磁力发动机控制系统的研究与实现

精品论文大全磁力发动机控制系统的研究与实现杨大帅，周强 中国农业大学工学院，北京 (100083) E-mail：muyids摘要：本文基于磁力发动机的专利技术,针对尼桑 A12 发动机的结构特征，提出了一种可 行的磁力驱动改造方案。在此基础上,我们着重设计了磁力驱动机构的控制电路：以反映曲轴旋转情况的同步光信号作为控制信号，利用光电元件将光信号转变为电信号，通过驱动电 路，驱动绝缘栅双极晶体管（ IGBT ），控制主电路中电磁线圈的通、断，输出电磁力，使磁力发动机按一定的运动规律运行。 关键词：磁力发动机，驱动机构，控制系统中图分类号：TH1. 引言在现代文明的今天，汽车已经成为人类不可缺少的交通运输工具。但是，我们也应该看 到，在汽车产业高速发展、汽车产量和保有量不断增加的同时，汽车也造成了严重的尾气污 染。汽车尾气对环境的污染主要表现为产生温室效应，破坏臭氧层，产生酸雨、黑雨等现象； 对人体的危害主要表现为造成各种疾病，严重损害呼吸系统，并且具有很强的致癌性。最近， 联合国环境规划署（UNEP）公布的一份亚洲城市空气污染（Urban Air Pollution in Asia） 报告显示，北京具有管理空气质量的“良好能力”，在控制废气排放方面取得了重大的成绩， 但还必须更好地管理汽车尾气排出的悬浮微粒；亚洲降低汽车尾气污染的努力部分被汽车数 量的增加抵消了。因此，汽车尾气污染已经到了非治理不可的程度。目前治理汽车尾气主要有三条途径： 第一，最根本和最终的途径改变汽车的动力。此途径使汽车根本不产生或只产生很少的污染气体，如开发电动汽车及代用燃料汽车。第二，改善现有的汽车动力装置和燃油质量。采用设计优良的发动机、改善燃烧室结构、 采用新材料、提高燃油质量等都能使汽车排气污染减少，但是不能达到“零排放”。第三，采用汽车尾气的净化技术。如采用一些先进的机外净化技术对汽车产生的废气进 行净化以减少污染，但此途径也不能达到“零污染”。2. 磁力发动机的设计思想发动机作为汽车的核心部件，是造成汽车尾气污染的关键因素。大多数治理尾气污染的 途径也主要是围绕改变发动机动力源进行的。综合各方面因素，研究人员提出了磁力发动机 的设计思想：利用现有的车用内燃机的缸体及曲柄连杆机构作为磁力发动机的主体结构，利 用直动式电磁铁作为磁力发动机的动力源机构，另外，对直动电磁铁的供电与断电可利用顶 推开关机构来实现，也可通过压力开关、光电传感器等方式实现。这种发动机的优点就是，引入了磁力驱动技术，可实现动力的零泄露传递，避免振动传 递，实现工作机械的平稳运行和工作机械运行中的过载保护。更重要的是它实现了尾气“零 排放”，达到了治理环境的目的，而且由于其安装、拆卸、调试、维修均较方便，特别适合 对现有发动机进行改造，故降低了成本，减少了浪费。3. 磁力发动机的驱动机构- 8 -3.1 普通发动机的动力学规律本研究是基于尼桑 A12 发动机进行改造设计的，其基本参数如表 1 所示：表 1 发动机的基本参数缸径活塞行程功率力矩连杆中心距曲轴中心距主轴径曲轴连杆轴径73mm70mm51KW95KNm121.5mm35mm49.9mm44.9mm如图 1 所示，图中 OB 为曲柄，为 A1 上止点，A2 为下止点，B 为曲柄销中心，A 为连杆小头或活塞销中心，R 为曲柄半径，L 为连杆长度，X 为活塞运动位置。当曲柄按等角速 度旋转运动时，A 点沿气缸中心线作往复运动，而连杆 AB 作由旋转运动和往复运动合成的 平面复合运动。根据曲柄连杆机构的运动规律，求出了活塞的运动规律，如图 2 所示，横坐标表示曲轴 的转角，单位为度（°），纵坐标表示活塞的位置，单位为毫米（mm）。当曲轴转过 180°时， 活塞移动到下止点；当曲轴转过 360°时，活塞移动到上止点。曲柄旋转一周，活塞完成两 个行程。图 1 曲柄连杆机构结构图图 2 活塞运动位移的规律曲线作用在活塞顶上的压力为 F，力 F 在曲柄连杆机构中的传递如图 3 所示。通过分析，可k知发动机在一定的转矩下，所需要的压力为 F = Tk1 2 sin 2 / ( sin a h) ，其中T 表示转矩， 表示连杆比（R/L）。代入参数，可得出在一定转矩下活塞受力的变化情况，如 图 3-2 所示，横坐标为转角，单位是弧度，纵坐标为压力，单位为牛。从图中看出，在 =0、±、±2、±3、±k（K 为正整数）时，压力为无穷大，即所谓的“死点”位置。所以， 要使曲柄连杆机构能够正常运转，活塞受力要避开“死点”位置，以避免“死点”现象的发生，损坏机械构件。图 3 曲柄连杆机构受力分析图 4 一定转矩下活塞受力的变化情况3.2 磁力驱动机构3.2.1 磁力驱动技术 磁力驱动是以现代磁学的基本理论，应用永磁材料或电磁铁所产生的磁力作用，来实现力或转矩（功率）无接触传递的一种新技术。工程上一般称有各种磁性元件构成的能量转换系统为磁系统。磁系统按激励方式的不同可分为电磁式和永磁式两种，它们所对应的磁路分 别成为电磁磁路和永磁磁路。电磁系统的特点是其磁源是通以电流的励磁线圈，工作磁场强 度直接受励磁线圈中的电流控制。永磁系统的磁源则是永磁体，其特点是使用过程中不消耗 能量，不产生焦耳热，运转费用低廉。在电磁系统中，电磁铁是一种依靠电磁系统中产生的电磁吸力，使衔铁作机械运动，从 而对外做功的电动装置。直流电磁铁是采用直流激磁的电磁铁，所以通过其磁路的磁通是不 随时间作周期性变化的恒定磁通。这样直流电磁铁的磁导体中就不会产生磁滞损耗和涡流损 耗。直流电磁铁大都是螺管式的，其结构特征是衔铁的行程比较长，并且衔铁是在线圈的内 腔中作直线运动。螺管式电磁铁有几种结构型式，包括：无壳螺管式电磁铁、甲壳开口螺管 式电磁铁、具有止座的螺管式电磁铁、具有锥形衔铁头的螺管式电磁铁、具有阶梯状衔铁的 螺管式电磁铁。3.2.2 磁力发动机的驱动机构 甲壳开口螺管式电磁铁的吸力一般较大，且其吸力特性曲线比较平稳。另外，永磁系统工作气隙的磁场强度调节控制不如电磁系统灵活。因此，结合发动机的结构特点，本设计的磁力驱动系统选择直流电磁系统，并用开口甲壳螺管式电磁铁结构进行改造，其示意图如 5 所示。其工作原理是，控制四个电磁线圈的通、断电，使四个缸的电磁铁芯上下往复运动， 从而带动曲轴旋转，输出动力。其中 1、4 缸电磁铁芯的运动规律一样，2、3 缸电磁铁芯的 运动规律一样，它们交替工作，产生电磁驱动力。图 5 四缸发动机磁力驱动改造结构示意图图 6 甲壳开口螺管式电磁铁结构参数3.2.3 电磁铁的基本参数 结合普通发动机的动力学规律，依据电磁铁的设计原理，在参考经验数据的基础上，对于单个甲壳开口螺管式电磁铁（如图 6），其基本参数如表 2 所示。其中线圈导线为铜导线，排线方式为并列式，其电阻约为 14.2，所需电流约为 22A，供电电压约为 300V。表 2 电磁铁、线圈的基本参数线圈厚度 bxq :17mm铁心端面圆锥顶角 sin a :1/ 5线圈高度 hxq :175mm铁心端面圆半径 r :10mm铁心半径 rz :20mm铁心轴线到线圈外圈距离 d :38mm4. 磁力发动机的控制系统4.1 顶推开关式控制系统如图 7 所示，磁力发动机的控制过程是，打开开关 30，触点 15 和 22 分别与触环 14 和 23 连接，电流经电源 31 正极、电磁线圈 11 和 26、触环 14 和 23、触点 15 和 22、电源 负极流回。电磁线圈 11 和 26 产生磁场使电磁铁芯 10 和 29 上下运动，通过活塞销 5、连杆2 驱使曲轴 3 相应旋转并带动电磁铁芯 27 和 28 上下运动。曲轴 3 相应旋转 180 度时，电磁 铁芯 10 和 29 达到上止点，电磁铁芯 27 和 28 达到下止点，双稳摇摆 17 背顶向另一边，触 点 15 和 22 分别与触环 14 和 23 断开，触点 19 和 21 分别与触环 18 和 20 连接，电磁线圈11 和 26 磁场消失，电磁线圈 24 和 25 产生磁场，使电磁铁芯 27 和 28 向上运动，电磁铁芯10 和 29 向下运动。曲轴 3 相应旋转 360 度，下一个循环开始。如此循环往复运动，发动机 的曲轴 3 不断旋转便产生动力输出。图 7 四缸磁力发动机及其顶推开关式线路控制示意图1分析该控制方式，发现存在着一些不利于磁力驱动控制的问题：线圈通电是靠双稳摇摆 上的触点和触环的机械接触完成的，长期运行下产生的机械磨损会影响接触精度，造成控制 特性下降，甚至发生“死点现象”；由于工作电压比较高，机械接触容易产生电火花，导致短 路或漏电现象等。另外，发动机启动时，静止状态的电磁铁芯一般不会停在上止点，因而需 要借助外界动力才能将触点和触环连接使线圈通电，这样，控制变得不灵活。4.2 光电式控制系统4.2.1 控制原理 发动机的磁力驱动过程本质上是控制各个电磁线圈按照一定的规律通、断电，从而使电磁铁芯产生电磁力做往复运动，带动曲轴转动。通过对发动机运动规律的研究，根据活塞（电磁铁芯）运动规律，结合成熟的电力电子控制技术，本方案设计了一个器件，将运动规律转换为电信号，反过来控制线圈的通、断电，其控制示意图如图 8 所示。 其控制过程是，光电耦合器通过安装在发动机主轴上的遮光盘产生一定规律的电信号，驱动绝缘栅双极晶体管（IGBT），分别控制主电路的通断，使电磁线圈 1、4 和 2、3 按一定 规律通断电，使电磁铁芯产生电磁驱动力，从而使主轴输出动力。这种控制方式的优点就是， 整个控制输入非接触式控制，消除了机械误差，控制电路采用了性能良好的电力电子控制器 件，具有良好的稳定特性。图 8 光电式线路控制示意图4.2.2 控制器件 光电耦合器：将发光元件与光敏元件集成在一起便可构成光电耦合器，它的发光元件多半为发光二极管，而光敏元件以光敏二极管及光敏三极管为多，少数采用光敏林顿管或光控晶闸管。光电耦合器有三种结构形式：（a）窄缝透射式，可用于片状挡光物体的位置检测， 或码盘、转速测量中；（b）反射式，可用于反光体的位置检测，对被测物不限厚度；（c）全 封闭式，用于电路的隔离。根据控制特性，本方案采用窄缝透射式光电耦合器。绝缘栅双极晶体管（IGBT）：把 MOSFET 与大功率晶体管（GRT）复合形成的，除具 有 MOSFET 的电压型驱动、驱动功率小的特点，同时具有 GRT 饱和压降低和可耐高电压和 大电流等一系列应用上的优点，成为当前工业领域应用最广泛的电力电子器件.遮光盘：为控制电路提供反映发动机运动规律的同步光信号。对于控制电路来说，线圈 供电的通断必须考虑到“死点”的位置，如果在“死点”附近线圈还在供电，不但不能使曲柄连 杆机构正常运动，还可能破坏机构，甚至造成机器部件的损坏。这就要求控制电路的控制信 号必须能够准确地反映曲轴旋转的情况，以避免“死点”现象的发生。根据线圈通、断电的实 际规律求得线圈的通电范围为 202.5°306°，线圈导通角为 103.5°。如果考虑到光电信号通、 断的延迟时间，光电元件的延迟时间为微秒级，假定曲轴旋转角速度为 100rad/s，引起的 误差为 0.018°，可以忽略该误差。考虑到发动机的结构和运动特性，设计出遮光盘的结构,如图 9，遮光盘只有一个光导通 区，需要两组光电元件安装在不同位置已控制不同缸的线圈供电。4.2.3 控制电路图 9 遮光盘及线圈导通示意图主电路：选用输出为 300V 的直流蓄电池，线圈电流约为 22A，电阻约为 14.2，主电 路如图 10 所示，当 IGBT1 导通时，线圈 1、4 通电；当 IGBT2 导通时，线圈 2、3 通电。 图中 L 和 R0 起缓冲作用，避免因过流对线圈的冲击，D1、D2 避免反向电流对 IGBT 的不 利影响，起保护作用。300VdcK驱动电路IGBT2D1R4D2R2LR0R3图 10 主电路图驱动电路：对于大功率 IGBT，多采用具有保护功能的专用混合集成驱动器，常用的有 三菱电机公司的 M579XX 系列(M57962L 属于该系列)和富士电机公司的 EXB 系列(如 EXB840、EXB841、EXB850 和 EXB851)。这些芯片都是混合集成电路，都具有退饱、监测 和保护环节，当发生过电流时，能够迅速响应，慢速关断 IGBT，以避免过高的关断夹峰电 压，同时向控制电路发出故障信号。整体电路：本设计选用集成式驱动电路（即集成驱动器芯片），用 IGBT 作为主电路的 控制元件，驱动器芯片的输入(即控制信号)可用光电耦合器。如图 11 所示。+5V+ 152Rg 3 1220V300 VdcKEXB8413至10k- 14920V2IGBT2D1 R4D2R2R3LR0 Rg 3 12+5VR+ 15EXB84113至10k0.5k 14-9图 11 磁力驱动控制电路总图5. 结论本设计主要是在现有内燃机结构的基础上，主要针对其驱动机构提出初步的改造方案， 并计算出磁力驱动机构的结构参数和动力参数，进而找出所需磁力的控制规律，设计出控制 电路。通过本设计的研究，表明磁力驱动技术可以应用于现有发动机的改造，从而满足保护环 境的要求。不过，由于磁力驱动技术理论还不完善，需要进一步的实验研究来不断探索发动 机驱动磁力改造的先进方法。参考文献1周强一种磁力发动机P中国及 99109824.2，2001.01.24 2赵克中编著磁力驱动技术与设备M北京：化学工业出版社，2004 3福州大学张冠生，河北工学院陆俭国主编电磁铁与自动带电磁元件M北京：机械工业出版社，1982 4汽车维修速查手册丛书编委会编汽车发动机机械参数速查手册M北京：电子工业出版社，2002 5倪连开主编汽车发动机简明教程图解M北京：电子工业出版社，2004 6陆际清，孟嗣宗汽车发动机设计M北京：清华大学出版社，1990 7杨叔子，杨克冲，吴波，熊良才机械工程控制基础M武汉：华中科技大学出版社，2002 8董景新，赵长德控制工程基础M北京：清华大学出版社，2003 9赵家贵，付小美，董平主编传感器电路设计手册M北京：中国计量出版社，2002 10康华光主编电子技术基础（模拟部分）M北京：高等教育出版社，1999 11孙传友，孙晓斌编著感测技术M北京：电子工业出版社，2001 12杨绪，裴云庆，王兆安编著开关电源技术M北京：机械工业出版社，2004 13周志敏，周纪海编著开关电源实用技术（设计与应用）M北京：人民邮电出版社，2004The Research and Implementation of the Control System of the Magnetic Force EngineYang Dashuai, Zhou QiangCollege of Engineering,China Agricultural University, Beijing (100083)AbstractThis paper puts forward a feasible reformation program of magnetic force driving based on a patent ofa magnetic force engine, against the structure characteristic of the machine NISAN A12.Then we play emphasis on the design of the control circuit of the magnetic force driving mechanism. The control circuit is given by the following: considers the light signal that reflects revolving circumstance of the song the stalk synchronously as the control signal, and converts the light signal into electric signal by light-electricity component, then control the magnetic coils open and break in the main electric circuits by driving IGBT through the driving electric circuit, thus output electric magnetic force, and finish expected revolving recycle of the engines.Keywords: Magnetic Force Engine; Drive Mechanism; the Control System作者简介：杨大帅，男，1981 年生，硕士研究生，主要研究方向是机电控制系统；周强，男，1958 年生，博士生导师，主要研究工作包括磨损动态过程的视频监控、磁力动 力机械与自动控制系统和蝗虫光电效应诱导捕集技术。