ЭЛЕКТРОМАГНИТ ПРИВОДА ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМОГО КЛАПАНА Российский патент 1998 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности, к системам автоматического управления быстропротекающими процессами (миллисекундного диапазона), и преимущественно предназначено для управления клапанами топливной аппаратуры (дизельной) непосредственного дозирования на насосном ходе.

Применение электромагнитов в качестве привода исполнительных механизмов в машиностроении и автоматике широко известно (Казаков Л.А. Электромагнитные устройства РЭА/ Справочник. М. Радио и связь, 1991).

Однако используемые в дизелестроении электромагниты имеют специфические особенности.

Основные тенденции развития транспортного дизелестроения повышение давления впрыскивания дозируемого топлива и задания угла начала его подачи в цилиндры двигателя направлены на выполнение взаимоисключающих требований снижения уровня токсичности выхлопных газов и повышения мощностных показателей.

Осуществление этих требований практически невозможно без применения микропроцессорного управления впрыском топлива с помощью электроуправляемых форсунок, что в свою очередь требует создания быстродействующих силовых преобразователей электрической энергии в механическую.

Наиболее распространенным типом преобразователя для этих целей являются электромагниты, содержащие ферромагнитные неподвижный сердечник, подвижный якорь и обмотку, соединенную с источником питания.

Для управления впрыском топлива в цилиндры быстроходного дизеля, длящегося миллисекунды, требуются преобразователи с временем срабатывания на порядок меньше самого процесса впрыскивания, т.е. в пределах десятых долей миллисекунды, и развиваемым усилием на якоре до 100 кгс и выше для преодоления высоких давлений впрыскивания.

Имеющий широкое применение электромагнит с бронзовым сердечником и наружным дисковым якорем (там же, с.22, табл.8.1, поз.22), развивающий до 60 кгс, не обеспечивает быстродействия менее 2-3 мс и поэтому для управления впрыском при непосредственном дозировании использован быть не может.

Известны конструкции электромагнитов, удовлетворяющие требованиям как по развиваемому усилию, так и по быстродействию, например, электромагнит по патенту Германии, DЕ 3041772, A1, кл. F 02 M 51/06 с приоритетом от 05.11.80, который имеет в продольном разрезе сопрягаемых поверхностей сердечника и якоря пилообразную форму с обмоткой на наружной поверхности сердечника, имеющего диаметр меньший, чем охватывающий его внутренний диаметр подвижного якоря.

К недостаткам этой конструкции относятся увеличенный вес якоря, значительное гидравлическое сопротивление, обусловленное его формой, снижающее быстродействие за счет затягивания фазы движения якоря при его движении в среде дизельного топлива, т.е. демпфирования, а также неоптимальный способ формирования рабочего зазора ввиду отсутствия диаметрального перекрытия ответных элементов профиля якоря и сердечника.

Эти недостатки в значительной степени преодолены в конструкции электромагнита по патенту Германии, DE 3704579, A1 кл. F 02 M 51/06 с приоритетом от 13.02.87, у которого участки профилей сечения якоря и сердечника, образующие рабочий зазор, диаметрально перекрываются, для чего в конструкции сердечника предусмотрена плоскость разъема. Однако, несмотря на наличие шихтованного сердечника, существенно снижающего потери на перемагничивание, быстродействие данного электромагнита не может соперничать с электромагнитом, имеющим пилообразный профиль в сечении ввиду большого значения собственной индуктивности обмотки, расположенной внутри замкнутого броневого сердечника, по сравнению с индуктивностью, имеющей распределенный характер по длине сердечника.

Для обеспечения равномерности рабочего зазора между якорем и сердечником, а также ограничения степеней свободы до двух при их взаимном перемещении (поступательное и вращательное для снижения вероятности зависания) якорь может иметь собственную направляющую наружную поверхность якоря (патент DE 3041772 AI) или использоваться направляющая клапана, имеющего жесткую связь с якорем (патент DE 3704579 AI).

В электромагните по изобретению могут использоваться оба способа направления.

Задачей изобретения является создание компактной быстродействующей конструкции электромагнита, технологичной в производстве и надежной в эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что в электромагните привода электроуправляемого клапана, содержащем сердечник и якорь с пилообразной формой взаимосопрягаемых поверхностей, которые кинематически разомкнуты упругим элементом, выполненные разъемными и шихтованными, с обмоткой, состоящей из отдельных секций, количеством на единицу меньше числа зубьев профиля сердечника, согласно изобретению якорь расположен внутри сердечника с диаметральным перекрытием профилей и с плоскостями разъема якоря и сердечника по числу секций обмотки, совпадающими с плоскостями их взаимного контакта при замыкании рабочего зазора, пакеты пластин сердечника и якоря выполнены из тонких стальных пластин с направлением шихтования, перпендикулярным направлению перемещения якоря, причем каждый пакет якоря снаружи армирован обоймой в виде центрирующей шайбы с конической юбкой из материала якоря. Смежные секции обмотки, выполненные бескаркасной послойной спиральной намоткой с четным количеством слоев и выводами от наружных витков, размещены в расточках пакетов сердечника и соединены в электрическую цепь встречно.

Такое конструктивное решение обеспечивает выполнение поставленных целей и технологически позволяет выполнить обмотку из одного куска провода, что дополнительно повышает надежность работы электрической цепи и электромагнита в целом.

На фиг.1 изображен электромагнит в сборе в одном из возможных вариантов центрирования пакетов сердечника и их стягивания с помощью четырех шпилек; на фиг.2 пакет сердечника, вид снизу (другой возможный способ центрирования по наружной поверхности пакетов, круглой в плане формы, в тонкостенном стакане или расточке корпуса со стяжкой с помощью резьбового кольца не показан); на фиг. 3 одна секция обмотки, вид в плане; на фиг.4 усеченная схема магнитной системы электромагнита; на фиг.5 вариант многосекционной обмотки электромагнита, выполненной одним куском провода; на фиг.6 временная диаграмма переходного процесса переключения электромагнита, где 6а - напряжение питания, 6б ток в обмотке, 6в перемещение якоря, 6г закон подачи топлива в цилиндр двигателя.

Представленный вариант конструкции предлагаемого электромагнита толкающего типа состоит из следующих узлов и деталей (в комплекте с клапаном на сливе запертой форсунки).

Корпус форсунки 1 (фиг.1) с каналами высокого давления 2,3 и полостью слива 4 с открывающимся в нее сливным отверстием 5 имеет на торце цилиндрическое сквозное отверстие 6, являющееся направляющей клапана 7, запирающий конус которого в исходном положении образует кольцевой зазор с седлом 8, объединяющий полость высокого давления 9 с полостью слива 4. Шток 10 клапана 7 имеет на свободном конце резьбовую часть с навинченной на ней гайкой 11, которая через шайбу 12 стягивает пакеты 13 якоря. Количество соединяемых пакетов определяется необходимым тяговым усилием электромагнита, привязываемого к топливной аппаратуре заданной размерности.

Собранный из пакетов 13 якорь имеет в продольном сечении пилообразную форму, причем каждый пакет ("зуб пилы" армирован снаружи обоймой 14, выполненной в виде центрирующей шайбы с развитой конической тонкостенной юбкой из того же материала, что и тонкие пластины из электротехнической стали, которые заполняют внутреннюю полость обоймы 14 и составляют вместе с ней пакет, скрепляемый, например, на эпоксидном клее путем прессования.

Корпус форсунки 1 на торце имеет фланец 15, к которому с помощью шпилек 16, шайб 17 и гаек 18 притягивается крышка 19 из немагнитного материала, механически сжимающая пакеты 20 сердечника, образующие в продольном сечении ответную часть пилообразного профиля составного сердечника.

Количество пакетов сердечника соответствует количеству пакетов якоря. Каждый из пакетов 20 сердечника набран из тонких пластин электротехнической стали, соединенных, например, прессованием с эпоксидным клеем, и имеет кольцевую расточку 21, паз 22 в форме "ласточкина хвоста" (фиг.2) и отверстия 23 под шпильки 16.

Секции обмотки 24 (фиг. 1) количеством на единицу меньше разнимаемых частей (пакетов сердечника размещены в расточках 21 и выполнены из изолированного провода бескаркасной послойной спиральной намоткой с отводами от наружных витков, как показано на фиг.3, на которой нитки нечетных слоев показаны сплошной спиралью, а четные слои условно показаны прерывистой линией разворачивающейся спиралью. Количество слоев в секции по данному способу намотки должно быть четным (для рассматриваемого варианта электромагнита предпочтительны 2 слоя), общее количество секций обмотки и количество витков в слое каждой спирали определяется расчетом необходимого тягового усилия электромагнита, а размеры окна корректируются после уточнения наружного диаметра обмоточного провода после испытаний на нагревание обмотки.

Секции обмотки могут соединяться в электрическую цепь как параллельно, так и последовательно, но смежные секции в предлагаемом электромагните должны быть соединены встречно, начало с началом и конец с концом.

На фиг. 4 представлен поперечный разрез магнитной системы предлагаемого электромагнита с условно усеченным количеством зубьев профиля тремя и с двумя секциями обмотки, а направление тока обозначено крестом от себя и точкой к себе (по образу хвоста и острия летящей стрелы), таким образом, в верхней секции обмотки ток направлен от себя, а в нижней к себе, и согласно "правилу буравчика" направление силовых линий в зубьях пилообразного профиля совпадает с указанным одинарной стрельчатой линией, совпадающей с плоскостью чертежа.

Магнитный поток, проходящий через внутренние зубья профиля, и находящийся между ними кольцевой рабочий зазор высотой "б" и шириной "в" удваивается за счет встречного включения обмоток, а следовательно, удваивается и тяговая сила (на фиг.4 это удвоение потока показано двойной стрельчатой линией между вторым сверху зубцом сердечника и ответной частью якоря). Для того чтобы избежать насыщения магнитопровода, перекрытие ответных частей по диаметру должно обеспечивать площадь кольцевого рабочего зазора шириной "в", равную удвоенному минимальному сечению якоря с минимальным диаметром D_яmin, т.е. должно быть выдержано соотношение:

где
D_яmax максимальный диаметр якоря;
D_сmin минимальный диаметр сердечника;
D_яmin минимальный диаметр якоря.

При последовательном соединении отдельных секций обмотки она может быть выполнена одним куском провода, как показано на фиг.5, где шаг обмотки по длине "h" выбран равным высоте пакета сердечника, а толщина равна удвоенному диаметру "2d" обмоточного провода в случае двухслойной намотки секции (фиг. 4).

Смежные секции (фиг. 5) соединены встречно начало с началом и конец с концом. Выводы обмотки (фиг.1, поз.25) находятся в пазу 22 и в зависимости от типа исполнения по электробезопасности могут заливаться компаундом и закрываться клином по форме "ласточкина хвоста" (фиг.2).

Выводы соединяют с двумя клеммами 26 (фиг.1), развальцованными в отверстиях платы 27, зажатой под гайки 18 стяжки пакетов сердечника.

Кинематическое размыкание якоря и сердечника осуществляется пружиной 28, размещенной в кольцевом отверстии корпуса 29. Требуемое значение начального зазора δ и соответствующий ему ход клапана регулируются упором 30 с микрометрической резьбой, фиксируемой контргайкой 31.

Показанная на чертеже (фиг.1) конструкция электромагнита выполнена толкающей, но она легко может быть трансформирована в тянущую применением другого порядка сборки с поворотом пакетов сердечника и якоря на 180^o вокруг диаметральной оси (при этом направление пилообразного профиля изменится на обратное).

Электромагнит работает следующим образом.

В момент, когда плунжер насоса высокого давления (не показан) совершает рабочий ход (фаза нагнетания топлива), электрический импульс управления поступает на обмотку электромагнита (фиг.6, диаграмма "а"), который срабатывает, при этом клапан 7 (фиг.1), связанный с якорем, опускается на седло 8. Полость 9, соединенная каналом 2 с линией нагнетания, гидравлически разделяется с полостью 4 и волна высокого давления через канал 3 поступает под запертую иглу форсунки (не показана), преодолевает усилие ее пружины (не показана), и производит впрыск топлива в цилиндр двигателя в течение времени T_q (фиг.6, диаграмма "г").

В реальной топливовпрыскивающей системе, для которой предназначен электромагнит, развиваемое плунжером давление впрыска может достигать 1500 ат и выше, поэтому гидравлическое усилие на дифференциальной площадке гидравлически разгруженного клапана (т.е. запорной ленточке на конусе) при этом достигает 100 кгс и выше, что требует для преодоления повышенных тяговых усилий электромагнита и восстанавливающей силы пружины, существенно затягивающей переходные процессы впрыскивания (фиг.6).

Время T_q (диаграмма "в") совместно со скоростью нагнетания, определяющее количество впрыскиваемого топлива по сравнению со временем управления T (диаграмма "Q"), задержано от момента включения на величину срабатывания t_ср, а по длительности отличается на разность по абсолютной величине ±(t_ср t_возвр), где t_возвр - время возврата якоря.

Так как при управлении впрыском на насосном ходе осуществляется непосредственное дозирование и одновременное управление углом опережения впрыскивания с погрешностью до десятой доли угла поворота коленчатого вала, ниже подробно анализируется каждая составляющая, влияющая на затягивание и нестабильность переходного процесса при переключении электромагнита.

После подачи на обмотку постоянного напряжения от источника питания (для транспортного двигателя это аккумулятор) через ключевую схему, как правило в полупроводниковом исполнении (фиг.6а), ток в обмотке и пропорциональное ему тяговое усилие (6б) нарастают по экспоненте (участок 1 на кривой тока), а так как реактивная составляющая комплексного сопротивления обмотки в начальный момент превалирует над активной составляющей, ток изменяется от нуля до значения тока срабатывания I_ср с постоянной времени где r₀ активное сопротивление обмотки, а L₀ ее индуктивность.

До момента трогания якорь и связанный с ним запирающий орган клапана находятся в статическом положении (6в), и для того, чтобы произошел отрыв его от седла, возрастающее тяговое усилие должно преодолеть суммарное действие усилия пружины электромагнита, силы гидравлического происхождения, воздействующей на клапан, силы трения в направляющих от совместного действия механического и гидравлического бокового прижима к направляющей 6 (фиг.1), а также сил остаточного намагничивания. В момент трогания заканчивается время трогания t_тр и якорь начинает свое движение в направлении уменьшения рабочего зазора независимо от полярности приложенного к обмотке напряжения. При этом кривая тока переходит на участок 2 (фиг.6б), характеризуемой наличием спада тока, образованного возникающим в обмотке тока самоиндукции противоположного направления, возрастающего по абсолютной величине, пропорционального нарастающей скорости движения якоря, достигающей максимума в момент остановки подвижной части. В этот момент заканчивается время движения t_дв и кривая тока переходит через точку перегиба на участок 3 экспоненциального нарастания тока с постоянной времени, большей, чем на участке 1, так как индуктивность обмотки с притянутым якорем больше начальной и кривая тока изменяется более полого, а при наличии насыщения сердечника ложится горизонтально. Предельное установившееся значение тока, к которому стремится экспонента, определяется как

где
U₀ напряжение, приложенное к обмотке;
активное сопротивление обмотки при устоявшейся температуре нагрева.

Установившийся ток и время нахождения электромагнита во включенном состоянии T определяют температуру его нагрева, т.е. долговечность изоляции обмотки. Температура перегрева обмотки при длительном включении электромагнита в наиболее жестком режиме переключения, с максимальной длительностью включенного состояния, соответствующей максимальной подаче топлива, и частотой, соответствующей номинальным оборотам распредвала дизеля, например, для транспортного средства F_ном 20-25 Гц и соответственно период повторения импульсов управления 50-40 мс. При этих условиях температура перегрева не должна превышать значения, соответствующего классу изоляции обмоточного провода 100^oC и выше. При этом учитывается, что вихревые токи, возникающие при перемагничивании сердечника, также повышают температуру обмотки.

Сумма времени t_тр и t_дв определяет время задержки включения от момента включения до перехода якоря в крайнее нижнее положение t_ср, где рабочий зазор δ полностью выбран (кривая хода якоря, (фиг. 6в).

В момент снятия напряжения питания с обмотки кривая тока (6б) переходит на участок 4, спадающий по гиперболе до значения тока отпускания I_отп в течение времени отпускания t_отп, а данное значение поддерживающего тока обусловлено энергией движущихся электронов, запасенной в индуктивности обмотки, т. е. тем же током самоиндукции, но обратной полярности. В течение времени t_отп движение якоря к исходному положению еще не началось, и сил сжатой пружины и гидравлической составляющей, воздействующей на запирающий орган клапана, недостаточно для преодоления остаточной тяги электромагнита под действием тока самоиндукции, пока он не упадет до значения тока отпускания I_отп и кривая тока не перейдет на участок 5. В этот момент начинается возврат якоря в исходное положение в течение времени движения t_дв, а ток самоиндукции меняет полярность и электромагнит работает как генератор тока, так как якорь движется возвратной пружиной, при этом на участке 5 возникает подъем кривой тока.

Суммарное время возврата t_возв, оставленное из времени отпускания t_отп и t_дв, заканчивается при возвращения якоря в исходное положение, при этом клапан закрывается, а электрический переходный процесс продолжается и кривая тока переходит на участок 6 спадания тока по гиперболе до нуля.

Анализируя характер кривой тока на различных участках диаграммы 6б, можно сделать вывод, что для повышения быстродействия электромагнита необходимо:
в статичных фазах якоря (участки 1 и 4 кривой тока), во-первых, уменьшить индуктивность обмотки как собственную, так и взаимоиндуктивность между секциями, во-вторых, сохранять оптимальное соотношение активной и реактивной составляющими комплексного сопротивления, т.е. уменьшать постоянную времени не увеличивая существенно влияющего на температуру перегрева обмотки;
во время движения якоря (участки 2 и 5 кривой тока), во-первых, увеличивать тяговое усилие и усилие возвратной пружины, во-вторых, шихтовать магнитопровод для снижения вихревых токов, в-третьих, уменьшать индуктивность обмотки, в-четвертых, уменьшать массу подвижной части и степень ее демпфирования, в-пятых, уменьшить силы остаточного магнетизма.

Известно, что путем применения оптимальных алгоритмов формирования управляющих импульсов начальный участок кривой тока может быть форсирован, а конечный сокращен подачей размагничивающегося импульса противоположной полярности, однако данные способы неэффективны без установки дополнительных источников тока, что на транспортном средстве не всегда выгодно экономически.

Все перечисленные требования учтены при разработке электромагнита по изобретению и при этом обеспечено: уменьшение суммарной индуктивности обмотки разбивкой ее на несколько секций (в описываемом варианте их 7, фиг.1), смежные из которых включены встречно для компенсации взаимной индуктивности (эффект бифилярной намотки); уменьшение собственной индуктивности секции применением послойной спиральной намотки (близкой по своим свойствам к намотке "в навал"); снижение индуктивности выводов применением отводов от внешних витков секций и выполнением всей электрической цепи (гирлянды секций) из одного куска провода; уменьшение длины силовой линии магнитопровода применением бескаркасной намотки, т.е. повышение коэффициента использования окна сердечника, занятого обмоткой; выбор (расчетно-экспериментальным путем) оптимального соотношения активной и реактивной составляющей комплексного сопротивления обмотки с целью уменьшения постоянной времени экспоненты переходного процесса нарастания (убывания) тока в обмотке при неизменном напряжении питания; уменьшение вихревых токов, потерь на перемагничивание сердечника за счет шихтования сердечника и якоря в плоскостях, перпендикулярных продольной оси электромагнита; уменьшение массы подвижной части якоря и степени ее демпфирования за счет уменьшения поперечного сечения и расположения внутри сердечника; повышение тягового усилия за счет увеличения общего количества пакетов магнитопровода без существенного увеличения общей длины, удвоения магнитного потока на внутренних зубьях профиля ответных частей якоря и сердечника за счет изменения направления навивки смежных секций обмотки, оптимального формирования рабочего зазора диаметральным перекрытием профилей якоря и сердечника (при площади рабочего зазора, равного удвоенной площади поперечного сечения якоря), снижение местной неравномерности рабочего зазора, т.е. боковых составляющих усилия электромагнита (трения в направляющих) применением центрирующих обойм (фиг.1) на каждом пакете якоря и уменьшения магнитного сопротивления магнитопровода за счет оптимального выбора диаметра якоря после уточнения количества слоев спиральной намотки секций и числа витков в слое, т.е. корректировки размера окна под обмотку после уточнения ее активного сопротивления и индуктивности, а также связанных с ним толщиной пакета и спинки сердечника.

Дополнительные достоинства электромагнита по сравнению с известным уровнем техники:
малое количество наименований деталей;
возможность создания гаммы электромагнитов с разными характеристиками на одном типоразмере сердечника, отличающихся лишь количеством секций;
возможность многократной разборки при ремонтах;
возможность доводки по высоте статорных и якорных пакетов одновременной их шлифовкой;
высокая надежность благодаря унифицированной для электротехнической промышленности технологии: штамповка, сборка пакетов, секционированная намотка, плоская шлифовка при подгонке секций по высоте, сборка сердечника, испытания и контроль.

Использование: в электромашиностроении, в частности, для управления клапанами дизельной топливной аппаратуры непосредственного дозирования на насосном ходе. Сущность: электромагнит содержит разъемные, шихтованные и кинематически разомкнутые сердечник и якорь, имеющие в продольном сечении пилообразную форму взаимосопрягаемых поверхностей, и обмотку из нескольких секций. Якорь расположен внутри сердечника с диаметральным перекрытием профилей сердечника и якоря по плоскостям разъема. Сердечник и якорь собраны из пакетов, причем пакеты подвижного якоря армированы снаружи центрирующими обоймами, а смежные секции обмотки, выполненные бескаркасной послойной спиральной намоткой с четным количеством слоев и выводами от наружных витков, размещены в расточках пакетов сердечника и соединены в электрическую цепь встречно. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электромагнит привода электроуправляемого клапана преимущественно для дизельной топливной аппаратуры непосредственного дозирования на насосном ходе, содержащий сердечник и якорь, имеющие в продольном сечении пилообразную форму взаимосопрягаемых поверхностей с возможностью перемещения якоря на величину начального зазора относительно сердечника, кинематически разомкнутые упругим элементом, выполненные разъемными и шихтованными, и обмотку, состоящую из отдельных секций количеством, на единицу меньшим числа зубьев профиля сердечника, отличающийся тем, что якорь расположен внутри сердечника с диаметральным перекрытием профилей и с плоскостями разъема якоря и сердечника по числу секций обмотки, совпадающими с плоскостями их взаимного контакта при замыкании рабочего зазора, отдельные части сердечника и якоря выполнены из тонких пластин электротехнической стали с высокой индукцией насыщения, соединенных в пакеты с направлением шихтования, перпендикудярным перемещению якоря, причем пакеты якоря снаружи армированы обоймами, каждая из которых выполнена в виде центрирующей шайбы с развитой конической тонкостенной юбкой из материала якоря, а смежные секции обмотки, выполненные бескаркасной послойной спиральной намоткой с четным количеством слоев и выводами от наружных витков, размещены в расточках пакетов сердечника и соединены в электрическую цепь встречно. 2. Электромагнит по п. 1, отличающийся тем, что при последовательном включении секций обмотка выполнена единым куском провода. 3. Электромагнит по п.1, отличающийся тем, что площадь якоря составляет не менее половины площади кольцевого рабочего зазора.