基于電磁作動(dòng)器的車輛主動(dòng)懸架研究

楊保海 肖 靜

（1.九江學(xué)院電子工程學(xué)院 江西 九江 332005；2.九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院 江西 九江 332005）

在汽車總裝置中，主動(dòng)懸架是用一個(gè)有自身能源的力發(fā)生器來(lái)代替被動(dòng)懸架中的彈簧和減振器，結(jié)構(gòu)上由四部分組成，即執(zhí)行結(jié)構(gòu)、測(cè)量系統(tǒng)、反控制系統(tǒng)和能源系統(tǒng)。主動(dòng)懸架的執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)節(jié)懸架阻尼系統(tǒng)的特性，汽車拐彎或路面狀況凹凸不平時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)懸架高度，適度調(diào)整懸架剛度及阻尼，最大程度減少懸架系統(tǒng)震蕩狀態(tài)，使車輛在任何路面狀況下都可以舒適行駛。

主動(dòng)懸架還有一個(gè)重要功能，即作為執(zhí)行動(dòng)作系統(tǒng)部分，通過(guò)輸入或輸出進(jìn)行最佳反饋控制，進(jìn)而使主動(dòng)懸架處于最優(yōu)減震狀態(tài)，保證車輛在不同路面及行駛條件下都可以平穩(wěn)安全舒適行駛，整體提高車輛性能。此外主動(dòng)懸架要求作動(dòng)器所產(chǎn)生的力可以及時(shí)地跟蹤任何力控制信號(hào)。為此，主動(dòng)懸架為控制律的選擇設(shè)計(jì)提供了空間條件，通過(guò)控制律維持系統(tǒng)的最佳狀態(tài)使車輛性能提升到最大化。

近幾年，據(jù)國(guó)內(nèi)外資料顯示，有關(guān)車輛的主動(dòng)懸架作動(dòng)器研究基本分為三種，即空氣主動(dòng)懸架作動(dòng)器（主要結(jié)構(gòu)是氣缸，利用電氣動(dòng)壓力控制閥控制），液壓主動(dòng)懸架作動(dòng)器（主要結(jié)構(gòu)是液壓缸、子汽室和阻尼閥等），電磁類主動(dòng)懸架作動(dòng)器（結(jié)構(gòu)組成不一，有的主要結(jié)構(gòu)是珠絲桿、旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，有的是用永磁直線電動(dòng)機(jī)作為力促動(dòng)器的，有的是目前正在研究的電磁直線式作動(dòng)器）。其中，空氣作動(dòng)器和液壓作動(dòng)器組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦密封不好容易產(chǎn)生泄露問(wèn)題，空氣和液壓在重量方面不好控制，安全性能不穩(wěn)定，而且投資成本高?，F(xiàn)階段，電磁科技的發(fā)展促進(jìn)了大功率電子器件的性能提升，價(jià)格便宜成本低廉，所以研究選用電磁方式作為主動(dòng)懸架力發(fā)生器非常實(shí)用。因?yàn)殡姶欧绞降淖鲃?dòng)器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)快，可控制度高，而且能將能量循環(huán)使用，符合當(dāng)今時(shí)代提倡的“環(huán)保節(jié)能”。

1 電磁直線作動(dòng)器原理

電磁作動(dòng)器，其工作原理是以麥克斯韋方程構(gòu)成，其主要涉及到高斯定理，法拉第電磁感應(yīng)理論以及安培定理。電磁作動(dòng)器一般是一電機(jī)為依托，通過(guò)對(duì)電機(jī)進(jìn)行裝置的內(nèi)部改變而成。我們可以將旋轉(zhuǎn)電機(jī)剖面拉直，使其成為一臺(tái)直線電機(jī)，這就是所謂的初級(jí)電磁作動(dòng)器。其中電機(jī)的定子成為了電磁作動(dòng)器的初級(jí)，轉(zhuǎn)子為次級(jí)。當(dāng)電磁直線作動(dòng)器通入三相交流電后，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向?yàn)檠剌S向方向。在電機(jī)的內(nèi)部轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中（我們可以認(rèn)為是作動(dòng)器的次級(jí)），電機(jī)會(huì)產(chǎn)生電磁力矩，這是相當(dāng)于電機(jī)在轉(zhuǎn)子（我們可以認(rèn)為是作動(dòng)器的初級(jí)）在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的速率低于電機(jī)的同步速率的時(shí)候，轉(zhuǎn)子會(huì)做切割通電定子線圈的磁場(chǎng)線圈，通過(guò)安培定理可知，通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做運(yùn)動(dòng)，會(huì)受到安培力的作用，我們可以通過(guò)左手定則判斷運(yùn)動(dòng)的方向，或者通過(guò)運(yùn)動(dòng)的方向來(lái)判斷電流的方向。在作動(dòng)器中，我們將這種次級(jí)與初級(jí)之間的速率差稱之為滑移率，只要存在滑移率，次級(jí)導(dǎo)條就會(huì)切割磁場(chǎng)，繼而產(chǎn)生安培力。在正常情況下，該滑移率在0與1之間；當(dāng)滑移率大于1時(shí)，電磁處于制動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)小于0時(shí)，其處于發(fā)電狀態(tài)。

2 電磁直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)本文所提到的電磁直線作動(dòng)器工作原理是采用對(duì)初級(jí)繞組通入三相對(duì)稱交流電從而產(chǎn)生電磁力。首先，將三相對(duì)稱的正弦電流接入作動(dòng)器的三相繞組中，進(jìn)而引發(fā)氣隙磁場(chǎng)，有可能產(chǎn)生兩端斷開(kāi)產(chǎn)生縱向邊緣效應(yīng)的情況可以不予考慮，那么此時(shí)氣隙磁場(chǎng)的分布和旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似，從延伸的直線方向看呈正弦形狀。若三相電流隨時(shí)間不斷變化，氣隙磁場(chǎng)則按A、B、C相序沿直線移動(dòng)。然后次級(jí)導(dǎo)體在行波磁場(chǎng)的切割下，形成電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生電流，最后電流、氣隙磁場(chǎng)相互感應(yīng)形成電磁推力。如果初級(jí)固定不動(dòng)，那么次級(jí)就沿著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向作直線運(yùn)動(dòng)。

上述工作原理與圓筒型直線異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理類似，區(qū)別是圓筒型直線異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)用于車輛懸架系統(tǒng)上時(shí)的前提條件是要有較大的推力和行程，電磁直線作動(dòng)器一般用于往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的位置和速度控制。如果將電磁作動(dòng)器置于實(shí)際車輛應(yīng)用中，則要初級(jí)與簧上質(zhì)量相接觸，次級(jí)與簧下質(zhì)量相連，利用控制三相繞組的電流來(lái)產(chǎn)生主動(dòng)懸架所需的控制力，從而減少車身振動(dòng)。

3 電磁直線作動(dòng)器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

電磁作動(dòng)器主要應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)，所以電磁作動(dòng)器的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)必須以汽車系統(tǒng)為依托，其參數(shù)適合汽車的本身情況，這樣才能促使汽車在行駛過(guò)程中保持一種相對(duì)平衡狀態(tài)，通過(guò)這種平衡，減少由于路面的不平整，起落太大而造成的垂直加速運(yùn)動(dòng)，提高汽車的舒適度。除此之外，電磁作動(dòng)器的規(guī)格應(yīng)該與需要滿足汽車懸架，這樣才方便安裝。電磁作動(dòng)器在設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)該注重電磁力，電壓，同步速度，冷卻方式以及繞組連接方式與絕緣耐熱材料等。

考慮電磁直線作動(dòng)器的品質(zhì)因數(shù)。在電器設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們都會(huì)考慮設(shè)備的質(zhì)量情況，比如考核電機(jī)的質(zhì)量有額定功率，效率以及功率因數(shù)來(lái)衡量電機(jī)的質(zhì)量好壞。同樣，電磁直線作動(dòng)器也有考核其品質(zhì)的因素，考核其主要的品質(zhì)方法有將初級(jí)電流等效為電流層的考核方式，另外一種方式通過(guò)通電電源頻率與極距來(lái)測(cè)評(píng)電磁直線作動(dòng)器的品質(zhì)，最后一種方式為，通過(guò)勵(lì)磁電抗與次級(jí)電阻的比值來(lái)評(píng)價(jià)電磁直線作動(dòng)器的品質(zhì)。

電磁負(fù)荷的選擇?？紤]到通電導(dǎo)線的負(fù)載能力，即單位長(zhǎng)度的總安培數(shù)量，應(yīng)該選擇散熱能力較強(qiáng)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行效率穩(wěn)定的材料。在材料選擇的過(guò)程中，如果材料的散熱能力差，則可選擇單位長(zhǎng)度電荷負(fù)荷較小的材料，反之，則可選擇單位負(fù)荷較大的材料，通常情況下，電磁作動(dòng)器的材料選擇為460A/cm的材料。磁負(fù)荷是磁通密度的幅值，電磁作動(dòng)器在考慮電負(fù)荷的同時(shí)，還應(yīng)該考慮磁負(fù)荷，為了減少勵(lì)磁電流，提高電磁作動(dòng)器的效率，通常情況下，應(yīng)選擇磁負(fù)荷較小的材料，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)表明，選擇0.09～0.4T的效果較好。

電磁作動(dòng)器尺寸的確定。在確定電磁作動(dòng)器的尺寸之前，需要先看看旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電樞的直徑與定子長(zhǎng)度。我們知道，電機(jī)所傳遞的電磁功率與電樞直徑的平 方成正比，與其有效長(zhǎng)度亦成正比。于電磁作動(dòng)器相對(duì)應(yīng)的，在考慮其尺寸的時(shí)候應(yīng)該考慮初級(jí)鐵心極距與鐵心直徑的平方之間的關(guān)系。通過(guò)研究，作動(dòng)器的尺寸可用如下公式確定：

在該公式中，主要參數(shù)Fe為額定電磁力；A為初級(jí)線負(fù)荷；Bs為氣隙磁通密度。

氣隙大小的確定，氣隙的確定直接影響到電磁作動(dòng)器的性能與穩(wěn)定性，為了加大電磁作動(dòng)器的功率效應(yīng)，氣隙越小越好，但是為了保證電磁作動(dòng)器能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性，氣隙應(yīng)該較大點(diǎn)為宜。通常情況下，為了平衡性能與穩(wěn)定，一般設(shè)置氣隙的大小在3個(gè)毫米以下。

4 結(jié)束語(yǔ)

懸架系統(tǒng)是汽車車輛底盤(pán)的重要組成部件之一，實(shí)踐表明，采用電磁作動(dòng)器作為旋動(dòng)架構(gòu)的主要構(gòu)件對(duì)促進(jìn)汽車的性能與平穩(wěn)性具有十分重要的意義，所以本文以此為依托，結(jié)合旋轉(zhuǎn)電機(jī)，重點(diǎn)闡述了電磁作動(dòng)器的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)架構(gòu)以及需要考慮的設(shè)計(jì)因素，實(shí)踐表明，通過(guò)在汽車中使用電磁作動(dòng)器，可以有效提升汽車的舒適性與穩(wěn)定性。

［1］岳廣照.車輛懸架用電磁作動(dòng)器研究[D].重慶大學(xué),2010.

［2］來(lái)飛,黃超群.采用電磁作動(dòng)器的車輛主動(dòng)懸架的研究[J].汽車工程,2012(2).

［3］張紅新,朱思洪.主動(dòng)座椅懸架電磁作動(dòng)器仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2008(4).