换挡执行器直线驱动装置的二维电磁场分析(附件)
为提高电控机械式自动变速器（AMT）的换挡品质，本文针对AMT的换挡执行器提出了一种创新方法，即采用永磁动圈式直线电机作为换挡执行器，以解决换挡品质差的问题。相对于传统直线电机，永磁直线电机是一种具有很高工位精度的新型电机，本文介绍了永磁直线电机的相关概念，在Ansoft Maxwell软件中通过永磁动圈式直线电机的基本参数建立一个二维二分之一的电机模型，对其进行仿真研究，并在分析计算的基础上对场图、云图等作进一步的分析。关键词 直线电机，二维电磁场，仿真计算，有限元，永磁目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 本文主要研究内容及结构 2
2 直线电机概述 3
2.1 直线电机在国内外的研究发展状况 3
2.2 直线电机的分类及其特点 4
3 永磁动圈式直线电机结构及相关概念 6
3.1 动圈式直线电机研究发展概述 6
3.2 永磁动圈式直线电机分类及其特点 6
3.3 永磁动圈式直线电机结构与工作原理 7
3.4 磁性材料的性能与选用 8
4 二维电磁场基本理论和有限元基础 9
4.1 Ansoft maxwell软件简介及其应用 9
4.2 二维电磁场基本理论 9
4.3 二维有限元计算方法 12
5 模型的建立与仿真结果分析 14
5.1 电机的主要参数 14
5.2 电机模型的建立 15
5.3 仿真结果及其分析 18
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
我国汽车产业近年来发展十分迅速。作为发展中国家的中国已经连续多年成为世界上最大的汽车生产国，远远超过日、美等国家，根据统计数据显示，一直到2015年年底，我国的汽车保有量已经达到2.7亿辆。随着近年来汽车保有量的快速增长，作为全球最大发展中国家的我们，在保护环境，节约能源方面也承担着越来越大的责任。汽车行业的迅猛发展也意味着我国的资源紧缺问题和环境问题的日益
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
1 课题研究背景及意义
我国汽车产业近年来发展十分迅速。作为发展中国家的中国已经连续多年成为世界上最大的汽车生产国，远远超过日、美等国家，根据统计数据显示，一直到2015年年底，我国的汽车保有量已经达到2.7亿辆。随着近年来汽车保有量的快速增长，作为全球最大发展中国家的我们，在保护环境，节约能源方面也承担着越来越大的责任。汽车行业的迅猛发展也意味着我国的资源紧缺问题和环境问题的日益突出。因此，节能环保已经成为我国当前汽车工业发展的一个重要发展主题。电控机械式自动变速器(Automated mechanical transmission，AMT)既有手动变速器的优点，同时又具有自动变速器的长处，它不仅能够实现自动变速，在传动效率方面相较于其他自动变速器而言也显得极高，结构也更为简单。机械式自动变速器关键技术的研究发展对于节约能源，保护环境，提高汽车驾驶的安全性、舒适性等具有重大的现实意义。在大量长期的研究试验下，把AMT关键技术作为汽车行业自动变速器技术研究中的重点对象以获得大多数人的共识。但在具有明显优势的同时，AMT也存在着一部分缺陷。对于AMT来说，其换挡方式是动力中断换挡，因此汽车行驶中的平顺性因为在动力换挡过程中造成的一定程度的冲击而受到阻碍。但是，随着直线电机技术在自动换挡上的理论发展与应用研究，我们可以通过优化设计换挡执行器，从而来缩短动力中断时间、提高换挡的平顺性以及降低换挡时的冲击。
20世纪后期，直线电机技术在电工领域出现，它不需要任何的中间转化装置便可直接提供直线运动。从直线电机的结构上来看，它的发展从很大程度上说是旋转电机的一种转变，把一个旋转电机沿着它的径直方向切开，再按照其圆周方向全部展开，就能得到一个直线电机。在直线电机的结构中，原来旋转电机中的定子变成了直线电机中的初级，原来旋转电机中的转子变成了直线电机中的次级[1]。但是，在实际的生产应用中，往往需要将直线电机的次级和初级生产成不同的长度，主要是为了能够保证在直线电机行程范围之内，它的次级和初级之间仍然能够保持较好的耦合性。直线电机在结构上，可以是初级较长，次级短，也可以是次级较长，初级短[2]。但是，一般考虑到知制造成本、实际的运用情况这两个因素，目前采用的比较多的形式的还是长次级短初级的这种结构形式。
直线电机和旋转电机的工作原理是很相似的，旋转电机是将电磁力转换为旋转电机的旋转力矩，而直线电机是将电磁力转换为直线电机的推力。所以说直线电机和旋转电机均可以采用类似的或者相同的控制方式来进行精确的控制[3]。直线驱动装置一般可由旋转电机或者直线电机构成，又直线电机构成的直线驱动装置相较于旋转电机而言，具有以下几点明显的优势：一是直线电机可以不通过转换机构直接产生电磁推力，因此系统结构可以大大简化，其系统运行的效率也有所提高，同时增加了系统的可靠性；二是直线电机的运行过程中，它的零部件没有了离心力作用，因此直线电机的运行速度没有了限制；三是直线电机具有结构简单、热负荷相对高、表层散热效果较好等优点，另外直线电机在特殊场合情况下仍可正常执行工作。但是由于直线电机还存在着生产成本较高，换向困难等不足，直线电机相关技术的研究具有十分重要的意义[4]。
1.2 本文主要研究内容及结构
本文是以直线电机作为研究对象，在分析各种自动换挡执行器的基础上，介绍了一种永磁动圈式直线电机作为换挡执行器的方案。在此基础上，将已知参数的直线电机在Ansoft maxwell软件内建立模型，并对此直线电机的二维电磁场进行了系统的分析。本文各章节主要内容及结构如下：
主要介绍了本课题的研究背景和意义，对本文各章节的主要内容及结构做了一个简要说明。
主要介绍了直线电机在国内外的研究发展状况以及直线电机按照结构及工作原理的分类。
第三章主要介绍了动圈式直线电机的发展历史，并概括性的描述了永磁动圈式直线电机的工作原理以及结构组成，在直线电机结构的基础上，详尽的阐述了永磁体和软磁材料的性能与选用。
第四章主要论述了二维电磁场的基本理论，包括麦克斯韦方程组、Ansoft maxwell软件介绍以及位函数、边界条件、网格剖分和二维电磁场有限元分析的原理。概括性的描述了建立模型前的一些相关准备及要求。
第五章主要介绍了直线电机的相关参数以及它的电磁场有限元分析，利用Ansoft公司的Maxwell软件详细的建立了此直线电机的二维模型，并且对它进行仿真计算，优化各参数便于得到执行器的最优方案。
2 直线电机概述
2.1 直线电机在国内外的研究发展状况
早在19世纪末20世纪初期，直线电动机的相关研究就已经受到关注。1831年，世界上第一台旋转电机（永磁电机）诞生，紧接着在1845年，原始直线电机在世界的瞩目下诞生。1890年，一篇关于直线电机的专利(Linear InductionMotor,LIM)由美国匹兹堡市市长发表问世，在1895年，电梭子公司也随之发表了一篇关于织布梭子的专利—在织布梭子的驱动装置上使用直线电机[5]。当时发展这项技术的主要原因是让梭子在织布机上可以能更好的推动，其次是为了将直线电机运用到列车的动力装置上，然而成果都不太理想。在之后的相当一段时间里，直线电机的应用并未得到真正的体现，引用领域十分狭小，及时在这期间仍有不少关于直线电机的研究。五十年代中期以后，在核动力技术的快速突破下，钾钠混合物等类似的液态金属需求量也随之增大，在这种情况下，直线电机在电磁泵的运用方面的发展研究也得到了极大的重视。六十年代以后，运输系统高速发展，随之而来的就是对直线电机的越来越高的技术要求，在这种情况下，直线电动机的发展达到了前所未有的高度。八十年代中期，出现了一种稀土永磁原料—NDFEB，它的性能十
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 本文主要研究内容及结构 2
2 直线电机概述 3
2.1 直线电机在国内外的研究发展状况 3
2.2 直线电机的分类及其特点 4
3 永磁动圈式直线电机结构及相关概念 6
3.1 动圈式直线电机研究发展概述 6
3.2 永磁动圈式直线电机分类及其特点 6
3.3 永磁动圈式直线电机结构与工作原理 7
3.4 磁性材料的性能与选用 8
4 二维电磁场基本理论和有限元基础 9
4.1 Ansoft maxwell软件简介及其应用 9
4.2 二维电磁场基本理论 9
4.3 二维有限元计算方法 12
5 模型的建立与仿真结果分析 14
5.1 电机的主要参数 14
5.2 电机模型的建立 15
5.3 仿真结果及其分析 18
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
我国汽车产业近年来发展十分迅速。作为发展中国家的中国已经连续多年成为世界上最大的汽车生产国，远远超过日、美等国家，根据统计数据显示，一直到2015年年底，我国的汽车保有量已经达到2.7亿辆。随着近年来汽车保有量的快速增长，作为全球最大发展中国家的我们，在保护环境，节约能源方面也承担着越来越大的责任。汽车行业的迅猛发展也意味着我国的资源紧缺问题和环境问题的日益
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1 课题研究背景及意义
我国汽车产业近年来发展十分迅速。作为发展中国家的中国已经连续多年成为世界上最大的汽车生产国，远远超过日、美等国家，根据统计数据显示，一直到2015年年底，我国的汽车保有量已经达到2.7亿辆。随着近年来汽车保有量的快速增长，作为全球最大发展中国家的我们，在保护环境，节约能源方面也承担着越来越大的责任。汽车行业的迅猛发展也意味着我国的资源紧缺问题和环境问题的日益突出。因此，节能环保已经成为我国当前汽车工业发展的一个重要发展主题。电控机械式自动变速器(Automated mechanical transmission，AMT)既有手动变速器的优点，同时又具有自动变速器的长处，它不仅能够实现自动变速，在传动效率方面相较于其他自动变速器而言也显得极高，结构也更为简单。机械式自动变速器关键技术的研究发展对于节约能源，保护环境，提高汽车驾驶的安全性、舒适性等具有重大的现实意义。在大量长期的研究试验下，把AMT关键技术作为汽车行业自动变速器技术研究中的重点对象以获得大多数人的共识。但在具有明显优势的同时，AMT也存在着一部分缺陷。对于AMT来说，其换挡方式是动力中断换挡，因此汽车行驶中的平顺性因为在动力换挡过程中造成的一定程度的冲击而受到阻碍。但是，随着直线电机技术在自动换挡上的理论发展与应用研究，我们可以通过优化设计换挡执行器，从而来缩短动力中断时间、提高换挡的平顺性以及降低换挡时的冲击。
20世纪后期，直线电机技术在电工领域出现，它不需要任何的中间转化装置便可直接提供直线运动。从直线电机的结构上来看，它的发展从很大程度上说是旋转电机的一种转变，把一个旋转电机沿着它的径直方向切开，再按照其圆周方向全部展开，就能得到一个直线电机。在直线电机的结构中，原来旋转电机中的定子变成了直线电机中的初级，原来旋转电机中的转子变成了直线电机中的次级[1]。但是，在实际的生产应用中，往往需要将直线电机的次级和初级生产成不同的长度，主要是为了能够保证在直线电机行程范围之内，它的次级和初级之间仍然能够保持较好的耦合性。直线电机在结构上，可以是初级较长，次级短，也可以是次级较长，初级短[2]。但是，一般考虑到知制造成本、实际的运用情况这两个因素，目前采用的比较多的形式的还是长次级短初级的这种结构形式。
直线电机和旋转电机的工作原理是很相似的，旋转电机是将电磁力转换为旋转电机的旋转力矩，而直线电机是将电磁力转换为直线电机的推力。所以说直线电机和旋转电机均可以采用类似的或者相同的控制方式来进行精确的控制[3]。直线驱动装置一般可由旋转电机或者直线电机构成，又直线电机构成的直线驱动装置相较于旋转电机而言，具有以下几点明显的优势：一是直线电机可以不通过转换机构直接产生电磁推力，因此系统结构可以大大简化，其系统运行的效率也有所提高，同时增加了系统的可靠性；二是直线电机的运行过程中，它的零部件没有了离心力作用，因此直线电机的运行速度没有了限制；三是直线电机具有结构简单、热负荷相对高、表层散热效果较好等优点，另外直线电机在特殊场合情况下仍可正常执行工作。但是由于直线电机还存在着生产成本较高，换向困难等不足，直线电机相关技术的研究具有十分重要的意义[4]。
1.2 本文主要研究内容及结构
本文是以直线电机作为研究对象，在分析各种自动换挡执行器的基础上，介绍了一种永磁动圈式直线电机作为换挡执行器的方案。在此基础上，将已知参数的直线电机在Ansoft maxwell软件内建立模型，并对此直线电机的二维电磁场进行了系统的分析。本文各章节主要内容及结构如下：
主要介绍了本课题的研究背景和意义，对本文各章节的主要内容及结构做了一个简要说明。
主要介绍了直线电机在国内外的研究发展状况以及直线电机按照结构及工作原理的分类。
第三章主要介绍了动圈式直线电机的发展历史，并概括性的描述了永磁动圈式直线电机的工作原理以及结构组成，在直线电机结构的基础上，详尽的阐述了永磁体和软磁材料的性能与选用。
第四章主要论述了二维电磁场的基本理论，包括麦克斯韦方程组、Ansoft maxwell软件介绍以及位函数、边界条件、网格剖分和二维电磁场有限元分析的原理。概括性的描述了建立模型前的一些相关准备及要求。
第五章主要介绍了直线电机的相关参数以及它的电磁场有限元分析，利用Ansoft公司的Maxwell软件详细的建立了此直线电机的二维模型，并且对它进行仿真计算，优化各参数便于得到执行器的最优方案。
2 直线电机概述
2.1 直线电机在国内外的研究发展状况
早在19世纪末20世纪初期，直线电动机的相关研究就已经受到关注。1831年，世界上第一台旋转电机（永磁电机）诞生，紧接着在1845年，原始直线电机在世界的瞩目下诞生。1890年，一篇关于直线电机的专利(Linear InductionMotor,LIM)由美国匹兹堡市市长发表问世，在1895年，电梭子公司也随之发表了一篇关于织布梭子的专利—在织布梭子的驱动装置上使用直线电机[5]。当时发展这项技术的主要原因是让梭子在织布机上可以能更好的推动，其次是为了将直线电机运用到列车的动力装置上，然而成果都不太理想。在之后的相当一段时间里，直线电机的应用并未得到真正的体现，引用领域十分狭小，及时在这期间仍有不少关于直线电机的研究。五十年代中期以后，在核动力技术的快速突破下，钾钠混合物等类似的液态金属需求量也随之增大，在这种情况下，直线电机在电磁泵的运用方面的发展研究也得到了极大的重视。六十年代以后，运输系统高速发展，随之而来的就是对直线电机的越来越高的技术要求，在这种情况下，直线电动机的发展达到了前所未有的高度。八十年代中期，出现了一种稀土永磁原料—NDFEB，它的性能十
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