電動機械式選換檔執(zhí)行機構方案的設計【AMT】

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自動手動變速器的最近的發(fā)展已經把手動變速器的高的機械效率和自動控制聯(lián)合起來了。然而，據(jù)認可，應用于這些變速器的執(zhí)行機構技術可以取得進一步的改善來進一步減少動力損失。因為液力技術被認為是在某些特定變速器中能量損失的重要的部分，本論文推出另一種可選擇的電控機械執(zhí)行機構方案，呈現(xiàn)了當前技術的綜合審查——陳述了優(yōu)點，概括了對于執(zhí)行機構任務的合適性，還包括改善性能的方法。這篇論文也涵蓋了12和42伏系統(tǒng)對于執(zhí)行機構設計，性能及重量和與工作環(huán)境尤其是溫度相聯(lián)系的問題的影響結果。然后，提出了馬達驅動的離合器執(zhí)行機構的設計評估。這包括系統(tǒng)的詳細說明，技術選擇，和與機械系統(tǒng)驅動相適應的電機規(guī)格，包括電機型號和效率。應用MATLAB/SIMULINK和EASY5建立執(zhí)行機構模型評價其動力學性能。動力模型的建立是為了建立反映時間和評價電動機驅動的執(zhí)行機構怎樣實現(xiàn)離合器應用。 變速器執(zhí)行機構技術 這里主要討論三類變速器執(zhí)行技術：液力，電動液壓，電動機械系統(tǒng)。從里卡多進行的試驗獲取的數(shù)據(jù)顯示液力系統(tǒng)可能占據(jù)變速器全部動力損失的50％。但是在執(zhí)行機構尺寸和重量方面具有優(yōu)勢，這是由于液壓能源可以放在空間很重要的變速器的任何一個位置。電動液壓執(zhí)行器（即帶有電力能源）試圖在電動機械系統(tǒng)和液力技術之間提供一個折中的技術。例如，用電動機代替機械驅動的液壓泵在工作循環(huán)控制中提供了一個很大的發(fā)展，允許對開環(huán)液壓需求更好的跟蹤。然而，通過各個部件的泄漏和流動造成的損失仍然存在。另外一種選擇是閉環(huán)液力系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中一個電動機能夠通過改變它的轉速和方向來改變液壓。 電動機械裝置效率能夠很高，在某些情況下大于95％，而且也提供很好的工作循環(huán)控制。然而，在高溫下和在提供轉拒能力方面它們的性能通常是差的。因此，電動機械裝置可能需要安置在遠離應用的地方，而且除非一些機械系統(tǒng)被用來以執(zhí)行機構速度（執(zhí)行機構速度在電子裝置中通常是很高的）交換轉矩能力，執(zhí)行機構尺寸可能不會滿足給定的規(guī)格要求。 電動機械執(zhí)行機構技術 電動機械執(zhí)行機構技術能被分為兩個主要部分，傳統(tǒng)電動機這類旋轉裝置，和線性裝置例如電磁鐵和線性電動機。 旋轉電機 旋轉發(fā)電機能夠被進一步分成兩部分，額定角度執(zhí)行機構和電動機。電動機能夠按照轉矩，加速度，速度和位置被精確的控制，而且有大量的具有不同特性的已經確立的電動機技術。角度調整執(zhí)行機構包括如旋轉電磁鐵的裝置。旋轉裝置產生轉拒的方法有兩種；磁場的調整（勵磁轉矩）和鐵磁材料的調整（磁阻轉矩），而且所有的機器應用這些機械一個或兩個都用。這篇論文涉及到三種不同的電動機拓撲，有刷DC,無刷永久磁鐵和開關磁阻電動機。感應電動機不是傳統(tǒng)上所認為的那樣。此電動機被應用在高動力應用的裝置上，這里重量是小問題或者應用永久磁鐵機構的花費會因為電動機尺寸而太高。在動力要求相對低的汽車應用上，用感應電動機有很小的花費上的利益，而且它們較低的效率和轉矩密度使得為了滿足給定的轉矩要求而選用更大的電動機。 有刷直流電動機已經統(tǒng)治了應用在汽車上的電動機技術，而且這在很大程度上是因為成本。然而，隨著電動機豐富程度和動力要求的增高，由于效率和轉矩密度問題在某些領域遠離有刷直流技術變得很必要。 一般來說，電子機械產生的轉矩是與機器里的轉子體積，電負荷和磁負荷成比例的。電負荷由電動機的熱力性質限制，帶有強力冷卻的電動機能夠承受更高的電負荷。磁負荷由磁回路設計和應用在機械結構里的材料類型所決定。 有刷直流電動機 這個機器由或者定子繞組或者磁鐵和通過換向器和電刷裝置供應電流的轉子繞組構成。低動力應用時，定子繞組通常被鐵素體磁鐵代替。 有刷直流電機便宜，但是與其他的設計相比，有很多的缺點。盡管有刷電動機占汽車上應用的電動機的大多數(shù)，換向器和電刷是電機的限制特征因為它們不僅限制最大的電樞繞組電流（因此限制扭拒）而且限制電機最大速度。因此，為了達到高的動力，快的響應，有刷電機可能太大和太慢，所以可選擇的其他技術需要被采用。 無刷電機 無刷電動機能被分為很多不同的種類但這里只討論三種主要方案。這些是無刷永久磁鐵交流和直流電機，和開關磁阻電動機。 永久磁鐵無刷直流和交流電機在構造上幾乎相同但是兩者設計的主要不同特點是反向電動勢波形，無刷交流電機的波形是正弦曲線而無刷直流電機的波形是梯形的。盡管用于控制這兩種電機的功率電子驅動器在設計方案上是相似的，但是它們的控制是有些不同的而且各自都需要不同角度的轉子位置信息。因為交流電機需要正弦電流，精確的轉子位置信息是必要的，其位置用譯碼器或者解算器測量。需要方形波電流的直流電機則需要經歷線圈電流每六十度電的或旋度的轉換，因此用霍爾效應傳感器測得的粗略的轉子位置信息是可以容許的。然而，如果電機應用于位置伺服，那么就像用在無刷交流電機里的位置傳感器也必須裝在直流電機殼里用于轉子位置的反饋，用直流電機相對于用交流電機沒有明顯的優(yōu)勢。如果應用是速度管理，那么直流電機不需要精確的位置反饋就可以完成要求，而交流電機需要精確的位置反饋。 電機的運行和控制驅動電子學伏特安倍的測定之間也有許多的微妙差別，電機的運行導致扭拒密度的變化，因此導致轉矩慣量比率，速度范圍的變化。 無刷直流電機可能也被供應以有許多優(yōu)點和缺點的單向電流。因為削減成本是非常重要的，還因為一個驅動系統(tǒng)的硅的成本能是全部材料和生產成本的重要的部分，所以用單極電流驅動器減少所需要的硅裝置的數(shù)量是很重要的。然而，這個控制方案有許多典型的缺點。繞組應用情況很差因為它們可能只在存在的最大時間間隔的一半時被激發(fā)以產生轉矩。一些單向驅動構造不允許在四象限運行（向前和反方向的回轉和產生運動）。感應能量在電機繞組里被消散掉，不能像傳統(tǒng)的雙極驅動返回供應源，而且它們能比雙極驅動電機展示出更高層次的轉矩波紋。然而，雙極驅動問題包括擊穿的危險，即是同一相位的兩個開關可能同時工作，導致直流電的短路，此情況不影響單極驅動。單極驅動的性能可以通過增加相位改善，但是會以成本的增加為代價，這是由于在驅動器里增加了硅裝置，電機的線圈更大和更加復雜的迭片結構。 永久磁鐵電動機具有裝在表面的磁鐵或者具有嵌入在轉子里的磁鐵。有磁鐵嵌入的轉子顯示出卓越的效果，能增加機器的最大轉矩。 開關磁阻電機被稱為雙凸角，單一激勵的電機。凸角轉子構造導致電機有高的轉動慣量比率，因為轉子的各部分被移除來產生轉子齒。轉矩的產生是由定子和轉子齒的對齊導致的，而且各個相位經過整流產生連續(xù)的轉矩，相位激勵次序決定轉子的轉動方向。因為電機靠單極電流工作，所以更加簡單的驅動可以被應用以控制電機，導致成本的減少和使錯誤更加容易。缺少永久激勵電磁場使電機有更高程度的具有良性故障模式的容錯，而且當電機在錯誤的狀態(tài)下仍能夠運行。然而，轉矩產生的脈沖性質導致許多的不需要的特性，例如很高的轉矩波紋，這種特性導致速度的波動，速動的波動由于轉動慣量低而加劇。開關磁阻電機有80％的次序上的轉矩波動而且這種電機也造成聽覺上的騷擾。 電動機類型 轉矩密度 轉速范圍 效率 成本 有刷直流 低 低 低 低 無刷直流／交流 高 中等 高 高 開關磁阻 中等 高 中等 中等 表格1－各類電機的相對比較 線性驅動器 與旋轉電機產生轉矩相似，直線驅動器產生力，而且線性驅動器有同樣的缺點，特別是相對于液壓裝置它們的力容量很差。然而，如果力的要求不是太嚴格，它們的確能省去對機械連接裝置的需要。它們能被分成如下的各組： 螺線管 （1） 基本的螺線管只提供引力，電磁鐵被一彈簧復位至不工作位置。然而，正確設計的這些裝置產生雙向運動是可能的。螺線管產生的力具有顯著的非線性，這很大程度上取決于螺線管鐵芯和繞圈殼之間的工作空氣隙，線圈殼使得它們的控制非?？量?。由于力或位移的特性，螺線管主要用在于雙穩(wěn)態(tài)運行模式。一些比例控制特性是有可能的，但是帶來的困難是最大力的減少。對于第一級，螺線管產生的力能用方程式（1）描述。 式中N是螺線管線圈的鐵絲的纏繞圈數(shù)，I是線圈電流，A是螺線管的工作橫截面，是自由空間的磁道率，是空氣隙的長度。從方程式（1）可以看出當工作空氣隙減小時，輸出力變的很大，使得控制困難。 移動線圈致動器 移動線圈促動器包括如揚聲器線圈的裝置，非?？斓捻憫瞧涮攸c。然而，輸出力由于線圈在工作空氣隙而受限制，因工作空氣隙限制了冷卻線圈的能力，耐用性也是一個問題。 移動磁鐵致動器 通常來說，移動磁鐵線性致動器是非常堅固耐用的，因為它們沒有導致磁鐵穿梭的飛行，而且布置在定子上的固定線圈使得任何損失都能有效的消除。磁鐵的應用在熱的環(huán)境中會成為問題，因為它們的很差的溫度性能。 線性電動機 線性電動機可能被稱作多相移動磁鐵，線圈或者螺線管制動器，同時也存在與旋轉電動機同樣的變型。像在旋轉電機里，各個相被整流以允許更高程度的運行。 電源和電動執(zhí)行器的伏特電源系統(tǒng) 基本上，電子裝置獲取的電流水平由電池容量和電機運行電壓控制。名義上的電流需求和電壓也規(guī)定了需要的動力電子裝置的類型。從這個方面看，更高的電壓和較低的電流是更合適的因為從功率電子學的角度看它們較容易處理。相對于低電壓高電流適應的裝置在元件方面有很大程度的選擇。 在電動機設計各項條件中，一旦一個令人滿意的磁回路設計完成和裝置運行速度確定，工作電壓決定繞組的形式：線圈匝數(shù)和鐵絲直徑。對于給定的電機功率，42伏電機需要的電流大小比14伏電機需要的電流3倍還要小。這樣就使得繞組匝數(shù)必須改變來滿足電機電流改變的需求，在磁回路設計中它是定值。對于正確設計的14和42伏電機來說，繞組損失應該是大致相同的。 電壓大小導致驅動損失和有效電壓的不同。14伏電機要求的較高的電流導致驅動電子學上的更大的的能量損失。電壓通過每個功率半導體裝置下降而減小了外加的繞組電壓，而且對于有刷電機，電刷電壓下降也是一個因素。因這些電壓下降對于14和42伏電機實際上是確定的，14伏電機具有有效電壓的更大的比例損失，使得42伏電機在效率和性能方面占據(jù)上風。然而，如果工作循環(huán)足夠短，倘若電機具有穩(wěn)定狀態(tài)（功率消耗較低或是零），這些損失應該相對的可以忽略。圖1顯示了14和42伏電動機驅動的各個損失部分的對比。 圖1－14和42伏電機驅動系統(tǒng)損失對比 電動機械裝置力和轉矩的放大 如先前所提出的，電子機械裝置相對于傳統(tǒng)的液力促動器產生的比力矩和力相對的小，因而與液力相比，電動機械裝置需要一個系統(tǒng)放大力和力矩。機械裝置的選擇對于保證正確的系統(tǒng)動力學，系統(tǒng)效率（機械系統(tǒng)的損失和它是否具有自鎖特性）和系統(tǒng)可靠性（磨損速度）是重要的。所有的這三條標準是聯(lián)系著的而較好的設計應該是這三個因數(shù)達到很好的優(yōu)化。變速器控制的機械系統(tǒng)的一些例子能夠在參考【5】中找到。 簡單杠桿 電動機械裝置可能與離合器分離杠桿相連接，分離杠桿通常由繩索和人力操縱傳動的離合器踏板相連接。然而，此類裝置沒有自鎖特性，需要一個來自線性裝置的常力操縱它。旋轉裝置也必須包括運動轉換連接裝置，轉換過程可能被設計為自鎖的。 動力螺桿 動力螺桿有許多的不同的設計，能夠把旋轉運動轉換為直線運動。螺桿的主要類型能被分為滑動（方形或者梯形螺紋）和滾動（滾珠－滾柱螺桿）接觸的不同變形。僅僅一個動力螺桿不能提供必要的減速比來增加電動機轉矩到可用的水平。在電機和動力螺桿之間可能也需要一個齒輪裝置或者周轉輪系，這由電機和動力螺桿導向部分存在的空間決定。 蝸輪 盡管蝸輪的效率低，但是它們提供了把一副齒輪裝在一個小的容積里面的方法，齒輪減少很多。然而，蝸輪會帶來間隙，而且較差的效率會由于增大的轉矩要求而增大電動機的型號。需要一個進一步的連接裝置把蝸輪裝置的旋轉輸出轉化為線性力。 電動液壓缸 閉環(huán)液壓系統(tǒng)可能被應用，以允許電動機械裝置容易的放置在遠離高溫的地方或者放在空將較少被限制的地方。 離合器執(zhí)行機構設計和評價 圖2－電動機驅動的動力螺桿的基本設計理念，（a）為螺桿外部布置，（b）為集成螺桿布置 簡單離合器執(zhí)行機構的設計和評價是根據(jù)電機等級進行的，還進行仿真評價其性能。目的是設計這樣一個執(zhí)行機構，它的機械連接裝置能夠整合到力矩的機械系統(tǒng)，從而使得執(zhí)行機構的體積最小化，輸出力最大化和給出所要求的動態(tài)響應。 執(zhí)行機構基于動力螺桿和無刷直流電機的一體化，而圖形2展示除這種設計的兩個例子。選擇無刷直流電機是因為它轉矩密度高，力矩波動小和效率高。選擇動力螺桿是因為它能夠在一個裝置中使得力放大和運動轉換。 對系統(tǒng)的基本要求應該是： ● 高的動力∕重量比率，使得機構質量最小 ● 高的力矩∕慣量比值，使得加速度最好 ● 平滑的產生力矩，特別是在低速度下，使速度變化最小化和獲得好的位置精確性 ● 在速度為零時控制力矩 ● 運行的最大速度大 ● 效率和功率系數(shù)高，使驅動電流最小化 ● 集成設計緊湊 ● 頻率響應特性好 ● 頻率牽引效應低 ● 成本低 平衡這些特征需要優(yōu)化一個特殊系統(tǒng)。許多因素影響設計考慮事項和永久磁鐵電機的使用，然而，為了簡單，選用的電機是傳統(tǒng)的表面安裝有永久磁鐵的機器。轉子外表安裝磁鐵應用的磁鐵材料，例如NdFeB，很容易受到周圍的高溫環(huán)境和腐蝕性環(huán)境的影響而破壞，因為腐蝕性環(huán)境鐵元素含量高?？赡芤矔糜跓o刷電機的鐵元素磁鐵比NdFeB元素磁鐵更加便宜，更加耐用和具有較好的溫度適應特性，但是在磁鐵各項中是很差的，導致需要的磁鐵材料的增加。SmCo磁鐵產生和NdFeB磁鐵同樣次序的磁場，而且溫度特性更好，但是很貴而且非常易受損壞，使得操縱它們較困難。選擇NdFeB磁鐵是因為它們性能價格比是最好的，盡管溫度性能仍是一個重要問題。圖3展示了兩種不同類型的NdFeB磁鐵隨著周圍溫度的作用，電動機效率是如何改變的。級別越高，磁鐵越貴，在整個溫度范圍內效率就越高。 圖3－兩種不同類型的磁鐵的電動機相對于環(huán)境溫度的性能 構造設計 最初，需要所要求的輸出力數(shù)值來建立對電動機的力矩要求，反過來這就能導出電機的大致體積。所要求的力矩取決于負載，系統(tǒng)摩擦，螺桿導向部分，螺桿直徑和系統(tǒng)慣量。 導程為L，摩擦系數(shù)為μ，螺桿直徑為D的動力螺桿提供的力F，其轉矩要求是： （2） 為了滿足在螺桿靜止時功率消耗較低或為零的標準，螺桿設計成能夠鎖止的。當πμD＞L或者μ＞tanλ時，動力螺桿自鎖。λ是動力螺桿的導程角。 螺桿導程的選擇目的是給出高的定位精度，高的可重復性，高的剛度和保持對電機的力矩要求為最小值。用一個行星滾筒類型的螺桿可以獲得小導程的螺桿，滾筒內部和外部都被制成螺紋而且有一個行星保持架支撐許多帶有螺紋的滾筒。這種類型的螺桿比滾球螺桿要好，在于它能獲得較小的導程，承受更高的載荷和更大的速度，然而它們的摩擦系數(shù)有稍微的增加。 基于直接促動離合器的所要求的力，螺桿的名義摩擦系數(shù)和通過確定導程，獲得對電動機的轉矩要求使可能的。因電機力矩與其體積成比例，能夠估計出電機的空間包絡線。 機械設計 首先，一個給定電機的力矩方程能用下式表示出： （3） 式中B和Q是電機具體的參量，分別是磁載荷（T）和電載荷（Am）；D和L是轉子直徑和軸向長度。B和Q的變動范圍分別是0.3－1T和10－40 Am,取決于電機的設計和冷卻。因為這個方程描述了轉子體積，通過規(guī)定縱橫比（）和分開比（），能夠估算出電機尺寸。依據(jù)電機類型典型的分開比比值在0.5－0.7之間。這個方程式應用于具有合適的B和Q值的有刷直流電機和無刷永久磁鐵電機。開關磁阻電機必須分別對待，因為它們以一個不同的方式產生轉矩從而要求用另一種方法設計這些電機。一種方法是對于不同電機類型和應用，先前擁有每轉子體積產生的電動機力矩的知識。轉矩輸出能從下式中算出； （4） 式中是每單位轉子體積的轉矩。電機的全部體積用前面提到的同樣方法確定，即通過規(guī)定縱長比和分開比率。對所需要的電機體積基本估算完成和被認為是可以接受的大小之后，就用由設菲而德發(fā)電機大學和名為ERINI（電子整流，放射磁場，內部轉子，沒有重疊，鐵芯）的驅動集團開發(fā)的軟件包進行具體的電動機設計。這個軟件包基于輸入的詳細的電機數(shù)據(jù)提供對電機參數(shù)的估算，例如電機效率，支持的電動勢波形，相阻抗和感應系數(shù)。