NGHIÊN cứu THIẾT kế cơ cấu xú páp điện từ TRÊN ĐỘNG cơ XĂNG

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU XÚ PÁP ĐIỆN TỪ TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG
A STUDY OF NEW ELECTROMAGNETIC VALVETRAIN IN SI ENGINES
TS. Lý Vĩnh Đạt
Khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

TÓM TẮT
Một trong các phương pháp nâng cao hiệu suất và giảm khí xả trên động cơ xăng là sử
dụng hệ thống điều khiển xú páp biến thiên (VVT). Tuy nhiên, hệ thống VVT truyền thống
hiện nay điều khiển bằng trục cam chỉ tối ưu hoá thời điểm, độ nâng và khoảng mở xú páp
trong một khoảng hoạt động giới hạn. Vì vậy sử dụng hệ thống điều khiển xú páp điện từ có
thể khắc phục một số nhược điểm do hệ thống VVT hiện nay đang sử dụng. Bài báo này đề
xuất một hệ thống xú páp điện từ (EMV) mới, kết hợp cơ cấu điều khiển giữa nam châm vĩnh
cửu và cuộn dây điện từ (PM/EM), để điều khiển sự đóng mở xú páp. Nghiên cứu này sử
dụng phần tử hữu hạn để phân tích thiết kế cơ cấu, các thông số như kích thước của nam
châm, phần ứng (armature) và cuộn dây điều khiển. Các thông số này được phân tích và tối
ưu hoá để có thể điều khiển xú páp ở số vòng quay tối đa trên động cơ xăng. Kết quả nghiên
cứu chỉ ra rằng thiết kế này có thể đáp ứng về yêu cầu giới hạn không gian, thời gian đáp ứng
và lực từ điều khiển xú páp. Thiết kế cơ cấu xú páp điện từ có thể điều khiển hoàn toàn sự
đóng mở xú páp ở tốc độ khoảng 6000 vòng/phút trên động cơ xăng. Một lực từ được tạo ra
khoảng 719 N (lớn hơn lực lò xo xú páp) để điều khiển xú páp đóng lại khi cuộn dây điều
khiển được cung cấp một dòng điện phù hợp. Ngược lại, một lực từ khoảng 416 N được tạo ra
khi điều khiển xú páp về trạng thái mở.
Từ khoá: xú páp điện từ, phần tử hữu hạn (FEA), từ thông, nam châm vĩnh cửu, thời
điểm xú páp biến thiên
ABSTRACT
Some devices have been developed in controlling valve timings in SI engines. Among
them, electromagnetic valve train (EMV) actuator can fully control valve timings to improve
fuel consumption and emission. In addition, EMV with permanent magnet and electromagnetic
coil (PM/EM) hybrid actuator has some advantages about control, energy consumption, and

time response compared with conventional EMVs. In this paper, a novel EMV with PM/EM
hybrid actuator, which significantly differs from existing EMVs, has been proposed. Finite
element has been used to analyze the EMV design. The optimization based on the criteria so
that the EMV satisfies holding forces at closed and open states at high speed in SI engines. The
parameters include permanent magnet, armature dimensions, and electromagnetic coil sizes that
have been examined and analyzed. The results conclude that the EMV satisfies the requirement
of dimension space limit. Besides, the optimal EMV design meets also about transition time and
holding force. The holding force is created about 719 N when the desired current is supplied to
the coils and the force drop efficiency 42.22 %. Therefore, the EMV can fully control the closed
and open of valve timings at high speed in SI engines.
Keywords: electromagnetic valve, magnetic flux, finite element analysis (FEA),
permanent magnet, electromagnet coil
1. GIỚI THIỆU
Gần đây một số bộ chấp hành đã được phát triển để điều khiển thời điểm xú páp biến
thiên trên động cơ xăng như: cơ khí, thủy lực, mô tơ và điện từ. Trong khi bộ chấp hành sử
392


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
dụng điện từ (EMV) có cấu tạo đơn giản và điều khiển thời điểm đóng mở xú páp trong dải
hoạt động rộng (do không phụ thuộc trục cam điều khiển) so với sự điều khiển của các bộ
chấp hành khác. Việc sử dụng EMV sẽ loại bỏ cánh bướm ga và trục cam trên động cơ gọi là
động cơ không trục cam (camless engine). Động cơ không trục cam dùng thời điểm xú páp
nạp để điều khiển tải động cơ, vì vậy nó có thể giảm đáng kể công tổn hao của quá trình hút
(do loại bỏ sức cản cánh bướm ga) qua đó cải thiện hiệu suất và khí xả trên động cơ [1]. Động
cơ không trục cam thường sử dụng các bộ chấp hành là điện từ (EMVA) hay điện – thủy lực
(EHVA), nó có thể tối ưu hoá thời điểm đóng mở xú páp để nâng cao hiệu suất động cơ, giảm
suất tiêu hao nhiên liệu và khí xả trên động cơ. Tuy nhiên bộ chấp hành dùng điện-thuỷ lực có
nhược điểm lớn về sự tiêu hao năng lượng sử dụng và khả năng tạo ra độ nâng xú páp lặp lại
trong các chu kỳ hoạt động của động cơ [2]. Hệ thống điều khiển điện - thuỷ lực có thể điều

khiển các trạng thái thời điểm xú páp một cách linh hoạt hơn với cấu tạo khá phức tạp, bên
cạnh đó, sự điều khiển của hệ thống điện - thuỷ lực thiếu chính xác và kém hiệu quả do ảnh
hưởng của độ nhớt và nhiệt độ của chất lỏng [3].
EMV sử dụng bộ chấp hành là hai cuộn solenoid đã được nghiên cứu bởi [4]. Ưu điểm
của bộ chấp hành này là kết cấu đơn giản và dễ dàng điều khiển. Tuy nhiên EMV sử dụng
solenoid sẽ tiêu hao năng lượng lớn trong quá trình hoạt động. Một dòng điện lớn phải được
cung cấp để điều khiển xú páp ở trạng thái trung gian đến vị trí đóng khi động cơ khởi động.
Bên cạnh đó, một lượng năng lượng liên tục được sử dụng để duy trì việc giữ xú páp ở trạng
thái đóng và mở tương ứng. So sánh với EMV sử dụng solenoid, EMV sử dụng kết hợp lực
nam châm vĩnh cửu và cuộn dây điện từ (PM/EM) có một số ưu điểm về năng lượng tiêu thụ,
điều khiển và thời gian đáp ứng trong quá trình điều khiển xú páp [5].
Một số cơ cấu EMV với bộ chấp hành sử dụng sự kết hợp giữa các lực nam châm đã
được đề xuất. Một thiết kế mới về EMV đã được thực hiện bởi Kim & Lieu [6]. Nghiên cứu
này sử dụng phân tích phần tử hữu hạn để so sánh hai cấu trúc EMV mà nghiên cứu đề xuất.
Nghiên cứu của họ đã chỉ ra rằng EMV có thể điều khiển xú páp đáp ứng được về thời gian và
có thể được sử dụng hiệu quả trên động cơ đốt trong. Bên cạnh đó, thiết kế mới này không cần
sử dụng một năng lượng lớn so với hệ thống truyền thống với bộ chấp hành 2 cuộn solenoid.
Xú páp điện từ với sự kết hợp các lực điện từ (MMF) do nam châm vĩnh cửu và cuộn dây sinh
ra có một số ưu điểm về sự va đập khi đóng xú páp, sự đáp ứng nhanh và ít tiêu hao năng
lượng hơn so với hệ thống EMV truyền thống [7]. Tương tự một cơ cấu EMV mới được giới
thiệu trong [8], EMV này sử dụng nam châm và cuộn dây kết hợp với nhau để diều khiển sự
đóng mở xú páp. Kết quả nghiên cứu này chỉ ra rằng EMV mới này có thể đạt được 15% sự
giảm thể tích kết cấu và lực điện từ có thể tăng 20% nhờ thiết kế phần ứng (armature) đặc biệt.
Kết hợp các trạng thái điều khiển xú páp và các ưu điểm của nam châm vĩnh cửu, thiết kế
EMV mới này chỉ cần một năng lượng nhỏ để điều khiển xú páp so với các EMV khác.
Trong bài báo này, một thiết kế EMV mới có bộ chấp hành kết hợp giữa nam châm vĩnh
cửu và lực từ được tạo ra bởi cuộn dây (PM/EM), nó có cấu tạo và nguyên lý hoạt động được
diễn tả trong [9], sẽ được tối ưu hoá về các thông số thiết kế. Các thông số ảnh hưởng đến lực
điện từ trong EMV được xem xét và phân tích bằng phân tử hữu hạn (FEA). Các thông số
thiết kế được tối ưu hoá sao cho EMV có thể hoạt động ở số vòng quay cao nhất trên động cơ

xăng (6000 vòng/phút). Bên cạnh đó, thiết kế EMV phải thoả mãn các yêu cầu về giới hạn
không gian trong nắp máy. Sự phân tích thiết kế của EMV dựa vào chủ yếu mật độ từ thông
và trạng thái bão hòa từ trên armature khi các cuộn dây được cung cấp và không kích hoạt bởi
dòng điện phù hợp.
2. THIẾT KẾ CƠ CẤU XÚ PÁP ĐIỆN TỪ EMV
2.1. Cấu tạo EMV
Cấu tạo của bộ chấp hành điện từ EMV được thể hiện trên hình 1. Nó có một bộ chấp
hành kết hợp giữa nam châm vĩnh cửu và cuộn dây điện từ (PM/EM) bao gồm 4 nam châm (2
nam châm phía trên và 2 nam châm phía dưới), một cặp cuộn dây điện từ, phần ứng
393


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
(armature), 2 lò xo và thân xú páp. Khi armature dịch chuyển lên trên và xuống dưới sẽ tương
ứng với xú páp ở vị trí đóng và mở. Hai nam châm phía trên và phía dưới tạo ra lực từ tác
dụng lên armature để đóng và mở xú páp. Một cặp cuộn dây đóng vai trò là kích thích để
chuyển trạng thái của xú páp từ đóng sang mở và ngược lại. Nó sẽ làm giảm lực từ tác dụng
lên armature khi cung cấp dòng điện phù hợp đến cuộn dây. Cấu tạo EMV với việc bố trí của
nam châm và cuộn dây như thế sẽ mang lại một số ưu điểm về điều khiển và tiêu hao năng
lượng của bộ chấp hành trong việc điều khiển thời điểm xú páp.

Hình 1. Cấu tạo của EMV
2.2. Nguyên lý hoạt động
Hình 2 diễn tả nguyên lý hoạt động của cơ cấu EMV được đề xuất. Các đường nối mũi
tên chỉ đường từ thông. Độ lớn của từ thông được thể hiện bởi độ dày của các đường nét. Ở
trạng thái khởi động, khi chưa cấp dòng điện cho cuộn dây, lực từ của 2 nam châm phía trên
lớn hơn lực lò xo nên hút armature lên phía trên và làm cho xú páp đóng lại hoàn toàn như
hình 2 (a). Khi cấp điện cho 2 cuộn dây điện từ, từ thông qua cuộn dây tăng lên đáng kể. Vì
thế, từ thông qua armature giảm xuống như thể hiện trên hình 2 (b) làm cho lực từ giữ
armature cũng giảm xuống. Đến khi lực lò xo phía trên lớn hơn lực giữ armature do 2 nam

châm phía trên tạo ra, lực lò xo sẽ đẩy armature đi xuống làm cho xú páp bắt đầu mở như hình
2 (c). Khi armature vượt qua vị trí trung gian thì cuộn dây sẽ được cung cấp dòng điện ngược
chiều sao cho tạo ra lực từ cùng chiều và lực từ của nam châm phía dưới tạo ra để hút nhanh
armature đi xuống vị trí dưới cùng làm cho xú páp mở hoàn toàn như minh họa trên hình 2
(d). Tương tự như vậy khi xú páp di chuyển từ vị trí mở sang đóng được thực hiện tương tự
như thể hiện trong hình 2 (e) đến hình 4 (a).
(a): Nam châm giữ
armature ở phía trên;
(b): Dòng điện cung cấp
đến các cuộn dây;
(c): Armature di chuyển
xuống phía dưới;
(d): Nam châm giữ
armature ở phía dưới;
(e): Dòng điện cung cấp
đến các cuộn dây;
(f): Armature được hút
đến vị trí phía trên

Hình 2. Nguyên lý hoạt động của EMV
394


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3. TỐI ƯU HOÁ THIẾT KẾ EMV
Trong nghiên cứu này, các thông số trong thiết kế xú páp điện từ EMV bao gồm: độ
dày, bán kính của nam châm, kích thước armature, kích thước lõi cuộn dây, số vòng dây... Các
thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ từ thông trên armature. Chúng quyết định đến
lực từ khi cuộn dây không được cung cấp dòng điện và lực từ giảm khi cuộn dây được cung
cấp dòng điện. Các thông số đó có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau, do đó chúng tôi phải xem xét

chúng với các trường hợp khác nhau bao gồm tất cả các phân tích cho các thông số đó.
Nghiên cứu này phân tích sự ảnh hưởng của các thông số đến lực từ bằng công cụ phân tích
phần tử hữu hạn. Các thông số có ảnh hưởng không đáng kể được bỏ qua để đơn giản quá
trình tối ưu hóa. Các thông số của xú páp điện từ được thể hiện trong hình 3 và các mô tả của
nó được liệt kê trong bảng 1.

Hình 3. Các thông số thiết kế của EMV
Bảng 1. Mô tả các thông số thiết kế
Mô tả của các thông số
Ký hiệu
Độ dày nam châm
H pm
Bán kính nam châm

R pm

Bán kính armature

Ra

Độ dày armature

Ha

Chiều cao lõi cuộn dây

Hc

Số am-pe vòng

NI

Tối ưu hoá các thông số thiết kế dựa trên điều kiện:
Khi cuộn dây không được cung cấp dòng điện, các nam châm phải tạo ra lực điện từ
lớn hơn lực lò xo xú páp ở trạng thái đóng (khoảng 650 N như hình 4).
-

- Khi dòng điện cung cấp đến cuộn dây, lực từ trên armature phải có giá trị nhỏ hơn lực
lò xo của xú páp ở trạng thái đóng (khoảng 500 N như hình 4).
-

Khoảng chênh lệch giữa hai lực từ ở hai trạng thái trên có giá trị càng lớn càng tối ưu.

395


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
(3.75, 616)

700

Pre- load (150N)

(4, 650)

(3.75, 466)

-4

Valve lash (0.25 mm)

4

(-4, - 497)
- 600
Force (N)

Hình 4. Lực lò xo xú páp ở tốc độ cao nhất
3.1. Nam châm
Nam châm sinh ra lực từ trực tiếp trên armature. Bởi vậy, nó quyết định lực từ sinh ra có
thể vượt qua lực lò xo để giữ xú páp ở vị trí đóng và mở. Ở thiết kế này, nam châm bao gồm 4
cái: 2 nam châm ở phía trên để giữ armature ở vị trí đóng và 2 nam châm ở phía dưới để giữ
armature ở vị trí mở. Hình dạng nam châm có dạng hình tròn vì hình dạng này có nhiều ưu
điểm hơn so với các hình dạng khác. Đặc tính nam châm phụ thuộc vào nhiệt độ do ảnh
hưởng của hiện tượng khử từ. Nam châm được lựa chọn bởi vật liệu NdFe35 với các thông số
kỹ thuật được thể hiện trong bảng 2. Tính năng của nam châm giảm xuống ở nhiệt độ cao, do
vậy lực từ trong thiết kế xú páp điện từ chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Ở trong nghiên cứu này,
chúng tôi không đề cập về sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc tính của nam châm.
Bảng 2. Đặc tính từ của nam châm
Đặc tính

Ký hiệu

Giá trị

Độ từ dư

B r (T)

1,22

µr

1,0997

Độ kháng từ

H c (A/m)

-890000

Độ thấm từ của chân không

µ 0 (H/m)

4π x 10-7

Độ thấm từ tương đối

Kích thước nam châm bao gồm độ dày (H pm ) và bán kính (R pm ) của nam châm, hai kích
thước đó ảnh hưởng đến lực từ trên armature. Phân tích kích thước của nam châm đã được
khảo sát với các thông số tối ưu của cuộn dây điện từ và armature. Ảnh hưởng của độ dày
nam châm đến lực từ được thể hiện ở hình 5.

396


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
800

2 mm

3 mm

4 mm

750
700

Force (N)

650
600
550
500
450
400
0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Current (At)

Hình 5. Ảnh hưởng của độ dày nam châm đến lực từ
Giá trị của độ dày nam châm tại H pm = 2 mm là tối ưu nhất so với các trường hợp khác
vì khi cuộn dây chưa được cấp dòng điện thì lực từ có giá trị cao nhất và khi cuộn dây được
cung cấp dòng điện thì lực từ có giá trị thấp. Tại giá trị cường độ dòng điện 0 NI thì giá trị lực
từ khoảng 720 N vượt quá giá trị lực của lò xo, do vậy xú páp được giữ ở vị trí đóng. Khi
cung cấp dòng điện cho cuộn dây thì giá trị lực từ giảm xuống, ở giá trị cường độ dòng điện
1500 NI giá trị lực từ còn khoảng 416 N. Giá trị này nhỏ hơn lực lò xo và kết quả là xú páp
được lò xo đẩy đến vị trí mở.
Sự phân bố mật độ từ thông cũng được phân tích bởi phần tử hữu hạn (FEA) với dòng
điện cung cấp tại 0 NI và 1500 NI tương ứng. Kết quả thể hiện mật độ từ thông qua armature
với tất cả trường hợp là hầu như ở trạng thái bão hòa từ khi cuộn dây không được cung cấp
dòng điện (hình 6). Do vậy, tất cả trường hợp độ dày của nam châm đạt lực từ cao nhất lớn
hơn lực lò xo.

Hình 6. Sự phân bố từ thông trên armature với độ dày nam châm khác nhau tại 0 NI
Mật độ từ thông chưa đạt tới trạng thái bão hòa khi cuộn dây được cung cấp bởi dòng
điện. Do vậy, lực từ trên armature sẽ giảm. Khi dòng điện được cung cấp cho cuộn dây, dòng
từ thông có xu hướng đi qua lõi cuộn dây rất dễ dàng bởi vì cuộn dây sẽ trở thành nam châm
điện. Kết quả này dẫn đến từ thông đi qua armature sẽ giảm xuống. Dòng từ thông của nam
châm có độ dày 2 mm giảm nhiều hơn so với các trường hợp khác như thể hiện trong hình 7.
Do đó, giá trị của sự giảm lực từ trong trường hợp này là lớn nhất so với các trường hợp khác.
Do vậy, giá trị độ dày của nam châm tại 2 mm là tối ưu nhất cho thiết kế xú páp điện từ.

397


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 7. Sự phân bố từ thông trên armature với độ dày nam châm khác nhau tại 1500 NI
Trong nghiên cứu này, bán kính của nam châm cũng được phân tích. Bán kính nam
châm có giá trị lớn hơn 13,5 mm sẽ không được xem xét do khoảng giới hạn không gian của
kết cấu EMV. Ảnh hưởng của bán kính nam châm đến lực từ được thể hiện ở hình 8. Kết quả
cho thấy rằng giá trị của lực từ và sự giảm lực ở R pm = 10,5 mm là thấp nhất so với các
trường hợp khác. Do vậy, thông số tối ưu của bán kính nam châm nằm trong khoảng 11,5
~13,5 mm. Ta có thể thấy các đường có sự giống nhau về lực từ khi cuộn dây được cung cấp
và không được cung cấp dòng điện. Do đó, ảnh hưởng của những giá trị bán kính này đến lực
từ là không đáng kể trong khoảng 11,5 ~13,5 mm
800

Rpm = 10.5 mm
Rpm = 11.5 mm
Rpm = 12.5 mm
Rpm = 13.5 mm

700

Force (N)

600
500
400
300
200

0

500

1000

1500

Current (At)

Hình 8. Ảnh hưởng của bán kính nam châm đến lực từ
3.2. Armature
Armature được chế tạo bằng thép non có độ dẫn từ tốt nhất. Kích thước armature trong
thiết kế xú páp điện từ bao gồm độ dày và bán kính của armature. Các thông số này ảnh
hưởng trực tiếp đến từ thông 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 hòa trong
thiết kế EMV. Trong phần này, bán kính armature được khảo sát trong khoảng 19 ~22 mm và
độ dày armature là từ 8 ~12mm. Trong khi đó, thông số của cuộn dây điện từ và nam châm
armature đã được tối ưu. Sự khảo sát được thực hiện ở 0 NI và 1500 NI để tìm ra thiết kế
armature tối ưu nhất.
Ảnh hưởng của bán kính armature đến lực từ được thể hiện ở hình 9. Kết quả cho thấy
armature có bán kính 20 mm là tối ưu nhất. Nó có lực giữ cao nhất đạt 719 N tại 0 NI và giảm
xuống còn 415 N tại 1500 NI. Trong khi đó, các bán kính của armature khác có lực giữ và lực
giảm không thể thỏa mãn yêu cầu cần thiết của các tiêu chuẩn thiết kế EMV.
398


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
750

Ra 19 mm
Ra 20 mm
Ra 21 mm
Ra 22 mm

700
650
600

Force (N)

550
500
450
400
350
300
250
200
0

1500

1000

500

Current (At)

Hình 9. Ảnh hưởng của bán kính armature đến lực từ

Ảnh hưởng của đường kính armature đến mật độ từ thông cũng được thựcc hiện bởi
FEA. Kết quả được thể hiện ở hình 10 (a) và (b) tương ứng với dòng điện tại 0 NI và 1500 NI.
Mật độ từ thông của các bán kính armature đều không đạt tới trạng thái bão hòa (hình 10 (a)).
Armature có bán kính tại 21 mm và 22 mm có mật độ từ thông thấp hơn. Do vậy, nó có lực
giữ nhỏ so với các trường hợp khác. Khi cuộn dây được cung cấp dòng điện phù hợp, mật độ
từ thông giảm. Mật độ từ thông của armature có bán kính ở 21 mm và 22 mm là giảm đáng
kể, do vậy chúng có giá trị thấp. Tuy nhiên, các bán kính đó không thỏa mãn những giá trị cần
thiết về lực từ trong thiết kế EMV. Trong khi sự giảm mật độ từ thông của armature có bán
kính 19 mm là nhỏ, do vậy nó cũng không thỏa mãn sự chênh lệch lực từ cần thiết. Giá trị bán
kính tối ưu của armature là 20 mm, mật độ từ thông là giảm đáng kể ở 1500 NI. Do vậy, nó
sinh ra lực từ nhỏ hơn lực của lò xo. Do đó, xú páp điện từ có thể hoạt động hoàn toàn ở bán
kính đó.
1.8

Ra=19 mm

Ra=20 mm

Ra=21 mm

1.6

1.6

1.4

1.4

1.2

1.2

1

1

0.8

0.8

0.6

0.6

0.4

0.4

0.2

0.2

0
-25

-20

-15

-10

-5

0
5
Distance [mm]

10

Ra=19mm

Ra=22 mm

B [T]

B [T]

1.8

15

20

25

(a)

0
-25

-20

-15

-10

Ra=20mm

-5

0

Ra=21mm

Distance [mm]

5

Ra=22mm

10

15

20

25

(b)

Hình 10. Sự phân bố từ thông trên armature với đường kính armature khác nhau
(a):Tại 0 NI; (b): Tại 1500 NI
Ảnh hưởng của độ dày armature đến lực từ cũng được khảo sát với các thông số tối ưu
và bán kính armature là 20 mm. Kết quả trong hình 11 cho thấy độ dày armature 12 mm có
lực giữ và lực giảm lớn nhất so với các trường hợp khác. Trong khi đó, độ dày 8 mm và 10
mm không thể thỏa mãn lực từ khi cuộn dây được cung cấp và không được cung cấp dòng
điện. Độ dày tối ưu ở 12 mm thỏa mãn các tiêu chuẩn thiết kế EMV để đảm bảo xú páp được
đóng và mở hoàn toàn.

399


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Ha 8 mm

Ha 10 mm

Ha 12 mm

700

600

Force (N)

500

400

300

200

100

0
0

1000

500

1500

Current (At)

Hình 11. Ảnh hưởng của độ dày armature đến lực từ
Sự phân bố của mật độ từ thông trên armature tại 0 NI và 1500 NI được thể hiện trong
hình 12 (a) và (b). Kết quả trong hình 12 (a) thể hiện mật độ từ thông của độ dày armature
chưa đạt tới trạng thái bão hòa tại 0 NI. Tuy nhiên, mật độ từ thông của độ dày 12 mm đạt tới
giá trị cao nhất. Do đó, nó có lực giữ cao nhất như trong hình 8. Lực này là lớn hơn lực của lò
xo, do đó armature sẽ được giữ dễ dàng hút đến vị trí đóng. Khi dòng điện phù hợp được cung
cấp tới các cuộn dây thì mật độ từ thông qua armature sẽ giảm xuống. Điều này dẫn đến sự
giảm lực từ trên armature. Hình 412 (b) có thể thấy được giá trị mật độ từ thông của 8 mm và
10 mm là thấp hơn. Do vậy, chúng có lực từ nhỏ. Tuy nhiên, lực từ của các độ dày đó không
thể điều khiển sự đóng mở xú páp ở tốc độ động cơ lớn nhất trên động cơ xăng. Trong khi đó,
sự giảm mật độ từ thông với độ dày 12 mm tại 1500 NI tạo ra lực từ nhỏ hơn lực của lò xo.
Do đó, xú páp sẽ được điều khiển đến vị trí đóng và mở khi cuộn dây được cung cấp dòng
điện.

(a)

(b)

Hình 12. Sự phân bố mật độ từ thông trên armature với độ dày khác nhau
(a): tại 0 NI; (b): tại 1500NI
3.3. Cuộn dây
Tương tự, sự ảnh hưởng của cuộn dây điện từ đến lực từ cũng được xem xét tại các giá
trị chiều cao của lõi cuộn H c = 10 mm, 11 mm, 12 mm, 13 mm, 14 mm. Kích thước lõi cuộn
dây quyết định lượng từ thông chạy qua lõi cuộn dây. Kích thước lõi cuộn dây điện quá lớn sẽ
làm cho lực điện từ giảm nhanh nhưng không thỏa mãn yêu cầu về giới hạn không gian trong
thiết kế EMV. Trong khi lõi cuộn dây điện từ có kích thước quá nhỏ sẽ khiến cho mật độ từ
thông qua cuôn dây điện từ luôn ở trạng thái bảo hòa khi cuộn dây được cung cấp dòng điện.
Do đó lực điện từ giảm xuống không đáng kể. Hình 13(a) và (b) cho ta thấy mật độ từ thông
phụ thuộc vào kích thước cuộn dây tại 0 NI và 1500 NI.

400


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

(a)

(b)

Hình 13. Sự phân bố mật độ từ thông trên armature của các kích thước lõi khác nhau
(a): Tại 0 NI; (b): Tại 1500 NI
Trên hình 13(b), ta thấy mật độ từ thông trên armature giảm do một một lượng lớn từ
thông đi vào lõi cuộn dây. Mật độ từ thông của H c = 10mm cao hơn so với các trường hợp
khác. Vì thế lực từ tại 1500 NI lớn hơn lực lò xo trong EMV, do đó không thể đóng được xú

páp. Mật độ từ thông của H c = 14mm giảm một cách đáng kể hơn so với các trường hợp khác
tuy nhiên lực từ tại 0 NI không đủ để thắng lực lò xo của EMV. Do đó nó không đáp ứng được
yêu cầu thiết kế của EMV. Mật độ từ thông của H c = 12 mm vừa đáp ứng được lực từ lớn hơn
lực lò xo tại 0 NI và nhỏ hơn lực lò xo tại 1500 NI nên có thể đáp ứng được yêu cầu thiết kế
của EMV. Hình 14 với kích thước lõi cuộn dây H c = 12 mm, lực từ đạt giá trị lớn nhất tại 0 NI
(lớn hơn 650 N) và nhỏ hơn 497 N tại 1500 NI. Vì thế H c = 12 mm là thông số tối ưu của
cuộn dây.
750

Hc 10 mm

Hc 12 mm

Hc 14 mm

700
650
600

Force (N)

550
500
450
400
350
300
250
200
0

500

1000

1500

Current (At)

Hình 14. Sự ảnh hưởng của cuộn dây điện từ đến lực từ trong EMV
Từ các kết quả phân tích như trên ta được các thông số tối ưu trong thiết kế EMV được
liệt kê trong bảng 3. Các thông số tối ưu thỏa mãn yêu cầu về lực từ khi cuộn dây điện từ
được cấp dòng điện và không cấp dòng điện. Lực từ để giữ cho xú páp đóng tại 0 NI khoảng
719 N và giảm 42% (415 N) tại 1500 NI.
Bảng 3. Các thông số tối ưu hóa trong thiết kế EMV
Mô tả các thông số
Ký hiệu

Giá trị

Độ dày armature (mm)

H arm

12

Bán kính armature (mm)

R arm

20

Độ dày nam châm (mm)

H pm

2

Bán kính nam châm (mm)

R pm

12,5

401


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Chiều cao lõi cuộn dây (mm)

Hc

12

Lực từ tại 0 NI (N)

Fh

718,86

Lực từ tại 1500 NI (N)

Fe

415,32

Tỉ lệ lực từ giảm (%)

42,22

4. KẾT LUẬN
Một thiết kế mới EMV với bộ chấp hành kết hợp giữa nam châm và cuộn dây điện từ
(PM/EM) đã được đề xuất trong bài viết này để khắc phục các nhược điểm của cơ cấu EMV
truyên thống. Cơ cấu EMV này có cấu tạo đơn giản, dễ điều khiển và tiêu tốn năng lượng thấp
trong quá trình điều khiển thời điểm xú páp trên động cơ xăng. Phương pháp phần tử hữu hạn
được áp dụng để phân tích mật độ từ thông và tối ưu hoá các thông số thiết kế trong EMV.
Thông số tối ưu đối với kích thước armature là 20 mm và 12 mm tương ứng với bán kính và
độ dày của armature, còn chiều dài và bán kính của nam châm tương ứng là 2 mm và 12,5
mm, trong khi chiều cao của lõi cuộn dây tối ưu nhất là 12 mm. Với các thông số thiết kế tối
ưu đó, EMV có thể tạo ra một lực từ khoảng 719 N và 416 N khi cuộn dây không dược cung
cấp và được cung cấp dòng điện phù hợp. Các lực từ này có thể điều khiển đóng và mở xú
páp, nó đáp ứng hoàn toàn việc điều khiển xú páp kể cả khi động cơ hoạt động ở tốc độ tối đa
trên động cơ xăng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Shiao, Y. J. and Dat, L. V., Efficiency improvement for an unthrottled SI engine at part
load, International Journal of Automotive Technology, Vol. 13, No. 6, pp. 885 – 893, 2012.
[2] Sun, Z., and He, X., Development and control of electro-hydraulic fully flexible valve
actuation system for diesel combustion research, SAE 2007-01-4021, 2007.
[3] Lou, Z. D., Camless variable valve actuation designs with two-spring pendulum and
electrohydraulic latching, SAE 2007-01-1295, 2007.

[4] Giglio, V., Iorio, B., Police, G., and Gaeta, A., Analysis of advantages and of problems of
electromechanical valve actuators, SAE 2002-01-1105, 2002.
[5] Kim, J. and Lieu, D. K., A new electromagnetic engine valve actuator with less energy
consumption for variable valve timing, Journal of Mechanical Science and Technology,
Vol. 21, pp. 602 – 606, 2007.
[6] Kim, J., and Lieu, D. K., Design for a new, quick-response, latching electromagnetic valve,
Proceeding of International Electric Machines and Drives Conference, May 15, 2005.
[7] Liu, J. J., Yang, Y. P., Xu, J. H., Electromechanical valve actuator with hybrid NMF for
camless engine, Proceedings of the 17th World Congress, the International Federation of
Automatic Control, Seoul, Korea, July 6-11, 2008.
[8] Dat, L. V., Shiao, Y. J. and Huang, J. H., Design for a novel electromagnetic valve for
camless SI engines, Applied Mechanics and Materials, Vols. 284-287, pp. 1811-1815, 2013.
[9] Shiao, Y. J. and Dat, L. V., Actuator control for a new hybrid EMV in spark ignition
engines, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of
Automobile Engineering, DOI: 10.1177/0954407012471279 (2013).
THÔNG TIN LIÊN LẠC
TS. Lý Vĩnh Đạt. Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM,
Email: , ĐT: 0903707702

402