汽車開關旋鈕的磁手感結構設計及仿真

劉國承， 韓后繼， 陳 杰， 方建中

（浙江長江汽車電子有限公司， 浙江 溫州 325000）

由于用戶對汽車內飾產品的要求越來越高，傳統的旋鈕式開關，由于存在摩擦感，大大降低用戶的體驗感受。目前各大內飾廠商正不斷地嘗試各種新型結構，以提升客戶滿意度及內飾的科技感，包括用觸摸屏代替機械開關，開發磁手感開關等，其中磁手感開關作為傳統機械開關的升級產品，具有幾乎無摩擦、手感順滑、手感可調等優點，已成為未來開關的發展趨勢之一。

本文通過對磁手感的實現原理進行講解，并推導出磁鐵選型的理論計算公式，以此設計幾種能夠實現磁手感的方案，并對其進行仿真驗證以及樣件的實測，篩選出可行方案后歸檔入產品開發的方案庫。

1 手感實現方式的對比

傳統旋鈕[1]手感的實現方式如圖1所示，通過彈簧提供壓力，帶動擋位銷在軌道體上摩擦滑動，由此產生的阻力矩即為旋鈕手感。而磁手感產生是由于相互運動的2個磁部件間磁隙產生變化，伴隨著磁力的變化，從而產生手感，如圖2所示。通過N、S交替作用及結構的對稱性，實現手感 的曲方線式的可周以期解性決變此化旋，鈕相存對在于的傳諸統多的缺機陷械，式見結表構1

圖1 傳統手感實現結構

圖2 磁手感結構

。，通過磁場

因此，開發磁手感結構能夠解決傳統結構的諸多缺點，并且明顯提升產品的檔次。

表1 傳統與磁手感結構優缺點對比

2 磁鐵及磁吸力的計算方法

釹鐵硼磁鐵[2]由于具有性能最強、價格較低、易于加工等優點，目前已經廣泛應用于各行各業中。

評價磁鐵性能的主要技術指標包括Br（剩磁）、Hcb（矯頑力）、Hcj（內稟矯頑力）、（BH） max（最大磁能積）等參數。其中Br（剩磁） 表示磁鐵能夠產生的磁場強度；Hcb（矯頑力） 表示磁鐵抵抗外界磁場干擾能力的強弱；（BH）max（最大磁能積） 代表著磁鐵的能量密度。

磁吸力與磁場強度、相互作用面積等因素有關，基本的磁吸結構如圖3所示。

圖3 基本磁吸結構

簡單磁吸力的計算公式如下：

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

由于鐵磁材料的磁導率μX遠大于真空磁導率μ0，所以式（1）可簡化為式（2）。

由于

式中：H——軟磁材料作用面處磁場強度，A/m。

最終磁吸力公式為式（4）。

通過式（4）即可在設計初始時預估能夠產生的磁吸力，以便初步對磁鐵及軟磁材料進行選型。

3 磁手感旋鈕設計

根據手感的實現原理[3]，為降低開發成本，采用磁鐵形式固定、改變鐵片結構的方式進行方案設計。

初步設計如下兩種組合方案，其中包含5種不同形式的鐵片結構，如圖4、圖5所示。

圖4 平面布置結構及鐵片結構

圖5 垂直布置結構及鐵片結構

兩種結構方案能夠應對不同的安裝空間。平面結構尺寸較小，適用于緊湊型的產品中；而垂直布置，由于鐵片尺寸較大，整體外徑將比平面結構大，適用于大空間產品，且可實現更大扭矩。

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

4 結構的仿真驗證

運用ANSYS Electronics Suite電磁仿真軟件[4]，可對永磁體磁場進行仿真，能夠輕松地得到旋鈕的扭矩。

按照磁鐵及鐵片的實際參數進行仿真建模，最終各種鐵片結構的仿真結果如圖6所示。

圖6 各結構扭矩仿真結果

從仿真結果看除凸點形結構的扭矩曲線不符合實際要求外，其余各形基本滿足要求，方案都成立。

5 實際產品驗證

經過對設計方案的仿真篩選，選定4種可行方案進行樣件制作，并測試其實際扭矩。

對所用磁鐵進行參數測試，2 款磁鐵實物如圖7 所示。實際參數為：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。各方案鐵片實際扭矩曲線測試結果如圖8所示。

圖7 磁鐵實物照片

圖8 各方案鐵片實際扭矩曲線測試結果圖

從實測結果的線形看，與仿真結果基本一致，而花形與圓孔形鐵片的方案，扭矩曲線更加光順，說明手感更加順滑。各方案仿真與實測統計結果如表2所示。

仿真結果與實測結果最大誤差8%，仿真精度基本滿足需求。由此也可說明，ANSYS Electronics Suite電磁仿真軟件在此類產品開發過程中的重要性，不僅可以減少樣件的制作成本，還能縮短開發周期。

基于仿真與實測的結果，以上4種方案將用于實際產品的開發。

6 結論

通過對磁手感旋鈕的設計及運用ANSYS Electronics Suite電磁仿真軟件對整個設計過程的仿真分析，可得到如下結論。

1） 磁鐵作為手感提供的動力源，其性能參數至關重要，選型要根據所需扭矩值，充分考慮其各方面性能及工作環境，尤其是周圍磁場與環境溫度。

2） 磁鐵的磁吸力與磁場的強度和作用面積有關，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） 實際生產過程中，磁鐵的來料檢驗要充分，需全面測試磁鐵的基本性能參數，并檢查磁鐵尺寸及表面鍍層的完整性，鍍層破損會導致磁鐵腐蝕。

4） 磁手感產品開發階段應使用仿真軟件進行初步校核，能夠節省開發周期。

5） ANSYS Electronics Suite電磁仿真軟件對此類產品的仿真精度完全可以滿足開發需求。