高性能电磁直线执行装置的设计与性能优化研究

引言

1.1 研究背景

随着《新能源汽车产业发展规划（2021-2035 年）》的推进，我国新能源汽车产业已进入高质量发展阶段，2024 年 11 月产销突破 1000 万辆，对车辆控制系统中的执行元件提出了“高功率密度、快响应速度、低力波动”的严苛要求[1]。电磁直线执行装置作为直接输出直线运动的核心部件，相比传统“旋转电机 + 丝杠”等间接驱动方案，具有结构紧凑（减少30% 以上体积）、响应速度快（毫秒级阶跃响应）、能量转换效率高（提升 15%-20%）等优势，在新能源汽车制动系统、智能座舱调节等场景中具有不可替代的作用[2]。

1.2 研究现状与不足

当前电磁直线执行装置研究存在三方面瓶颈：一是传统数值法（如有限元分析）计算周期长（单次仿真需3-5 小时），难以实现参数快速迭代；二是驱动力波动大（普遍超过15%），影响控制精度；三是温升显著（连续工作 30min 后温度超 60℃），导致磁性能衰减 [3]。国内外学者虽在结构优化（如动圈式、动磁式）和算法优化（如遗传算法）方面取得进展，但尚未形成“解析建模- 多目标优化- 试验验证”的完整体系 [4-5]。

1.3 研究目的与意义

本文旨在通过以下创新解决上述问题： ① 采用 Halbach 阵列提升气隙磁通密度，优化电磁力输出； ② 建立电磁场与温度场解析模型，缩短计算周期至1 小时内； ③ 提出分段式PSO-GA 算法，实现“力密度提升 - 波动降低 - 温升控制”多目标优化。研究成果可为新能源汽车执行系统升级提供关键技术支持，助力地方高端制造产业升级。

1 结构设计与工作原理

1.1 整体结构方案

通过对比动圈式与动磁式结构特性（如表 1 所示），选择动圈式方案：运动部件为线圈（质量仅 0.8kg） ），定子为永磁体与磁轭，有效降低惯性（动磁式惯性约为其 3 倍），提升响应速度。

1.2 关键部件设计

永磁体布置：采用Halbach 阵列，通过相邻永磁体磁化方向差 90^∘ 的梯度排布，使气隙磁通密度提升20%（仿真值达0.52T），且磁场分布更均匀[6]。

线圈设计：选用漆包铜线（直径 0.5mm） ），单层密绕工艺，匝数 1200 匝，电阻 2.5Ω，确保通流能力与散热平衡。

磁轭材料：采用 DT4 电工纯铁，降低磁阻，提升磁路利用率，外磁轭厚度 8mm ，内磁轭厚度5mm，兼顾结构强度与磁性能。

1.3 工作原理

基于洛伦兹力原理：当线圈通入电流 I 时，在 Halbach 阵列产生的磁场 B 中受到电磁力F=BIL（L为线圈有效长度），驱动线圈沿轴向做直线运动。通过控制电流方向与大小，实现双向、可调速运动。

2 解析模型建立

2.1 电磁场解析模型

磁势矢模型：基于麦克斯韦方程，建立圆柱坐标系下的磁场控制方程：

其中， A_z 为磁矢势， μ₀ 为真空磁导率， μ_r 为相对磁导率， σ 为电导率， J_z 为电流密度。通过分离变量法求解，得到轴向磁场分布表达式。

等效表面电流修正：针对工程中“平行磁化磁瓦代替径向磁化磁环”的误差（约 8%-10%），引入等效表面电流模型，修正气隙磁通密度计算结果，使解析值与有限元仿真值误差降至 3% 以内 [7]。

2.2 温度场解析模型

损耗分析：线圈铜损 P_c=I²R （占总损耗 70%） ），磁轭磁滞损耗 P_h=k_hfB² （为磁滞系数， f 为频率），涡流损耗 P_e=k_ef²B² 。

热网络模型：建立5 节点热网络（线圈- 骨架- 磁轭- 空气- 壳体），节点热平衡方程为：

其中， C_i 为热容， R_ij 为热阻， P_i 为热源功率。求解得到稳态温升分布，线圈最高温度计算值与试验值误差 ⩽5^∘C 。

3 参数优化方法

3.1 优化变量与目标

选取关键参数为优化变量：永磁体厚度 h（ 5-15mm） ）、线圈匝数 N（800-1600 匝）、气隙长度δ （0.5-2mm） ）。优化目标：

最大化平均电磁力 F_avg ；

最小化力波动 最小化线圈最高温度 T_max 。

3.2 分段式 PSO-GA 算法

分段策略：前期（1-50 代）采用粒子群算法（PSO）全局寻优，快速收敛至最优解邻域；后期（51-100 代）采用遗传算法（GA）局部寻优，避免陷入局部最优。

优化结果：最优参数为 h=10mm ， N=1200 匝， δ=1mm ，此时 F_avg=178N ， T_max=55^∘C ，较优化前（ F_avg=152N ， ， T_max =65℃）性能显著提升。

4 试验验证

4.1 试验台搭建

试验系统包括：

供电模块：0-30V 直流电源，电流调节精度 ±0.1A

测试模块：拉力传感器（量程 0-500N ，精度 ±0.5%） ，激光位移传感器（分辨率 0.01mm⟩ ）；

温控模块：红外热像仪（测温范围 -20-150^∘C ，精度 ±1^∘C） ）。

4.2 性能测试结果

输出力特性：在2A-20A 电流下，输出力线性度良好（ R²=0.998 ），20A 时最大力 178N，与仿真值（180N）误差 1.1% 。

力波动特性：在±5mm 行程内，力波动率7.5%，满足精密控制需求（行业标准 ⩽10%） 。温升特性：20A 连续工作 30min 后，线圈温度稳定在 53^∘C ，低于优化目标（55℃），验证散热设计有效性。

5 讨论与展望

5.1 结果分析

试验结果与仿真的微小误差 （⩽2%） ）源于装配间隙（实际气隙比设计值大 0.1mm）与材料参数偏差（磁轭实际 ＼mu_r 略低于理论值）。优化后的力密度达 22.25N/kg ，优于同类产品（约18N/kg），力波动与温升指标均满足新能源汽车执行系统要求。

5.2 产业化建议

成本控制：采用注塑工艺批量生产线圈骨架，降低加工成本 30% ；

可靠性提升：通过浸漆处理增强线圈绝缘性能，满足IP67 防护等级。

5.3 未来工作

将研究拓展至： ① 多物理场耦合（电磁- 结构- 热）分析； ② 宽温域（-40-125℃）性能优化，适应极端工况。

结论

本文通过结构创新与算法优化，研制的高性能电磁直线执行装置实现了“高力密度 - 低波动- 低温升”的综合性能提升。主要成果：

采用动圈式结构与Halbach 阵列，提升响应速度与磁通密度；

建立解析模型，缩短计算周期至1 小时内，精度满足工程需求；

分段式PSO-GA 算法实现多目标优化，试验验证了方案可行性。

研究为电磁直线执行装置的工程应用提供了完整技术方案，具有重要的学术与应用价值

参考文献

[1] 马先润，葛文庆，李波。一种新型动力换挡执行机构设计与分析 [J]. 中国工程机械学报，2024，22（04）：479-483.

[2] Knig N， Nienhaus M. Position Estimation for Solenoid Actuators by EddyCurrent Variations[J]. Sensors， 2020， 20（12）：3441-3446.

[3] 邹嘉杰 . 小功率永磁同步直线电机的设计与优化方法研究 [D]. 华南理工大学，2020.

[4] Fu C， Lu J， Ge W， et al. Review of Electromagnetic Energy RegenerativeSuspension[J]. CMES， 2023， 135（3）：1179-1824.

[5] 马先润，李波，葛文庆，等。新能源特种车辆直动阀控动力分配装置设计 [J]. 机床与液压，2023，51（24）：98-101.

[6] Duan L， Lu H， Zhao C， et al. Influence of Halbach Arrays on PermanentMagnet Motors[C]. ICAICA， 2020：994-998.

[7] 许珍，林旻，李金恩。基于Maxwell 的电磁阀导磁部件分析与优化[J]. 机床与液压，2021，49（04）：151-154.

作者简介：鲁哲（1984—），男，山东人，硕士，职业 学院讲师，主要研究方向为汽车电子技术、汽车轻量化，新能源汽车，变速箱优化等。

基金信息： 2024 年度校本科研项目“高性能电磁直线执行装置研究”（编号：2024XBYB012）