动圈式电磁直线换挡执行器设计
永磁动圈式直线电机是一种不需要任何中间机械转化装置就可以将电信号直接转化为直线机械运动的一种特种电机，并且具有重量轻、容易控制、响应快、位移精准、灵敏度高等优点。电控机械式自动变速器(AMT)是动力中断换挡，换挡过程会产生不同程度的冲击，不仅动力损失严重，而且严重影响换挡品质。为减少AMT的换挡时间、提高AMT的换挡品质，本文介绍了一种基于永磁动圈式直线电机的换挡执行器，运用理论分析、仿真计算相结合的方法对其设计、分析及控制技术进行了深入、系统地研究，为电磁驱动换挡机构的进一步深入研究和工程化应用奠定了基础。
关键词 动圈式，直线电机，永磁
目 录
1 绪论1
1.1 课题的研究背景与意义1
1.2 AMT换挡执行器国内外发展概况1
1.2.1 AMT换挡执行器的分类1
1.2.2 国内外AMT换挡执行器研究概况2
1.3 直线电机的发展概况3
1.4 本文主要的研究内容及机构4
2 系统方案设计5
2.1 换挡执行器的方案设计5
2.1.1 直线电机的分类5
2.1.2 直线电机的方案评估6
2.2 执行器的结构与工作原理7
2.3 执行器的电磁力9
3 直线电机的参数设计与选择10
3.1 直线电机必须具备的条件10
3.2 磁性材料的选择10
3.2.1 永磁体材料的选择10
3.2.2 软磁材料的选择11
3.3 磁场结构的参数设计11
3.3.1 磁力机械设计的基本思想12
3.3.2 电磁线圈的设计12
3.3.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
磁场结构各参数的确定13
4 执行器的电磁场有限元分析13
4.1 电磁场有限元分析的理论基础13
4.2 执行器的电磁场有限元模型14
4.2.1 二维几何模型14
4.2.2 激励源与边界条件的加载15
4.2.3 网格划分及求解项定义15
4.2.4 电磁场计算与后处理16
结论 20
致谢 21
参考文献22
1 绪论
1．1 课题研究背景与意义
全球气候变暖正影响着人类的生存和发展，也是21世纪人类社会必须共同面对的重大挑战，而减少温室气体排放则是应对气候变化的最主要措施。作为温室气体排放大国以及最大的发展中国家，中国的汽车保有量正在逐年上升。目前，中国每年的汽车产量位居世界第一。汽车保有量的快速增加，意味着我国的能源和环境问题将会出现更加严峻的形势，同时，对于汽车驾驶的舒适性、安全性和操作性也有了更高的要求。
环境形势的严峻以及对于驾驶舒适性的追求，不断推动着汽车新技术的发展。应用在自动变速器上的直线换挡技术，为这一发展奠定了基础。机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission，AMT)兼具手动变速器和自动变速器的优点，不仅能够实现自动变速，而且传动效率高、结构简单。但是AMT的缺点同样存在，AMT换挡是动力中断换挡，换挡过程会产生一定程度的冲击，影响汽车的平顺性。然而，随着直线电机技术在自动换挡上的研究与应用，可以通过对换挡执行器的优化设计来实现动力中断时间的缩短、换挡平顺性的提高和换挡冲击的降低。
直线电机是20世纪后期电工领域出现的新技术，它不需要任何中间转化装置，就可以提供直线运动。直线电机在结构上可以看成是旋转电机的一种转变，将一台旋转电机沿径向剖开并将其按圆周方向展开，就得到直线电机。这种不需要中间转化装置就可以实现直接驱动的形式，取消了从原动机到工作负载部件之间的机械传动环节，由原动机直接驱动机构作直线运动，实现“近零传动”，消除了传动环节的摩擦、间隙、弹性变形等可能带来的不利影响，提高了传动效率，这不仅是技术上的进步，也让汽车工业在环保领域向前迈进了一大步。
1.2 AMT换挡执行器国内外发展概况
1.2.1 AMT换挡执行器的分类
不同种类AMT换挡执行机构的动力源可以分为全电式、气动式和电液式三种。
全电式换挡执行器具有结构简单、操作性强、价格低廉、控制灵活等优点，但也有换挡系统可靠性低、电机不易控制等缺点。目前比较有代表性的全电式换挡执行器产品是德国的LUK公司和格特拉克公司联合推出的ASG系列，它采用电机作为换挡执行器。
图1.1 LUK公司ASG全电式换挡执行器
气动式换挡执行器采用气动元件作为换挡执行器。它适用于具有气动源的车辆，它具有工作环境清洁，执行器运动速度高，维护方便，结构简单等优点。但是，气动式换挡技术也存在工作元件运动速度稳定性差，定位精度低等缺点。
电液式换挡执行器以液压缸为动力源，是目前换挡执行器研究及开发中的主流产品。电液式换挡执行器具有响应快、驱动能力强、操作简单、控制精度高、具有一定的吸振与缓冲能力等优点。但同样存在液压结构复杂、液压元件制造精度要求高，液压油受温度影响大等问题。
1.2.2 国内外AMT换挡执行器研究概况
我国从20世纪80年代初就开始了AMT换挡技术的研究工作，并取得了一系列成果。在AMT换挡技术理论上的研究与国际水平相当，但在产品化方面，与国外的差距较大。
吉林大学是我国在换挡执行器研究上起步较早的研究机构之一，他们研究的类型包括电液式执行器和全电式执行器。典型的全电式执行器结构如图1.2所示。该机构的工作原理为：采用蜗杆作为选挡轴，选挡电机带动蜗杆旋转，蜗杆旋转推动选挡拨头做直线运动，进而推动换挡拨头运动至目标挡位拨块凹槽中实现选挡；换挡电机旋转换挡轴，通过花键传递至换挡拨头，完成换挡动作。
图 1.2 吉林大学研制的全电式AMT换挡执行机构
美国西南研究院研制的一种电液式换挡执行机构如图1.3所示。该换挡机构由液压泵、液压装置、直接驱动杆等组成。换挡力由液压泵提供，控制器则通过液压装置旋转不同的直接驱动杆完成换挡动作。该换挡机构设计合理，机构简洁，是一种较为典型的电液式AMT换挡执行机构。
图1.3 美国西南研究院研制的电液式AMT换挡执行机构
随着电子技术以及微机控制技术的发展，全电式换挡执行器成为AMT换挡研究的热门，采用电机为主体的伺服驱动系统正成为AMT的发展方向。
然而，动圈式直线电机中运动部件为线圈，永磁体静止不动，因此没有上述动磁式直线电机的问题。动圈式直线电机的气隙比较大，具有很高的力功比和较好的灵敏度等优点，另外，由于采用永磁体励磁，动圈式直线电机具有结构简单、体积小、质量轻等优点。动圈式和动磁式的区别如图2.2所示。
a)动圈式 b)动磁式
图2.2 动圈式、动磁式直线电机结构简图
动圈式直线电机俗称音圈电机，它是特种电机的一种，是一种直线直流电动机。它主要应用于机械惯量小的场合，如光盘驱动器、医疗器械、扬声器等场合。不仅运行效率高，动圈式直线电机还具有体积小、力功比大、重量轻、容易控制、定位准确等优点，目前被广泛应用于航空领域和一些精密仪器领域。
1 绪论1
1.1 课题的研究背景与意义1
1.2 AMT换挡执行器国内外发展概况1
1.2.1 AMT换挡执行器的分类1
1.2.2 国内外AMT换挡执行器研究概况2
1.3 直线电机的发展概况3
1.4 本文主要的研究内容及机构4
2 系统方案设计5
2.1 换挡执行器的方案设计5
2.1.1 直线电机的分类5
2.1.2 直线电机的方案评估6
2.2 执行器的结构与工作原理7
2.3 执行器的电磁力9
3 直线电机的参数设计与选择10
3.1 直线电机必须具备的条件10
3.2 磁性材料的选择10
3.2.1 永磁体材料的选择10
3.2.2 软磁材料的选择11
3.3 磁场结构的参数设计11
3.3.1 磁力机械设计的基本思想12
3.3.2 电磁线圈的设计12
3.3.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
磁场结构各参数的确定13
4 执行器的电磁场有限元分析13
4.1 电磁场有限元分析的理论基础13
4.2 执行器的电磁场有限元模型14
4.2.1 二维几何模型14
4.2.2 激励源与边界条件的加载15
4.2.3 网格划分及求解项定义15
4.2.4 电磁场计算与后处理16
结论 20
致谢 21
参考文献22
1 绪论
1．1 课题研究背景与意义
全球气候变暖正影响着人类的生存和发展，也是21世纪人类社会必须共同面对的重大挑战，而减少温室气体排放则是应对气候变化的最主要措施。作为温室气体排放大国以及最大的发展中国家，中国的汽车保有量正在逐年上升。目前，中国每年的汽车产量位居世界第一。汽车保有量的快速增加，意味着我国的能源和环境问题将会出现更加严峻的形势，同时，对于汽车驾驶的舒适性、安全性和操作性也有了更高的要求。
环境形势的严峻以及对于驾驶舒适性的追求，不断推动着汽车新技术的发展。应用在自动变速器上的直线换挡技术，为这一发展奠定了基础。机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission，AMT)兼具手动变速器和自动变速器的优点，不仅能够实现自动变速，而且传动效率高、结构简单。但是AMT的缺点同样存在，AMT换挡是动力中断换挡，换挡过程会产生一定程度的冲击，影响汽车的平顺性。然而，随着直线电机技术在自动换挡上的研究与应用，可以通过对换挡执行器的优化设计来实现动力中断时间的缩短、换挡平顺性的提高和换挡冲击的降低。
直线电机是20世纪后期电工领域出现的新技术，它不需要任何中间转化装置，就可以提供直线运动。直线电机在结构上可以看成是旋转电机的一种转变，将一台旋转电机沿径向剖开并将其按圆周方向展开，就得到直线电机。这种不需要中间转化装置就可以实现直接驱动的形式，取消了从原动机到工作负载部件之间的机械传动环节，由原动机直接驱动机构作直线运动，实现“近零传动”，消除了传动环节的摩擦、间隙、弹性变形等可能带来的不利影响，提高了传动效率，这不仅是技术上的进步，也让汽车工业在环保领域向前迈进了一大步。
1.2 AMT换挡执行器国内外发展概况
1.2.1 AMT换挡执行器的分类
不同种类AMT换挡执行机构的动力源可以分为全电式、气动式和电液式三种。
全电式换挡执行器具有结构简单、操作性强、价格低廉、控制灵活等优点，但也有换挡系统可靠性低、电机不易控制等缺点。目前比较有代表性的全电式换挡执行器产品是德国的LUK公司和格特拉克公司联合推出的ASG系列，它采用电机作为换挡执行器。
图1.1 LUK公司ASG全电式换挡执行器
气动式换挡执行器采用气动元件作为换挡执行器。它适用于具有气动源的车辆，它具有工作环境清洁，执行器运动速度高，维护方便，结构简单等优点。但是，气动式换挡技术也存在工作元件运动速度稳定性差，定位精度低等缺点。
电液式换挡执行器以液压缸为动力源，是目前换挡执行器研究及开发中的主流产品。电液式换挡执行器具有响应快、驱动能力强、操作简单、控制精度高、具有一定的吸振与缓冲能力等优点。但同样存在液压结构复杂、液压元件制造精度要求高，液压油受温度影响大等问题。
1.2.2 国内外AMT换挡执行器研究概况
我国从20世纪80年代初就开始了AMT换挡技术的研究工作，并取得了一系列成果。在AMT换挡技术理论上的研究与国际水平相当，但在产品化方面，与国外的差距较大。
吉林大学是我国在换挡执行器研究上起步较早的研究机构之一，他们研究的类型包括电液式执行器和全电式执行器。典型的全电式执行器结构如图1.2所示。该机构的工作原理为：采用蜗杆作为选挡轴，选挡电机带动蜗杆旋转，蜗杆旋转推动选挡拨头做直线运动，进而推动换挡拨头运动至目标挡位拨块凹槽中实现选挡；换挡电机旋转换挡轴，通过花键传递至换挡拨头，完成换挡动作。
图 1.2 吉林大学研制的全电式AMT换挡执行机构
美国西南研究院研制的一种电液式换挡执行机构如图1.3所示。该换挡机构由液压泵、液压装置、直接驱动杆等组成。换挡力由液压泵提供，控制器则通过液压装置旋转不同的直接驱动杆完成换挡动作。该换挡机构设计合理，机构简洁，是一种较为典型的电液式AMT换挡执行机构。
图1.3 美国西南研究院研制的电液式AMT换挡执行机构
随着电子技术以及微机控制技术的发展，全电式换挡执行器成为AMT换挡研究的热门，采用电机为主体的伺服驱动系统正成为AMT的发展方向。
然而，动圈式直线电机中运动部件为线圈，永磁体静止不动，因此没有上述动磁式直线电机的问题。动圈式直线电机的气隙比较大，具有很高的力功比和较好的灵敏度等优点，另外，由于采用永磁体励磁，动圈式直线电机具有结构简单、体积小、质量轻等优点。动圈式和动磁式的区别如图2.2所示。
a)动圈式 b)动磁式
图2.2 动圈式、动磁式直线电机结构简图
动圈式直线电机俗称音圈电机，它是特种电机的一种，是一种直线直流电动机。它主要应用于机械惯量小的场合，如光盘驱动器、医疗器械、扬声器等场合。不仅运行效率高，动圈式直线电机还具有体积小、力功比大、重量轻、容易控制、定位准确等优点，目前被广泛应用于航空领域和一些精密仪器领域。
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