Nam châm tạo ra lực nam châm có thể lớn hơn lực của lò xo để di chuyển armature tới vị trí đóng và mở xupap. Nam châm đƣợc lựa chọn bởi vật liệu NdFe35 với các
đặc tính của nam châm quyết định đến mật độ từ thông để tạo ra lực từ trong hệ thống xupap điện từ. Do đó, nó cũng là một thơng số quan trọng cần đƣợc phân tích và xem xét khi thiết kế xupap điện từ.
Bảng 3.2: Đặc tính từ của nam châm NdFe35.
Đặc tính Ký hiệu Giá trị Độ từ dƣ Br(T) 1.22 Độ thấm từ tƣơng đối µr 1.0997 Độ kháng từ Hc (A/m) -890000 Độ thấm từ của chân khơng µ0 (H/m) 4 x 10-7
Hình 3.6: Cấu tạo của nam châm. 3.2.4. Thiết kế cuộn dây điện từ. 3.2.4. Thiết kế cuộn dây điện từ.
Cuộn dây điện từ là một thông số rất quan trọng trong thiết kế xupap điện từ (EMV). Khi dòng điện một chiều cho cuộn dây sẽ sinh ra từ trƣờng xung quanh cuộn dây, từ trƣờng này làm suy yếu đi hoặc tăng cƣờng thêm mật độ từ trƣờng của nam châm. Vì thế kích thƣớc phần lõi của cuộn dây điện từ phải đƣợc thiết kế để đảm bảo từ
Mật độ từ trƣờng phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn và vật liệu chế tạo, bên cạnh khoảng không gian hạn chế để đặt các cuộn dây là những yếu tố quan trọng để tính tốn các thông số của 1 cuộn dây điện từ. Do đó kích thƣớc dây dẫn và lõi cuộn dây sẽ đƣợc tối ƣu hóa để đảm bảo các u cầu về khơng gian giới hạn và điều kiện bão hịa. Kích thƣớc dây dẫn phải đảm bảo chịu đƣợc mật độ dòng điện lớn nhất và giới hạn về khơng gian. Khi tính tốn các thơng số của dây dẫn, ngƣời ta chọn 1 vùng hiệu quả nhất đó là vùng tam giác nhƣ trong hình 3.7 khả năng chịu đựng cƣờng độ dòng điện trong cuộn dây đƣợc tính tốn bằng cách chia cho lực điện từ sinh ra.Theo cách này thì khả năng truyền tải dòng điện cao nhất đƣợc tính trong khu vực tam giác nhƣ trong hình 3.7. Bảng 3.3 cho thấy mật độ dịng điện trên mỗi kích thƣớc dây khác nhau. Theo nhƣ bảng
này thì loại 21 AWG với đƣờng kính dây khoảng 0.723 mm và dịng điện tối đa là 9 A có mật độ cao nhất 5.30 A/mm2. Do đó cƣờng độ từ trƣờng tạo ra lớn hơn làm cho từ thông qua lõi thép tăng lên đáng kể.
Hình 3.7: Tiết diện dây dẫn.
Bảng 3.3: Mật độ dịng điện của các dây dẫn có kích thƣớc khác nhau.
WAG gauge Diameter
(mm) Ohm per km Current density (A/mm2) 7 3.665 1.634 5.16 8 3.263 2.060 5.21 9 2.905 2.598 5.20 10 2.588 3.276 5.17
13 1.828 6.569 5.11 14 1.628 8.282 5.14 15 1.450 10.443 5.16 16 1.290 13.172 5.13 17 1.150 16.609 5.06 18 1.023 20.942 5.08 19 0.911 26.407 5.01 20 0.812 33.292 5.25 21 0.723 41.984 5.30 22 0.645 52.939 5.11 23 0.574 66.780 5.11 24 0.510 84.197 5.12 25 0.454 106.173 5.12 26 0.403 133.856 5.13 27 0.360 168.821 5.13 28 0.320 212.872 5.10 29 0.287 268.402 5.10 30 0.254 338.496 5.08 31 0.226 426.728 5.11 32 0.203 538.248 5.10 33 0.180 678.632 5.13 34 0.160 855.752 5.05
Lõi thép của cuộn dây điện từ là bộ phận để dẫn từ thông sinh ra từ cuộn dây trong hệ thống EMV. Khi thiết kế phần lõi phải đảm bảo yêu cầu về kích thƣớc và vật liệu chế tạo phải phù hợp để hiện tƣợng bão hịakhơng xảy ra. Bên cạnh đó, phần lõi cũng đƣợc xác định theo đƣờng cong B-H để tránh hiện tƣợng từ thông qua lõi và armature vƣợt quá giá trị cho phép. Điều này sẽ giúp cho các giá trị mơ phỏng chính xác với thực tế hơn. Vật liệu làm lõi và armature là sắt nguyên chất với mật độ bão hòa cao. Đƣờng cong B-H cho vật liệu sắt nguyên chất thể hiện trong hình 3.8.
Hình 3.8:Đƣờng cong B-H trên vật liệu sắt nguyên chất.
Hình dạng của lõi cuộn dây nhƣ hình 4.7. Cuộn dây sẽ đƣợc quấn quanh lõi để trở thành nam châm điện. Khi cuộn dây đƣợc cấp điện sẽ tạo ra từ thơng đi qua lõi thép.
Hình 3.9: Hình dạng của lõi thép.
3.3. Tính tốn các thơng số của xupap điện từ (EMV). 3.3.1 Giới thiệu các công cụ phần tử hữu hạn. 3.3.1 Giới thiệu các công cụ phần tử hữu hạn.
Để kiểm tra các thông số tối ƣu trong hệ thống xupap điện từ ngƣời ta sử dụng công cụ phần tử hữu hạn. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) là cơng cụ phân tích có độ chính xác cao, Maxwell 3D đƣợc sử dụng để phân tích phần tử hữu hạn trong nghiên cứu này.
xupap điện từ đã đƣợc đề xuất. Q trình phân tích các phần tử hữu hạn đƣợc thể hiện trong bảng 3.4.
Bảng 3.4 Q trình phân tích cho xupap điện từ.
Phân tích
Phân tích phần tử hữu hạn
Chèn thiết kế xupap điện từ vào Thiết lập trạng thái
Vẽ mơ hình 3D Thiết lập vật liệu
Thiết lập nguồn kích thích
Thiết lập các thông số chấp hành Thiết lập các trạng thái tùy chọn Xác nhận tất cả các thiết lập Lời giải
3.3.2 Tối ƣu hóa các thơng số trong thiết kế xupap điện từ.
Trong thiết kế này, các thông số trong thiết kế xupap điện từ bao gồm: độ dày, bán kính của nam châm, kích thƣớc armature, kích thƣớc lõi cuộn dây, số vòng dây .v.v. ảnh hƣởng trực tiếp đến mật độ từ thơng trên armature. Nó quyết định đến lực hút khi cuộn dây không mang điện và lực từ giảm khi cuộn dây đƣợc cung cấp dịng điện. Các thơng số đó có ảnh hƣởng qua lại lẫn nhau, do đó chúng tơi phải xem xét chúng với các trƣờng hợp khác nhau mà bao gồm tất cả các phân tích cho các thơng số đó. Chúng tơi phân tích độ nhạy các thông số đến lực hút bởi công cụ phân tích phần tử hữu hạn. Các thơng số có ảnh hƣởng khơng đáng kể đƣợc bỏ qua để đơn giản quá trình tối ƣu hóa. Các thơng số của xupap điện từ đƣợc thể hiện trong hình 3.10 và các mơ tả của nó đƣợc liệt kê trong bảng 3.5.
Hình 3.10: Các thông số của xupap điện từ cho phân tích độ nhạy.
Bảng 3.5: Sự mơ tả của các thông số.
Mô tả của các thông số Ký hiệu
Độ dày nam châm Hpm
Bán kính nam châm Rpm
Bán kính armature Ra
Độ dày armature Ha
Chiều cao lõi cuộn dây Hc
Số am-pe vịng NI
3.4 Phân tích các yếu tố ảnh hƣởng. 3.4.1 Nam châm. 3.4.1 Nam châm.
Nam châm sinh ra lực từ tức thì trên armature. Bởi vậy, nó quyết định lực từ sinh ra đó có thể thắng đƣợc lực lị xo để giữ xupap ở vị trí đóng và mở. Ở thiết kế này, nam
(hình 3.10) vì hình dạng này có nhiều lợi ích hơn so với các hình dạng khác. Đặc tính nam châm phụ thuộc vào nhiệt độ do ảnh hƣởng của hiện tƣợng khử từ. Tính năng của nam châm giảm xuống ở nhiệt độ cao, do vậy, lực từ trong thiết kế xupap điện từ chịu ảnh hƣởng của nhiệt độ. Ở trong đồ án này, chúng tôi không đề cập về sự ảnh hƣởng của nhiệt độ đến đặc tính của nam châm. Kích thƣớc nam châm bao gồm độ dày (Hpm) và bán kính (Rpm) của nam châm, hai kích thƣớc đó ảnh hƣởng đến lực từ trên armature. Phân tích kích thƣớc của nam châm đã đƣợc khảo sát với các thông số tối ƣu của cuộn dây điện từ và armature. Tác động của độ dày nam châm đến lực từ đƣợc thể hiện ở
hình 3.11.
Hình 3.11: Ảnh hƣởng của độ dày nam châm đến lực từ.
Giá trị của độ dày nam châm tại Hpm = 2 mm là tối ƣu nhất so với các trƣờng hợp khác vì khi cuộn dây chƣa đƣợc cấp dịng điện thì lực giữ có giá trị cao và khi cuộn dây đƣợc cung cấp dịng điện thì lực giữ có giá trị thấp. Tại giá trị cƣờng độ dịng điện 0 NI thì giá trị lực từ khoảng 710 N vƣợt quá giá trị lực của lò xo, do vậy xupap đƣợc giữ ở vị trí đóng và mở. Khi cung cấp dịng điện cho cuộn dây thì giá trị lực từ giảm xuống, ở giá trị cƣờng độ dòng điện 1500 NI giá trị lực từ còn khoảng 420 N. Giá trị này nhỏ hơn lực lò xo và kết quả là xupap đƣợc tách ra khỏi vị trí đóng hoặc mở.
0 500 1000 1500 350 400 450 500 550 600 650 700 750
CUONG DO DONG DIEN ( NI )
L U C T U ( N ) Hpm = 1mm Hpm = 2mm Hpm = 3mm Hpm = 4mm
Sự phân bố mật độ từ thơngcũng đƣợc phân tích bởi FEA (Finite Element Anylysis) với dòng cung cấp tại 0 NI và 1500 NI tƣơng ứng. Kết quả thể hiện mật độ từ thơngđó qua armature với tất cả trƣờng hợp là hầu nhƣ tại trạng thái bão hịa khi cuộn dây khơng đƣợc kích thích (hình 3.12). Do vậy, tất cả trƣờng hợp độ dày của nam châm đạt lực từ cao nhất lớn hơn lực lị xo.
Hình 3.12: Sự phân bố từ thôngtrên armature với độ dày nam châm khác nhau
tại 0 NI.
Mật độ từ thông chƣa đạt tới độ bão hòa lúc này khi cuộn dây đƣợc cung cấp bởi dòng điện mong muốn. Do vậy, lực từ trên armature sẽ giảm. Khi dòng điện đƣợc cung cấp cho cuộn dây, dịng từ có xu hƣớng đi qua lõi cuộn dây rất dễ dàng điện từ cuộn dây sẽ trở thành nam châm điện. Dịng từ của nam châm có độ dày 2 mm giảm nhiều hơn so với các trƣờng hợp khác nhƣ thể hiện trong hình 3.13. Do đó, giá trị của sự giảm lực so với các trƣờng hợp khác là lớn. Do vậy, giá trị độ dày của nam châm tại 2 mm là tối ƣu nhất cho thiết kế xupap điện từ.
Hình 4.13: Sự phân bố từ thông trên armature với độ dày nam châm khác nhau
tại 1500 NI.
Trong đồ án này, bán kính của nam châm cũng đƣợc phân tích. Bán kính nam châm có giá trị lớn hơn 13.5 mm sẽ khơng đƣợc xem xét do khoảng không gian giới hạn của kết cấu xupap điện từ. Ảnh hƣởng của bán kính nam châm đến lực từ đƣợc thể hiện ở hình 3.14. Kết quả cho thấy giá trị của lực từ và sự giảm lực ở Rpm = 10.5 mm là thấp nhất so với các trƣờng hợp khác. Do vậy, thơng số tối ƣu của bán kính nam châm nằm trong khoảng 11.5 ~13.5 mm. Ta có thể thấy các đƣờng có sự giống nhau về lực giữ khi cuộn dây đƣợc kích thích và khơng kích thích. Do đó, ảnh hƣởng của những giá trị bán kính này đến lực từ là không đáng kể trong khoảng 11.5 ~13.5 mm.
Hình 3.14: Ảnh hƣởng của bán kính nam châm đến lực từ. 3.4.2 Armature. 3.4.2 Armature.
Kích thƣớc armature trong thiết kế xupap điện từ bao gồm độ dày và bán kính của armature. Nó ảnh hƣởng tức thì đến dịng từ trên armature. Bán kính và độ dày của armature có liên quan đến diện tích tiếp xúc giữa armature và lõi thép. Do vậy, nó quyết định trạng thái bão hịa trong thiết kế xupap điện từ. Trong phần này, bán kính armature đƣợc khảo sát trong khoảng 19 ~22 mm và độ dày armature là từ 8 ~12mm. Trong khi đó, thơng số của cuộn dây điện từ và nam châm armaturecó giá trị tối ƣu. Sự khảo sát đƣợc thực hiện ở 0 NI và 1500 NI để tìm ra thiết kế armature tối ƣu nhất. Ảnh hƣởng của bán kính armature đến lực từ đƣợc thể hiện ở hình 3.15. Kết quả cho thấy armature có bán kính 20 mm là tối ƣu nhất. Nó có lực giữ cao nhất đạt 719 N tại 0 NI và giảm xuống cịn 415 N tại 1500 NI. Trong khi đó, các bán kính của armature khác có lực giữ và lực giảm sút là khơng thể thỏa mãn tính năng cần thiết của các tiêu chuẩn xupap điện từ. 0 500 1000 1500 350 400 450 500 550 600 650 700 750
CUONG DO DONG DIEN ( NI )
L U C T U ( N ) Rpm = 10.5mm Rpm = 11.5mm Rpm = 12.5mm Rpm = 13.5mm
Hình 3.15: Ảnh hƣởng của đƣờng kính armature đến lực từ.
Ảnh hƣởng của đƣờng kính armature đến mật độ từ thôngcũng đƣợc đƣa ra bởi FEA. Kết quả đƣợc thể hiện ở hình 3.16 và hình 3.17 Tƣơng ứng với dòng tại 0 NI và 1500
NI. Mật độ từ thơngcủa bán kính armature là khơng đạt tới trạng thái bão hịa (hình
3.16). Armature có bán kính tại 21 mm và 22 mm có mật độ từ thơngthấp. Do vậy, nó có
lực giữ nhỏ so với các trƣờng hợp khác. Khi cuộn dây đƣợc cung cấp dòng điện mong muốn, mật độ từ thơnggiảm. Mật độ từ thơngcủa armature có bán kính ở 21 mm và 22 mm là giảm đáng kể, do vậy chúng có giá trị thấp. Tuy nhiên, nó khơng thể cịn thõa mãn những giá trị cần thiết của lực từ. Trong khi sự giảm mật độ từ thôngcủa armature có bán kính 19 mm là nhỏ, do vậy nó khơng thể thỏa mãn lực giảm sút cần thiết. Giá trị bán kính tối ƣu của armature là 20 mm, mật độ từ thônglà giảm đáng kể ở 1500 NI. Do vậy, nó sinh ra lực từ nhỏ hơn lực của lị xo. Cho nên, xupap điện từ có thể hoạt động hồn tồn ở bán kính đó. 0 500 1000 1500 200 300 400 500 600 700 800
Cuong Do Dong Dien (NI)
L uc T u ( N ) Ram = 19 mm Ram = 20 mm Ram = 21 mm Ram = 22 mm
Hình 3.16: Sự phân bố mật độ từ thôngtrên armature với bán kính armature khác
nhau tại 0 NI.
Hình 3.17: Sự phân bố mật độ từ thơngtrên armature với bán kính armature khác
nhau tại 1500 NI.
độ dày 8 mm và 10 mm không thể thỏa mãn lực từ khi cuộn dây đƣợc kích thích và khơng đƣợc kích thích. Độ dày tối ƣu ở 12 mm thõa mãn các tiêu chuẩn xupap điện từ để đảm bảo xupap đƣợc đóng và mở hồn tồn.
Hình 3.18: Ảnh hƣởng của độ dày armature đến lực từ.
Sự phân bố của mật độ từ thôngcủa armature tại 0 NI và 1500 NI đƣợc thể hiện trong hình 3.19 và hình 3.20. Kết quả trong hình 3.19 thể hiện mật độ từ thôngcủa độ
dày armature không đạt tới trạng thái bão hòa tại 0 NI. Tuy nhiên, mật độ từ thôngcủa độ dày 12 mm đạt tới giá trị cao nhất. Do đó, nó có lực giữ cao nhất nhƣ trong hình 3.18. Lực này là lớn hơn lực của lị xo, do đó armature sẽ đƣợc giữ dễ dàng ở vị trí đóng
hoặc mở. 0 500 1000 1500 0 100 200 300 400 500 600 700
CUONG DO DONG DIEN ( NI )
L U C T U ( N ) Ham = 8mm Ham = 10mm Ham = 12mm
Hình 3.19: Sự phân bố mật độ từ thôngtrên armature với độ dày khác nhau tại 0
NI.
Khi dòng điện mong muốn đƣợc cung cấp tới các cuộn dây thì mật độ từ thơngqua armature sẽ giảm xuống. Dẫn đến kết quả là giảm lực từ trên armature. Hình 3.20 có thể thấy đƣợc giá trị mật độ từ thôngcủa 8 mm và 10 mm là thấp. Do vậy, chúng có lực từ nhỏ. Tuy nhiên, lực giữ đó khơng thể giữ xupap tại tốc độ động cơ lớn nhất trong động cơ đánh lửa truyền thống. Trong khi đó, sự giảm mật độ từ thơngvới độ dày 12 mm tại 1500 NI tạo ra lực từ nhỏ hơn lực của lị xo. Do đó, xupap sẽ đƣợc tách ra ở vị trí đóng và mở khi cuộn dây có năng lƣợng.
Hình 3.20: Sự phân bố mật độ từ thơngtrên armature với độ dày khác nhau tại
1500 NI.
3.4.3 Cuộn dây điện từ.
Chúng ta xét ảnh hƣởng của cuộn dây điện từ đến lực điện từ tại các giá trị của chiều các giá trị chiều cao của lõi cuộn Hc = 10mm, 11mm, 12mm, 13mm, 14mm. Kích thƣớc lõi cuộn dây quyết định lƣợng từ thông chạy qua lõi cuộn dây. Kích thƣớc lõi cuộn dây điện quá lớn sẽ làm cho lực điện từ giảm nhanh nhƣng không thỏa mãn yêu cầu về giới hạn không gian trong thiết kế EMV. Trong khi lõi cuộn dây điện từ có kích thƣớc q nhỏ sẽ khiến cho mật độ từ thông qua cuôn dây điện từ luôn ở trạng thái bảo hòa khi cuộn dây đƣợc cung cấp điện. Do đó lực điện từ giảm xuống khơng đáng kể. Hình 3.21