汽車開關(guān)旋鈕的磁手感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

劉國(guó)承， 韓后繼， 陳 杰， 方建中

（浙江長(zhǎng)江汽車電子有限公司， 浙江 溫州 325000）

由于用戶對(duì)汽車內(nèi)飾產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的旋鈕式開關(guān)，由于存在摩擦感，大大降低用戶的體驗(yàn)感受。目前各大內(nèi)飾廠商正不斷地嘗試各種新型結(jié)構(gòu)，以提升客戶滿意度及內(nèi)飾的科技感，包括用觸摸屏代替機(jī)械開關(guān)，開發(fā)磁手感開關(guān)等，其中磁手感開關(guān)作為傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)的升級(jí)產(chǎn)品，具有幾乎無(wú)摩擦、手感順滑、手感可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來(lái)開關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

本文通過(guò)對(duì)磁手感的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行講解，并推導(dǎo)出磁鐵選型的理論計(jì)算公式，以此設(shè)計(jì)幾種能夠?qū)崿F(xiàn)磁手感的方案，并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證以及樣件的實(shí)測(cè)，篩選出可行方案后歸檔入產(chǎn)品開發(fā)的方案庫(kù)。

1 手感實(shí)現(xiàn)方式的對(duì)比

傳統(tǒng)旋鈕[1]手感的實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示，通過(guò)彈簧提供壓力，帶動(dòng)擋位銷在軌道體上摩擦滑動(dòng)，由此產(chǎn)生的阻力矩即為旋鈕手感。而磁手感產(chǎn)生是由于相互運(yùn)動(dòng)的2個(gè)磁部件間磁隙產(chǎn)生變化，伴隨著磁力的變化，從而產(chǎn)生手感，如圖2所示。通過(guò)N、S交替作用及結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)手感 的曲方線式的可周以期解性決變此化旋，鈕相存對(duì)在于的傳諸統(tǒng)多的缺機(jī)陷械，式見(jiàn)結(jié)表構(gòu)1

圖1 傳統(tǒng)手感實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖2 磁手感結(jié)構(gòu)

。，通過(guò)磁場(chǎng)

因此，開發(fā)磁手感結(jié)構(gòu)能夠解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的諸多缺點(diǎn)，并且明顯提升產(chǎn)品的檔次。

表1 傳統(tǒng)與磁手感結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2 磁鐵及磁吸力的計(jì)算方法

釹鐵硼磁鐵[2]由于具有性能最強(qiáng)、價(jià)格較低、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。

評(píng)價(jià)磁鐵性能的主要技術(shù)指標(biāo)包括Br（剩磁）、Hcb（矯頑力）、Hcj（內(nèi)稟矯頑力）、（BH） max（最大磁能積）等參數(shù)。其中Br（剩磁） 表示磁鐵能夠產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度；Hcb（矯頑力） 表示磁鐵抵抗外界磁場(chǎng)干擾能力的強(qiáng)弱；（BH）max（最大磁能積） 代表著磁鐵的能量密度。

磁吸力與磁場(chǎng)強(qiáng)度、相互作用面積等因素有關(guān)，基本的磁吸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基本磁吸結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)單磁吸力的計(jì)算公式如下：

式中：F——磁吸力，N；B——軟磁材料作用面處磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；S——相互作用面的面積，m2；μX——軟磁材料的磁導(dǎo)率（此處為鐵片的磁導(dǎo)率），T·m/A；μ0——真空磁導(dǎo)率4π×10-7。

由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率μX遠(yuǎn)大于真空磁導(dǎo)率μ0，所以式（1）可簡(jiǎn)化為式（2）。

由于

式中：H——軟磁材料作用面處磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。

最終磁吸力公式為式（4）。

通過(guò)式（4）即可在設(shè)計(jì)初始時(shí)預(yù)估能夠產(chǎn)生的磁吸力，以便初步對(duì)磁鐵及軟磁材料進(jìn)行選型。

3 磁手感旋鈕設(shè)計(jì)

根據(jù)手感的實(shí)現(xiàn)原理[3]，為降低開發(fā)成本，采用磁鐵形式固定、改變鐵片結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

初步設(shè)計(jì)如下兩種組合方案，其中包含5種不同形式的鐵片結(jié)構(gòu)，如圖4、圖5所示。

圖4 平面布置結(jié)構(gòu)及鐵片結(jié)構(gòu)

圖5 垂直布置結(jié)構(gòu)及鐵片結(jié)構(gòu)

兩種結(jié)構(gòu)方案能夠應(yīng)對(duì)不同的安裝空間。平面結(jié)構(gòu)尺寸較小，適用于緊湊型的產(chǎn)品中；而垂直布置，由于鐵片尺寸較大，整體外徑將比平面結(jié)構(gòu)大，適用于大空間產(chǎn)品，且可實(shí)現(xiàn)更大扭矩。

兩種方案的磁鐵選型為：平面型，磁鐵牌號(hào)N48H，磁鐵剩磁1.37T；垂直型，磁鐵牌號(hào)N35，磁鐵剩磁1.17T。

4 結(jié)構(gòu)的仿真驗(yàn)證

運(yùn)用ANSYS Electronics Suite電磁仿真軟件[4]，可對(duì)永磁體磁場(chǎng)進(jìn)行仿真，能夠輕松地得到旋鈕的扭矩。

按照磁鐵及鐵片的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行仿真建模，最終各種鐵片結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 各結(jié)構(gòu)扭矩仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果看除凸點(diǎn)形結(jié)構(gòu)的扭矩曲線不符合實(shí)際要求外，其余各形基本滿足要求，方案都成立。

5 實(shí)際產(chǎn)品驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案的仿真篩選，選定4種可行方案進(jìn)行樣件制作，并測(cè)試其實(shí)際扭矩。

對(duì)所用磁鐵進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，2 款磁鐵實(shí)物如圖7 所示。實(shí)際參數(shù)為：垂直型，剩磁1.288T，矯頑力965.33 kA/m，磁能積316.83kJ/m2；平面型，剩磁0.91T，矯頑力466.92kA/m，磁能積142.08 kJ/m2。各方案鐵片實(shí)際扭矩曲線測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖7 磁鐵實(shí)物照片

圖8 各方案鐵片實(shí)際扭矩曲線測(cè)試結(jié)果圖

從實(shí)測(cè)結(jié)果的線形看，與仿真結(jié)果基本一致，而花形與圓孔形鐵片的方案，扭矩曲線更加光順，說(shuō)明手感更加順滑。各方案仿真與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果最大誤差8%，仿真精度基本滿足需求。由此也可說(shuō)明，ANSYS Electronics Suite電磁仿真軟件在此類產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中的重要性，不僅可以減少樣件的制作成本，還能縮短開發(fā)周期。

基于仿真與實(shí)測(cè)的結(jié)果，以上4種方案將用于實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)磁手感旋鈕的設(shè)計(jì)及運(yùn)用ANSYS Electronics Suite電磁仿真軟件對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的仿真分析，可得到如下結(jié)論。

1） 磁鐵作為手感提供的動(dòng)力源，其性能參數(shù)至關(guān)重要，選型要根據(jù)所需扭矩值，充分考慮其各方面性能及工作環(huán)境，尤其是周圍磁場(chǎng)與環(huán)境溫度。

2） 磁鐵的磁吸力與磁場(chǎng)的強(qiáng)度和作用面積有關(guān)，所以想要提高輸出扭矩，不僅要考慮更高性能的磁鐵，還需考慮磁鐵的工作面積。

3） 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，磁鐵的來(lái)料檢驗(yàn)要充分，需全面測(cè)試磁鐵的基本性能參數(shù)，并檢查磁鐵尺寸及表面鍍層的完整性，鍍層破損會(huì)導(dǎo)致磁鐵腐蝕。

4） 磁手感產(chǎn)品開發(fā)階段應(yīng)使用仿真軟件進(jìn)行初步校核，能夠節(jié)省開發(fā)周期。

5） ANSYS Electronics Suite電磁仿真軟件對(duì)此類產(chǎn)品的仿真精度完全可以滿足開發(fā)需求。