换挡执行器直线驱动装置的性能优化
目 录
1 绪论 1
1.1 直线驱动装置发展与应用 1
1.1.1 直线驱动装置的发展与研究 1
1.1.2 直线驱动装置的应用 2
1.2 直线驱动装置的性能优化方法简介 4
1.3 课题的研究的意义和内容 4
1.3.1 课题的意义 4
1.3.2 本课题研究内容 5
2 换挡执行器直线驱动装置概述 5
2.1 换挡执行器直线驱动装置的工作原理 5
2.1.1 换挡机构的结构 5
2.1.2 直线电机部分的工作原理 6
2.2 换挡执行器直线驱动装置结构特点 7
2.3 换挡执行器直线驱动装置的控制技术综述 8
3 换挡执行器直线驱动装置的性能影响因素分析 8
3.1 换挡执行器直线驱动装置的材料特性 8
3.2 换挡执行器直线驱动装置的结构参数优化 9
3.3 换挡执行器直线驱动装置的气隙大小 10
4 换挡执行器直线驱动装置优化方案 10
4.1 换挡执行器直线驱动装置永磁体材料的优化 10
4.2 换挡执行器直线驱动装置永磁体排列方式优化 13
4.3 换挡执行器直线驱动装置关于气隙厚度的优化 14
5 换挡执行器直线驱动装置的性能优化后对比分析 15
5.1 换挡执行器直线驱动装置整体优化方案 15
5.2 执行器直线驱动装置优化前后对比 16
结论 18
致谢 19
参 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
考文献 20
1 绪论
汽车产业是我国工业化发展的一个重要方向，是我国工业现代化的重要体现。从2009年，我国已经连续包揽汽车产销第一的位置，成为名副其实的汽车大国。但是随着汽车保有量的迅猛增加，我国的能源和环境的问题将呈现更加难以处理的局面。当前传统汽车产业在技术和结构上都比较成熟，为了响应国家号召和人民切身利益的需求，未来汽车产业的改进将以节能环保为核心。得益于微电子技术的发展，这使得汽车进步一改善驾乘舒适性、环保性以及安全性成为可能。优化驱动装置的性能是节能减排一个重要的努力方向，换挡执行器的驱动装置有直线式和旋转式。考虑到驱动装置的转矩、转速等性能参数，一般很难使驱动装置直接匹配到负载上，通常加装一定的传动装置[1]。当代研究人员，始终在探索设计出一种非常合适的驱动装置，其发展的方向是高速和高性能，因此直线驱动装置成为发展的重点。
直接驱动装置的优点在于驱动器和负载部件之间直接连接，没有原来的传动部件，驱动器可以直接将动力传递至负载部件，既能省去传动部件，带来结构上的简化，也能从根本上解决传动装置存在的传动效率的问题，也因此可以显著提高整个驱动装置的工作效率。当然也是由于取消了中间的传动部分，直线驱动装置对系统产生的干扰难以抵消，因此其对控制精度方面提出了更高的要求。本文着重于对换挡执行器直线驱动装置的性能优化。
1.1 直线驱动装置发展与应用
1.1.1 直线驱动装置的发展与研究
在前述中提到直接驱动装置，取消中间的传动部分。直线驱动装置就是一种直接驱动方式中的一种，无需传动环节，能够直接把输入的电能转化为驱动直线运动的机械能[2]。直线驱动装置的核心是直线电机，这种电机的发展，最早可以追溯到1840年，英国人惠斯登提出一个线性驱动装置的模型。从这个模型的提出到今天，直线驱动装置的演变大致可以分为如下几个阶段，第一阶段是探索实验，第二阶段是开发应用，到现在就是商品化。
在第一阶段（1840-1955）中，又可以分为两个时期。前一个时期（1840-1930）是主要是对线性驱动装置的探索，在这期间人们提出了很多关于直线电机的设想，但是限于理论和技术的发展，这些设想没能通过实验的方式来验证，导致了这一时期关于直线电机方面理论上的模糊。后一个时期（1930-1955）得益于电磁理论的发展，对直线电机的研究也从之前的设想阶段进入实验阶段，并且，研究人员从实验中，得到了许多宝贵的数据，原有的理论得到了进一步的完善和巩固，这为后面直线电机的开发应用打下了坚实的基础[3]。总体来看，在这一阶段中，直线电机的发展仅仅停留在实验室中，至于直线驱动装置更是无法与旋转驱动装置相提并论，其成本高、效率低的问题难以克服，根本谈不上应用。
第二阶段（1955-1971）是直线驱动装置全面发展的阶段，主要是两方面的因素促进其大发展，一方面是电磁理论、控制理论的完善，另一方面是新材料和控制技术应用的进一步发展。直线电机和永磁体材料的进步，直接促推动了直线驱动装置的发展，犹以动圈式直线电机的出现为代表。在这一时期，英国人莱斯维特和日本人山田一教授是其中的杰出人物，对直线电机的发展做出了巨大的贡献。
1971年之后，直线驱动装置开始进入实用化阶段，在很大程度上要归功于直线电机技术的逐渐成熟。使用直线电机做驱动装置的产品层出不穷，应用范围 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
十分广泛，例如空气压缩机、起重机、数控机床等等。随着发达国家工业转型升级，以直线驱动装置为基础的进给系统，由于其具有高速度和高精度的优点，迅速在数控加工领域的占据有利位置[4]。
当前直线电机领域的领导者主要是美国的Anorad公司和科尔摩根公司，前者的产品以正弦交流直线电机和方波直流直线电机为主，后者则是最负盛名的工业运动控制厂，尤其是该公司生产的高动态性能的动子无铁心永磁直线伺服驱动装置[5]。此外，西门子、Indramat、三洋等公司在直线电机领域也颇有造诣。我国直线电机的研究较国外要落后不少，主要以科研院所和高校的一些研究成果为主。我国直线驱动装置的研究与应用尚在起步阶段。
1.1.2 直线驱动装置的应用
直线驱动装置在大功率、大推力直线驱动装置（如物流传送装置、磁悬浮列车等）和精密控制用途的高性能直线驱动装置两个方面较为广泛：
（1）直线电机在交通方面：
大推力和大容量直线电机在交通运输领域的应用十分广泛。从上世纪八零年代开始，加拿大、日本、美国和其他国家开始发展城市轨道交通，由直线感应电动机驱动的也有一个较快速度的发展，与传统的列车相比，其优势主要体现在以下几点：
1）在相同容量下，减少了车体的高度，减少了隧道的面积，降低了施工成本；
2）爬坡能极更强，转弯半径小，降低能源消耗；
3）非接触式牵引，噪音低，同时也减小了摩擦损失；
4）列车的加减速度快，效率高；
5）长期的安全运行纪录。温哥华空中列车，在14年的时间内，安全载客人数达4.5亿，安全营运里程超过10亿公里。
1990年3月，日本大阪地铁7号线开始使用直线感应电动机传动系，1991年12月，在东京12行，也使用同样的技术，从那时起，神户、横滨市开始引进直线电机技术的地铁[6]。在国内，北京机场轻轨线东直门直线电机已经在2005年7月开始使用；浙江大学和上海南洋集团合作的地铁测试和操作测试设备也是由直线电机驱动的。
除了应用程序在地铁和轻轨，磁悬浮列车的直线电机的应用是非常惊人的。目前，德国、日本和其他国家在这方面。国内，上海磁浮线成为了国内和世界上第一个商业运营线，如图1.1，上海的磁悬浮列车的最大速度431公里/小时，从龙阳路站到浦东机场整个运行时间为仅8分钟30秒。
1 绪论 1
1.1 直线驱动装置发展与应用 1
1.1.1 直线驱动装置的发展与研究 1
1.1.2 直线驱动装置的应用 2
1.2 直线驱动装置的性能优化方法简介 4
1.3 课题的研究的意义和内容 4
1.3.1 课题的意义 4
1.3.2 本课题研究内容 5
2 换挡执行器直线驱动装置概述 5
2.1 换挡执行器直线驱动装置的工作原理 5
2.1.1 换挡机构的结构 5
2.1.2 直线电机部分的工作原理 6
2.2 换挡执行器直线驱动装置结构特点 7
2.3 换挡执行器直线驱动装置的控制技术综述 8
3 换挡执行器直线驱动装置的性能影响因素分析 8
3.1 换挡执行器直线驱动装置的材料特性 8
3.2 换挡执行器直线驱动装置的结构参数优化 9
3.3 换挡执行器直线驱动装置的气隙大小 10
4 换挡执行器直线驱动装置优化方案 10
4.1 换挡执行器直线驱动装置永磁体材料的优化 10
4.2 换挡执行器直线驱动装置永磁体排列方式优化 13
4.3 换挡执行器直线驱动装置关于气隙厚度的优化 14
5 换挡执行器直线驱动装置的性能优化后对比分析 15
5.1 换挡执行器直线驱动装置整体优化方案 15
5.2 执行器直线驱动装置优化前后对比 16
结论 18
致谢 19
参 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
考文献 20
1 绪论
汽车产业是我国工业化发展的一个重要方向，是我国工业现代化的重要体现。从2009年，我国已经连续包揽汽车产销第一的位置，成为名副其实的汽车大国。但是随着汽车保有量的迅猛增加，我国的能源和环境的问题将呈现更加难以处理的局面。当前传统汽车产业在技术和结构上都比较成熟，为了响应国家号召和人民切身利益的需求，未来汽车产业的改进将以节能环保为核心。得益于微电子技术的发展，这使得汽车进步一改善驾乘舒适性、环保性以及安全性成为可能。优化驱动装置的性能是节能减排一个重要的努力方向，换挡执行器的驱动装置有直线式和旋转式。考虑到驱动装置的转矩、转速等性能参数，一般很难使驱动装置直接匹配到负载上，通常加装一定的传动装置[1]。当代研究人员，始终在探索设计出一种非常合适的驱动装置，其发展的方向是高速和高性能，因此直线驱动装置成为发展的重点。
直接驱动装置的优点在于驱动器和负载部件之间直接连接，没有原来的传动部件，驱动器可以直接将动力传递至负载部件，既能省去传动部件，带来结构上的简化，也能从根本上解决传动装置存在的传动效率的问题，也因此可以显著提高整个驱动装置的工作效率。当然也是由于取消了中间的传动部分，直线驱动装置对系统产生的干扰难以抵消，因此其对控制精度方面提出了更高的要求。本文着重于对换挡执行器直线驱动装置的性能优化。
1.1 直线驱动装置发展与应用
1.1.1 直线驱动装置的发展与研究
在前述中提到直接驱动装置，取消中间的传动部分。直线驱动装置就是一种直接驱动方式中的一种，无需传动环节，能够直接把输入的电能转化为驱动直线运动的机械能[2]。直线驱动装置的核心是直线电机，这种电机的发展，最早可以追溯到1840年，英国人惠斯登提出一个线性驱动装置的模型。从这个模型的提出到今天，直线驱动装置的演变大致可以分为如下几个阶段，第一阶段是探索实验，第二阶段是开发应用，到现在就是商品化。
在第一阶段（1840-1955）中，又可以分为两个时期。前一个时期（1840-1930）是主要是对线性驱动装置的探索，在这期间人们提出了很多关于直线电机的设想，但是限于理论和技术的发展，这些设想没能通过实验的方式来验证，导致了这一时期关于直线电机方面理论上的模糊。后一个时期（1930-1955）得益于电磁理论的发展，对直线电机的研究也从之前的设想阶段进入实验阶段，并且，研究人员从实验中，得到了许多宝贵的数据，原有的理论得到了进一步的完善和巩固，这为后面直线电机的开发应用打下了坚实的基础[3]。总体来看，在这一阶段中，直线电机的发展仅仅停留在实验室中，至于直线驱动装置更是无法与旋转驱动装置相提并论，其成本高、效率低的问题难以克服，根本谈不上应用。
第二阶段（1955-1971）是直线驱动装置全面发展的阶段，主要是两方面的因素促进其大发展，一方面是电磁理论、控制理论的完善，另一方面是新材料和控制技术应用的进一步发展。直线电机和永磁体材料的进步，直接促推动了直线驱动装置的发展，犹以动圈式直线电机的出现为代表。在这一时期，英国人莱斯维特和日本人山田一教授是其中的杰出人物，对直线电机的发展做出了巨大的贡献。
1971年之后，直线驱动装置开始进入实用化阶段，在很大程度上要归功于直线电机技术的逐渐成熟。使用直线电机做驱动装置的产品层出不穷，应用范围 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
十分广泛，例如空气压缩机、起重机、数控机床等等。随着发达国家工业转型升级，以直线驱动装置为基础的进给系统，由于其具有高速度和高精度的优点，迅速在数控加工领域的占据有利位置[4]。
当前直线电机领域的领导者主要是美国的Anorad公司和科尔摩根公司，前者的产品以正弦交流直线电机和方波直流直线电机为主，后者则是最负盛名的工业运动控制厂，尤其是该公司生产的高动态性能的动子无铁心永磁直线伺服驱动装置[5]。此外，西门子、Indramat、三洋等公司在直线电机领域也颇有造诣。我国直线电机的研究较国外要落后不少，主要以科研院所和高校的一些研究成果为主。我国直线驱动装置的研究与应用尚在起步阶段。
1.1.2 直线驱动装置的应用
直线驱动装置在大功率、大推力直线驱动装置（如物流传送装置、磁悬浮列车等）和精密控制用途的高性能直线驱动装置两个方面较为广泛：
（1）直线电机在交通方面：
大推力和大容量直线电机在交通运输领域的应用十分广泛。从上世纪八零年代开始，加拿大、日本、美国和其他国家开始发展城市轨道交通，由直线感应电动机驱动的也有一个较快速度的发展，与传统的列车相比，其优势主要体现在以下几点：
1）在相同容量下，减少了车体的高度，减少了隧道的面积，降低了施工成本；
2）爬坡能极更强，转弯半径小，降低能源消耗；
3）非接触式牵引，噪音低，同时也减小了摩擦损失；
4）列车的加减速度快，效率高；
5）长期的安全运行纪录。温哥华空中列车，在14年的时间内，安全载客人数达4.5亿，安全营运里程超过10亿公里。
1990年3月，日本大阪地铁7号线开始使用直线感应电动机传动系，1991年12月，在东京12行，也使用同样的技术，从那时起，神户、横滨市开始引进直线电机技术的地铁[6]。在国内，北京机场轻轨线东直门直线电机已经在2005年7月开始使用；浙江大学和上海南洋集团合作的地铁测试和操作测试设备也是由直线电机驱动的。
除了应用程序在地铁和轻轨，磁悬浮列车的直线电机的应用是非常惊人的。目前，德国、日本和其他国家在这方面。国内，上海磁浮线成为了国内和世界上第一个商业运营线，如图1.1，上海的磁悬浮列车的最大速度431公里/小时，从龙阳路站到浦东机场整个运行时间为仅8分钟30秒。
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