直線往復運動的磁力感換擋設計與研究

謝 光，余 波，羅水根

（廣汽零部件有限公司，廣州 510060）

0 引言

由于磁場力可以不用接觸發(fā)生作用力，利用此特性在換擋器擋位感提供方式領域應用則具有較好的NVH 性能，故分析和掌握磁鐵之間相互作用力的數(shù)學模型是應用前的首要任務。國內外對磁力感原理以及應用做了大量的研究，田錄林等［1］利用等效磁荷理論對永磁軸承軸向磁力進行了研究，建立了徑向磁化的雙筒永磁軸承軸向磁力的數(shù)學模型；歷建剛等［2-4］利用磁場作用力傳遞直線往復運動原理，建立圓形磁鐵傳遞軸向作用力數(shù)學模型，通過試驗驗證了其模型的正確性；Ming Cong等［5-6］針對真空機器人等特殊行業(yè)存在泄漏問題，利用磁力傳動原理設計了磁力聯(lián)軸器，通過驗證表明此磁力聯(lián)軸器滿足超真空環(huán)境下的轉矩傳輸設計目標；磁場的數(shù)值分析和計算是設計磁力驅動機構的關鍵問題之一，Mei Shunqi等［7］詳細討論了磁體的有限元分析方法；聶鵬飛［8］利用磁力驅動技術解決了某600 MW 機組火電廠石灰石-石膏煙氣脫硫側進攪拌器機械密封泄漏問題，結果表明在大震動、嚴重腐蝕等惡劣條件下磁力驅動裝置是解決機械密封泄漏的有效方法。

本文研究利用磁場作用力提供直線往復運動的換擋手感，并利用高性能稀土永磁材料構造一種換擋手感提供平臺；根據(jù)等效磁荷理論，研究磁鐵之間相互作用力的數(shù)學模型問題，并設計、制作試驗樣件；根據(jù)對試驗樣件換擋力的檢測，對建立的磁鐵之間相互作用力的數(shù)學模型進行驗證，該數(shù)學模型確定了磁鐵間相互作用力與磁性材料以及磁鐵之間布置幾何參數(shù)之間的關系；根據(jù)磁鐵之間相互作用力的數(shù)學模型以及目標換擋力，通過計算仿真設計一組合適的磁鐵進行實物樣件制作，通過驗證結果表明本換擋器磁力感提供數(shù)學模型是正確的，磁力感換擋器較傳統(tǒng)換擋力提供方式更具優(yōu)勢，產業(yè)化應用價值高。

1 磁力傳動作用力的數(shù)學模型

磁力驅動是應用永磁鐵或電磁鐵所產生的磁力作用，來實現(xiàn)轉矩或力無接觸傳遞的一種技術［2］。根據(jù)磁場力可以無接觸發(fā)生作用力的特性，利用高性能稀土永磁材料，研究通過磁場力提供往復運動（圖1），在往復運動的過程中提供換擋手感。依據(jù)等效磁荷理論，研究建立了計算磁場相互作用力的數(shù)學模型，通過樣件制作測量對計算模型的正確性進行了驗證。

圖1 磁場傳遞往復作用力原理

按照磁荷等效理論，磁場的作用力可以看作是兩磁體表面上的磁荷間相互作用的結果，如圖2所示。

圖2 磁力計算模型示意圖

受換擋器空間布置限制以及物料管理方便性，本文中上下磁鐵選用同規(guī)格的方形磁鐵，所以其中w1＝w2，L1＝L2，H1＝H3-H2。磁荷分布在與磁化方向相垂直的表面上，而磁荷極性與磁化方向有關。因此，上下磁鐵磁場相互作用力是分布在上磁鐵表面1、2和下磁鐵3、4 表面上磁荷相互作用的結果。因此，首先考慮1、3表面相互作用力F13。

按照磁荷庫倫定律，下層磁鐵Q對上層磁鐵P的作用力可表示為［9］：

表面1和3任意一點P、Q處的磁荷為：

式中：r13為P到Q點的位置矢量，r13＝h ＋x0。

對于稀土永磁材料，磁荷面密度與剩余磁感應強度關系［9］是：σ1＝Br1，σ2＝Br2；dF13在X軸方向的分量為：

式（3）表達的是上磁鐵表面1 對下磁鐵表面3 作用的X方向力的微分形式，同理其他面之間的磁力微分形式為：

根據(jù)磁體的磁極，確定各軸向分力的作用方向后，將上述分力疊加得上磁鐵對下磁鐵作用力的X 軸方向磁力的微分形式：

式（5）表示的是上磁鐵通過磁場作用力傳遞到下磁鐵的推力，模型建立后可通過Matlab進行理論計算。

2 系統(tǒng)構成

磁力感換擋器磁鐵選用釹鐵硼（Nb-Fe-B）、牌號等級為N35H，永磁材料的性能如表1所示。

表1 磁鐵性能

為簡化計算，設定上下層磁鐵尺寸為2 mm×6 mm×12 mm，磁鐵間距為0.6 mm，X方向移動的距離為6.5 mm。根據(jù)文獻［2］、［10］可知：Br1Br2＝11.9kGs，w1＝w2＝6 mm，L1＝L2＝12mm，μ0＝4π×10-7N／A2。根據(jù)式（5），計算出上下層磁鐵間的磁作用力，如圖3所示。由圖可以看出，直線往復式磁力傳動上下層磁鐵X方向作用力FX與相對位移的關系如下：

圖3 上下層磁鐵相對位移-X向磁力特性曲線

（1）當x0＝0時，F(xiàn)X＝0；

（2）沿x0正向，隨著x0增加，F(xiàn)X迅速增大，當x0＝3.5 mm時FX達到最大值為4.35 N；再隨著x0增加，F(xiàn)X迅速減小，在x0＝7.9 mm時FX＝0 N；

（3）沿x0負向與正向時完全相反，故在本文中僅考慮正向部分的驗證。

為驗證模型的正確性，使用Ansys Workbench 電磁仿真軟件對磁鐵相互作用力進行運動仿真，由于在x0＝7.9 mm時FX＝0 N，此仿真僅考慮正向位移8 mm 部分，設定上層磁鐵沿X 正向位移速度為0.1 mm／s，仿真結果如圖4 所示。由圖可知，上下層磁鐵相對位移在（0，8）范圍內，磁鐵相互作用力大小與建模計算結果相近，對比結果說明模型計算與Ansys Workbench電磁仿真結果相一致，驗證了根據(jù)磁荷理論搭建的磁力模型是正確的。

圖4 磁鐵相互作用力仿真

為了進一步驗證本文模型及電磁仿真的正確性，以下將根據(jù)磁鐵之間相互作用力來提供換擋手感制作實物樣件，表2 所示為客戶關于換擋器性能輸入的要求。

表2 換擋器性能要求輸入

由表2可知換擋器旋轉杠桿比為i ＝51.67／46.7 ＝1.1，故F1／B1磁鐵需提供的最大力為F1磁／B1磁＝5.5 N，同理F2磁／B2磁＝11 N。由于此換擋器要求前后各有兩個物理穩(wěn)態(tài)位置并且要求能自回位到穩(wěn)態(tài)位置，故磁鐵排布方式采用上中下3層、每層前后各一個磁鐵方式布置，如圖5 所示。簡述換擋過程為F1／B1擋位是中間層磁鐵與底層磁鐵相互作用力提供手感，F(xiàn)2／B2擋位是上層磁鐵板被擋邊擋住，由中間層磁鐵與底層、上層磁鐵相互作用力提供換擋手感。

圖5 換擋器磁鐵布置

通過電磁仿真計算得出磁鐵尺寸為2 mm ×6 mm ×12 mm，左右磁鐵間距為5.2 mm，上層與中間層以及中間層與底層磁鐵間距均為0.6 mm可滿足客戶輸入要求。在F1／B1階段底層磁鐵與中間層磁鐵之間相互作用力曲線圖如圖6 所示，在F2／B2階段中層磁鐵與上、底層磁鐵之間相互作用力曲線圖如圖7所示。

圖6 F1／B1 階段磁鐵之間相互作用力曲線

圖7 F2／B2 階段磁鐵之間相互作用力曲線

從圖6可以看出在位移x0＝2.2 mm時，F(xiàn)1／B1達到最大力為5.59 N，滿足客戶對于F1／B1換擋力要求；在旋轉到F1／B1極限時x0＝46.7 ×sin8 ＝6.5 mm，F(xiàn)1／B1＝2.58 N 可以提供回復力。從圖7可以看出在位移x0＝6.5 ＋2.4 ＝8.9 mm時，F(xiàn)2／B2達到最大力為11.54 N，滿足客戶對于F2／B2換擋力要求；在旋轉到F2／B2極限時x0＝46.7 ×sin16° ＝12.9 mm，F(xiàn)2／B2＝1.7 N可以提供回復力，達到自復位功能。

3 實物樣件驗證

根據(jù)以上計算仿真得出的磁鐵分布數(shù)據(jù)制作實物，使用位移-力傳感器對換擋器進行換擋力測試，如圖8 所示。實物測試過程中換擋器擋位清晰、自回位順暢，使用位移-力傳感器測出換擋力曲線圖與電磁仿真出來的力曲線圖進行對比，如圖9所示。從圖中可以看出仿真結果與實測結果磁鐵相互作用力結果相一致，說明電磁仿真計算正確。實測結果最后曲線上升是由于位移-力傳感器推到了F2／B2極限位置，導致傳感器實測出的力直線上升變大。

圖8 換擋力測試臺

圖9 實測位移-磁力與仿真結果曲線對比

4 結束語

通過以上模型計算與Ansys Workbench 電磁仿真結果以及電磁仿真與實物測量數(shù)據(jù)結果對比分析可得出：

（1）根據(jù)磁荷理論搭建的本換擋器磁力感提供數(shù)學模型是正確的；

（2）使用Ansys Workbench搭建的電磁仿真計算模型與根據(jù)磁荷理論搭建的磁力模型、實物測量結果相一致，進一步驗證本文搭建的磁力模型是正確的；

（3）合理利用磁鐵相互之間吸引排斥作用力可以為換擋器提供滿足要求的換擋力，且磁力感換擋器在NVH 性能、換擋力調整上較擋位感模塊、子彈頭、子彈頭彈簧方式提供更具優(yōu)勢，產業(yè)化應用價值高。