电磁驱动配气机构内部执行器的电磁场有限元分析
电磁驱动配气机构相比传统发动机中的凸轮驱动配气机构，具有结构紧凑、响应迅速、调节灵活以及落座平稳等优点，能有效改善汽车发动机的动力性和燃油经济性。电磁直线执行器作为电磁驱动配气机构的核心部件，是一种新型直线电机，具有高频响、高精度、高功率密度等优点。本文主要基于电磁理论与有限元方法对电磁直线执行器的电磁特性以及工作机理展开分析，并借助Ansoft Maxwell软件建立了执行器的二维静态场和瞬态场有限元模型，通过仿真计算获得了电磁直线执行器的电磁分布关系及输出特性，在此基础之上对该电磁直线执行器的设计合理性与可行性展开了简要分析。本文研究内容将为后续电磁直线执行器的优化设计提供一定的技术参考。关键词 电磁驱动配气机构，动圈式电磁直线执行器，Ansoft Maxwell，有限元分析
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景、及意义 1
1.2 电磁驱动配气机构的研究现状 1
1.3 有限元分析技术的应用现状和发展趋势 2
2 电磁场有限元分析的基本理论 3
2.1 有限单元法的基本思想 3
2.2 二维电磁场基本理论 4
2.3 有限元分析软件Ansoft Maxwell 7
3 电磁直线执行器静电场有限元模型建立与分析 8
3.1 电磁直线执行器的基本参数 8
3.2 电磁直线执行器静电态场有限元模型建立 9
3.3 电磁直线执行器静态场有限元模型后处理 18
4 电磁直线执行器瞬态场有限元模型建立与分析 19
4.1 电磁直线执行器瞬态场有限元模型建立 20
4.2 电磁直线执行器瞬态场模型运动特性分析 25
结论 27
致谢 28
参考文献 30
1 绪论
1.1 课题研究背景、及意义
随着环境污染的日益严重和能源消耗的急剧增加，全球汽车排放问题和能源问题已成为社会的热点话题。在这种压力下，许多研究机构将研究方向转向发动机技术的改革和创新。一方面通过改进发动机的动力性与燃油经济性，使得发动机能够达到现代排放要求；另一方面不断开 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
发新能源，减少稀缺能源的浪费并很好的保护环境[1]。
新能源汽车是未来的重要发展趋势，但是在当前这个过渡时期，寻求传统发动机的技术改进更具有实际价值。在众多发动机的改进技术中，以可变配气机构为代表的发动机可变技术最为突出，它可以很好的改善传统内燃机的动力性、燃油经济性等性能。
发动机配气机构起初是有凸轮机构的常规凸轮驱动配气机构和凸轮驱动可变配气机构，最后发展为无凸轮驱动配气机构。但是带有凸轮机构的配气机构都会受到凸轮型线的限制，无法满足发动机在全工况下都拥有较好的动力性和燃油经济性。因此，提出无凸轮配气机构以达到气门运动规律在运行范围内的全柔性化调节的目的[2]。
无凸轮配气机构的主要驱动方式有电磁、电液和电气三种。其中电磁驱动配气机构尤为重要，已得到国内外相关研究机构越来越多的青睐。电磁驱动配气机构不仅可以实现气门运动规律在运行范围内根据发动机的工况全柔性化调节，使发动机在各工况下都能达到最佳性能；还可以通过调节气门的开启持续期和气门升程来实现发动机的负荷调节，进而取消节气门，减小凸轮配气机构泵气损失[3]，显著提升发动机的经济性、动力性及排放性能。
基于以上背景完成电磁驱动配气机构系统设计的有限元分析是非常有意义的。为了有效的设计和缩短其样机的研发周期，研究时将采用基于Ansoft Maxwell的有限元分析方法对配气机构内执行器的电磁场进行分析研究，为优化其系统结构参数奠定基础。
1.2 电磁驱动配气机构的研究现状
电磁驱动配气机构通过控制驱动中电磁力的大小和方向来实现对气门往复运动的控制，其具有结构简单、控制精度高等优势[4]，已受到越来越多国内外研究机构的关注。
1994年，美国汽车通用公司就开始研究电磁驱动配气机构，并提出新的驱动方案——双电磁铁和双弹簧。到目前为止，许多公司和大学都基于通用公司所提出的双电磁铁和双弹簧技术方案研制出了具有代表性的电磁驱动配气机构的样机，如：法国的Valeo公司、德国的FEV公司、美国的密歇根大学以及加利福尼亚大学等。其中德国的FEV公司，它们已经完成样车的测试工作；Valeo公司也已经将其所研制的电磁驱动配气机构在发动机台架上进行测试，测试结果表明虽然此方案大大改善燃油经济性，但是双电磁铁双弹簧的结构存在着驱动力非线性的缺陷[3]，且气门的开启和关闭难以根据发动机的工况进行实时调节，因此，该结构的电磁驱动配气机构严格意义上来讲并不能实现真正的全可变气门技术，至今尚未见到产品推向市场。
与国外相比，国内对于这方面的研究起步较晚，研究过程比较曲折，但目前发展速度迅速，已有多所高校和研究机构对电磁驱动配气机构进行了开发和研究[2]。比如：对于双电磁铁型电磁驱动配气机构，国内清华大学和浙江大学也曾研究过，其使用的技术方案与国外的相关方面的研究类似，但从其研究结果来看，其研制的电磁驱动配气机构的样机体积较大，且响应速度较慢，很难在发动机中应用[5]；南京理工大学常思勤教授课题组一直致力于此方面的研究，并提出基于一种高功率密度的动圈式永磁直线电机电磁驱动配气机构[6]，此配气机构结构简单控制性好，但还是无法投入使用。由此可见关于电磁驱动配气机构的研究技术难度很高，仍需进一步的研究与创新。
1.3 有限元分析的现状与发展
当今社会，计算机技术迅猛发展、市场竞争的加剧，有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）方法越来越成熟，其具有提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的特点[7]，同时可以有效的解决复杂的工程问题。如今，有限元技术应用广泛，几乎所有的设计制造均利用有限元分析计算，例如在机械零部件制造、航空航天、汽车电器等领域均有所涉及，并且随着科技的进步，有限元分析也得到了很好的发展[8]。
通过国内外相关软件的发展情况，可以总结出有限元分析技术的一些发展趋势：
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景、及意义 1
1.2 电磁驱动配气机构的研究现状 1
1.3 有限元分析技术的应用现状和发展趋势 2
2 电磁场有限元分析的基本理论 3
2.1 有限单元法的基本思想 3
2.2 二维电磁场基本理论 4
2.3 有限元分析软件Ansoft Maxwell 7
3 电磁直线执行器静电场有限元模型建立与分析 8
3.1 电磁直线执行器的基本参数 8
3.2 电磁直线执行器静电态场有限元模型建立 9
3.3 电磁直线执行器静态场有限元模型后处理 18
4 电磁直线执行器瞬态场有限元模型建立与分析 19
4.1 电磁直线执行器瞬态场有限元模型建立 20
4.2 电磁直线执行器瞬态场模型运动特性分析 25
结论 27
致谢 28
参考文献 30
1 绪论
1.1 课题研究背景、及意义
随着环境污染的日益严重和能源消耗的急剧增加，全球汽车排放问题和能源问题已成为社会的热点话题。在这种压力下，许多研究机构将研究方向转向发动机技术的改革和创新。一方面通过改进发动机的动力性与燃油经济性，使得发动机能够达到现代排放要求；另一方面不断开 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
发新能源，减少稀缺能源的浪费并很好的保护环境[1]。
新能源汽车是未来的重要发展趋势，但是在当前这个过渡时期，寻求传统发动机的技术改进更具有实际价值。在众多发动机的改进技术中，以可变配气机构为代表的发动机可变技术最为突出，它可以很好的改善传统内燃机的动力性、燃油经济性等性能。
发动机配气机构起初是有凸轮机构的常规凸轮驱动配气机构和凸轮驱动可变配气机构，最后发展为无凸轮驱动配气机构。但是带有凸轮机构的配气机构都会受到凸轮型线的限制，无法满足发动机在全工况下都拥有较好的动力性和燃油经济性。因此，提出无凸轮配气机构以达到气门运动规律在运行范围内的全柔性化调节的目的[2]。
无凸轮配气机构的主要驱动方式有电磁、电液和电气三种。其中电磁驱动配气机构尤为重要，已得到国内外相关研究机构越来越多的青睐。电磁驱动配气机构不仅可以实现气门运动规律在运行范围内根据发动机的工况全柔性化调节，使发动机在各工况下都能达到最佳性能；还可以通过调节气门的开启持续期和气门升程来实现发动机的负荷调节，进而取消节气门，减小凸轮配气机构泵气损失[3]，显著提升发动机的经济性、动力性及排放性能。
基于以上背景完成电磁驱动配气机构系统设计的有限元分析是非常有意义的。为了有效的设计和缩短其样机的研发周期，研究时将采用基于Ansoft Maxwell的有限元分析方法对配气机构内执行器的电磁场进行分析研究，为优化其系统结构参数奠定基础。
1.2 电磁驱动配气机构的研究现状
电磁驱动配气机构通过控制驱动中电磁力的大小和方向来实现对气门往复运动的控制，其具有结构简单、控制精度高等优势[4]，已受到越来越多国内外研究机构的关注。
1994年，美国汽车通用公司就开始研究电磁驱动配气机构，并提出新的驱动方案——双电磁铁和双弹簧。到目前为止，许多公司和大学都基于通用公司所提出的双电磁铁和双弹簧技术方案研制出了具有代表性的电磁驱动配气机构的样机，如：法国的Valeo公司、德国的FEV公司、美国的密歇根大学以及加利福尼亚大学等。其中德国的FEV公司，它们已经完成样车的测试工作；Valeo公司也已经将其所研制的电磁驱动配气机构在发动机台架上进行测试，测试结果表明虽然此方案大大改善燃油经济性，但是双电磁铁双弹簧的结构存在着驱动力非线性的缺陷[3]，且气门的开启和关闭难以根据发动机的工况进行实时调节，因此，该结构的电磁驱动配气机构严格意义上来讲并不能实现真正的全可变气门技术，至今尚未见到产品推向市场。
与国外相比，国内对于这方面的研究起步较晚，研究过程比较曲折，但目前发展速度迅速，已有多所高校和研究机构对电磁驱动配气机构进行了开发和研究[2]。比如：对于双电磁铁型电磁驱动配气机构，国内清华大学和浙江大学也曾研究过，其使用的技术方案与国外的相关方面的研究类似，但从其研究结果来看，其研制的电磁驱动配气机构的样机体积较大，且响应速度较慢，很难在发动机中应用[5]；南京理工大学常思勤教授课题组一直致力于此方面的研究，并提出基于一种高功率密度的动圈式永磁直线电机电磁驱动配气机构[6]，此配气机构结构简单控制性好，但还是无法投入使用。由此可见关于电磁驱动配气机构的研究技术难度很高，仍需进一步的研究与创新。
1.3 有限元分析的现状与发展
当今社会，计算机技术迅猛发展、市场竞争的加剧，有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）方法越来越成熟，其具有提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的特点[7]，同时可以有效的解决复杂的工程问题。如今，有限元技术应用广泛，几乎所有的设计制造均利用有限元分析计算，例如在机械零部件制造、航空航天、汽车电器等领域均有所涉及，并且随着科技的进步，有限元分析也得到了很好的发展[8]。
通过国内外相关软件的发展情况，可以总结出有限元分析技术的一些发展趋势：
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