6 英文翻译 2004-01-1322改善变速器控制和效率的电控执行机构的回顾和发展 特纳和拉姆齐 里查多动力传动系统和变速器系统摘要随着燃料经济型车辆的推进，动力子系统的单个效率和总效率变得日益重要选择的变速器形式（AMT,DCT,CVT）的发展由于传动比数目，传动比范围和装置效率的增加带来了很大的作用然而，更大的潜力在于在所有形式的控制变速器中改善执行机构的技术，这是被认可了的因为传统的液力装置的深入改善带来的经济利益好像是有限的，所以建议需要有其他可选择的技术这个选择将寻求进一步减少由抽吸和相关联系统损失带来的寄生能量消耗，同时改善很差的工作循环的可控制性，同时使任何渐渐不适用的亚原理冷淡下来 报告研究的焦点在于提供有效的间歇执行机构的电控机械系统的开发和对液力及最近的电子液力系统的简化这些改善包括整体的能量转换效率和怠速动力消耗，这些支持向电子车辆和42伏机构的发展趋势。
然而，为了这些装置能够在给定的环境下成功的运转，有很多重要的问题需要解决这篇论文呈现了对现在的电动机械执行技术进行回顾电动机械执行机构的设计例子及识别系统简化和当前技术的综合引言车辆变速器的自动控制在传统上通过应用液力执行机构来实现，此机构由小的执行器提供高的输出力，执行器的压力油由远距离油泵供应随同自动变速的方便性，自动变速器会在控制下为车辆行使条件选择合适的速比，这样使得发动机在最好的燃料经济区中最合适的范围运行然而现在，液力损失导致很大的寄生动力消耗，这就减损了传动比选择带来的经济型的改善 自动手动变速器的最近的发展已经把手动变速器的高的机械效率和自动控制联合起来了然而，据认可，应用于这些变速器的执行机构技术可以取得进一步的改善来进一步减少动力损失因为液力技术被认为是在某些特定变速器中能量损失的重要的部分，本论文推出另一种可选择的电控机械执行机构方案，呈现了当前技术的综合审查——陈述了优点，概括了对于执行机构任务的合适性，还包括改善性能的方法这篇论文也涵盖了12和42伏系统对于执行机构设计，性能及重量和与工作环境尤其是温度相联系的问题的影响结果然后，提出了马达驱动的离合器执行机构的设计评估。
这包括系统的详细说明，技术选择，和与机械系统驱动相适应的电机规格，包括电机型号和效率应用MATLAB/SIMULINK和EASY5建立执行机构模型评价其动力学性能动力模型的建立是为了建立反映时间和评价电动机驱动的执行机构怎样实现离合器应用变速器执行机构技术这里主要讨论三类变速器执行技术：液力，电动液压，电动机械系统从里卡多进行的试验获取的数据显示液力系统可能占据变速器全部动力损失的50％但是在执行机构尺寸和重量方面具有优势，这是由于液压能源可以放在空间很重要的变速器的任何一个位置电动液压执行器（即带有电力能源）试图在电动机械系统和液力技术之间提供一个折中的技术例如，用电动机代替机械驱动的液压泵在工作循环控制中提供了一个很大的发展，允许对开环液压需求更好的跟踪然而，通过各个部件的泄漏和流动造成的损失仍然存在另外一种选择是闭环液力系统，在这个系统中一个电动机能够通过改变它的转速和方向来改变液压电动机械装置效率能够很高，在某些情况下大于95％，而且也提供很好的工作循环控制然而，在高温下和在提供转拒能力方面它们的性能通常是差的因此，电动机械装置可能需要安置在远离应用的地方，而且除非一些机械系统被用来以执行机构速度（执行机构速度在电子装置中通常是很高的）交换转矩能力，执行机构尺寸可能不会满足给定的规格要求。
电动机械执行机构技术电动机械执行机构技术能被分为两个主要部分，传统电动机这类旋转装置，和线性装置例如电磁铁和线性电动机旋转电机旋转发电机能够被进一步分成两部分，额定角度执行机构和电动机电动机能够按照转矩，加速度，速度和位置被精确的控制，而且有大量的具有不同特性的已经确立的电动机技术角度调整执行机构包括如旋转电磁铁的装置旋转装置产生转拒的方法有两种；磁场的调整（励磁转矩）和铁磁材料的调整（磁阻转矩），而且所有的机器应用这些机械一个或两个都用这篇论文涉及到三种不同的电动机拓扑，有刷DC,无刷永久磁铁和开关磁阻电动机感应电动机不是传统上所认为的那样此电动机被应用在高动力应用的装置上，这里重量是小问题或者应用永久磁铁机构的花费会因为电动机尺寸而太高在动力要求相对低的汽车应用上，用感应电动机有很小的花费上的利益，而且它们较低的效率和转矩密度使得为了满足给定的转矩要求而选用更大的电动机有刷直流电动机已经统治了应用在汽车上的电动机技术，而且这在很大程度上是因为成本然而，随着电动机丰富程度和动力要求的增高，由于效率和转矩密度问题在某些领域远离有刷直流技术变得很必要一般来说，电子机械产生的转矩是与机器里的转子体积，电负荷和磁负荷成比例的。
电负荷由电动机的热力性质限制，带有强力冷却的电动机能够承受更高的电负荷磁负荷由磁回路设计和应用在机械结构里的材料类型所决定有刷直流电动机这个机器由或者定子绕组或者磁铁和通过换向器和电刷装置供应电流的转子绕组构成低动力应用时，定子绕组通常被铁素体磁铁代替有刷直流电机便宜，但是与其他的设计相比，有很多的缺点尽管有刷电动机占汽车上应用的电动机的大多数，换向器和电刷是电机的限制特征因为它们不仅限制最大的电枢绕组电流（因此限制扭拒）而且限制电机最大速度因此，为了达到高的动力，快的响应，有刷电机可能太大和太慢，所以可选择的其他技术需要被采用无刷电机 无刷电动机能被分为很多不同的种类但这里只讨论三种主要方案这些是无刷永久磁铁交流和直流电机，和开关磁阻电动机永久磁铁无刷直流和交流电机在构造上几乎相同但是两者设计的主要不同特点是反向电动势波形，无刷交流电机的波形是正弦曲线而无刷直流电机的波形是梯形的尽管用于控制这两种电机的功率电子驱动器在设计方案上是相似的，但是它们的控制是有些不同的而且各自都需要不同角度的转子位置信息因为交流电机需要正弦电流，精确的转子位置信息是必要的，其位置用译码器或者解算器测量需要方形波电流的直流电机则需要经历线圈电流每六十度电的或旋度的转换，因此用霍尔效应传感器测得的粗略的转子位置信息是可以容许的。
然而，如果电机应用于位置伺服，那么就像用在无刷交流电机里的位置传感器也必须装在直流电机壳里用于转子位置的反馈，用直流电机相对于用交流电机没有明显的优势如果应用是速度管理，那么直流电机不需要精确的位置反馈就可以完成要求，而交流电机需要精确的位置反馈电机的运行和控制驱动电子学伏特安倍的测定之间也有许多的微妙差别，电机的运行导致扭拒密度的变化，因此导致转矩惯量比率，速度范围的变化无刷直流电机可能也被供应以有许多优点和缺点的单向电流因为削减成本是非常重要的，还因为一个驱动系统的硅的成本能是全部材料和生产成本的重要的部分，所以用单极电流驱动器减少所需要的硅装置的数量是很重要的然而，这个控制方案有许多典型的缺点绕组应用情况很差因为它们可能只在存在的最大时间间隔的一半时被激发以产生转矩一些单向驱动构造不允许在四象限运行（向前和反方向的回转和产生运动）感应能量在电机绕组里被消散掉，不能像传统的双极驱动返回供应源，而且它们能比双极驱动电机展示出更高层次的转矩波纹然而，双极驱动问题包括击穿的危险，即是同一相位的两个开关可能同时工作，导致直流电的短路，此情况不影响单极驱动单极驱动的性能可以通过增加相位改善，但是会以成本的增加为代价，这是由于在驱动器里增加了硅装置，电机的线圈更大和更加复杂的迭片结构。
永久磁铁电动机具有装在表面的磁铁或者具有嵌入在转子里的磁铁有磁铁嵌入的转子显示出卓越的效果，能增加机器的最大转矩开关磁阻电机被称为双凸角，单一激励的电机凸角转子构造导致电机有高的转动惯量比率，因为转子的各部分被移除来产生转子齿转矩的产生是由定子和转子齿的对齐导致的，而且各个相位经过整流产生连续的转矩，相位激励次序决定转子的转动方向因为电机靠单极电流工作，所以更加简单的驱动可以被应用以控制电机，导致成本的减少和使错误更加容易缺少永久激励电磁场使电机有更高程度的具有良性故障模式的容错，而且当电机在错误的状态下仍能够运行然而，转矩产生的脉冲性质导致许多的不需要的特性，例如很高的转矩波纹，这种特性导致速度的波动，速动的波动由于转动惯量低而加剧开关磁阻电机有80％的次序上的转矩波动而且这种电机也造成听觉上的骚扰电动机类型转矩密度转速范围效率成本 有刷直流低低低低无刷直流／交流高中等高高开关磁阻中等高中等中等表格1－各类电机的相对比较线性驱动器与旋转电机产生转矩相似，直线驱动器产生力，而且线性驱动器有同样的缺点，特别是相对于液压装置它们的力容量很差然而，如果力的要求不是太严格，它们的确能省去对机械连接装置的需要。
它们能被分成如下的各组：螺线管 （1）基本的螺线管只提供引力，电磁铁被一弹簧复位至不工作位置然而，正确设计的这些装置产生双向运动是可能的螺线管产生的力具有显著的非线性，这很大程度上取决于螺线管铁芯和绕圈壳之间的工作空气隙，线圈壳使得它们的控制非常苛刻由于力或位移的特性，螺线管主要用在于双稳态运行模式一些比例控制特性是有可能的，但是带来的困难是最大力的减少对于第一级，螺线管产生的力能用方程式（1）描述式中N是螺线管线圈的铁丝的缠绕圈数，I是线圈电流，A是螺线管的工作横截面，是自由空间的磁道率，是空气隙的长度从方程式（1）可以看出当工作空气隙减小时，输出力变的很大，使得控制困难移动线圈致动器移动线圈促动器包括如扬声器线圈的装置，非常快的响应是其特点然而，输出力由于线圈在工作空气隙而受限制，因工作空气隙限制了冷却线圈的能力，耐用性也是一个问题移动磁铁致动器通常来说，移动磁铁线性致动器是非常坚固耐用的，因为它们没有导致磁铁穿梭的飞行，而且布置在定子上的固定线圈使得任何损失都能有效的消除磁铁的应用在热的环境中会成为问题，因为它们的很差的温度性能线性电动机线性电动机可能被称作多相移动磁铁，线圈或者螺线管制动器，同时也存在与旋转电动机同样的变型。
像在旋转电机里，各个相被整流以允许更高程度的运行电源和电动执行器的伏特电源系统基本上，电子装置获取的电流水平由电池容量和电机运行电压控制名义上的电流需求和电压也规定了需要的动力电子装置的类型从这个方面看，更高的电压和较低的电流是更合适的因为从功率电子学的角度看它们较容易处理相对于低电压高电流适应的装置在元件方面有很大程度的选择 在电动机设计各项条件中，一旦一个令人满意的磁回路设计完成和装置运行速度确定，工作电压决定绕组的形式：线圈匝数和铁丝直径对于给定的电机功率，42伏电机需要的电流大小比14伏电机需要的电流3倍还要小这样就使得绕组匝数必须改变来满足电机电流改变的需求，在磁回路设计中它是定值对于正确设计的14和42伏电机来说，绕组损失应该是大致相同的 电压大小导致驱动损失和有效电压的不同14伏电机要求的较高的电流导致驱动电子学上的更大的的能量损失电压通过每个功率半导体装置下降而减小了外加的绕组电压，而且对于有刷电机，电刷电压下降也是一个因素因这些电压下降对于14和42伏电机实际上是确定的，14伏电机具有有效电压的更大的比例损失，使得42伏电机在效率和性能方面占据上风然而，如果工作循环足够短，倘若电机具有稳定状态（功率消耗较低或是零），这些损失应该相对的可以忽略。
图1显示了14和42伏电动机驱动的各个损失部分的对比图1－14和42伏电机驱动系统损失对比电动机械装置力和转矩的放大如先前所提出的，电子机械装置相对于传统的液力促动器产生的比力矩和力相对的小，因而与液力相比，电动机械装置需要一个系统放大力和力矩机械装置的选择对于保证正确的系统动力学，系统效率（机械系统的损失和它是否具有自锁特性）和系统可靠性（磨损速度）是重要的所有的这三条标准是联系着的而较好的设计应该是这三个因数达到很好的优化变速器控制的机械系统的一些例子能够在参考【5】中找到简单杠杆电动机械装置可能与离合器分离杠杆相连接，分离杠杆通常由绳索和人力操纵传动的离合器踏板相连接然而，此类装置没有自锁特性，需要一个来自线性装置的常力操纵它旋转装置也必须包括运动转换连接装置，转换过程可能被设计为自锁的动力螺杆动力螺杆有许多的不同的设计，能够把旋转运动转换为直线运动螺杆的主要类型能被分为滑动（方形或者梯形螺纹）和滚动（滚珠－滚柱螺杆）接触的不同变形仅仅一个动力螺杆不能提供必要的减速比来增加电动机转矩到可用的水平在电机和动力螺杆之间可能也需要一个齿轮装置或者周转轮系，这由电机和动力螺杆导向部分存在的空间决定。
蜗轮尽管蜗轮的效率低，但是它们提供了把一副齿轮装在一个小的容积里面的方法，齿轮减少很多然而，蜗轮会带来间隙，而且较差的效率会由于增大的转矩要求而增大电动机的型号需要一个进一步的连接装置把蜗轮装置的旋转输出转化为线性力电动液压缸闭环液压系统可能被应用，以允许电动机械装置容易的放置在远离高温的地方或者放在空将较少被限制的地方离合器执行机构设计和评价图2－电动机驱动的动力螺杆的基本设计理念，（a）为螺杆外部布置，（b）为集成螺杆布置简单离合器执行机构的设计和评价是根据电机等级进行的，还进行仿真评价其性能目的是设计这样一个执行机构，它的机械连接装置能够整合到力矩的机械系统，从而使得执行机构的体积最小化，输出力最大化和给出所要求的动态响应执行机构基于动力螺杆和无刷直流电机的一体化，而图形2展示除这种设计的两个例子选择无刷直流电机是因为它转矩密度高，力矩波动小和效率高选择动力螺杆是因为它能够在一个装置中使得力放大和运动转换对系统的基本要求应该是：● 高的动力∕重量比率，使得机构质量最小● 高的力矩∕惯量比值，使得加速度最好● 平滑的产生力矩，特别是在低速度下，使速度变化最小化和获得好的位置精确性● 在速度为零时控制力矩● 运行的最大速度大● 效率和功率系数高，使驱动电流最小化● 集成设计紧凑● 频率响应特性好● 频率牵引效应低● 成本低平衡这些特征需要优化一个特殊系统。
许多因素影响设计考虑事项和永久磁铁电机的使用，然而，为了简单，选用的电机是传统的表面安装有永久磁铁的机器转子外表安装磁铁应用的磁铁材料，例如NdFeB，很容易受到周围的高温环境和腐蚀性环境的影响而破坏，因为腐蚀性环境铁元素含量高可能也会用于无刷电机的铁元素磁铁比NdFeB元素磁铁更加便宜，更加耐用和具有较好的温度适应特性，但是在磁铁各项中是很差的，导致需要的磁铁材料的增加SmCo磁铁产生和NdFeB磁铁同样次序的磁场，而且温度特性更好，但是很贵而且非常易受损坏，使得操纵它们较困难选择NdFeB磁铁是因为它们性能价格比是最好的，尽管温度性能仍是一个重要问题图3展示了两种不同类型的NdFeB磁铁随着周围温度的作用，电动机效率是如何改变的级别越高，磁铁越贵，在整个温度范围内效率就越高图3－两种不同类型的磁铁的电动机相对于环境温度的性能构造设计最初，需要所要求的输出力数值来建立对电动机的力矩要求，反过来这就能导出电机的大致体积所要求的力矩取决于负载，系统摩擦，螺杆导向部分，螺杆直径和系统惯量 导程为L，摩擦系数为μ，螺杆直径为D的动力螺杆提供的力F，其转矩要求是： （2）为了满足在螺杆静止时功率消耗较低或为零的标准，螺杆设计成能够锁止的。
当πμD＞L或者μ＞tanλ时，动力螺杆自锁λ是动力螺杆的导程角螺杆导程的选择目的是给出高的定位精度，高的可重复性，高的刚度和保持对电机的力矩要求为最小值用一个行星滚筒类型的螺杆可以获得小导程的螺杆，滚筒内部和外部都被制成螺纹而且有一个行星保持架支撑许多带有螺纹的滚筒这种类型的螺杆比滚球螺杆要好，在于它能获得较小的导程，承受更高的载荷和更大的速度，然而它们的摩擦系数有稍微的增加基于直接促动离合器的所要求的力，螺杆的名义摩擦系数和通过确定导程，获得对电动机的转矩要求使可能的因电机力矩与其体积成比例，能够估计出电机的空间包络线机械设计首先，一个给定电机的力矩方程能用下式表示出： （3）式中B和Q是电机具体的参量，分别是磁载荷（T）和电载荷（Am）；D和L是转子直径和轴向长度B和Q的变动范围分别是0.3－1T和10－40 Am,取决于电机的设计和冷却因为这个方程描述了转子体积，通过规定纵横比（）和分开比（），能够估算出电机尺寸依据电机类型典型的分开比比值在0.5－0.7之间这个方程式应用于具有合适的B和Q值的有刷直流电机和无刷永久磁铁电机开关磁阻电机必须分别对待，因为它们以一个不同的方式产生转矩从而要求用另一种方法设计这些电机。
一种方法是对于不同电机类型和应用，先前拥有每转子体积产生的电动机力矩的知识转矩输出能从下式中算出； （4）式中是每单位转子体积的转矩电机的全部体积用前面提到的同样方法确定，即通过规定纵长比和分开比率对所需要的电机体积基本估算完成和被认为是可以接受的大小之后，就用由设菲而德发电机大学和名为ERINI（电子整流，放射磁场，内部转子，没有重叠，铁芯）的驱动集团开发的软件包进行具体的电动机设计这个软件包基于输入的详细的电机数据提供对电机参数的估算，例如电机效率，支持的电动势波形，相阻抗和感应系数。