Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Электромагнитные элементы автомобильных систем управления 12
1.1. Анализ конструкций электромагнитных элементов автомобильных систем управления 12
1.2. Обзор и сравнительный анализ методов моделирования электромагнитных элементов 19
1.3. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 30
Выводы 40
ГЛАВА 2. Анализ статических характеристик электромагнитов постоянного тока 43
2.1. Основные положения и допущения, принимаемые для обоснования математической модели электромагнита .43
2.2. Математическая модель втяжного электромагнита постоянного тока в статическом режиме 45
2.3. Исследование тяговой характеристики электромагнита с использованием энергетической формулы и формулы Максвелла 56
Выводы 59
ГЛАВА 3. Моделирование динамического режима работы электромагнитных элементов систем управления 60
3.1. Математическая модель электромагнитного элемента в динамическом режиме 60
3.2. Анализ динамического режима с учетом вихревых токов .65
3.3. Моделирование динамики работы электромагнитных элементов при выключении (отпускании якоря) 71
3.4. Разработка программы моделирования динамики работы электромагнитных элементов 77
Выводы 84
ГЛАВА 4. Исследование электромагнитных элементов автомобильных систем управления 85
4.1. Исследование тягового реле стартера 85
4.2. Исследование влияния изменения температуры на динамику работы автомобильной форсунки подачи топлива 95
4.3. Исследование влияния изменения параметров электромагнитных элементов на их динамические характеристики 99
4.4. Исследование возможностей рационального выбора параметров топливной форсунки 107
Выводы 111
ГЛАВА 5. Оценка адекватности математических моделей электромагнитных эементов 113
5.1. Сравнение расчетных и экспериментальных статических характеристик электромагнита 113
5.2. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных определения динамических свойств электромагнитных элементов 116
5.3. Определение погрешностей результатов испытаний электромагнитных элементов 122
5.4. Анализ влияния внешних факторов на изменение времени срабатывания электромагнита топливной форсунки 125
Выводы 130
Заключение 131
Литература
- Обзор и сравнительный анализ методов моделирования электромагнитных элементов
- Математическая модель втяжного электромагнита постоянного тока в статическом режиме
- Моделирование динамики работы электромагнитных элементов при выключении (отпускании якоря)
- Исследование влияния изменения температуры на динамику работы автомобильной форсунки подачи топлива
Введение к работе
Современные автоматизированные системы управления открывают перед автомобилестроением новые перспективы. Они осуществляют управление пуском ДВС, регулируют подачу топлива в двигатель автомобиля, контролируют давление жидкости в тормозной системе и т.д. Таким образом, создание высоконадежных автоматизированных систем управления в полной мере отвечает требованиям по повышению конкурентоспособности автомобилей. В настоящее время одной из основных задач, которую необходимо решить при проектировании автомобиля является интеграция разработанных и вновь разрабатываемых компонентов в связанные между собой автоматизированные системы управления его различными агрегатами.
Автомобильные системы управления имеют сложную структуру и требуют больших временных затрат на их разработку и изготовление. Первой особенностью автоматизированной системы управления является ее многоцелевая организация. Для реализации работы необходимо, чтобы система управления быстро реагировала на разнообразные сигналы, поступающие от различных датчиков. Эти сигналы обрабатываются в блоке управления, после чего подается команда на исполнительные элементы. Кроме того, система управления должна иметь возможность расширения функциональных возможностей за счет внесения в ее сетевую структуру дополнительных элементов по требованию заказчика для соответствия нормам страны, куда поставляется автомобиль.
Второй особенностью любой системы управления в автомобиле является требование обеспечения устойчивой работы в нестандартных ситуациях. Для этой цели необходимо устройство, которое при появлении сбоев передает управление специальной части программы, обеспечивающей реакцию на ошибку. Способность автоматизированной системы работать в различных условиях эксплуатации должно закладываться на самых ранних этапах проектирования и влиять на разработку исполнительных и программных средств.
Таким образом, чтобы сделать системы управления агрегатами автомобиля более общими и адекватными реальным задачам, следует развивать их в двух направлениях. Во-первых, необходимо обеспечить их многоканальными управляющими логическими схемами, в функции которых входит анализ поступающей от датчиков информации и выдача управляющей команды на исполнительные элементы. Во-вторых, важно иметь высоконадежные исполнительные элементы, причем повышение надежности не должно развиваться за счет увеличения их габаритов и массы.
В автомобильных системах управления используются различные исполнительные элементы. Это могут быть либо электродвигатели, либо электромагниты. Иногда нагрузкой для выходного каскада системы управления является индуктивность (катушка системы зажигания). В таблице 1 перечислены основные системы управления и виды применяемых в них исполнительных элементов.
Таблица 1.
Система автомобиля Исполнительный элемент
Система управления электростартерным пуском двигателя Электромагнит
Электронная система управления двигателем Электромагнит
Антиблокировочная система тормозов Электромагнит
Система управления сцеплением Электромагнит
Система газораспределения Электромагнит
Блокировка линии выбора заднего хода Электромагнит
Система зажигания Катушка
Система блокировки замков дверей Электродвигатель
Электроусилитель рулевого управления Электродвигатель
Климатическая установка Электродвигатель
Управление стеклоочистителями Электродвигатель
Управление стеклоподъемниками Электродвигатель
Одновременно значительно повышаются требования к надежности систем управления, которые в большей мере определяется работоспособностью входящих в них исполнительных элементов в любых возможных эксплуатационных режимах. Анализ конструкций электромагнитов, применяемых в качестве исполнительных элементов в различных автомобильных системах управления (форсунки подачи топлива в системе электронного впрыска, тяговое реле стартера в системе управления электростартерным пуском, клапаны мультипликатора давления в системе АБС и т.д.) показывает, что они выполняются на базе электромагнитов постоянного тока с втяжным якорем.
Требования, предъявляемые к электромагнитным элементам в различных системах, отличаются между собой. В ряде случаев электромагнитные элементы предназначены для приведения в действие и удержания в определенном положении деталей исполнительного механизма, поэтому их расчет и конструирование должны быть неразрывно связаны с проектированием механизма, являющегося для них нагрузкой. Вытекающее из сказанного требование о необходимости согласования характеристик электромагнитного элемента и исполнительного механизма является важным условием его нормальной работы в эксплуатации. Так в системе управления электростартерным пуском от реле стартера требуется тяговое усилие, необходимое для введения шестерни привода стартера в зацепление с венцом маховика ДВС. Для этого важно при его проектировании наиболее точно согласовать тяговую характеристику реле с характеристикой противодействующих усилий пружин. Согласование характеристик дает возможность разработать реле с минимальными габаритами и массой.
Многие, часто противоречащие друг другу требования к двигателю внутреннего сгорания (ДВС), как, например, высокая мощность, малый расход топлива, низкая токсичность отработавших газов при применении электронной системы управления двигателем (ЭСУД), могут быть оптимально согласованы между собой. При этом объединяются системы, управляющие различными процессами. Так в системе ЭСУД объединены система топливопо дачи и система зажигания. Они управляются с помощью одного контроллера по общим оптимизационным критериям. Благодаря цифровой обработке параметров стало возможным преобразовывать большой массив эксплуатационных режимов в многопараметровые характеристики впрыска топлива и зажигания. Благодаря системе ЭСУД стало возможным выполнять законодательные предписания по токсичности отработавших газов, требования которых постоянно повышаются.
В настоящее время действующие в России требования к содержанию токсичных веществ в выхлопных газах автомобилей, соответствующих нормам Евро-2, не должно превышать СО = 2,2 г/км, а (СН + NOx ) = 0,5 г/км . Совершенно ясно, что эти требования в дальнейшем будут ужесточаться. Примером этого могут служить экологические законы, принятые в странах Европы.
Электромагнитные элементы, применяющиеся в системе ЭСУД и используемые в качестве электромагнитных форсунок подачи топлива должны обладать необходимыми динамическими свойствами. В основном это касается времени срабатывания, которое регламентируется, исходя из предъявляемых к системе требований по точности дозировки подаваемого в цилиндры двигателя топлива.
Аналогичным требованиям по быстродействию должны удовлетворять и электромагнитные элементы, используемые в антиблокировочной системе тормозов. Быстродействие этих элементов обеспечивает точность регулирования давления в тормозной системе автомобиля для исключения блокировки колес, чтобы автомобиль одновременно с эффективным торможением не терял управляемости.
В настоящее время перспективной считается разработка для ДВС системы газораспределения (ГРМ), основанной на применении электромагнитных клапанов. Механическая система газораспределения с кулачковым валом не может обеспечить гибкость установки фаз клапанного распределения в любых режимах работы. В отличие от обычных систем, управляемых кулач ковым валом, система с электромагнитным приводом клапанов позволяет сделать установку фаз клапанного распределения полностью независимой от положения коленчатого вала. В этом случае момент открытия и закрытия клапанов определяется блоком управления по результатам обработки информации, полученной от датчиков. Дополнительная гибкость фаз клапанного распределения обеспечит контроль над зарядом воздуха и остаточными газами в цилиндрах двигателя. Кроме того, повышение скорости открытия клапанов дает возможность качественной продувки цилиндров при выхлопе и заполнения топливной смесью при впуске. Внедрение этих мероприятий позволяет повысить топливную экономичность.
Иногда электромагнитные элементы применяются для решения частных задач повышения удобства управления автомобилем. Примером такого использования электромагнитов является блокировка выбора линии заднего хода. Блокировка предназначена для предотвращения ошибочного включения заднего хода вместо первой передачи при трогании автомобиля. Требования к таким электромагнитным элементам минимальны и сводятся только к величине развиваемого усилия, которое должно обеспечивать перемещение якоря для блокирования возможности ошибочного включения передачи.
Описанию процессов, происходящих в электромагнитных элементах и разработке методов их моделирования, посвящено большое число работ, однако до сих пор предлагаемые методы еще не в полной мере удовлетворяют требованиям практики. Трудность их расчета в основном определяется сложным характером распределения магнитного поля, зависящего от большого числа параметров. Это связано, прежде всего, с тем, что величина рабочего воздушного зазора изменяется в больших пределах, что приводит к возникновению значительного потока рассеивания, соизмеримого с рабочим потоком, поэтому, несмотря на простоту конструкции, процессы в электромагнитных элементах требует для своего описания сложного математического аппарата и громоздких вычислений. Ситуация еще более осложняется тем, что расчет
приходится вести с учетом большого различия в степени насыщения отдельных частей магнитной системы.
При проектировании электромагнитных элементов необходимо знать диапазон возможного разброса их характеристик. Изменения характеристик возможны за счет отклонений размеров и свойств материалов, из которых изготовлен электромагнит, а также за счет колебания температуры и питающего напряжения. Для обеспечения надежной работы следует проверять, чтобы возможные крайние отклонения характеристик электромагнитов не явились причиной сбоев и отказов устройств, которые они приводят в действие. Хотя невыгодное предельное сочетание размеров, свойств материалов и внешних факторов маловероятно, для повышения надежности обычно исходят из их возможной реализации.
При разработке технических мероприятий необходим комплексный анализ целесообразности их внедрения, поэтому дальнейшее развитие и совершенствование электромагнитных элементов невозможно без всестороннего анализа существующих условий их работы. Учет условий эксплуатации должен вестись как с целью приспособления исполнительных элементов к ним, так и определения путей снижения влияния негативных факторов на их эксплуатационные характеристики, надежность и долговечность.
Таким образом, разработка технических вопросов конструкции электромагнитных элементов, применяющихся в автомобильных системах управления, невозможна без применения метода теоретического моделирования их работы, что является составной и неотъемлемой частью процесса их проектирования. Реализация этой концепции требует подхода, учитывающего взаимодействие различных сторон этого процесса, т.е. задача состоит в обосновании выбора параметров электромагнитных элементов, исходя из заданных эксплуатационных характеристик и минимизации затрат на их производство и эксплуатацию. Поставленную задачу можно решить, выполняя расчетные исследования конструкций электромагнитных элементов с различными параметрами на основе методики, расчетные данные которой достаточно точно
совпадают с данными эксперимента. Методика моделирования электромагнитных элементов, должна позволять быстро и качественно определить влияние каждого из конструктивных параметров на характеристики разрабатываемых элементов с целью изменения их свойств в нужном направлении и рационального выбора параметров в каждом конкретном случае. Кроме того, достижение необходимой точности расчета любого электромагнитного устройства невозможно без применения вычислительной техники, следовательно, применяемая для этого методика должен удовлетворять требованиям алгоритмизации.
Разработка быстродействующих исполнительных элементов для автомобильных систем управления, работающих в динамическом режиме, таких как электромагнитная форсунка впрыска топлива, требует наличия методики моделирования динамики их работы с учетом всех конструктивно-технологических параметров и степени насыщения различных участков магнитной системы. Кроме этого, при определении динамических характеристик необходимо учитывать вихревые токи, возникающие в элементах магнитной системы электромагнита и оказывающих значительное влияние на его характеристики.
Учитывая изложенное, можно подвести итог, что решение задачи минимизации отказов в различных режимах работы может быть обеспечено в значительной степени путем структурного синтеза автомобильных систем управления, основным исполнительным элементом которых является втяжной электромагнит постоянного тока. Таким образом, совершенствование конструкции и методов моделирования последнего является большим резервом повышения надежности автомобиля в целом. Если к тому же учесть, что автомобильные системы управления являются массовой продукцией, задача исследования их исполнительных элементов является актуальной, а разработка таких элементов в соответствии с требованиями систем управления дает большой эффект повышения потребительских свойств автомобиля в целом.
Цель диссертационной работы - теоретическое и экспериментальное исследование электромагнитных элементов автомобильных систем управления с учетом неравномерного насыщения стали магнитопровода и влияния вихревых токов для выполнения предъявляемых к ним системных требований и уменьшения зависимости характеристик от изменения внешних факторов.
На защиту выносится:
- математическая модель электромагнитного элемента, отличающаяся от известных функциональной связью между параметрами электромагнитного элемента и его динамическими характеристиками и позволяющая исследовать многофакторные переходные процессы включения и выключения динамических электромагнитных систем;
- методика моделирования электромагнитных элементов в переходных режимах, отличающаяся от известных алгоритмом расчета их характеристик и позволяющая быстро и с достаточной для практики степенью точности определять динамические свойства электромагнитных элементов с учетом неравномерного насыщения стали магнитной системы;
- методика определения вихревых токов, возникающих при переходных процессах в электромагнитных элементах, отличающаяся от известных учетом влияния поверхностного эффекта на их распределение в материале магнитопровода и позволяющая повысить точность моделирования динамических режимов.
- ранее неизвестная взаимосвязь индуктивности электродвигателя стартера со встроенным редуктором с динамическими характеристиками его тягового реле, оказывающая негативное влияние на работу силовых контактов реле и контактов замка зажигания.
Обзор и сравнительный анализ методов моделирования электромагнитных элементов
Широко используемая для расчета электромагнитных элементов теория магнитных цепей оперирует понятиями магнитное сопротивление и магнитная проводимость. Их определение вводится на основании ряда упрощающих допущений. Эти допущения, как правило, принимаются интуитивно, без строгого математического обоснования. Методы теории цепей обычно дают приемлемые результаты средних величин параметров магнитного поля при расчетах ненасыщенных магнитных систем. Достоверность полученных таким путем результатов может быть оценена только путем сравнения результатов расчета и эксперимента, что требует при проектировании электромагнитов дорогостоящей экспериментальной доводки.
Применяемые в настоящее время, при использовании вычислительной техники, расчеты методами теории поля базируются на уравнениях Максвелла, из которых непосредственно получаются расчетные уравнения. Погрешности при расчете, в этом случае, обусловлены в основном погрешностями численного решения уравнений. При расчетах методами теории поля сложность конфигурации не имеет существенного значения, поэтому эти методы применяются для расчетов систем сложной конфигурации, а также для расчета новых систем, когда проведение предварительных экспериментальных исследований нежелательно или трудно осуществимо.
В статье Никитенко А.Г., Бахвалова Ю.А., Щербакова В.Г. [5] сделано обобщение и дана оценка различным современным методам, применяемым для расчета магнитных полей электромагнитных элементов. В этом обзоре указано, что расчет может производиться с использованием метода конечных разностей (МКР), метода конечных элементов (МКЭ), методов, основанных на интегральных уравнениях, а также комбинированных методов, использующих достоинства различных методов. При выборе метода учитываются особенности объекта исследования, которые определяются конструкцией магнитной системы, изменением расположения ферромагнитных частей, степенью их насыщения и т. д. Наиболее просто реализуются на вычислительной технике метод конечных разностей и метод конечных элементов. Эти методы сводят решение краевых задач к решению хорошо обусловленных систем алгебраических уравнений с разреженными матрицами.
Недостатками методов МКР и МКЭ является преобразование информации при замене дифференциальных уравнений разностными, что приводит к искажению исходной информации. Итерационный счет и ошибки округления в процессе численного решения также увеличивают погрешность расчета.
Повышение точности возможно путем уменьшения шага сетки, на которую разбивается магнитная система. Однако это ведет к увеличению числа неизвестных, к росту объема вычислений и накоплению ошибок. Совершенно неэффективными становятся методы МКР и МКЭ в тех случаях, когда требуется учитывать взаимное перемещение ферромагнитных частей, так как для каждого рассматриваемого варианта их расположения необходимо строить новую сетку. Учитывая, что в электромагнитных элементах преобразование магнитной энергии в механическую происходит за счет перемещения якоря, применение методов МКР и МКЭ для расчета поля в таких устройствах нежелательно.
Одним из основных путей повышения точности расчета магнитного поля электромагнитных элементов является увеличение объема аналитических преобразований, поэтому основными методами численного расчета полей являются методы, основанные на применении интегральных уравнений. В интегральных методах начальная часть преобразований осуществляется аналитически, что уменьшает накопление ошибок при численной переработке. Аналитическому преобразованию подвергается наиболее общая часть информации, присущая всем задачам данного класса. Преобразовав ее один раз, результат используется для построения новой математической модели, в которой для численной переработки останется только информация, отражающая специфику конкретной задачи. Наиболее широко используются методы граничных интегральных уравнений (ГИУ), фигурирующие под названием методы вторичных источников (МВИ).
Математическая модель втяжного электромагнита постоянного тока в статическом режиме
Известно, что распределение магнитного потока в электромагните описывается интегродифференциальными уравнениями, составляемыми по закону полного тока при обходе замкнутого контура на каждом из участков. Трудность решения таких уравнений заключается в том, что в общем случае магнитное сопротивление стали, является сложной нелинейной функцией магнитного потока. Для оценки влияния параметров электромагнита на его тяговую характеристику необходимо определить функциональную связь каждого параметра с величиной развиваемого усилия, что требует дифференцируемое и линейности исходных уравнений.
Указанные требования выполняются при следующих допущениях: - в области рабочего воздушного зазора учитывается только аксиальная слагающая магнитного потока, а в областях, занятых обмотками только слагающие потока, нормальные оси магнитной системы (рис 2.1); - область рабочего воздушного зазора рассматривается как участок якоря, отличающийся от него только магнитной проводимостью.
Аналитическое решение уравнений распределения магнитного поля в электромагните, а, следовательно, и получение выражений для определения потока в любом сечении магнитопровода возможно только в случае их линейности.
Зависимость величины магнитного потока в любой части магнитопровода от намагничивающей силы обмотки можно линеаризовать в окрестности рабочей точки. В этом случае модель магнитного поля электромагнита также можно перевести в класс линейных.
Распределение магнитного поля в пределах каждого участка характеризуется отрезком кривой намагничивания, определяемым наибольшей и наименьшей величинами индукции, которые существуют в рассматриваемом участке системы. Дополним принятые ранее допущения предположением, что разница между максимальной и минимальной величинами индукции в пределах каждого из участков такова, что отрезок кривой намагничивания может быть аппроксимирован отрезком прямой.
Линеаризация отрезков кривой намагничивания, характеризующих насыщение стали на каждом участке магнитной системы, позволяет аналитически решить уравнения распределения магнитного поля в электромагните и получить интегральные выражения для определения потока в любом сечении магнитопровода.
Последнее допущение основывается на анализе работы магнитной системы электромагнита, из которого видно, что стальные участки системы по направлению замыкания магнитного потока последовательно соединены с участками воздушных зазоров. Зависимость суммарного магнитного сопротивления этих последовательных участков от величины магнитного потока на большей части хода якоря мало отличается от прямой.
Основным отличием предлагаемого подхода к расчету втяжного электромагнита постоянного тока от известных состоит в том, что отрезки кривой намагничивания, характеризующие насыщение стали на различных участках системы заменяются линейными отрезками. При этом для каждого участка магнитной системы при расчете точки тяговой характеристики отрезок кривой намагничивания определяется индивидуально по результатам расчета магнитных потоков предыдущей точки тяговой характеристики путем нахождения максимальной и минимальной величин индукции на рассматриваемом участке.
Такой подход основан на особенностях работы магнитной системы электромагнита, отличительной особенностью которой является большое различие в степени насыщения отдельных ее участков.
Магнитную систему втяжного электромагнита постоянного тока (рис. 2.1.) можно разбить на три характерных участка [24]: - участок якоря на глубине погружения его в катушку - Я; - участок рабочего воздушного зазора - д; - участок неподвижного сердечника - Я с.
При анализе магнитной системы электромагнита начало координат будем располагать каждый раз в начале рассматриваемого участка.
Рассмотрим первый участок системы - участок якоря на глубине погружения его в катушку - Я. Исходное уравнение магнитной цепи, составленное по закону полного тока при обходе замкнутого контура (см. рис.2.1) для этого участка, имеет вид: 1 s7/f} TT/f/ T L+ )HKAdxA+ &ARA +1фНфЯ+ )НЯЛ ХЯ =—Г ХЛ » (2.1) S ахл о о где сІФхл - элементарный поток рассеивания между якорем и корпусом; g - удельная магнитная проводимость между якорем и корпусом; RA - магнитное сопротивление паразитного зазора между проходным фланцем и якорем.
Моделирование динамики работы электромагнитных элементов при выключении (отпускании якоря)
Анализ литературы показывает, что при рассмотрении вопроса проектирования конструкции быстродействующего электромагнита основное внимание уделялось изучению требуемых динамических характеристик при срабатывании. Такой подход основывался на предположении, что наиболее важным условием нормальной работы автоматизированной системы является минимальное время срабатывания исполнительного электромагнита в момент подачи импульса управления, однако, при этом игнорировалась его влияние на надежную работу системы от момента снятия управляющего импульса до закрытия регулирующего органа.
Точный учет электромагнитной и механической инерции электромагнита исполнительного элемента, особенно при резких изменениях режима работы системы управления, позволит улучшить ее характеристики. Кроме того, значение определения инерционности исполнительного элемента возрастает при проектировании системы на максимально возможную частоту управляющих импульсов для повышения качества регулирования. Учет времени отпускания исполнительного электромагнита позволяет исключить возможность появления режима, при котором электромагнит может не успеть закрыть регулирующее устройство до поступления следующего управляющего импульса.
Таким образом, разработка конструкции электромагнитов, применяющихся в качестве исполнительных элементов систем управления, является составной и неотъемлемой частью их процесса проектирования. Реализация этой концепции требует подхода, учитывающего взаимодействие различных сторон этого процесса, т.е. задача состоит в обосновании выбора параметров электромагнита исполнительного элемента, исходя из его заданных эксплуатационных характеристик, как на срабатывание, так и на отпускание.
Коренным отличием расчета режима отпускания электромагнита от расчета режима срабатывания является замена намагничивающей силы катушки намагничивающей силой вихревых токов, возникающих при выключении обмотки в массивных частях его магнитной системы, результирующее действие которых можно найти, если представить их в виде некоторого эквивалентного тока в короткозамкнутом контуре. Нахождение сопротивления этого контура, имеет первостепенное значение, т.к. оно определяет все переходные процессы в электромагните при отпускании.
Уточненное определение сопротивления эквивалентного короткозамк-нутого контура с учетом поверхностного эффекта было рассмотрено выше, поэтому в этом разделе приведем только отличия расчета времени отпускания от времени срабатывания.
Известно, что процессы, протекающие в электромагните при отпускании, после отключения его от источника ЭДС, описываются следующей системой уравнений: ie (t) - суммарный вихревой ток, R3 - сопротивление эквивалентного ко-роткозамкнутого контура, по которому замыкается вихревой ток.
В разделе 3.1 был изложена методика расчета динамических характеристик электромагнита при срабатывании, учитывающая падение магнитного потенциала в стальных участках магнитной системы и неравномерность их насыщения. Рассмотрим возможность использования полученных формул и предложенного алгоритма для расчета динамических характеристик режима отпускания втяжного электромагнита. Отличиями этого режима от режима срабатывания является замена тока обмотки вихревым током и условие начала движения якоря F Fnp.
Исходя из ранее исследованных физических процессов, происходящих при отпускании электромагнита (возникающие вихревые токи стремятся сохранить магнитный поток в якоре) подход к выводу и конечная формула расчета сопротивления эквивалентного контура при отпускании отличается от режима срабатывания. При выводе формулы учитываем, что вихревые токи в якоре и других частях магнитопровода возникают под действием уменьшения только собственного магнитного поля, которое к началу режима отпускания (моменту исчезновения тока в обмотке электромагнита) достигло установившегося значения, и все переходные процессы в магнитопроводе завершились. Принимаем, что коэффициент связи обмотки и короткозамкнутого контура равен единице, т.е. витки обмотки электромагнита и короткозамкнутого контура вихревых токов сцеплены с одним и тем же магнитным потоком. В этом случае для расчета переходного процесса применим принцип непрерывности суммарного потокосцепления, согласно которому потокосцепление отключаемой обмотки и короткозамкнутого контура не может измениться мгновенно (первый закон коммутации). Таким образом, общий для обмотки и короткозамкнутого контура магнитный поток в первый момент после отключения обмотки должен остаться неизменным.
Пренебрегаем влиянием переходных процессов в выключателе. Это допущение возможно, т.к. прерывание тока в обмотке электромагнита в автоматизированных системах производится транзисторными ключами, время выключения которых составляет порядка 1-Ю"9 с, что значительно меньше времени отпускания электромагнита. Следовательно, ток в обмотке прерывается мгновенно с установившегося значения до нуля, а намагничивающая сила, поддерживающая магнитный поток в системе электромагнита возникает в короткозамкнутом контуре, т.к. цепь обмотки разомкнута. Таким образом, после прерывания тока в обмотке магнитный поток создается скачкообразно возникающей намагничивающей силой вихревых токов в короткозамкнутом контуре. Намагничивающая сила вихревых токов в короткозамкнутом контуре в первый момент после коммутации равна намагничивающей силе обмотки. Это мгновенное изменение вихревого тока в короткозамкнутом контуре не противоречит первому закону коммутации, т. к. суммарное потокосцепление обмотки и короткозамкнутого контура остается неизменным до и после коммутации.
Исследование влияния изменения температуры на динамику работы автомобильной форсунки подачи топлива
Наряду с известными общими закономерностями, влияющими на динамику работы и присущими всем втяжным электромагнитам, имеется ряд специфических особенностей, обусловленных их применением в качестве исполнительных элементов автомобильных систем управления. Исследование целесообразно проводить, используя конкретные, реально существующие конструкции электромагнитных элементов. Рассмотрим ряд частных задач, возникающих при проектировании электромагнита на заданную величину времени срабатывания, т.е. влияние на его быстродействие числа витков обмотки, а также высоты неподвижного сердечника. Для обобщения результатов исследования проведем их на электромагнитах с различными габаритами. В качестве одного из объектов исследования возьмем электромагнит реле стартера типа 5702.3708 с серийными параметрами (см. с. 82). В качестве другого - электромагнитную топливную форсунку производства фирмы "General Motors" типа SFI, параметры которой приведены выше (см. с. 95).
Условия, при которых проводим исследование, оставляем неизменными и состоящими: 1. Для электромагнита тягового реле стартера: ЭДС батареи принимаем Е = 12,6 В, масса движущихся частей (якорь и связанные с ним детали) m = 0.25 кг, противодействующее усилие считаем постоянным Fnp = 2,45 Н. 2. Для электромагнита топливной форсунки: ЭДС батареи принимаем Е = 12,6 В, масса движущихся частей (якорь и связанные с ним детали) m = 0.007 кг, противодействующее усилие определяем с учетом возвратной пружины и давления в системе топливоподачи равным Fnp = 3,26 Н.
Чтобы получить явновыраженные теоретические зависимости динамических характеристик от изменения конкретного параметра, остальные параметры будем считать постоянными. В этом случае определение функциональной зависимости времени срабатывания от каждого из параметров выполняется путем вариации выбранного параметра и расчета динамики электромагнита для каждого значения этого параметра [28] с помощью изложенной выше методики [25] и программы.
Рассмотрим влияние изменения числа витков обмотки электромагнита. Расчет проводим для трех различных значений начального рабочего воздушного зазора. Изменение числа витков электромагнита имеет значительное влияние на его время срабатывания. Это влияние увеличивается при возрастании величины начального рабочего зазора, причем существует оптимальная величина количества витков катушки, при которой время срабатывания электромагнита будет минимальным (рис. 4.8,4.9).
Изменение положения рабочего воздушного зазора относительно обмотки при ее неизменных размерах возможно только за счет вариации длины неподвижного сердечника. Результаты исследования влияния изменения длины неподвижного сердечника на время срабатывания для трех значений рабочего воздушного зазора представлены семейством характеристик на рис. 4.10, 4.11. Как видно из полученных результатов, при изменении длины неподвижного сердечника также возможно нахождение оптимального положения рабочего зазора, при которой время срабатывания электромагнита минимально.
Влияние на величину времени срабатывания оказывает также изменение других параметров электромагнитного элемента, таких как изменение сопротивления обмотки и соотношение диаметров корпуса и якоря. Влияние этих параметров на быстродействие электромагнита показано на рис. 4.12, 4.13, 4.14, 4.15. Проведенные исследования показали, что при вариации указанных параметров, оптимальная величина сопротивления обмотки и соотношения диаметров корпуса и якоря, при которых электромагнит имеет минимальное время срабатывания, отсутствует, но изменение этих параметров может смещать оптимумы, определенные для числа витков обмотки или для положения рабочего воздушного зазора.
Значительное воздействие на работу электромагнитного элемента оказывает колебание напряжения источника питания. Известно, что при увеличении напряжения на обмотке электромагнитного элемента его быстродействие возрастает. Степень зависимости времени срабатывания от напряжения питания, для каждого конкретного устройства, будет разной. Это зависит как от параметров электромагнитного элемента, так и условий его работы в системе. Напряжение источника питания относится к условиям его работы, взаимосвязь между ними на автомобиле очевидна. Это связано, прежде всего, с ограниченностью мощности аккумуляторной батареи в автомобиле, а также со значительным падением напряжения на соединительной проводке. Чтобы конкретизировать взаимосвязь напряжения питания со временем срабатывания для рассмотренных выше электромагнитов реле стартера и форсунки подачи топлива, проведены расчетные исследования такого влияния. Результаты показаны на рис. 4.16 и 4.17.
