Hình 3.1: Kết cấu của của EMV dùng nam châm.
Kết cấu của EMV dùng bộ nam châm đƣợc thể hiện trên hình 3.1. Kết cấu bao gồm 4 nam châm (2 nam châm phía trên và 2 nam châm phía dƣới), một cặp cuộn dây điện từ, armature, 2 lị xo và thân xupap.
Hình 3.2: Ngun lý hoạt động của EMV.
Khi chƣa cấp dòng điện cho cuộn dây, lực từ của 2 nam châm phía trên lớn hơn lực lị xo nên hút armature lên phía trên và làm cho xupap đóng lại hồn tồn hình 3.2 (a). Khi cấp điện cho 2 cuộn dây điện từ, từ thông qua cuộn dây tăng lên đáng kể. Vì thế, từ thơng qua armature giảm xuống nhƣ thể hiện trên hình 3.2 (b) làm cho lực từ giữ
armature cũng giảm xuống. Đến khi lực lị xo phía trên lớn hơn lực giữ armature do 2 nam châm phía trên tạo ra, lực lị xo sẽ đẩy armature đi xuống làm cho xupap bắt đầu mở nhƣ hình 3.2 (c). Khi armature vƣợt qua vị trí trung gian thì cuộn dây sẽ đƣợc ngắt điện và lực từ của nam châm phía dƣới sẽ hút armature đi xuống vị trí dƣới cùng là cho xupap mở hồn tồn minh họa trên hình 3.2 (d). Tƣơng tự nhƣ vậy khi xupap di chuyển từ dƣới lên trên đƣợc thể hiện trong hình 3.2 (e) đế hình 3.2 (a).
3.2 Thiết kế xupap điện từ (EMV) 3.2.1. Thiết kế lò xo xupap.
Lò xo xupap là một bộ phận quan trọng trong cơ cấu xupap điện từ (EMV). Lị xo trong xupap phải tích trữ một năng lƣợng đủ lớn khi lị xo nén lại và nhanh chóng giải phóng khi giãn ra để có thể điều khiển xupap đóng mở một cách nhanh chóng. Khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, lực lị xo phải có giá trị đủ lớn để thắng đƣợc lực từ của nam châm và đóng mở xupap tức thời. Do đó thiết kế lị xo trong xupap điện từ phải có momen qn tính rất nhỏ và độ đàn hồi rất cao để có thể đáp ứng đƣợc tức thời
việc đóng mở xupap đúng thời điểm khi tốc độ động cơ cao. Khi tính tốn thiết kế lị xo cần phải đảm bảo tỉ lệ m
k ở một giá trị nhỏ và nó quyết định thời gian của việc chuyển từ trạng thái xupap đóng sang mở hoặc ngƣợc lại. Đƣợc thể hiện qua công thức:
2 travel
T m
k
(3.1) Với T: là chu kì dao động của lị xo (ms).
m: là khối lƣợng chuyển động gồm armature và xupap (Kg). k: là độ cứng là xo (N/mm).
Tốc độ hoạt động tối đa của một động cơ đốt trong là khoảng 6000 vòng/phút với thời gian dịch chuyển của xupap travel là 3,33 ms, khối lƣợng chuyển động m nằm trong khoảng 140g. Do đó độ cứng k của lò xo là 124.3 N/mm theo (3.1). Ngoài việc tính
tốn độ cứng k của lị xo phù hợp với thời gian chuyển tiếp travel còn phải xét đến các yếu tố nhƣ: tải trọng đặt trƣớc vào lò xo và khe hở nhiệt của xupap khi thiết kế. Trong hệ thống điều khiển xupap luôn tồn tại khe hở nhiệt của xupap do sự giãn nở vì nhiệt của xupap. Vì thế, để khắc phục hiện tƣợng này các kỹ sƣ đã đặt thêm các tải trọng ban đầu để giúp các xupap đóng kín và hoạt động ổn định hơn. Trên hình 3.3 cho ta thấy tải trọng ban đầu đặt vào là 150N và khe hở nhiệt của xupap là 0.25 mm. Năng lƣợng tích trữ của lị xo phía trên là 497 N khi xupap ở vị trí mở và 650 N cho lị xo phía dƣới khi xupap ở vị trí đóng.
(4, 650) 4 - 4 (3.75, 466) (3.75, 616) (-4, - 497) - 600 700 Valve lash (0.25 mm) P re - lo ad ( 15 0N ) Force (N)
Hình 3.3: Lực lị xo và khoảng dịch chuyển của armature. 3.2.2. Thiết kế armature và thân xupap. 3.2.2. Thiết kế armature và thân xupap.
Armaturevà xupap đóng một vai trị rất quan trọng trong việc điều khiển sự đóng và mở của hệ thống EMV. Nó điều khiển thời điểm của xupap giống nhƣ trục cam và xupap trong động cơ thông thƣờng. Xupap tiếp xúc trực tiếp với buồng đốt nhiên liệu có nhiệt độ cao. Vì vậy, xupap chịu ảnh hƣởng của sự giãn nỡ nhiệt. Có một khe hở tồn tại giữa armature và xupap để bù đắp cho sự giãn nỡ nhiệt tại vị trí đóng. Armature và xupap trong hệ thống xupap điện từ đƣợc thế kế theo những yếu tố ảnh hƣởng nhƣ: khối lƣợng, kích thƣớc và sự phân bố của các lực từ. Khối lƣợng của xupap điện từ đƣợc thiết kế phụ thuộc vào những hạn chế của sự chuyển động cân bằng khối lƣợng. Trong khi đó, kích thƣớc của armature và xupap chịu sự ảnh hƣởng của sự giãn nở nhiệt. Cấu tạo của armature và xupap của xupap điện từ đƣợc biểu diễn trong hình 3.4.
Hình 3.4: Cấu tạo của armature và xupap trong hệ thống xupap điện từ.
Armature trong hệ thống xupap điện từ đƣợc thiết kế theo sự nghiên cứu của lực từ. Lực hút dùng để hút armature tới vị trí trên hoặc dƣới của lõi thép đƣợc tạo ra bởi các nam châm. Kích thƣớc armature đƣợc quyết định bởi mật độ từ thơng đi qua nó. Thơng thƣờng, lực hút đƣợc sinh ra bởi mật độ từ thông, xảy ra ở trạng thái bão hòa. Độ lớn của lực từ liên quan đến diện tích tiếp xúc giữa armature với lõi thép nhƣ trong hình 3.5. Độ liên kết từ thơng đi qua diện tích tiếp xúc đƣợc tính bởi cơng thức:
s NB As b
(3.2)
Trong đó: s: Độ liên kết từ thơng.
N: Số vịng của cuộn dây.
s
B : Mật độ từ thơng ở trạng thái bão hịa.
b
Hình 3.5: Diện tích tiếp xúc giữa armature và lõi thép.
Lực hút giữa armature và lõi thép đƣợc tính bởi:
1 2 1 2 W W F x x (3.3)
Trong đó: x1và x2: Khe hở giữa vị trí trên cùng của armature và vị trí dƣới cùng của lõi thép.
W1 và W2: Năng lƣợng tại những khe hở khác nhau.
Khi armature đến vị trí đóng tƣơng ứng khe hở x1 là bằng 0, năng lƣợng W1 cũng
gần bằng 0. Khi đó phƣơng trình (3.3) đƣợc đơn giản hóa lại thành:
2 2 2 2 1 2 si W F x x (3.4) Trong đó: Dấu “ – “ biểu thị chiều của lực hút ngƣợc với chiều di chuyển. Bên cạnh đó, mối quan hệ giữa dòng điện của cuộn dây và và dịng từ thơng có thể tính bằng công thức: 2 0 0 2 s s s gap b b x Ni R A A x (3.5)
s : Từ thông 0 : Độ thấm từ chân không g R : Từ trở của khe hở
Thay (3.2) và (3.5) vào (3.4), phƣơng trình trở thành:
2 2 0 0 2 2 s b s b A B F A (3.6) Từ phƣơng trình (3.6), diện tích armature đƣợc tính bằng:
0 2 2 b s F A B (3.7)
Các thiết kế về kích thƣớc của armature phụ thuộc vào lực hút và mật độ từ thông. Lực hút trong hệ thống xupap điện từ đòi hỏi phải lớn hơn lực lò xo để đảm bảo việc mở ra của xupap. Mật độ từ thơng là một hằng số và có giá trị khác nhau với những loại vật liệu khác nhau. Do đó, diện tích tiếp xúc có thể đƣợc tính tốn theo lực hút cần thiết vào khoảng 650N (ở vị trí cao nhất) và 497N (ở vị trí thấp nhất) với điều kiện là mật độ từ thông đƣợc bão hòa. Vật liệu đƣợc sử dụng để thiết kế lõi và armature là sắt nguyên chất nên nó có nhiều ƣu điểm về đặc tính. Giá trị về độ bão hòa của sắt nguyên chất nằm trong khoảng 1.5T. Do đó, diện tích tiếp xúc đƣợc thể hiện trong bảng 3.1.
Bảng 3.1 Diện tích cần thiết ở trên cùng và dƣới cùng của armature.
Diện tích địi hỏi ở trên cùng ( m2)
Diện tích địi hỏi ở dƣới cùng ( m2
)
7.257x10-4 5.549x10-4
3.2.3. Thiết kế nam châm.
Nam châm tạo ra lực nam châm có thể lớn hơn lực của lị xo để di chuyển armature tới vị trí đóng và mở xupap. Nam châm đƣợc lựa chọn bởi vật liệu NdFe35 với các thông số kỹ thuật đƣợc thể hiện trong bảng 3.2. Trong nghiên cứu này, chúng tơi đã
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 không 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 thơng 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 yêu cầu về không 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 dịng 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 dòng 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 thơng qua lõi thép tăng lên đáng kể.
Hình 3.7: Tiết diện dây dẫn.
Bảng 3.3: Mật độ dòng 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 11 2.303 4.132 5.23
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 thông 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. Nó giải quyết các tính năng điện từ trƣờng bao gồm: từ tĩnh, dịng điện xốy và các vấn
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 thơng số đến lực hút bởi cơng 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 thơng 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 lị 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