电磁场响应范文

电磁场响应范文（精选5篇）

电磁场响应 第1篇

本文以双活塞式液压自由活塞发动机作为对象, 其与传统内燃机相比, 压缩比可以实现瞬变和逐循环改变。如果压缩能得不到精确的控制, 就会影响到压缩比。而大流量快速响应电磁阀正是直接控制压缩能的关键, 通过控制此阀的开启过程和开启时间, 达到控制压缩能的目的。而且电磁阀必须具有快速响应的能力, 根据指令快速产生满足要求的流通面积, 避免较大的压力损失。

本文提出的大流量快速响应电磁阀要达到的要求是:内部无偶件、足够的驱动力、能够快速开启以及一定条件下有大流量供给液压油能力。大流量快速响应电磁阀由起衔铁作用的圆柱型块和顶针 (两者构成动铁) 、小阀片, 大阀片和复位弹簧等构成, 原理图如图1所示。在小阀片和顶针之间存在自由间隙h, 称为自由升程。动铁通过电磁力获得初速度, 此时在弹簧复位力和液压力作用下大、小阀片处于关闭状态;当h=0时, 顶针撞击打开小阀片, 高压液压油开始进入液压腔;动铁带动小阀片一起向上运动, 撞击打开大阀片, 液压油开始大量流入液压腔, 动铁、小阀片和大阀片继续一起向上运动, 直到两个阀片开启过程结束, 即大流量快速响应电磁阀的开启过程结束。断电后, 大、小阀片在小弹簧复位弹簧力作用下带动动铁一起向下运动, 同时动铁受到大弹簧复位弹簧力, 直到大、小阀片落座, 供油停止;然后, 动铁在惯性和大弹簧复位弹簧力的作用下与小阀片分离并继续向下运动, 直到与大流量快速响应电磁阀体内部的止口接触, 大流量快速响应电磁阀回到复位状态。

本文利用三维电磁仿真软件MAXWELL建立电磁仿真模型。

1 电磁阀结构

大流量快速响应电磁阀是电磁直接驱动针阀, 结构采用吸入式螺线管结构, 包括导磁套, 复位弹簧, 电磁铁 (包括静铁芯、衔铁、线圈) , 隔磁套。动铁既是导磁体又是阀片运动的执行体, 因此材料既要保证高的导磁率也要保证一定的机械强度。当线圈断电时, 阀片在弹簧预紧力和液压油压力作用下紧压住阀座, 关闭油道出口;当线圈通电时, 电磁力吸引动铁向上运动, 与阀片碰撞接触后带动阀片运动, 从而打开电磁阀供油。

2 电磁场有限元建模

将矢量磁势位函数A和标量电势位函数Ф的概念引入, 基于麦克斯韦方程组对电磁场作瞬态有限元分析, 得出电磁场的瞬态独立磁场和电场偏微分方程:

因此电磁场有限元计算的核心是求得磁场各处的矢量磁位A, 进而得到相应的磁场磁感应强度和磁场强度分布。对于低频驱动或绞线类导体, 可以忽略涡流的产生, 矢量磁势及标量电势位函数二阶导数为零。电磁场解算以计算电流为起点, 如果激励是外部电压或外部电路, 由于其电流未知, 要假设一初始电流, 解算得出磁场分布, 从而得到相应的反向电动势, 代入电路方程看是否满足相应的电压约束条件。电磁场方程与电路方程反复迭代, 直至满足相应的电压约束, 从而解出磁矢量A和励磁电流, 得到所需的磁场的分布。根据虚拟功原理方程和运动物体的机械运动方程即可获得相应的电磁力及运动状态。根据快速响应电磁阀的结构, 通过MAXWELL3D (即电磁三维有限元软件) 建立如图2的电磁仿真结构模型。

由于其对称结构, 所以采用其1/4模型计算。将衔铁简化为等质量的有孔圆柱体, 将弹簧力施加在运动的衔铁上, 相对电磁力很小的摩擦力和粘性阻尼可以忽略。由于在一定的位置出现碰撞, 在接近碰撞位置处采用变步长计算。采用电铁材料制作电磁阀的衔铁、静铁以及阀体, 使用不锈钢材料作隔磁套。激励采用外电路驱动, 可设置单脉冲驱动或PWM驱动。电磁计算采用奇对称边界条件, 选用瞬态解算器得出电磁阀的磁场的分布变化及衔铁的电磁力和位移等运动的时域变化曲线。

3 大流量快速响应电磁阀响应特性仿真研究

3.1 线圈匝数的影响

在其它结构参数及驱动电流相同时, 电磁力的静态特性使得线圈匝数增加提高磁势, 促进电能与磁能的转换。从动态特性讲匝数增加会导致线圈电感及电阻的增大, 减缓电流的上升速度, 从而影响电磁力上升速度。为了在不减少电磁力的前提下电磁力的响应速度得到明显提升, 线圈采用并联绕制。匝数较少时, 电阻和电感都较小, 加快电流上升速度, 对提高电磁力响应速度有利。

从能量损耗的角度讲, 要考虑线圈的热量损耗, 减少温升。匝数少的线圈, 电流快速增大, 电磁阀产生的热量也随之增大, 从而缩短使用寿命。

图3是三种不同线圈匝数 (线径1mm) 的脉冲2ms动态电磁力和电流的响应曲线。从图中看出随匝数线圈减少, 其电磁力与电流以及电流上升响应速度都显著提高, 但其电磁力的衰退速度相对略低。

3.2 高压源压力的影响

从电磁阀的工作原理来看, 高压源压力对于小阀片的开启响应时间没有太大影响, 而是对小阀片的开启后的过程有影响, 进而影响到电磁力的上升速度, 最终对电磁阀实现大流量供油响应时间产生影响。

4 结论

1) 通过电磁仿真研究表明:线圈匝数的合理选择, 可以调节和优化电磁阀的响应特性。在其它参数相同的条件下, 电流的上升速率随着线圈匝数的增加而下降, 在一定时间内, 电流所能达到的最大值下降, 电磁力上升速度下降, 在自由升程阶段所需时间增大, 由于电磁阀的设计原理是基于碰撞, 所以碰撞时, 动铁所能达到的速度越大。

2) 高压源压力基本不影响小阀片的开启响应, 而影响阀片的关闭响应, 随着高压源压力的升高, 电磁阀关闭响应速度加快。

参考文献

[1]杨华勇, 夏必忠, 傅新.液压自由活塞发动机的发展历程及研究现状[J].机械工程学报, 2001, 37 (2) .

[2]朱涛, 汪洋, 熊仟, 张中.液压自由活塞发动机性能模拟的参数化研究[J].机械科学与技术, 2011, 30 (6) .

电磁场响应 第2篇

利用有限元法实现了任意方向偶极子源在二维介质中频率域电磁响应的数值模拟,研究了波数取值对模拟结果的影响.通过对构造走向的Fourier变换,将全三维电磁问题,转化为一系列二维问题,并在波数域求解,极大地减小了计算工作量,导出了波数域耦合适用于二维电性介质中任何方向电或磁偶极子响应计算的电磁场方程.针对每个给定的波数,上述耦合电磁场方程用等参有限元方法在x-z平面内求解.采用Fourier逆变换,将波数域解积分,得到空间域电磁场.针对电磁模拟计算中,源点的奇异性,采用具有一定面积的`伪δ函数表达源电流分布,使数值解精度得以提高.另外,采用等参有限元,使地下复杂地质体得到准确表达.利用不同波数值对均匀介质与层状介质的模拟结果与解析解的对比,验证了算法的正确性与精度.利用层状介质模型的解析解与数值计算结果的对比,分析了波数的优化取值范围及取值点数对数值模拟结果的影响,考察了算法对非均匀介质的适应性.

作 者：沈金松 孙文博 SHEN Jin-song SUN Wen-bo 作者单位：沈金松,SHEN Jin-song(中国石油大学,资源与信息学院,地球物理系,北京,102249;中国石油集团公司,物探重点实验室,北京,102249)

孙文博,SUN Wen-bo(中国石油大学,资源与信息学院,地球物理系,北京,102249)

电磁场响应 第3篇

航空瞬变电磁勘探近年来大多实现了多分量、多方法同时采集(例如同时采集磁法及瞬变电磁z分量及x分量),如加拿大GEOTECH的VTEM,丹麦Aauhus大学的SkyTEM等。地面仪器除了GEONICS的三分量瞬变电磁仪外,ZONGE公司也开发了三分量瞬变电磁仪,并在UXO(未爆炸武器)探测中进行了试验[7]。我国也有不少学者及物探工作人员对瞬变电磁场水平分量的理论及应用进行相关研究[6,8,9,10]。本文主要研究典型地质断面瞬变电磁场水平分量的响应特征及其在生产中的应用。

1中心回线装置的水平分量

理论上,均匀半空间或水平层状地层在发射线框中心处的二次磁场水平分量为0,这是由于水平分量接收线圈位于地下瞬变电磁响应的无感应角位置[6]。当地下介质不满足一维假设条件时,其水平分量不再为0,据此可以推断地下不均匀体的赋存情况及地层的产状等。

瞬变电磁勘探的很多目标地质体(如断层、金属矿矿化带等)大多可以用板状导电体来模拟,利用EMIT MAXWELL软件可以计算出各种板状导体的三分量响应[11]。几种简单模型的计算结果如下。

1.1直立导电厚板

板状体走向长400 m,向下延深100 m,厚10 m,埋深50 m,电导率10 s/m。垂直于板状体走向、过板状体的地面投影中心的主测线上的z、x分量响应如图1所示,其垂直分量dB/dtz在多测道剖面上呈双峰异常,板状体正上方为极小值,剖面图关于过中心点纵轴呈轴对称;水平分量dB/dtx多测道剖面在目标体正上方为0,左右两侧分别出现正负极值,整个剖面图关于中心点呈中心对称。此类响应如果单纯从垂直分量剖面来看,很难判断是由单个地质体还是两个地质体引起的异常。

1.2水平导电厚板

板状体长300 m、宽60 m、厚20 m,埋深70 m,电导率5 s/m。垂直于水平板状体走向、过板状体的地面投影中心的主测线上的z、x分量,z分量呈宽幅单峰异常,极大值点对应板状体中心点在地面的投影位置;x分量从负极大值变化到正极大值,正、负极大值位于导体左右边界附近,而正、负极大值中间过渡的0值点对应板状体的中心(图2)。

1.3倾斜导电厚板

板状体长300 m,宽60 m,厚5 m,埋深60 m,电导率5 s/m,倾角45°。该板状体在主测线上的瞬变电磁垂直分量及水平分量剖面如图3所示。其垂直分量剖面呈不对称的双峰异常。可以看出,位于板状体的倾向一侧的极大值大于另一侧极大值。水平分量剖面出现2个负极值点和1个正极值点。板状体顶点在地面的投影位置接近垂直分量两极大值中间的极小值点及水平分量的1个0值点。

2大回线源装置的水平分量

在使用大回线源装置时,因不同测点在发射线圈中所处的相对位置不同,激励场也就不同,其水平分量及垂直分量响应都较中心回线装置更为复杂。Kaufman计算的均匀半空间条件下过大回线发射线框中心、平行于一侧边框的测线上,在t=2.2 ms的水平分量及垂直分量的响应剖面如图4所示[11]。垂直分量剖面呈关于中心轴对称的弧形,中心点为极大值点;水平分量在中心点为0,两侧关于此点呈中心对称,符号相反,随着距中心点距离的增加,在发射框内其绝对值逐渐增大。

与此不同,在均匀半空间或水平层状地层条件下,中心回线装置剖面上其水平分量均为0,即与x轴重合;垂直分量为平行于x轴的直线。均匀半空间大回线源水平分量平面图如图5所示。

需要说明的是,图中t=1 002 μs,ρ=20 Ωm,发射磁矩M=500400 m28 A。可以看出,如果以线框中心为坐标原点(0,0),测线方向平行于一侧边框(y轴),图5(a)中,在y轴上,x分量为0,从y轴向两侧,等值线值的绝对值增大,两侧形态关于y轴对称,同一测线上(x坐标相同)x分量值基本相同;图5(b)中,x轴上,y分量为0,从x轴向上、下等值线值的绝对值增大,形态关于x轴对称,同一测点号(y坐标相同)y分量值基本相同[6]。

事实上,当采用圆形或正方形发射线圈时,均匀半空间的2个水平分量(即x分量与y分量)的响应规律是一致的,尤其是在采用圆形大回线时,水平分量等值线呈以发射线框中心为圆心的同心圆状。这种规律是由于在大回线发射框中不同位置的激励场分布不一致造成的,并非地下地质体的反映,在实际资料的处理与解释时应该剔除。剔除了因场源不均匀影响造成的异常后,对同样的地质体,可以得到和中心回线装置一致的响应特征。

当采用均匀网状格式布设测点时,通过测量两个正交方向的水平分量,就可以计算出其他任意方向的水平分量值。这在当地下地质体产状变化较大、无法满足垂直地质体走向布设测线时更为有用。

3应用实例

河南某煤矿在开拓过程中发生突水导致停产。为了恢复生产,矿方决定利用瞬变电磁勘探查明突水水源及导水通道,然后对地下导水通道进行注浆封堵,隔断水源与采煤工作面的联系,以避免煤矿开采中的水害威胁。

瞬变电磁法施工采用PROTEM 67D型瞬变电磁仪,利用大定源装置,在回线内接收信号,发射线框采用400 m500 m单匝矩形回线,测线平行于发射线框纵边,接收线圈采用仪器配套线圈(等效接收面积200 m2),进行三分量(1个垂直分量、2个水平分量)数据采集,发射频率为6.25 Hz,发射电流为20 A。

通过试验及计算区内平均电阻率,估计t=1 002 μs的响应在目标层位附近。通过计算线框内各测点在水平层状地层的水平分量响应,由实测的水平分量减去均匀地层响应,便得到地下不均匀地质体引起的纯异常。t=1 002 μs时的水平分量纯异常平面图如图6所示。图6中等值线为实测磁感应强度变化率 ∂B/∂t(水平分量),单位为nV/m2。在均匀半空间或水平层状介质情况下,如果标准响应值计算合理且正确,则纯异常平面上应均为0。图6(a)中:有一半测点位置在0值左右(图中白色填充区域),这说明标准响应值计算基本正确,同时说明在x方向上地层变化相对较小,局部的非零异常区反映了目标层位附近x方向地层电阻率的变化;图6(b)中:大部分区域仍不为0,这说明在y轴方向上,地层和水平层状介质有较大差异,这是因为y轴方向垂直于地层的走向。

将x分量纯异常等值线放于采矿工程布置平面图上(图7),由图7可以看出,非0值异常区主要集中在2个区块,即图左下侧斜虚线填充的正异常区和图右侧呈纵向的水平实线填充的负异常区,其余部分均在0值左右。分析研究已知资料可知,左下侧位于综采工作面内,有综采设备和各种配套设施,另外该采面已有部分区段被开采,且又被水淹没,导致该区段同周边相比呈现明显的电性差异,应该是形成该异常的原因。右侧的负异常区段距离F3和F54断层较近,分析应为断层造成岩层破碎充水,即岩层富水区反映,也即本次淹井的主要水源。F3与F54断层倾角较缓,且均向综采工作面方向倾斜,导致煤层与下部灰岩含水层之间隔水层厚度变薄,在巷道掘进及煤层开采后,由于高水压作用,部分地段底板被破坏,使断层带及下部灰岩水沿破碎、裂隙带涌入采面内。在200线120,160,220号点处,等值线均向采面方向凸出,应为采面突水的导水通道赋存位置。采面上方(西北方向),等值线均在0左右,推测该地段地层相对稳定,不富水。

根据以上分析,建议矿方分别在200线120,160,220号点处布设钻孔,对瞬变电磁成果进行验证。矿方在物探成果提交后组织了钻孔验证和注浆堵水,历时近3个月,堵水全面成功,钻孔及注浆堵水资料均证实瞬变电磁资料准确可靠。

4结论与建议

(1)分析中心回心装置的瞬变电磁勘探数据水平分量,可以帮助确定目标地质体的产状,也可以为定量解释提供更准确的初始模型。

(2)受发射源位置不同的影响,大回线源装置的垂直分量及水平分量响应都比中心回线装置复杂,但可以通过计算去除发射源位置的影响,得出与中心回心装置类似的响应。

(3)瞬变电磁场三分量的处理、解释都还处于起步阶段,但可以预见的是,利用分析三分量资料得出的初始模型,通过设定反演的约束条件,可有效缩短多维反演消耗时间并减少等值解,使瞬变电磁资料的多维反演更具实用性及可行性。

摘要：随着瞬变电磁勘探应用范围的扩大及研究程度的不断加深,其电磁场水平分量的应用越来越受到重视。列举了利用MAXWELL软件模拟的典型地质模型的瞬变场中心回线装置水平分量响应特征;分析计算了大回线源装置水平分量的响应规律;利用实例说明综合利用瞬变电磁多分量资料可以提高地质解释精度。

关键词：瞬变电磁法,电磁场水平分量,异常特征

参考文献

[1]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:中南大学出版社,2007.

[2]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社,1998.

[3]KAUFMAN A.A,KELLER G.V.频率域与时间域电磁测深[M].王建谋,译.北京:地质出版社,1987.

[4]米萨克N.纳比吉安.勘查地球物理电磁法[M].赵经祥,译.北京:地质出版社,1992.

[5]韩自豪,魏文博,张文波.华北煤田瞬变电磁勘探深度研究[J].地球物理学进展,2008,23(1):237-241.

[6]韩自豪.磁性源瞬变电磁场水平分量响应特征及应用[D].北京:中国地质大学(北京),2009.

[7]ZONGE K L,CARLSON N.The utility of horizontal component measurements in random-walk TEM surveys[R].Tucoson:Zonge Engineering&Research Organization Inc,2002.

[8]谭劭聪,王鹤,席振铢,等.瞬变电磁法三分量联合处理与解释[J].中国有色金属学报,2012,22(3):910-914.

[9]席振铢,刘剑,龙霞,等.瞬变电磁法三分量测量方法研究[J].中南大学学报:自然科学版,2010,41(1):272-276.

[10]刘金涛,顾汉明,胡祥云.瞬变电磁法三分量解释剖析[J].人民长江,2008,39(11):114-116.

电磁场响应 第4篇

1 静态效应的产生机制

在层状介质中, 电磁场沿水平方向分布, 感应电流也总是沿水平方向流动, 但是浅层不均匀体改变了介质电阻率的均匀性, 从而也改变了介质中水平方向电流密度的均匀性, 致使在浅层中不均匀体周围引起电流或密集或稀疏分辨的畸变现象, 导致地表观测电场分量的突然增强或突然减弱。

2 正演模拟

构建一个均匀半空间模型, 长7km、深3km, 背景电阻率为100Ωm, 点距0.5km。里程1.975km~2.025km有一50*50m非均匀体, 电阻率为10Ωm, 盖层厚度10m;里程4.75km~5.25km处有一500*500m的地质异常体, 电阻率为10Ωm, 盖层厚度500m。并取位置分别在0km (point1) 、2km (point2) 、5km (point3) 3个典型测点做大地电磁测深曲线响应分析。

图1是0Km、2Km、5Km的视电阻率测深响应曲线。由图1可以看出, 在无局部电性不均匀体和地质异常体时, 测深曲线为一条直线。在TE极化模式下, 低阻非均匀体、低阻地质异常体在高频、中频部位均有一定的异常响应, 低频段测深曲线趋于一致, 在TM极化模式下可以看出, 在point2处视电阻率向下移动一个数值, 曲线形态无改变, 且数值变化与频率无关;TE、TM极化模式下, 在point3处低阻异常体的视电阻率均有一定的形态变化。

图2为三个里程点不同极化模式下的阻抗相位测深曲线, 可以看出:在point1处相位曲线基本为一条直线;在point2低阻非均匀体导致的静态效应处, TM极化模式下的相位曲线形态基本没有变化, 而TE极化模式下的相位曲线有一定的大小、形态变化;在point3处低阻异常体也使得两种模式下的相位曲线大小、形态均有一定的变化。

图3、4分别为TM极化模式下的正演响应拟断面图。从图3可以看出, 非均匀体在视电阻率拟断面上引起的是纺锤状的陡变, 且从地表贯穿至深部, 而局部异常体引起的视电阻率变化则是渐变, 从异常位置开始影响至深部。图4可以看出, 在非均匀体位置 (里程2Km) 相位大小基本无变化, 而在里程5Km地质异常体处, 相位大小发生较大变化。

3 结论

根据以上模型正演模拟的结果对比分析, 可把静态效应下地质异常体的识别特征以及不同极化模式下大地电磁测深资料的响应特征做如下总结:

1) TM极化模式受到的静态效应影响远远大于TE极化模式, 浅层地层的电性不均匀对大地电磁测深的影响也主要表现在TM极化模式上。

2) 地表非均匀体导致的静态效应引起TM极化模式下视电阻率的上下平移, 不改变其曲线形态, 且其相位大小与形态均基本保持不变;而地质异常体的存在会同时引起视电阻率和相位曲线大小、形态的变化。

参考文献

[1]王永涛, 白改先.大地电磁测深曲线的畸变及校正[J].石油物探, 1997.

电磁场响应 第5篇

超磁致伸缩高速响应电磁开关阀(GMV)是近年发展起来的一种数字式电液转换控制元件,采用脉冲流量控制方式,直接根据一系列脉冲电信号进行开关动作,响应速度极高,可小于1ms。脉冲流的形成和调节方法有多种,其中脉宽调制(Pulse Width Modulation简称PWM)是用得最多的一种方法。与伺服阀、比例阀相比,GMV具有结构简单、价格低廉、阀口对污染不敏感等特点,能将ON/OFF数字信号直接转换成流体脉冲信号,使计算机控制技术无需D/A转换接口便可实现与液压技术的有机结合。

目前用于高速阀的新型材料是稀土超磁致伸缩材料(Giant Magneto Strictive Material,GMM),此材料具有磁致伸缩效应,即当材料的磁化状态改变时,其尺寸会产生显著的变化。这类材料输出力大、应变显著、响应速度快,是改变现有自动控制技术现状,提高产品精确度,提高系统响应速度的新型智能材料,超磁致伸缩高速电磁开关阀就是应用的典型例子[1]。

超磁致伸缩高速响应开关电磁阀最常见的是二位二通。按电-机械转换方式可分为压电晶体式、电磁式和超磁致伸缩式。用压电晶体驱动的高速响应电磁阀动态性能最好,切换时间最短,输出力也很大,但输出的位移较小,控制的流量小,而且需要使用高压电,耗电量大,安全性能得不到保障;电磁式又分为力矩马达式、电磁铁式,力矩马达动态性能较好,但输出力矩需要转化为力时,输出力不大,且结构复杂,价格昂贵,电磁铁式输出的力较大,但电磁铁式存在电磁时间延迟,动态性能差;超磁致伸缩式的输出位移要比压电晶体大几倍,无需高压驱动,切换时间比电磁式要短很多,且输出力大,是一种极有发展前景的高速响应阀[2]。

2 GMV工作原理

2.1 GMV结构设计

所设计的GMV由三部分组成:超磁致伸缩驱动器(GMA)结构如图1所示,柔性铰链放大机构如图2所示,阀体如图3所示。当改变激励线圈中的电流时,GMM棒所处区域磁场的大小就会发生变化,从而导致超磁致伸缩驱动器输出量发生变化,进而推动顶杆移动,实现位移和力的输出,完成电磁能向机械能的转换;由于GMA输出位移有限,采用柔性铰链放大机构进行位移的放大;输出位移经放大后传递给阀体输入杆,在阀体预压弹簧的共同作用下实现开关功能。当给高速响应电磁阀线圈周期信号时,通过控制脉宽指令(PWM)驱动高速响应电磁阀周期性地开关,通过改变占空比实现阀输出量的变化,钢球做周期性往复运动,电磁阀周期性地开关,实现了脉宽调制;当改变液体压力时,通过阀芯的液体流速发生变化,以上两种方法都能达到控制流量的目的[3]。

2.2 GMA磁路分析

根据图1,驱动线圈在驱动电流的作用下,产生磁场,磁路依次通过GMM棒永磁体输出顶杆上端盖外套筒下端盖永磁体GMM棒,形成一个完整的磁回路。在等效磁路图4中,GMM棒等效为衔铁,两侧端盖等效为磁轭径向部分,套筒等效为磁轭轴向部分,在输出顶杆与GMM棒之间为主气隙,在端盖与外套筒之间形成次气隙。

3 基于AMEsim的GMV仿真

3.1 模型的建立

由基尔霍夫电压定律可以得到电压方程:

式中,R-电阻,I-磁路电流,动态模型磁路的磁动势分为两部分:一部分由激励电流产生;另一部分则由GMM棒的应变引起,所以磁通方程可以表示为:

式中,d为压磁系数,P为磁路总磁阻。

式中,l1为磁轭轴向长度;H1为磁轭轴向部分磁场强度;l2为磁轭径向部分等效长度;H2为磁轭径向部分磁场强度;l3为衔铁和极靴长度;H3为衔铁和极靴磁场强度;准为磁路中的磁通量;Rm为漏磁元件等效磁阻;H0为主气隙中的磁场强度;l0为主气隙长度;N为线圈匝数。

阀芯动力学方程:

式中,FGMA为驱动器输出力;Fh为液压力;Fk为阀体预压弹簧的预压力;c为液体粘性阻尼系数;x为阀芯位移。

采用AMESim中的电磁库(EM)和液压库(HCD),构建超磁致伸缩高速响应电磁开关阀的模型,如图5所示。主气隙用柱型气隙模型表示;次气隙用漏磁模型表示;衔铁用固定长度磁性元件模型表示;磁轭两个径向部分用径向磁性元件模型表示,轴向部分用固定长度磁性元件模型表示。各子模型的作用、功能如表1。

3.2 仿真结果分析

(1)阀芯位移与PWM脉冲信号、电流的关系分析

依次增大仿真中的占空比,图6为超磁致伸缩高速响应电磁开关阀脉冲信号与阀芯位移、电流关系仿真结果。为脉冲占空比。

通过图6中τ=0.5,分析阀芯的运动过程。

图6中脉冲信号的周期、脉冲信号的宽度分别用tf、tp表示;阀芯开启时间、关闭时间、开启滞后时间、关闭滞后时间、分别用ton、toff、tzn、tzf表示。

阀芯开启时间是信号开始上升到阀完全开启的过程所用时间;阀芯关闭时间是信号脉冲开始下降到阀芯完全关闭的过程所用的时间。阀芯开启和阀芯关闭滞后是会产生滞后的。

阀芯开启运动之所以比脉冲信号上升滞后,是因为当脉冲上升时,电流伴随脉冲同时开始上升;随着电流的上升,超磁致伸缩驱动器给阀芯的力不断增大,当这个力大于阀芯的阻力时,阀芯才开始开启运动。阀芯开启滞后时间tzn就是从脉冲开始上升到阀芯开始运动这段时间。

阀芯关闭运动之所以比脉冲信号下降滞后,是因为当脉冲下降时刻,超磁致伸缩驱动器的线圈有续流作用下,电流下降受阻而滞后,随着电流的减小,GMA给阀芯的力逐渐减小,当GMA给阀芯的力小于阀芯弹簧预压时,阀芯才开始关闭运动。阀芯关闭的滞后时间tzf就是从脉冲下降到阀芯开始关闭运动的这一段时间。

通过对图6的分析,可以分析不同占空比对电流、脉冲信号、阀芯位移的影响。

①占空比τ很小时(如τ=0.1),由于GMA给阀芯的输入力始终小于阀芯负载的阻力,因此,阀芯不能开启,始终处于完全关闭状态;

②占空比τ值较小时(如τ=0.2),由于GMA给阀芯的输入力逐渐增大,可以克服阀芯阻力,但阀芯只开启了一部分,脉冲信号下降时刻就已经开始,因此,阀芯只是部分开启,就被迫开始关闭运动;

③当τ值较大时(如τ=0.9),由于GMA给阀芯的输入力在减小过程中,还没有减小到阀芯完全关闭时,下一个脉冲信号上升又开始,GMA给阀芯的输入力又开始增大,因此,阀芯只处于半关闭状态,就被迫开始开启过程。

(2)液体压力与流量关系分析

流体压力对流量的影响较大,为了具体分析流体压GMV工作压力与流量之间的关系曲线如图7所示。力的影响,仿真时通过改变流体压力,观察通过GMV的流量。仿真时调节从0开始,每次增加0.1MPa,设置200Hz的工作频率,脉宽占空比设置为60%,由图7中可以看出,随工作压力的增加,超磁致伸缩高速响应电磁阀的流量随之增加。当压力只有0.1MPa时,GMV的流量几乎为0。压力增加到0.2~0.3MPa时,单脉冲流体总量都小于3L/min;0.4~0.6MPa压力时,流量为4.5~7L/min;压力达到0.7MPa时,流量接近8L/min,能够达到设计要求,但是此时阀体泄漏现象(BAF 12)开始明显。因此仿真结果认为0.5~0.6MPa是超磁致伸缩高速响应电磁阀最合适的工作压力范围。

(3)流量与脉宽占空比关系分析

PWM控制中占空比的大小决定线圈通电时间,影响阀芯开启或开启的程度,从而影响超磁致伸缩高速响应电磁阀的流量。仿真中,设置200Hz的驱动频率,0.4MPa的工作压力,占空比从0开始,逐渐增加,每增加10%处取值记录,超磁致伸缩高速开关阀流量与占空比的关系曲线如图8所示。

由图8中可以看出,流量随脉宽占空比的增大而增大。占空比小于10%时,超磁致伸缩高速响应电磁阀的流量基本为零,称之为PWM的控制死区。占空比在10%~25%之间时,流量与占空比线性关系较差,属于PWM控制的非线性区。占空比为25%~75%之间,流量与脉冲占空比的线性关系比较好,属于线性区,流量随脉冲占空比的增大而增大。占空比在75%~90%之间时,流量与占空比线性关系较差,属于PWM控制的非线性区。占空比大于90%后,流量保持常量几乎不发生变化,阀芯始终为开启状态,称之为饱和区。占空比增加,意味着超磁致伸缩高速开关阀线圈的通电时间增加,长时间通电可能导致线圈温度过高,如果超磁致伸缩驱动器散热性能不够好,将有可能影响GMV性能及精度,因此在流量达到要求的情况下,尽可能让占空比小,通常认为50%是较理想的占空比。

4 驱动电流与流量关系分析

驱动电流直接影响超磁致伸缩驱动器对阀芯的输入力和位移,进而对电流产生影响。驱动线圈通入电流幅值从零开始,每隔0.5A记录一个数值,设置50%的占空比,200Hz的驱动频率。由于超磁致伸缩驱动器的位移输出经放大后即为阀芯的输入(这里我们视放大倍数不变),因此电流的变化影响驱动器的输出和阀芯的开启量,即影响流量的变化。驱动器的电流幅值与流量的关系曲线如图9所示。

从图9中可以看出,超磁致伸缩高速开关阀的流量与驱动电流在1.2~2.4A之间成线性关系,在I<0.65A和I>2.4A成非线性关系,这主要因为受超磁致伸缩驱动器的输出位移与输入电流关系的影响,这与GMM棒的磁致伸缩曲线相符。当超磁致伸缩驱动器的驱动电流I<0.65A时GMA的输出位移小于5μm,阀芯的运动位移很小,开关阀近似于关闭状态,从图中可以看出此时的流量几乎为零;当驱动电流为在1.2~2.4A之间变化时,超磁致伸缩驱动器的输出位移急剧上升,阀芯的位移量增大,流量与电流成线性关系;电流达到2.4A后,GMM棒的磁致伸缩达到最大值,即饱和状态,此时认为阀芯处于常开状态,因此流量稳定于最大值。为减少发热对驱动器精度的影响,在流量要求泛围内尽量减小电流,要求开关阀的驱动电流通常为1.2~2.4A。

5 结语

(1)超磁致伸缩高速开关阀阀芯的运动相对PWM脉冲信号滞后直接原因是开关阀阀芯开启存在滞后时间tzn、阀芯关闭存在滞后时间tzf导致,根本原因是驱动器输出力和位移的增加或者减少需要的一定时间导致,即GMM棒涡流和磁滞的影响。因此要减小GMM棒涡流和磁滞的影响,减小驱动器输出力和位移的时间,使阀芯开启和关闭的过程尽可能短。

解决方法:通过对GMM棒进行径向或者轴向切割,提高极限工作频率,减小涡流与磁滞损耗,减小线圈发热量。

(2)通过选择合适的占空比、流体压力、驱动电流,能使GMV工作在线性驱域,提高效率、降低能耗。

参考文献

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