[논문]자동차용 솔레노이드 밸브의 동특성을 위한 연성해석

김기찬

doi:10.5762/kais.2014.15.6.3821

자동차용 솔레노이드 밸브의 동특성을 위한 연성해석
Co-simulation for Dynamic Characteristic Analaysis of Solenoid Valve for Vehicle 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.6, 2014년, pp.3821 - 3826

김기찬 (한밭대학교 전기공학과)

초록
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본 논문에서는 자동차용 솔레노이드 밸브의 전자장 해석 기반의 동특성 해석 모델을 통하여 성능을 향상시키는 방법을 제안한다. 종래의 솔레노이드 밸브의 요크와 플런저의 형상 최적설계를 통하여 저전류 고추력의 고성능 솔레노이드 모델을 도출하였다. 동특성 해석을 수행하기 위해 솔레노이드 밸브의 입력 전류 패턴을 분석하고, 이를 통해 밸브의 개폐시 속도, 추력 정보를 해석하였다. 입력 전류 패턴을 출력하는 제어로직의 회로모델과 스프링 및 댐핑 등을 고려할 수 있는 솔레노이드 밸브의 전자장 해석모델의 연동해석기반을 제안하여 입력전류 패턴의 변화가 밸브 동특성에 주는 영향을 분석할 수 있었다. 마지막으로 종래모델과 최적모델의 동특성 해석을 통하여 최적설계 모델의 성능이 개선됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a methodology for developing the performance of a solenoid valve for vehicles based on the dynamic analysis model by an electromagnetic field. The high performance solenoid model with a low current and high thrust was induced through the shape optimal design of the yoke and plunger. To perform the dynamic analysis of the solenoid valve, the input current profile was analyzed. The speed and thrust information was analyzed by FEM with this current profile. The co-simulation method of the circuit model of control logic and electromagnetic model of the solenoid valve was also proposed to analyze the performance with several current patterns. Finally, the performance of the original model and optimal one was compared.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 솔레노이드 밸브의 인젝션 성능을 향상시키고 가변 인젝션을 위하여 제어 전류 프로파일을 구현하는 동특성 해석 방법의 제안이다. 인젝션 성능을 개선시키기 위해 솔레노이드 밸브의 형상 설계를 통하여 저전류 고추력의 솔레노이드 밸브를 연구하였으며, 제어 전류 프로파일에 따른 인젝션 밸브의 특성을 확인하기 위해 제어로직을 구현한 회로모델과 전자장 유한요소법 모델의 솔레노이드 밸브의 연성해석 모델을 제안하고 이를 통해 전류패턴에 따른 인젝션 밸브 동특성을 분석하였다.
본 논문에서는 자동차용 솔레노이드 밸브의 성능을 향상시키기 위해서 유한요소법을 이용한 전자장 해석으로 솔레노이드 코일의 최적 위치 및 플런저 형상을 설계하였다. 또한 실제 전류 패턴의 테이블 입력 및 제어로직에 의한 전류패턴 발생 회로에 의한 연동 해석 기법을 이용하여 동특성 해석법을 제안하고 이를 통해 결과 분석을 비교하고 성능 개선 방안을 제시하였다.

제안 방법

기본 모델을 사용하여 코일에 인가되는 전류를 12[A]로 고정시키고, 솔레노이드 코일부의 위치를 변경하면서 추력의 변화를 해석하였다. 자로의 자기저항이 최소가 되는 위치가 동일 전류에 가장 큰 자속값과 추력을 발생 시키므로, 본 해석을 통하여 솔레노이드 코일부의 최적 위치값을 확인하였다.
다음으로 추력을 증가시키기 위해 플런저의 형상설계를 수행하였다. 일반적으로 자기장은 서로 다른 투자율을 가지는 자성체에서 공기로 통과할 때 자속이 굴절되는 프린징(fringing) 자속이 발생한다.
8은 동특성 해석을 수행하기 위한 최종 개선 모델 이다. 동특성 해석을 수행하기 위해 실제 제어에 의해 입력되는 전류패턴을 이용하였고, 플런저의 질량, 스프링 상수, 중력 등의 외부 부하를 적용하였다.
실제로 제어로직에 의해 전압의 PWM 제어를 수행하고, 이러한 전류 패턴이 만들어지므로 전류패턴과 같이 이상적인 전류가 인가되기 어렵다. 따라서 보다 정확한 분석을 위해 Fig. 15와 같이 인가되는 전류패턴의 테이블 방식이 아닌 제어로직의 회로부와 전자장 유한요소법을 이용한 솔레 노이드 모델과 기계적 부하 등가회로를 이용한 연동해석을 진행하였다.
본 논문에서는 자동차용 솔레노이드 밸브의 성능을 향상시키기 위해서 유한요소법을 이용한 전자장 해석으로 솔레노이드 코일의 최적 위치 및 플런저 형상을 설계하였다. 또한 실제 전류 패턴의 테이블 입력 및 제어로직에 의한 전류패턴 발생 회로에 의한 연동 해석 기법을 이용하여 동특성 해석법을 제안하고 이를 통해 결과 분석을 비교하고 성능 개선 방안을 제시하였다.
본 논문에서는 솔레노이드 밸브의 인젝션 성능을 향상시키고 가변 인젝션을 위하여 제어 전류 프로파일을 구현하는 동특성 해석 방법의 제안이다. 인젝션 성능을 개선시키기 위해 솔레노이드 밸브의 형상 설계를 통하여 저전류 고추력의 솔레노이드 밸브를 연구하였으며, 제어 전류 프로파일에 따른 인젝션 밸브의 특성을 확인하기 위해 제어로직을 구현한 회로모델과 전자장 유한요소법 모델의 솔레노이드 밸브의 연성해석 모델을 제안하고 이를 통해 전류패턴에 따른 인젝션 밸브 동특성을 분석하였다.
기본 모델을 사용하여 코일에 인가되는 전류를 12[A]로 고정시키고, 솔레노이드 코일부의 위치를 변경하면서 추력의 변화를 해석하였다. 자로의 자기저항이 최소가 되는 위치가 동일 전류에 가장 큰 자속값과 추력을 발생 시키므로, 본 해석을 통하여 솔레노이드 코일부의 최적 위치값을 확인하였다. 초기 위치를 코어 하단과 요크 하단을 기준으로 0[mm]로 지정하고 Fig.
저전류 솔레노이드 모델에서 전류패턴을 이용하여 플런저의 동특성을 해석하는 과정을 제시하였다. 실제로 제어로직에 의해 전압의 PWM 제어를 수행하고, 이러한 전류 패턴이 만들어지므로 전류패턴과 같이 이상적인 전류가 인가되기 어렵다.

대상 데이터

본 논문에서 응용된 솔레노이드 분야는 차량용 연료 인젝션 밸브이다. 기존에는 기계식으로 연료의 인젝션을 수행하였지만 연비 향상에 한계가 있었다.

이론/모형

전류 패턴을 구성하기 위한 히스테리시스 전류 밴드 제어 기법을 통해 바이폴라 방식의 스위칭 회로를 구성하여 Fig. 15와 같은 전류파형을 발생시켰다. Fig.

성능/효과

15는 실제 제어부와 기계부하 등가회로를 구성하여 연동해석한 그래프이다. 결과에서 알 수 있듯이 연동해석을 통해 인가된 전류 파형은 실제 스위치 동작에 의한 리플이 고려되기 때문에 플런저의 위치가 유지되는 부분에서 전류 리플의 영향을 받아 실제로 플런저가 먼저 폴링되기 시작함을 알 수 있다.

후속연구

제어회로와 전자장 해석의 연성해석기반으로 솔레노이드 밸브의 성능을 실제와 같이 구현할 수 있었으며 향후 효율적 제어 방식의 연구를 통하여 보다 최적화된 솔레노이드 밸브의 개선이 이루어 질 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	솔레노이드란 무엇인가?	솔레노이드는 원통형 코일을 의미하는데 일반적으로 자기장을 이용하여 힘을 발생시키는 가장 간단한 장치로써 산업계에 많이 이용되고 있는 부품이다. 솔레노이드 코일에 전류가 흐르게 되면 자기장이 발생되고, 이 전류를 제어하게 되면 자기장의 세기 또한 조절할 수 있다.
	프린징자속이 미치는 영향은?	일반적으로 자기장은 서로 다른 투자율을 가지는 자성체에서 공기로 통과할 때 자속이 굴절되는 프린징(fringing) 자속이 발생한다. 이는 자속의 누설을 발생시켜 솔레노이드 추력이 감소하는 현상의 원인이 된다. 따라서 Fig.
	솔레노이드 코일에서 자기장의 세기를 조절하는 방법은?	솔레노이드는 원통형 코일을 의미하는데 일반적으로 자기장을 이용하여 힘을 발생시키는 가장 간단한 장치로써 산업계에 많이 이용되고 있는 부품이다. 솔레노이드 코일에 전류가 흐르게 되면 자기장이 발생되고, 이 전류를 제어하게 되면 자기장의 세기 또한 조절할 수 있다. 이 장치는 전기에너지를 자기에너지로 변환 후 기계에너지로 다시 변환하는 에너지 변환장치라 할 수 있으며 현 재 밸브, 개폐기, 엑츄에이터 등 선형적인 기계운동을 요구하는 시스템에 응용되고 있다.

참고문헌 (4)

Wang Yupeng, Liu Xinghua, Chen Yuhang, Liu Fushui, "The Optimal Drive Current of Solenoid Valve and Its Effect on Fuel Injection Characteristics", IEEE International Conference on Electrical and Control Engineering(ICECE), pp. 2383-2387, June, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/iCECE.2010.588
Liang Chu, Yanli Hou, Minghui Liu, Jun Li, Yimin Gao, M. Ehsani, "Study on the Dynamic Characteristics of Pneumatic ABS Solenoid Valve for Commercial Vehicle", IEEE Conference on Vehicle Power and Propulsion, pp. 641-644, Sept, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/VPPC.2007.4544201
Qirui Xu, Guo Wei, Xingzhong Li, "Characteristic analysis and control for high speed proportional solenoid valve", IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications(ICIEA), pp. 1578-1582, June, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/ICIEA.2013.6566620
Xue-Ling Song, Ying-bao Zhao, Chao-Ying Liu, Zhe-Ying Song, "Solenoid Valve Switching Characteristic Test System Design", IEEE Conference on Hybrid Intelligent Systems(HIS) Ninth International, pp. 388-391, Aug, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/HIS.2009.291

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