汽车开关旋钮的磁手感结构设计及仿真

刘国承， 韩后继， 陈 杰， 方建中

（浙江长江汽车电子有限公司， 浙江 温州 325000）

由于用户对汽车内饰产品的要求越来越高，传统的旋钮式开关，由于存在摩擦感，大大降低用户的体验感受。目前各大内饰厂商正不断地尝试各种新型结构，以提升客户满意度及内饰的科技感，包括用触摸屏代替机械开关，开发磁手感开关等，其中磁手感开关作为传统机械开关的升级产品，具有几乎无摩擦、手感顺滑、手感可调等优点，已成为未来开关的发展趋势之一。

本文通过对磁手感的实现原理进行讲解，并推导出磁铁选型的理论计算公式，以此设计几种能够实现磁手感的方案，并对其进行仿真验证以及样件的实测，筛选出可行方案后归档入产品开发的方案库。

1 手感实现方式的对比

传统旋钮[1]手感的实现方式如图1所示，通过弹簧提供压力，带动挡位销在轨道体上摩擦滑动，由此产生的阻力矩即为旋钮手感。而磁手感产生是由于相互运动的2个磁部件间磁隙产生变化，伴随着磁力的变化，从而产生手感，如图2所示。通过N、S交替作用及结构的对称性，实现手感 的曲方线式的可周以期解性决变此化旋，钮相存对在于的传诸统多的缺机陷械，式见结表构1

图1 传统手感实现结构

图2 磁手感结构

。，通过磁场

因此，开发磁手感结构能够解决传统结构的诸多缺点，并且明显提升产品的档次。

表1 传统与磁手感结构优缺点对比

2 磁铁及磁吸力的计算方法

钕铁硼磁铁[2]由于具有性能最强、价格较低、易于加工等优点，目前已经广泛应用于各行各业中。

评价磁铁性能的主要技术指标包括Br（剩磁）、Hcb（矫顽力）、Hcj（内禀矫顽力）、（BH） max（最大磁能积）等参数。其中Br（剩磁） 表示磁铁能够产生的磁场强度；Hcb（矫顽力） 表示磁铁抵抗外界磁场干扰能力的强弱；（BH）max（最大磁能积） 代表着磁铁的能量密度。

磁吸力与磁场强度、相互作用面积等因素有关，基本的磁吸结构如图3所示。

图3 基本磁吸结构

简单磁吸力的计算公式如下：

式中：F——磁吸力，N；B——软磁材料作用面处磁感应强度，T；S——相互作用面的面积，m2；μX——软磁材料的磁导率（此处为铁片的磁导率），T·m/A；μ0——真空磁导率4π×10-7。

由于铁磁材料的磁导率μX远大于真空磁导率μ0，所以式（1）可简化为式（2）。

由于

式中：H——软磁材料作用面处磁场强度，A/m。

最终磁吸力公式为式（4）。

通过式（4）即可在设计初始时预估能够产生的磁吸力，以便初步对磁铁及软磁材料进行选型。

3 磁手感旋钮设计

根据手感的实现原理[3]，为降低开发成本，采用磁铁形式固定、改变铁片结构的方式进行方案设计。

初步设计如下两种组合方案，其中包含5种不同形式的铁片结构，如图4、图5所示。

图4 平面布置结构及铁片结构

图5 垂直布置结构及铁片结构

两种结构方案能够应对不同的安装空间。平面结构尺寸较小，适用于紧凑型的产品中；而垂直布置，由于铁片尺寸较大，整体外径将比平面结构大，适用于大空间产品，且可实现更大扭矩。

两种方案的磁铁选型为：平面型，磁铁牌号N48H，磁铁剩磁1.37T；垂直型，磁铁牌号N35，磁铁剩磁1.17T。

4 结构的仿真验证

运用ANSYS Electronics Suite电磁仿真软件[4]，可对永磁体磁场进行仿真，能够轻松地得到旋钮的扭矩。

按照磁铁及铁片的实际参数进行仿真建模，最终各种铁片结构的仿真结果如图6所示。

图6 各结构扭矩仿真结果

从仿真结果看除凸点形结构的扭矩曲线不符合实际要求外，其余各形基本满足要求，方案都成立。

5 实际产品验证

经过对设计方案的仿真筛选，选定4种可行方案进行样件制作，并测试其实际扭矩。

对所用磁铁进行参数测试，2 款磁铁实物如图7 所示。实际参数为：垂直型，剩磁1.288T，矫顽力965.33 kA/m，磁能积316.83kJ/m2；平面型，剩磁0.91T，矫顽力466.92kA/m，磁能积142.08 kJ/m2。各方案铁片实际扭矩曲线测试结果如图8所示。

图7 磁铁实物照片

图8 各方案铁片实际扭矩曲线测试结果图

从实测结果的线形看，与仿真结果基本一致，而花形与圆孔形铁片的方案，扭矩曲线更加光顺，说明手感更加顺滑。各方案仿真与实测统计结果如表2所示。

仿真结果与实测结果最大误差8%，仿真精度基本满足需求。由此也可说明，ANSYS Electronics Suite电磁仿真软件在此类产品开发过程中的重要性，不仅可以减少样件的制作成本，还能缩短开发周期。

基于仿真与实测的结果，以上4种方案将用于实际产品的开发。

6 结论

通过对磁手感旋钮的设计及运用ANSYS Electronics Suite电磁仿真软件对整个设计过程的仿真分析，可得到如下结论。

1） 磁铁作为手感提供的动力源，其性能参数至关重要，选型要根据所需扭矩值，充分考虑其各方面性能及工作环境，尤其是周围磁场与环境温度。

2） 磁铁的磁吸力与磁场的强度和作用面积有关，所以想要提高输出扭矩，不仅要考虑更高性能的磁铁，还需考虑磁铁的工作面积。

3） 实际生产过程中，磁铁的来料检验要充分，需全面测试磁铁的基本性能参数，并检查磁铁尺寸及表面镀层的完整性，镀层破损会导致磁铁腐蚀。

4） 磁手感产品开发阶段应使用仿真软件进行初步校核，能够节省开发周期。

5） ANSYS Electronics Suite电磁仿真软件对此类产品的仿真精度完全可以满足开发需求。