[发明专利]辐向永磁直线电机式电磁气门驱动系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁气门驱动系统，尤其采用双弹簧结构，动磁式直线电机、并联式永磁保持式电磁气门驱动系统。

背景技术

目前公知发动机气门驱动以各种凸轮驱动为主，气门开闭取决于凸轮形状，难以实现气门随工况调整升程和相位角，尤其是汽油发动机在低负荷时，为了降低进气量，节气门开度很小，节流损失很大，出现了多凸轮的气门驱动机械，但也仅能进行少量调整，人们提出了电磁气门驱动，使气门相位角可调，采用调整进气电磁气门系统相位角的方式，来调整进气量的方法，可取消节气门，消除节流损失，但电磁铁具有两个方面的缺点，(1)电磁铁在气隙较大时，产生相同的吸力需较大电流；(2)气门保持打开或关闭状态时要消耗电能。常规单弹簧结构电磁气门驱动中的弹簧使气门为常闭状态，用电磁铁吸力克服弹簧力打开，由于要保证频率，弹簧有较高强度，整个行程中均需要很大电流，电磁气门驱动功率需求较高，据有关资料介绍功率需求达到5KW左右，因此不具实用价值。为此提出了双弹簧结构的电磁驱动系统，它是将两个压缩弹簧对置并与气门杆或衔铁相连，在平衡位置气门处于半开状态，气门、衔铁、弹簧为一振动体系，气门及衔铁偏离平衡位置后，体系会振动，依靠振动实现气门的开闭；同时设置两个电磁铁，电磁铁的吸力补充系统能量损失，并依靠电磁力使气门在适当时间内保持关闭或吸合，双弹簧电磁气门驱动系统，功率大幅降低，但电磁铁的以上两个缺点仍然存在，同时电磁铁吸合时，吸力较大，容易造成气门碰气门座或衔铁碰电磁铁的问题，要求补充能量适当，最好对电流进行闭环控制，控制落座速度，为了提高效率，能量补充最好在衔铁与电磁铁较近时进行，但补充时间短，补充能量控制难度大，二者难以兼顾，同时气门保持还需较高能量，据介绍，该系统单个气门的功率也达到100W以上，常规16气门发动机，功率需求达到1～2KW，功率需求还是较高，本申请是在“幅(应为辐)向永磁直线电机式电磁气门驱动系统”(申请号201010162840.X)的基础上提出的专利，保留主要思想，增加部份新方案，减少部份联合不紧密，不实用方案，修正补充了权利要求书。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明采用单极辐向永磁直线电机解决高效能量补充；采用放射性硅钢片为主体的导磁材料，解决铁损问题；采用并联式永磁回路实现永磁吸合式保持，同时保证直线电机的较高的工作磁感应强度；采用液压调整吸合间隙；采用直线电机式速度传感器、电感式位移式计算的方法测量位移和速度，控制衔铁落座速度。

1.衔铁与单极辐向永磁体复合动子的直线电机

为了解决电磁铁在吸程较远时效率低的问题，本方案设计了直线电机与电磁铁相结合的方案，充分利用电磁铁在近距时吸力(斥力)大，效率高，直线电机在运动速度高时，效率高的特点，主要采用以下技术实现直线电机功能。

(1)衔铁与单极辐向永磁直线电机动子复合机构

在双弹簧气门驱动的衔铁上固定两个永磁铁环(内外各为一极)，在电磁铁的内铁心与线圈或外铁心线圈之间留出间隙，永磁铁环可在上述间隙中运动，构成了两个动子相连的直线电机。

(2)导磁体与线圈交替结构

单极辐向永磁直线电机动子中的磁场要辐向穿过线圈，为了保证足够电磁力和较低电阻，要求线圈有较大的厚度，常规多层密绕电磁铁线圈无专门磁路，造成气隙很大，直线电机工作磁场难以提高，本方案设计了一层线圈与一层导磁体的交替结构，形成类似普通永磁无刷直流电机的齿槽结构，大幅度降低气隙厚度，同时降低了磁体体积，为了便于高效加工，设计了两种结构，①采用多层线圈对齐绕制，首尾相接，并在各圈之间加导磁环结构。②采用一扁导线与一硅钢带叠置立绕方式制成，形成同向的螺旋立绕导线与螺旋立绕硅钢叠置结构，第②种结构由于硅钢片中无电流，电位相等，相邻导线与硅钢片之间电压最高达到线圈两端电压，需增加导线与硅钢片的绝缘厚度，为了解决此问题，采用将硅钢带与线圈并联技术，使硅钢带与线圈电位变化，相邻导线与硅钢片之间电压大幅降低。可采用硅钢带两端与导线两端相短接的方法，或者将扁导线与硅钢带在不绝缘下叠合，再在双层结构体覆绝缘材料，最后绕制成线圈，使相邻导线与硅钢片电位相等，可降低线圈间的绝缘厚度。由于从永磁环的出发的磁场为辐向，磁路中宏观截面积随半径减小而减小，为了让在整个磁路中磁感应强度均衡，充分利用导磁材料，设计导磁体的内外厚度与内外周长(或直径)成反比，为内厚外薄的截面，使导磁部份的截面积相对稳定，为了使线圈叠置后内外厚度一致，扁导线为内薄外厚，补偿导磁体厚度变化。

(3)导磁线圈架