二自由度换挡执行器的电磁场有限元分析
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 电磁场有限元分析的发展状况 3
1.3 本文研究的内容 4
2 二自由度换挡执行器的结构组成及工作原理 5
2.1 二自由度换挡执行器的结构特点 5
2.2 二自由度换挡执行器的磁路特点 7
2.3 二自由度换挡执行器的工作原理 7
3 二自由度换挡执行器电磁场分析理论基础 9
3.1 电磁场基本理论 10
3.2 电磁场基本分析方法对比研究 12
3.3 有限元分析法的采用 14
4 基于Ansoft Maxwell的2-DOF EMA的电磁场的有限元分析 15
4.1 Ansoft软件介绍 15
4.2 2-DOF EMA的二维有限元模型的建立与求解 15
4.3 2-DOF EMA二维有限元运算及后处理 18
5 2-DOF EMA性能优化后的电磁场有限元分析 23
5.1 2-DOF EMA性能参数的变更 23
5.2 完成2-DOF EMA（优化）电磁场有限元仿真 23
5.3 2-DOF EMA性能优化前后的对比分析 27
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
1 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
当今社会经济的迅猛发展及国民生活水平的不断改善，汽车也已渐渐地成为人们日常生产生活的必需品。自改革开放以来，尤其是近年来我国汽车行业发展非常的快速，产业的集中程度也在不断地提高，汽车类 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
的产品的技术水平也有明显地提升[1]。但作为21世纪世界汽车的生产和消费大国，技术水平的欠缺、自主创新能力的薄弱、产业结构的不合理、消费政策的不完善等诸多问题非常突出，环保、能源、交通等因素对汽车产业发展的限制日益显现。2015年底，我国机动车保有量达2.79亿辆之多，其中汽车1.72亿辆；私家车总量高达1.24亿，每百户家庭拥有31辆车[2]；然而随着车辆数量的快速增长，环境问题与能源问题日益突出，许多国家也推出了更为严格的燃油消耗和排放的控制法规，高效节能环保已然成为未来汽车发展的主旋律。
而汽车变速系统是影响汽车动力性能和舒适性能的关键部件。尽管手动变速器（MT）它可以满足于汽车动力性能和使用经济性的基本条件，但是它有着换挡平顺性较差和难以把握换挡最佳时期及驾驶工作者工作强度较大等问题。经由传统的手动变速器（MT）改装得来的机械式自动变速器(AMT)，它延续了手动式变速器的传动效率较高、易于实现并且成本低等的优点，比较符合于我们国家的变速技术发展的基本国情。现如今高效节能的理念己经成为科学技术发展的主要趋势，AMT也必将成为自动变速技术发展的大方向[3]。但是AMT在实际的使用工作过程当中它存在着选换挡执行机构的体积较大、换挡的品质较差以及换挡能耗较高等问题。高效节能的大环境已让汽车的新技术的开发进一步提高了对整体车布局的紧凑性和运动机构传动效率的要求，因此，目前高效节能及结构紧凑的选换挡执行机构的研究是自动变速技术发展的大方向，比较小的选换挡执行机构其运动惯性较小，所以有利于降低机械式自动变速器的换挡冲击力并且能够使其动力中断的时间减少[4]。
以选换挡执行机构能够实现AMT自动变速技术的基本性能为前提，考虑减少运动部件运动惯量；减少动力传递路线来提升选换挡执行机构的传动效率；改良选换挡执行机构的结构组成来降减少换挡系统的整个的体积；优化驱动装置驱动形式来符合变速器的空间分布比较有限的状况等，提出一种以二自由度直接致动装置致动的换挡执行机构[5]。二自由度直接致动装置它是将转动和直动部分的功能融为一个整体，除去了传统的全电式机械式自动变速器中的运动转换的机构，结构更紧凑、传动效率更高。由致动装置的转换特性，二自由度直接致动装置可以叫为二自由度换挡执行器(2-DOF EMA)。2-DOF EMA主要由永磁体、线圈、磁轭、旋转衔铁和线圈骨架等组成。
二自由度换挡执行器不仅可以完成直线式运动而且又可以完成旋转式运动。它有着许多的优点，比如其结构形式相对简单、体积比较小、质量相对轻、运动速度比较快、以及可操纵性较强等等。在国际上，许许多多的研究所都已在直线致动装置方面的研究有了很大的进展，而且也在相应的领域得到了应用。
美国一家名叫罗克韦尔公司司研发了一种动磁式的2-DOF EMA，它的直动和旋转部分的永磁体是通过依照相应的顺序分布安装在同一根轴上的[6, 7]，其结构比较紧凑些，可是转动与直动部分的运动惯量较大，而且其不易控制，在实际的生产应用中成本较高。
英国的理卡多公司和谢菲尔大学共同开发的直转动部分都为采用以上所提到的动磁式的2-DOF EMA，其致动能力强、漏磁现象少，直动旋转部分的永磁体分置布置，无磁场之间各自干扰的现象[8]，然而致动轴的加工处理和安装及定位的精确度任就标准很高，运动惯量比较大，而且致动装置因运作形成的磁场切割通电线圈形成的磁线，所以会影响 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
致动装置的工作寿命。
加拿大Saskatchewan大学和德国Braunschweig大学共同开发的一种名为压电式的2-DOF EMA[9]，它的致动装置采用压电材料的特点，通过在晶体中的交变电场，可以诱导晶体的机械式变形进而产生运动。它的结构单一、尺寸比较小，在小型机械领域里被广泛使用。
目前还提出了一种新的创新设计理念，即完全没有选档过程而是采用多台电机，用电机来控制档位，但是该设计存在着电机使用过多，使得造价成本上升。在我国，吉林大学在这方面已经开始进行了研究，但是目前只是处于初步阶段。
我国的秦建军老师研发了一种圆柱凸轮电机[10]，它不仅可以形成直动而且可以形成转动，只要完成电机加工，它的运动规律就可以定下来，但是它对工作环境的要求非常苛刻。
以上几种针对于二自由度换挡执行器的分析与研发都已经取得了比较大的进展，但在驱动性能和应用领域等方面还有待于进一步提升和扩展。而此类执行器的特性与其电磁机构关系密切，单从磁路方面的计算不能够准确反映电磁机构的场量分布，只有通过对电磁场的分析，才能较准确地计算其特性。且该执行器中的电磁系统的边界和内部介质的分界面形状复杂，因此，为完成二自由度电磁执行器的系统参数设计、缩短其样机的研发周期，研究时采用了基于Ansoft的有限元分析方法对换挡执行器的电磁场进行分析研究，优化其系统结构参数，仿真研究其驱动能力是否满足AMT选换挡执行机构的驱动要求。为此对二自由度换挡执行器的电磁场进行有限元分析，利用有限元法运用Ansoft Maxwell软件开展对二自由度换挡执行器的二维建模、网格剖分以及电磁场解后处理等工作，并对仿真结果展开分析和研究，对实现二自由度换挡执行器的性能最优化具有重要意义。
1.2 电磁场有限元分析的发展状况
随着经济建设的迅猛发展，电磁场问题的定量分析也相应提出了更高的要求。高速、大容量计算机的快速发展，电磁场数值分析也取得了很大的发展，不仅可以计算更为繁杂的问题，而且还可以提升解的计算精确度。电磁场数值分析涵盖的计算方法很多，但在众多的分析法中有限元法最具代表性。
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 电磁场有限元分析的发展状况 3
1.3 本文研究的内容 4
2 二自由度换挡执行器的结构组成及工作原理 5
2.1 二自由度换挡执行器的结构特点 5
2.2 二自由度换挡执行器的磁路特点 7
2.3 二自由度换挡执行器的工作原理 7
3 二自由度换挡执行器电磁场分析理论基础 9
3.1 电磁场基本理论 10
3.2 电磁场基本分析方法对比研究 12
3.3 有限元分析法的采用 14
4 基于Ansoft Maxwell的2-DOF EMA的电磁场的有限元分析 15
4.1 Ansoft软件介绍 15
4.2 2-DOF EMA的二维有限元模型的建立与求解 15
4.3 2-DOF EMA二维有限元运算及后处理 18
5 2-DOF EMA性能优化后的电磁场有限元分析 23
5.1 2-DOF EMA性能参数的变更 23
5.2 完成2-DOF EMA（优化）电磁场有限元仿真 23
5.3 2-DOF EMA性能优化前后的对比分析 27
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
1 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
当今社会经济的迅猛发展及国民生活水平的不断改善，汽车也已渐渐地成为人们日常生产生活的必需品。自改革开放以来，尤其是近年来我国汽车行业发展非常的快速，产业的集中程度也在不断地提高，汽车类 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
的产品的技术水平也有明显地提升[1]。但作为21世纪世界汽车的生产和消费大国，技术水平的欠缺、自主创新能力的薄弱、产业结构的不合理、消费政策的不完善等诸多问题非常突出，环保、能源、交通等因素对汽车产业发展的限制日益显现。2015年底，我国机动车保有量达2.79亿辆之多，其中汽车1.72亿辆；私家车总量高达1.24亿，每百户家庭拥有31辆车[2]；然而随着车辆数量的快速增长，环境问题与能源问题日益突出，许多国家也推出了更为严格的燃油消耗和排放的控制法规，高效节能环保已然成为未来汽车发展的主旋律。
而汽车变速系统是影响汽车动力性能和舒适性能的关键部件。尽管手动变速器（MT）它可以满足于汽车动力性能和使用经济性的基本条件，但是它有着换挡平顺性较差和难以把握换挡最佳时期及驾驶工作者工作强度较大等问题。经由传统的手动变速器（MT）改装得来的机械式自动变速器(AMT)，它延续了手动式变速器的传动效率较高、易于实现并且成本低等的优点，比较符合于我们国家的变速技术发展的基本国情。现如今高效节能的理念己经成为科学技术发展的主要趋势，AMT也必将成为自动变速技术发展的大方向[3]。但是AMT在实际的使用工作过程当中它存在着选换挡执行机构的体积较大、换挡的品质较差以及换挡能耗较高等问题。高效节能的大环境已让汽车的新技术的开发进一步提高了对整体车布局的紧凑性和运动机构传动效率的要求，因此，目前高效节能及结构紧凑的选换挡执行机构的研究是自动变速技术发展的大方向，比较小的选换挡执行机构其运动惯性较小，所以有利于降低机械式自动变速器的换挡冲击力并且能够使其动力中断的时间减少[4]。
以选换挡执行机构能够实现AMT自动变速技术的基本性能为前提，考虑减少运动部件运动惯量；减少动力传递路线来提升选换挡执行机构的传动效率；改良选换挡执行机构的结构组成来降减少换挡系统的整个的体积；优化驱动装置驱动形式来符合变速器的空间分布比较有限的状况等，提出一种以二自由度直接致动装置致动的换挡执行机构[5]。二自由度直接致动装置它是将转动和直动部分的功能融为一个整体，除去了传统的全电式机械式自动变速器中的运动转换的机构，结构更紧凑、传动效率更高。由致动装置的转换特性，二自由度直接致动装置可以叫为二自由度换挡执行器(2-DOF EMA)。2-DOF EMA主要由永磁体、线圈、磁轭、旋转衔铁和线圈骨架等组成。
二自由度换挡执行器不仅可以完成直线式运动而且又可以完成旋转式运动。它有着许多的优点，比如其结构形式相对简单、体积比较小、质量相对轻、运动速度比较快、以及可操纵性较强等等。在国际上，许许多多的研究所都已在直线致动装置方面的研究有了很大的进展，而且也在相应的领域得到了应用。
美国一家名叫罗克韦尔公司司研发了一种动磁式的2-DOF EMA，它的直动和旋转部分的永磁体是通过依照相应的顺序分布安装在同一根轴上的[6, 7]，其结构比较紧凑些，可是转动与直动部分的运动惯量较大，而且其不易控制，在实际的生产应用中成本较高。
英国的理卡多公司和谢菲尔大学共同开发的直转动部分都为采用以上所提到的动磁式的2-DOF EMA，其致动能力强、漏磁现象少，直动旋转部分的永磁体分置布置，无磁场之间各自干扰的现象[8]，然而致动轴的加工处理和安装及定位的精确度任就标准很高，运动惯量比较大，而且致动装置因运作形成的磁场切割通电线圈形成的磁线，所以会影响 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
致动装置的工作寿命。
加拿大Saskatchewan大学和德国Braunschweig大学共同开发的一种名为压电式的2-DOF EMA[9]，它的致动装置采用压电材料的特点，通过在晶体中的交变电场，可以诱导晶体的机械式变形进而产生运动。它的结构单一、尺寸比较小，在小型机械领域里被广泛使用。
目前还提出了一种新的创新设计理念，即完全没有选档过程而是采用多台电机，用电机来控制档位，但是该设计存在着电机使用过多，使得造价成本上升。在我国，吉林大学在这方面已经开始进行了研究，但是目前只是处于初步阶段。
我国的秦建军老师研发了一种圆柱凸轮电机[10]，它不仅可以形成直动而且可以形成转动，只要完成电机加工，它的运动规律就可以定下来，但是它对工作环境的要求非常苛刻。
以上几种针对于二自由度换挡执行器的分析与研发都已经取得了比较大的进展，但在驱动性能和应用领域等方面还有待于进一步提升和扩展。而此类执行器的特性与其电磁机构关系密切，单从磁路方面的计算不能够准确反映电磁机构的场量分布，只有通过对电磁场的分析，才能较准确地计算其特性。且该执行器中的电磁系统的边界和内部介质的分界面形状复杂，因此，为完成二自由度电磁执行器的系统参数设计、缩短其样机的研发周期，研究时采用了基于Ansoft的有限元分析方法对换挡执行器的电磁场进行分析研究，优化其系统结构参数，仿真研究其驱动能力是否满足AMT选换挡执行机构的驱动要求。为此对二自由度换挡执行器的电磁场进行有限元分析，利用有限元法运用Ansoft Maxwell软件开展对二自由度换挡执行器的二维建模、网格剖分以及电磁场解后处理等工作，并对仿真结果展开分析和研究，对实现二自由度换挡执行器的性能最优化具有重要意义。
1.2 电磁场有限元分析的发展状况
随着经济建设的迅猛发展，电磁场问题的定量分析也相应提出了更高的要求。高速、大容量计算机的快速发展，电磁场数值分析也取得了很大的发展，不仅可以计算更为繁杂的问题，而且还可以提升解的计算精确度。电磁场数值分析涵盖的计算方法很多，但在众多的分析法中有限元法最具代表性。
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