动磁式电磁直线换挡执行器设计
为提高机械式自动变速器( AMT) 换挡品质并缩短换挡过程动力中断时间，提出了一种电磁直线执行器直接驱动的AMT换挡机构。换挡机构运动总质量为1.37kg，较传统全电式AMT换挡机构总质量( 约 1.78 kg) 降低23% 。对换挡过程进行了分段研究，并在换挡过程数学模型和 AMT 试验台架基础上，验证了设计方案的可行性。换挡机构换挡过程中无选挡操作，可实现挡位切换时退、进挡同时进行的功能，转速差为500r/min、转动惯量为0. 03 kg·m2，换挡时3挡至4挡的换挡时间约为120 ms，提升了AMT的换挡品质，且仍有进一步提高的余地。研究表明，电磁直线执行器直接驱动的 AMT 换挡机构可实现自动换挡功能。
关键词 机械式自动变速器，电磁直线执行器，换挡机构，换挡品质
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景与意义 1
1.2 AMT换挡执行器国内外发展概况 1
1.3 直线电机的发展概况 3
1.4 本文的主要研究内容及结构 4
2 电磁直线执行器设计 5
2.1 电磁直线执行器的研究现状 5
2.2 电磁直线执行器的性能特点 7
2.3 直线电机评估 8
2.4 电机结构及工作原理 9
2.5 换挡机构设计 12
3 直线电机的参数设计与选择 13
3.1 直线电机必须具备的条件 13
3.2 磁性材料的选择 14
3.3 磁场结构的参数设计 15
4 执行器的电磁场有限元分析 16
4.1电磁场有限元分析的理论基础 17
4.2 执行器的电磁场有限元模型 17< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
br /> 结 论 23
致 谢 24
1 绪论
1.1 课题研究背景与意义
环境问题是现在世界最大也是最严峻的问题。汽车作为生活不可或缺的工业产品，在我们生活中起着重要的作用。但是汽车对我们的环境造成了很大的破坏。汽车在行驶时排出的废气破坏着空气和大气层。然而汽车的需求量也越来越大。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[1]。
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[2]。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 自动变速器的分类
目前世界上使用最多的自动变速器主要有3?种类型：液力自动变速器（Automatic transmission简称“AT”）；机械式自动变速器(Automated?Mechanical?Transmission?简称“?AMT?”?)?；?金属带式无级自动变速器(Continuously?Variable?Transmissio?简称“CVT”)。?
(a)?液力自动变速器?
液力自动变速器是将柴油机的机械能平稳地传给车轮的一种液力机械装置，传动部分主要由液力变矩器和行星齿轮变速器或定轴式变速器组成，是能实现局部无级变速的有级变速器，它是目前国外用得最多的自动变速器。?
(b)?电控机械式自动变速器?
电控机械式自动变速器是在原有机械变速器基本结构不变的情况下，通过加装微机控制的自动操纵机构，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、摘挡与挂挡以及发动机的转速同步调节等操作，最终实现换挡过程的操纵自动化。?
(c)?金属带无级自动变速器?
金属带无级自动变速器属于摩擦式无级变速器，其传动与变速的关键是具有Ｖ型槽的主动锥轮、从动锥轮和金属带。每个Ｖ型轮由一个固定锥盘和一个能沿轴向移动的可动锥盘组成，来自液压系统的压力分别作用到主、从锥轮的可动锥盘上，通过改变作用到主、从锥轮可动锥盘上液压力的大小，便可使主、从动锥轮传递扭矩的节圆半径连续发生变化，从而达到无级改变传动比的目的。
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1.1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 1.1 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1.2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1.2 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。
1.3 直线电机的发展概况
我国从20世纪80年代初就开始了AMT换挡技术的研究工作，并取得了一系列直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它发展的起点并不比旋转电动机晚很多，在世界上出现旋转电动机后不久，就出现了直线电动机的雏形，但直线电动机的发展过程是曲折的。最早可追溯到1840年惠斯登（Wheatstone）开始提出和制作了略具雏形但并不成功的直线电机。从那时至今，在这160多年的发展历史中，直线电机经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个阶段。
运动控制是20世纪90年代在国际上兴起的一个多学科交叉的研究领域，它主要以含有快速电机运动的执行机构为基础，结合现代电力电子技术、控制理论与技术、计算机技术、传感器技术等进行全新的控制系统的设计，以达到运动控制所要求的高速、高精度要求。运动控制系统是由被控对象、数字传感器、电机-驱动系统及相关的运动控制板集合而成的系统[3]。运动控制在工业领域起着重要的作用，自20世纪90年代以来，运动控制领域正在发生着日新月异的变化，各种先进理论和技术已经被广泛应用到工程实际中，具有较高静、动态性能的运动控制系统不断涌现。在运动控制技术发展的同时，其驱动方式和结构形式也在不断地变化，直线电机及其伺服控制技术以其新颖的结构形式，较好的静、动态性能，较好的可控性引起人们的广泛关注。
1 绪论 1
1.1 课题研究背景与意义 1
1.2 AMT换挡执行器国内外发展概况 1
1.3 直线电机的发展概况 3
1.4 本文的主要研究内容及结构 4
2 电磁直线执行器设计 5
2.1 电磁直线执行器的研究现状 5
2.2 电磁直线执行器的性能特点 7
2.3 直线电机评估 8
2.4 电机结构及工作原理 9
2.5 换挡机构设计 12
3 直线电机的参数设计与选择 13
3.1 直线电机必须具备的条件 13
3.2 磁性材料的选择 14
3.3 磁场结构的参数设计 15
4 执行器的电磁场有限元分析 16
4.1电磁场有限元分析的理论基础 17
4.2 执行器的电磁场有限元模型 17< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
br /> 结 论 23
致 谢 24
1 绪论
1.1 课题研究背景与意义
环境问题是现在世界最大也是最严峻的问题。汽车作为生活不可或缺的工业产品，在我们生活中起着重要的作用。但是汽车对我们的环境造成了很大的破坏。汽车在行驶时排出的废气破坏着空气和大气层。然而汽车的需求量也越来越大。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[1]。
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[2]。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 自动变速器的分类
目前世界上使用最多的自动变速器主要有3?种类型：液力自动变速器（Automatic transmission简称“AT”）；机械式自动变速器(Automated?Mechanical?Transmission?简称“?AMT?”?)?；?金属带式无级自动变速器(Continuously?Variable?Transmissio?简称“CVT”)。?
(a)?液力自动变速器?
液力自动变速器是将柴油机的机械能平稳地传给车轮的一种液力机械装置，传动部分主要由液力变矩器和行星齿轮变速器或定轴式变速器组成，是能实现局部无级变速的有级变速器，它是目前国外用得最多的自动变速器。?
(b)?电控机械式自动变速器?
电控机械式自动变速器是在原有机械变速器基本结构不变的情况下，通过加装微机控制的自动操纵机构，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、摘挡与挂挡以及发动机的转速同步调节等操作，最终实现换挡过程的操纵自动化。?
(c)?金属带无级自动变速器?
金属带无级自动变速器属于摩擦式无级变速器，其传动与变速的关键是具有Ｖ型槽的主动锥轮、从动锥轮和金属带。每个Ｖ型轮由一个固定锥盘和一个能沿轴向移动的可动锥盘组成，来自液压系统的压力分别作用到主、从锥轮的可动锥盘上，通过改变作用到主、从锥轮可动锥盘上液压力的大小，便可使主、从动锥轮传递扭矩的节圆半径连续发生变化，从而达到无级改变传动比的目的。
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1.1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 1.1 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1.2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1.2 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。
1.3 直线电机的发展概况
我国从20世纪80年代初就开始了AMT换挡技术的研究工作，并取得了一系列直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它发展的起点并不比旋转电动机晚很多，在世界上出现旋转电动机后不久，就出现了直线电动机的雏形，但直线电动机的发展过程是曲折的。最早可追溯到1840年惠斯登（Wheatstone）开始提出和制作了略具雏形但并不成功的直线电机。从那时至今，在这160多年的发展历史中，直线电机经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个阶段。
运动控制是20世纪90年代在国际上兴起的一个多学科交叉的研究领域，它主要以含有快速电机运动的执行机构为基础，结合现代电力电子技术、控制理论与技术、计算机技术、传感器技术等进行全新的控制系统的设计，以达到运动控制所要求的高速、高精度要求。运动控制系统是由被控对象、数字传感器、电机-驱动系统及相关的运动控制板集合而成的系统[3]。运动控制在工业领域起着重要的作用，自20世纪90年代以来，运动控制领域正在发生着日新月异的变化，各种先进理论和技术已经被广泛应用到工程实际中，具有较高静、动态性能的运动控制系统不断涌现。在运动控制技术发展的同时，其驱动方式和结构形式也在不断地变化，直线电机及其伺服控制技术以其新颖的结构形式，较好的静、动态性能，较好的可控性引起人们的广泛关注。
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