和電阻R_e描述，其值由試驗數據進行擬合獲取。

4.根據權利要求1所述的一種高壓共軌噴油器高速電磁閥動態響應特性計算方法，其特征是：計算等效磁網絡中各部分磁阻的具體方法為：

a)輸入磁阻計算基本結構參數，包括線圈匝數、氣隙、真空磁導率、鐵芯高度、線圈高度、鐵芯內部中空孔直徑、線圈內側直徑、線圈外側直徑、鐵芯下端面靠近銜鐵凹口處直徑、銜鐵直徑、銜鐵厚度，根據網絡拓撲結構劃分的磁路走向與磁感線走勢，計算軸向、徑向、曲向和漏磁各部分磁路面積，當有n部分磁路時，磁路面積矩陣S_nT具體表示為：

其中S₁～S_n為各部分磁路的有效流通面積；

b)設置等效磁網絡的迭代初始磁導率u_nT＝[u₀,u₁…u_n-1,u_n]，其中氣隙部分設置為真空磁導率，非氣隙部分磁導率初值設置為1，輸入以時間t為自變量的高速電磁閥外電路的電壓曲線U，設置計算步長為Δt、計算總時長為t_T，在一個時間步長內，進行c)-d)的磁阻迭代；

c)根據u_nT的值和基本結構參數，運用公式對軸向、徑向、曲向和漏磁各部分磁路等效磁阻計算，獲得等效磁阻矩陣Z_mnT：

根據各磁阻的串、并聯關系計算獲得等效磁網絡的總磁阻R_m，并由公式計算得出線圈繞組的等效電感L_inj，銜鐵的位移導致外電路等效電感的變化，其變化率可以表示為：

上式中v_move為銜鐵的運動速度，u_k和S_k分別為對應銜鐵位置部分的氣隙磁導率和有效流通面積，根據計算得出的L_inj和運用基本電路方程得出等效外電路的電流I，根據線圈匝數N和電流I得出等效磁網絡的磁勢元矩陣F_i；

d)根據等效磁阻矩陣Z_mnT、磁勢元矩陣F_i和環集矩陣C，求取等效磁網絡的連支磁通矩陣F_iL0：

F_iL0＝(C^TZ_mnTC)^-1C^TF_i

則n部分磁路的磁場強度計算公式為：

上式中高速電磁閥元件磁通矩陣F_iK＝C×F_iL0，引入磁化曲線擬合公式，求得n個部分磁路的磁感應強度B(k)，則磁導率將u_nT^*中非氣隙部分的值賦值到對應u_nT中，輸入到步驟c)中重復以上計算，終止條件：若達到終止條件則進行步驟e)；

e)提取磁通矩陣F_iK中對應銜鐵位置的磁通F_a、F_b，則該時間步長內產生的電磁力為：

對高速電磁閥銜鐵運動進行受力分析，構建高速電磁閥的動態響應模型，分析銜鐵受力情況，定義F_force是電磁力，F_fr是銜鐵運動過程中的摩擦阻力，F_mass是銜鐵所受重力，F_spr是彈簧彈力，銜鐵和鐵芯之間燃油液動力F_hyd，取銜鐵向上運動為正方向，求解高速電磁閥的銜鐵運動方程：

上式中，c是阻尼系數，M_arm是銜鐵質量，v_arm是銜鐵運動速度，a_arm是銜鐵運動加速度，x_arm是銜鐵位移，更新參數數據并返回步驟b)進行下一時間步長的計算，直至時間t達到計算總時長t_T，則計算終止；

f)輸出自變量為時間的高速電磁閥銜鐵升程曲線結果。