辐向永磁直线电机式电磁气门驱动系统的制作方法

专利名称：辐向永磁直线电机式电磁气门驱动系统的制作方法
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
单极辐向永磁直线电机中，线架成为了磁路的一部份，因此线架芯轴采用高饱和 导磁材料；由于驱动机构体积的限制，环状永磁面的外表面积相比于内外铁心的截面积大 很多，内外铁心的截面积成为限制工作磁场提高的主要因素。为了尽可能降低影响，设计靠 近吸合面的端盖，采用铁粉芯或其它高饱和导磁材料制成，使磁通向两端分流，可提高工作 磁场，所选用的导磁材料的电阻率小时，线圈架上切割出交错排列的纵向缝，单个缝长建议 小于线圈架高的1/2，缝宽为工艺和成本能实现的最小宽度；数个交错排列的、在轴向上的 投影达到线架高度的缝为一组，一组缝的缝间隔要求尽量小，同时又要保证线圈架的一定 的机械强度(具体参数无严格要求)，各组缝尽量均勻分布，这样可切断环形电流，降低涡 流；为了使线圈贴合紧密，线圈盖的压力面为螺旋面，螺距为线厚(导线和硅钢带厚度和)。
(4)单极辐向永磁直线电机动子附加导磁环
由于安装空间的关系，驱动机构的直径不能太大，但高度相对较大，内外铁心的截 面积成了限制磁场提高的关健因素，所以永磁体的高度按内外铁心的导磁能力计算。为了 充分利用内外铁心两端的导磁能力，直线电机动子中的永磁环，与衔铁不直接连结，在永磁 铁靠近衔铁方向串连一个导磁环，当衔铁吸合时，导磁环高度使导磁环部份穿过靠近吸合 面的线圈端盖(此线圈端盖为导磁体)，但超过量不高于气门行程。这样当衔铁离开吸合面 后，原通过衔铁的磁通可通过附加的导磁环和线圈端盖，保证工作磁场相对提高。可采用多 种方法将永磁环和导磁环固定于衔铁上，推荐永磁环和导磁环固定方法为在导磁环与永 磁环外套一个导磁钢套，导磁钢套一端向外拉伸出法兰盘，法兰盘用螺丝固定于衔铁上，一 端向内拉伸，形成内盘状，用以固定磁铁环。
2.并联式永磁吸合保持机构
在现有永磁吸合式保持机构中，永磁铁串联在电磁铁磁路中，在本方案的单极辐 向永磁直线电机中，永磁铁的磁通通过内铁心、进入电磁铁心底部、线圈导磁盖及衔铁再经 过外铁心返回永磁铁，电磁铁心底部、线圈导磁盖及衔铁为三个并联的磁路(也可反向)， 线圈导磁盖和线圈底部为固定气隙，其磁阻变化小，衔铁在磁路的气隙变化范围大，当衔铁 吸合时，永磁铁中的通过衔铁的磁通会增加，可产生保持力，利用此力可减小保持电流。由 于常规电磁铁结构中电磁铁的底部连接内、外铁心的端部导磁体无气隙，磁阻很小，同时由 于加工精度及控制精度的原因，衔铁上通过的磁通难以产生足够的保持力，在并联磁路中， 为了增加某一路的磁通，可以通过减小其支路磁阻，也可以通过增加其它支路磁阻的方法， 在本发明中，提出了在尽可能减小衔铁与吸合面吸合间隙的基础上，增加电磁铁底部气隙 的方法，增加电磁铁底部磁阻(气隙大小无严格要求，取决于衔铁与吸合面吸合间隙加工 和控制精度，气隙越小越省电)，主要有两个方案双气隙导磁底部和单气隙导磁底部。
双气隙导磁底部为单独的辐向梯形片叠成的导磁环，将内外铁心连结，底部单独 的辐向梯形片叠成的导磁环分别留一小气隙(可用非导磁材料间隔)，(建议0. 1 0. 2mm, 但不限于此范围，取决于制造精度和控制精度，精度越高，间隙越小，越节能，同时衔铁与吸 合面工作间隙也降低)，从永磁环中出发的磁通分别通过内铁心(或外铁心)，再通过电磁 铁的底部导磁体、线圈端盖和衔铁形成的并联回路，再经过外铁心(或内铁心)，回到永磁 铁；由于衔铁位置的变化，衔铁在吸合过程中磁通在三个磁路中重新分配，由于电磁铁底部 气隙很小，磁阻很小，只有衔铁吸合时，通过衔铁的磁阻大幅减小时，通过衔铁的磁通大幅 增加，产生足够吸力，使气门保持在关闭或打开位置，当需要取消保持状态时，向线圈中通 一个电流，使电磁铁吸合面产生的磁场与永磁铁的方向相反，当磁力小于弹簧力时，保持状 态解除，这样可大幅降低(或取消)气门保持电流。
单气隙导磁底部是将底部导磁环与内铁心(或外铁心)连为一体，硅钢片成L形， 在底部的内铁心与外铁心之间留一个气隙，形成单气隙导磁底部。
3.液压调整式吸合间隙调整
由于气门头与高温气体接触，当发动机运行时其温度比电磁驱动其它部份温度 高，会造成衔铁与吸合面距离降低，同时气门磨损也会降低衔铁与吸合面距离，为了保证正 常工作，就要提高衔铁与吸合面距离，这样会增加电流，增加能耗。本方案将上电磁铁组 (内、外铁心、线圈及附件)固定在一起，与电磁气门外壳滑动配合，气门弹簧产生对上电 磁铁组的向上的力，在外壳外部固定一个液压垫，液压垫的入口设置单向阀，并与发动机润 滑油相连，液压垫的活动活塞与外壁之间采用间隙配合，允许内部液体在外部压力下泄漏 (泄漏速度参考常规气门液压顶柱确定)。液压垫的作用面积用气门弹簧最小压力和滑润 油压力确定，使液压缸中的液体压力与滑润油的最高压力相等时，液体产生的压力小于气 门弹簧产生的压力。上电磁铁组被液压垫和气门弹簧定位，当气门关闭且衔铁吸合时，衔铁 与上电磁铁之间的气门弹簧中的力为内力，不对液压垫产生作用力，液压垫的作用力为衔 铁与下电磁铁之间的气门弹簧(简称下气门弹簧)的压力，液压垫在气门弹簧的压力下其 中液体会泄漏，由于气门座与气门头接触，限制了下气门弹簧压力的发挥，液压缸中的压力 在吸合时降低，此时单向阀打开，液压缸的液体会得到补充，补充量取决于泄漏量和气门杆 长度变化量，在此过程中不需人为控制。6
4.电控液压行程调整机构
为了动态调整气门行程，本方案调设计电控环形液压垫，安装于下电磁铁组底部， 液压垫中设置一个带单向阀入口，一个带定压阀的出口，分别与带电控阀的入油管和回油 管相连，只有当入口电控阀打开并且液压缸中压力低于入口油压时，润滑油才可进入液压 缸(排气门在完全关闭时液压缸中压力最低和完全打开时压力最低)，只有当出口电控阀 打开并且液压缸中压力高于定压阀时，润滑油才可流出液压缸(排气门在完全打开前或开 始关闭后，电磁吸力最小时，压力最大)，由于气门运动过程中弹簧对液压缸的压力会周期 性变化，同一台发动机的不同缸的相同类型气门，其液压缸的压力具有固定相位关系，其中 各缸相同类型气门在压力最高的时间不重叠，可利用此特点顺序精确控制各缸的回油量。 因此将所有不同缸的相同类型气门的行程调整液压缸的入口和出口分别并联后再接电控 阀接入油路，入油口同时控制，可根据相位初步控制入油量，出油口根据相位在速度和位移 传感器的监测下精确控制行程，减小电控阀的数量，采用顺序控制时各缸的行程最好一致， 气门弹簧性能尽可能一致，当然各气门行程也可采用独立的液压控制。
5.位置速度关系为控制目标，控制衔铁落座速度
闭环控制的精度，主要取决于四个方面⑴控制方案；⑵响应速度；(3)控制参 数精度，(4)测量精度，本方案系统能量补充采用控制衔铁相对位置与速度的关系的控制策 略，将无阻力时系统的运动速度与衔铁相对位置的关系作为系统的目标(也可取正弦或余 弦函数)，衔铁吸合时的速度接近0，当速度高于目标值时，减少驱动电流(特殊情况下，将 驱动电流减少到0后，衔铁的速度高于目标值时，可让体系工作在发电状态，如关闭排气门 时，高压气体会推动气门向上加速运动，向体系补充能量，有可能出现补充的能量高于体系 损失能量)，当速度低于目标值时，增加驱动电流。
6.电感式位置测量
为了低成本地取得位置参数，依据电磁铁的电感随衔铁的距离减少而增加的原 理，如果知道了电感就知道了衔铁与电磁铁吸合面的距离，本方案在电感电路中串接一测 量小电感(类似于电阻分压)，在保持状态下(永磁铁吸合，电磁铁中无电流)采用小占空 比的PWM控制线圈产生小电流，电流的升高速度和下降速度与线圈电感成反比，并在关断 期间(关断期间受电源电压影响相对较小，当然也可用打开期间)，采用同步采样法测量电 感上的电压，其电压与电流变化率成正比，与线圈电感成反比(精度要求高时可进行数值 或模拟补偿，补偿方法类似于电阻分压补偿)，这样就可知道保持状态的距离(此距离作为 温控支柱的控制信号，速度传感器的校正信号)，同样，在衔铁运动过程中也可对电感在正 常PWM期间同步采样，计算出衔铁位置，此时要消除直线电机的电动势等的影响，可通过实 验的方法确定模型，可作为近似速度测量，或与速度传感器相互备份；
7.直线电机式速度传感器
用上述方法得到的位置参数，影响因素较多，求取的速度参数误差进一步扩大，本 方案设计了动磁式直线电机式速度传速器(衔铁带动幅向永磁铁环在线圈中运动)，由于 在相同温度下磁场不变，其线圈电动势与速度成正比，同时线圈中仅有检测电流，影响因素 小，在相同温度下线性关系好，不同温度的误差用气门在保持状态时电感法计算的相对位 置校正，为了进一步降低磁铁的温度影响，在磁路中设置限磁结构(减小截面积，使此结构 处工作在磁导率变化快速点)，当磁铁性能降低时限磁结构的磁阻升高(反之亦然)，补偿磁铁性能影响。


下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1是辐向永磁直线电机式电磁气门驱动立体图
图2是辐向永磁直线电机式电磁气门驱动剖面图
图3是辐向永磁直线电机式电磁气门驱动增阻气隙局部剖面位置图
图4是辐向永磁直线电机式电磁气门驱动增阻气隙局部剖面
图5是电磁铁线圈架立体图
图6是电磁铁线圈盖立体图
图7是电磁铁线圈组合立体图
图8是电磁铁线圈组局部剖面图(多层线圈)
图9是电磁铁线圈组局部剖面图(单层立绕线圈)
图10是电磁铁内铁心组
图11是电磁铁内铁心硅钢片叠合图
图12是电磁铁内铁心架
图13是电磁铁外铁心硅钢片叠合图
图14是电磁铁外铁心架
图15是直线电机动子立体及剖面图
图16是衔铁架立体图
图17是衔铁硅钢片叠合图
图18是直线电机式速度传感器剖面图
图19是双气门驱动立体图
图20是双气门驱动剖面图
图中1.气门头，2.气门杆，3.气门衔铁定位面，4.气门衔铁固定螺母，5.气门衔 铁固定螺丝，10.气门导管，11.气门电磁铁固定螺丝，12.气门电磁铁外壳，13.气门密封， 14.气门弹簧，20.衔铁扇状硅钢片组，21.定位台阶，22.定位环，23.辐向磁铁连结套法 兰盘，24.辐向磁铁连结套，25.导磁衬环，26.辐向永磁铁，27.衔铁架，28.衔铁架定位孔 29.定位台阶，30.连结孔，31.线圈支架内筒，32.线圈架盖板，33.接线头，34.线圈导线， 35.导磁体，36.减损缝，40.内铁心架内筒，41.内铁心架定位头，42.内铁心组放射性支 架，43.气门弹簧座，44.内铁心扇状硅钢片组，50.外铁心扇形硅钢片组，51.外铁心外筒， 52.外铁心放射性支架，53.外铁心卷边，80.速度传感器固定盘，81.速度传感器固定孔， 82.速度传感器外筒，83.速度传感器幅向磁铁，84.速度传感器线圈，85.速度传感器内心， 86.速度传感器连接筒，87.速度传感器连接杆，88.速度传感器磁铁连结套，89，速度传感 器内心固定螺丝，101.气门间隙调整液压活塞，102.气门间隙调整液压外筒，103.气门间 隙调整液压缸，104.气门行程调整液压外筒，105.气门行程调整液压缸，106.气门行程调 整液压活塞。8具体实施方式
图1、图2是幅向永磁直线电机式电磁气门驱动立体图和剖面图，在以下描述中靠 近气门的方向规定为下，反之规定为上，电磁铁远离吸合面为电磁铁的底部，图1中气门头 (1)与气门杆( 为整体，在气门杆顶部定位面(3)，传感器螺丝孔(5)，气门杆安装在气门 导管(10)上，气门导管顶部装有气门油封(1 气门杆通过螺母(4)与驱动动子的衔铁架 (27)的固定，气门顶部螺孔(5)与速度传感器(80 89)连接，当速度传感器为自回位时， 气门杆不与速度传感器(80 89)固定连接，采用推动的方式传递运动，两个压缩气门弹 簧(14)压缩安装在驱动动子衔铁架(XT)和内铁心架(40 43)的弹簧座上，气门弹 簧以外分别为内铁心架(40 4 ，内铁心扇状硅钢片组(44)，驱动动子幅向永磁铁00)， 线圈组(30 36)，外铁心扇形硅钢片组(50)，电磁铁外铁心架(51 53)；电磁铁内铁心 的底部G4)与外铁心之间留有一小间隙(图4)；速度传感器连结杆(87)与气门杆O)固 定，速度传感器盖通过速度传感器固定孔(81)固定在内铁心架上，速度传感器盖下垫一个 弹簧垫，适应气门长度变化；内铁心、内铁心架、外铁心、外铁架、线圈组通过外铁心架固定 在一起，在气门电磁铁外壳(1 中可上下滑动，在气门电磁铁外壳(1 上部固定液压垫 (101 103)；在气门电磁铁下部安装液压垫(104 106)，上下电磁铁组初始距离与气门 最大行程相同，可在液压垫的作用上下调整；
图15 图17说明了直线电机动子结构，图17中的衔铁扇状硅钢片组由扇状硅钢 片叠成，安装在图16的衔铁架中，组成衔铁组，辐向磁铁连结套04)将导磁衬环(25)，辐向 永磁铁06)组成一整体，定位环0 上有两个定位台阶，分别与衔铁上衔铁定位台阶01、 四)，导磁衬环0 配合，衔铁与磁环通过法兰盘(23)，连结孔(30)和定位环0 用螺丝 固定。直线电机动子中的衔铁位于上下电磁铁组之间，辐向磁铁连结套04)与导磁衬环 (25)及辐向永磁铁06)的组合环位于线圈组(30 36)与，与内铁心04)之间，驱动动子， 驱动动子的定位孔08)与气门杆固定，上下端面压在上下弹簧上，整个驱动动子随气门杆 上下运动，衔铁平衡位置位于上下电磁铁组中间，并且气门处于行程中间位置；衔铁架和定 位环0 用高强度非导磁材料，可高电阻材料，导磁衬环0 和辐向磁铁连结套04)用 高导磁材料，通过适当设计可取消定位环(22)。衔铁扇状硅钢片组可用高导磁，高电阻材料 制造，此时可取消衔铁架。
图5 图9说明了线圈结构，图7中线圈由内筒(31)，盖板(32)，线圈导磁体(34， 35)，以及接线头(33)构成；由图8是多层同向线圈图，图中线圈34为多层同向绕制，各层 线圈对齐，线圈(34)与导磁体(35)交错布置，其接头线(33)交错在线圈盖开口的两边，将 各层线圈首尾相接，最外和最内的线圈首尾线为线圈引出线；图9是电磁铁线圈组局部剖 面图(单层立绕线圈)，线圈由单层线圈构成(34)，线圈(34)与导磁体(35)交错布置，导 磁体(35)可采用单环结构或螺旋环结构，因采用螺旋环结构时连续的螺旋导磁体可认为 是等电位，是要考虑绝缘情况，当不能满足绝缘要求时，可将连续的螺旋导磁体切断，或者 将导磁体与导线并联；线圈(34)用导电良好材料，内筒(31)和导磁体(35)用高导磁材料， 靠吸合面的盖板用高电阻、高导磁材料，靠电磁铁底部盖板用非导磁材料，为了降低损耗， 在内筒(31)上加工多条纵向缝，为了使线圈贴合紧密，盖板(3 的端面上为螺距为导磁体 和导线厚度的螺旋面。
图10 图12说明了内铁心组结构，扇形硅钢片叠成的扇形硅钢片组04)安装在图12的内铁心架上，内铁心架由内铁心内筒(40)，内铁心架定位头01)，内铁心组放射性 支架(42)，位于内筒内的气门弹簧座(图1)，内铁心架由非导磁材料或高电阻材料制 造。内铁心组可用高导磁、高电阻材料制造，这时取消内铁心架。
图13 图14说明了内铁心组结构，扇形硅钢片叠成的扇形硅钢片组(50)安装在图 14的外铁心架上，外铁心架由外铁心外筒(51)，外铁心放射性支架(52)，外铁心卷边(53)，构 成，外铁心卷边(5 在安装时卷成，包住内铁心端部，将内外铁心固定在一起，外铁心架由非 导磁材料或高电阻材料制造。外铁心组可用高导磁、高电阻村料制造，这时取消外铁心架。
图18说明了直线电机式速度传感结构，图中速度传感器固定盘(80)上钻速度传 感器固定孔(81)并与速度传感器外筒(82)、速度传感器内心(8 为一体，内心上绕线圈， 幅向磁铁(8 与速度传感器连接筒(86)、速度传感器连接杆(87)连在一起，速度传感器 连接套(88)，速度传感器内心固定螺丝(89)将速度传感器固定盘(80)和速度传感器内心 (85)固定为一体。速度传感器固定盘(80)、速度传感器内心(85)、速度传感器外筒(82)用 导磁材料。速度传感器内心固定螺丝(89)用非导磁材料，起限磁作用。
图18、图19说明了多气门的电磁气门驱动结构，根据气门布置，将同一气缸的相 同类型气门内铁心合并，形状相应调整，其它结构与单气门相同，构成了多气门驱动的电磁 气门驱动机构，此结构适合气门间隔小，并且相同类型气门轴向平行时采用。当气门外张 时，可适当调整外张角，并适当调整气缸间距，采用单气门驱动结构，更为灵活。
系统关键参数确定原则
(1)气门弹簧，气门弹簧与衔铁、气门振动体系的周期小于发动机最高速运行时的 打开周期(发动相关资料有计算方法)，振动体系的角速度由公式 = λ/ 计算，周期由公式 Τ = 2π/ω计算，弹簧要工作在无限寿命状态。
(2)电磁铁吸合面积及衔铁截面积(内铁心外周长减去衔铁架弧)，按直流电磁铁 的公式计算，永磁铁的计算采用永磁工作点法计算(具体计算方法相关资料有介绍)
系统工作过程(1)发动机启动前所有气门处于关闭状态，气门衔铁均吸合在上 吸合面上；(2)气门初始化，测量气门驱动衔铁吸合距离，调整间隙，如果气门处于中间位 置，采用多次补充能量的方法恢复气门处于关闭位置，速度传感器温度飘移标定(零点标 定和永磁体温度影响校正)；(3)接收曲轴同步信号；(4)当气门需打开时(需考虑提前 角)向上部的电磁线圈通电流，使线圈中产生的磁场与永磁体的磁场方向相反，克服永磁 体的吸力，当永磁体的吸力小于弹簧力时，衔铁、驱动磁体在弹簧的作用下开始打开气门； (5)上线圈中继续通以电流，以电磁铁和电机工作状态产生向下驱动力，补充体系能量，电 流大小根据速度传感器测量速度并计算位移，依据设定的速度与位移的关系确定增加或减 小电流，同时下线圈也可以通过电流产生向下的驱动力(尤其是排气门打开过程中，因高 压气体的存在，对气门有向上的推力，两个线圈同时作用有利于减小电流)，在运动过程中 衔铁距上吸合面的距离越来越远，距下吸合面的距离越来越近，上电磁线圈主要工作在电 机状态，而下电磁线圈主要工作在电磁铁状态；(6)当衔铁接近吸合位置时，下电磁线圈由 于气隙减小，电感增加，在相同电流的情况下，由电流产生的磁力增加，同时由永磁铁产生 的吸力也快速增加，为了提高响应速度，应首先减小下电磁线圈的电流，尤其是高速情况 下，要提前减小下电磁线圈中的电流，衔铁运动到吸合位置时，整个体系速度降低到适当的 低速，吸合面的吸力足以克服弹簧力，使气门保持在打开位置，在此时进行速度传感器的动态标定；(7)当需关闭气门时(考虑响应时间)，下电磁线圈通以与上次相反的电流，产生与 永磁体相反的磁场，磁力减少，当永磁体的吸力小于弹簧力时，衔铁、驱动磁体、气门开始关 闭气门；(8)下线圈中继续通以电流，以电磁铁和电机工作状态产生向上驱动力，补充体系 能量，电流大小根据速度传感器测量速度并计算位移，依据设定的速度与位移的关系确定 增加或减小电流，同时上线圈也可以与上次相反的电流产生向上的驱动力(排气门在关闭 过程中，因高压气体的存在，对气门有向上的推力，应减小电流，在高负荷下可让其工作在 发电状态，补偿高压气体的作用，以保证气门平稳落座)，在运动过程中衔铁距下吸合面的 距离越来越远，距上吸合面的距离越来越近，下电磁线圈主要工作在电机状态，而上电磁线 圈主要工作在电磁铁状态；(9)当衔铁接近吸合位置时，下电磁线圈由于气隙减小，电感增 加，在相同电流的情况下，由电流产生的磁力增加，同时由永磁铁产生的吸力也快速增加， 为了提高响应速度，应首先减小上电磁线圈的电流，衔铁运动到吸合位置时，整个体系速度 降低到适当的低速，吸合面的吸力足以克服弹簧力，使气门保持在关闭位置，在此时进行 速度传感器的动态标定；(10)当系统低功率需求运行时，可将部份工作气缸的进排气门关 闭，让发动机工作在气弹簧状态，提高剩余气缸的工作负荷，提高工作压力，提高效率；(11) 打开状态气门可能受到自由运动的活塞的碰撞，如果气门处于中间状态，整体体系处于平 衡位置，在下次启动时，要很大的电流才能将体系能量补充充足，因此当发动机停机时，让 所有气门运动到关闭状态，以保持体系能量，方便下次启动，当然由于偶然原因气门处于中 间状态时，而其它统参数无问题时，可采用多次补充能量的方法，将气门恢复到关闭位置， 再正常启动。
权利要求
1.一种辐向永磁直线电机式的电磁气门驱动系统，其特征是在双弹簧、双电磁铁气门 驱动机构的基础上，进行以下几项改进(1)衔铁与单极辐向永磁环复合动子的直线电机； (2)并联式永磁吸合保持机构；(3)液压调整式吸合间隙调整机构；(4)电控液压行程调整 机构；( 位置与速度关系为控制目标，控制衔铁的落座速度；(6)电感式位置测量；(7)直 线电机式速度传感器。在以上特征中(1)、(2)为本方案的必有特征，其它特征是完善本方 案的推荐解决方案，根据需要可取消或替代。以上的直线电机式的电磁气门系统为基本形 状为圆形，依据以上结构原理，直线电机式气门驱动系统可为矩形、椭圆形等形状，相应永 磁环为与之相配的异形环，特殊情况下，永磁环可分为数个部份，尤其是当采用多气门结构 时，可将同一气缸的多个进气门或排气门，用同一套系统驱动，系统为相匹配的异形环。
2.根据权利要求1所述的衔铁与单极辐向永磁体复合动子的直线电机，其特征为在衔 铁上固定辐向永磁体(内部为一极，外部为一极)形成复合动子，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。
3.根据权利要求2所述的衔铁与单极辐向永磁环复合动子的直线电机，其特征是线圈 采用导磁体与线圈交替的结构，线圈架采用导磁材料。
4.根据权利要求3所述的线圈，其特征是靠近吸合面的端盖板为高电阻、高导磁材 料，可硅钢片叠合，对体积要求不高时端盖板可用非导磁材料；线圈架内筒上分布不连续的 纵向缝或采用高电阻、高导磁材料。
5.根据权利要求3所述的线圈，其特征是线圈的端盖板为螺旋面，螺距为导线和导磁 环厚度和。
6.根据权利要求3所述的线圈，其特征是导磁体与线圈交替的线圈结构采用多层线 圈对齐绕制，首尾相接，并在各圈之间加导磁环结构形成导磁体与线圈交替的结构。
7.根据权利要求3所述的线圈，其特征是导磁体与线圈交替的线圈采用一扁导线与 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。
8.根据权利要求7所述的线圈，其特征是导磁体的内外厚度比与内外直径成反比，内 厚外薄，扁导线厚度为外厚内薄，差值为导磁体内外厚度差。
9.根据权利要求2所述的复合动子，其特征是辐向永磁铁不与衔铁直接相连，在永磁 环靠近衔铁方向串连一个与磁铁直径和厚度相同的导磁环，导磁环高度为衔铁吸合时导磁 环部份穿过靠近吸合面的线圈端盖，但超过量不高于气门行程。
10.根据权利要求2所述的复合动子，其特征是用一个导磁外套将导磁环与磁铁连结 在一起，利用外套上的法兰盘和螺丝压在衔铁上，衔铁上有定位台阶保证衔铁与磁铁同心。
11.根据权利要求2所述的电磁铁铁心和衔铁，其特征是采用扇形硅钢片叠成。
12.根据权利要求1所述的并联式永磁吸合保持机构，其特征是在电磁铁内外铁心的 磁路中靠近底部(远离吸合面处)留下增加磁阻的气隙，(建议0. 1 0. 2_，但不限于此 范围，取决于制造精度和控制精度，精度越高，间隙越小，越节能，同时衔铁与吸合面工作间 隙也降低)，当衔铁与吸合面吸合时产生足够吸力，使气门保持在关闭或打开位置，当需要 取消保持状态时，向线圈中通一个电流，使电磁铁吸合面产生的磁场与永磁铁的方向相反， 当磁力小于弹簧力时，保持状态解除，这样可大幅降低(或取消)气门保持电流。
13.根据权利要求12所述的增加磁阻的气隙，其特征将内铁心或外铁心制成L型，在内外铁心之间留下一个气隙。
14.根据权利要求12所述的增加磁阻的气隙，其特征将内铁心、外铁心和端部分成三 部份在内外铁心和端部之间各留下一个气隙。
15.根据权利要求1所述的液压调整式吸合间隙调整机构，其特征为将上电磁铁组 (内、外铁心、线圈及附件)固定在一起，与外壳滑动配合，在外壳上部固定一个液压垫，液 压垫的入口设置单向阀，并与发动机润滑油相连，液压垫的活动活塞与外壁之间采用间隙 配合，液压垫的作用面积用气门弹簧最小压力和滑润油压力确定，使液压缸中的液体压力 与滑润油的最高压力相等时，液体产生的压力小于气门弹簧产生的压力。
16.根据权利要求1所述的电控液压行程调整机构，其特征为下电磁铁组与外壳滑动 配合，底部安装电控环形液压垫，控制气门行程。
17.根据权利要求16所述的电控液压行程调整机构，其特征为采用顺序控制方式，即 在液压缸中设置一个带单向阀入口，一个带定压阀的出口，将所有不同缸的相同类型气门 的行程调整液压缸的入口和出口分别并联后再接电控阀接入油路，入油口采用同时控制， 可根据相位初步控制入油量，出油口根据相位在速度和位移传感器的监测下精确控制行 程，减小电控阀的数量，采用顺序控制时各缸的行程最好一致，气门弹簧性能尽可能一致。
18.根据权利要求1所述的电感式位置测量，其特征是在电磁铁电路中串接一小电感， 在保持状态下(永磁铁吸合，电磁铁中无电流)采用小占空比的PWM控制线圈中产生小电 流，并在关断期间(关断期间受电源电压影响相对较小，当然也可用打开期间)采用同步采 样法测量电感上的电压，其电压与电流变化率成正比，与电感成反比，这样就可知道保持状 态的距离，同样，在衔铁运动过程中也可对电感同步采样，计算出衔铁位置，此时要消除直 线电机的电动势等的影响，可通过实验的方法确定模型，在一定情况下可通过计算的方法 得到速度，也可作为速度传感器失效时的备份数据。
19.根据权利要求1所述的直线电机式速度传感器，其特征是有内铁心、外铁心、内外 铁心连结部份，线圈、永磁铁环，及与永磁铁相连的驱动杆组成，内、外铁心为同心圆结构， 线圈绕在内铁心上，永磁铁可在内、外铁心之间的环隙中运动，产生与速度成正比的电压， 在相同温度下磁场不变，其线圈电动势与速度成正比，同时线圈中仅有少量检测电流，影响 因素小，不同温度的误差用保持状态时电感法计算的相对位置校正，也可采用温度补偿法 校正，并可通过积分法计算相对位置，采用温度补偿时可计算绝对位置。
20.根据权利要求19所述的直线电机式速度传感器，其特征是有在磁路中设置限磁结 构(减小截面积，使此结构处工作在磁导率变化快速点)，当磁铁性能降低时限磁结构的磁 阻升高，补偿磁铁性能影响(反之亦然)。
21.根据权利要求21所述的直线电机式速度传感器限磁结构，其特征是固定内铁心的 螺丝采用非导磁材料，降低此部份的导磁截面，起限制磁场的作用。
全文摘要
一种辐向永磁直线电机式的电磁气门驱动系统，其特征是在双弹簧、双电磁铁气门驱动机构的基础上，采用(1)衔铁与单极辐向永磁体复合动子的直线电机；(2)并联式永磁吸合保持机构、(3)液压调整式吸合间隙调整机构、(4)电控液压行程调整机构、(5)采用位置与速度关系为控制目标，控制衔铁的落座速度、(6)电感式位置测量、(7)直线电机式速度传感器，实现降低电磁驱动能耗的目的。
文档编号H02P6/08GK102032012SQ201010526680
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年5月5日
发明者唐明龙, 张宝欢, 张洁, 张海明, 李小年, 陈益广 申请人:天津蹊径动力技术有限公司