混合勵磁懸架減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

汪若塵+余未+丁仁凱+錢禹辰+陳龍

摘 要：針對現(xiàn)有饋能懸架無法很好地兼顧隔振性與饋能性的問題，提出一種混合勵磁直線電機與液壓減振器集成的車輛懸架減振器，實現(xiàn)輸出可調(diào)阻尼力與回收振動能量同時進行?；诩偞怕贩▽旌蟿畲胖本€電機進行解析分析，并在Ansoft軟件中建立有限元模型，以電磁阻尼力調(diào)節(jié)范圍為目標(biāo)，優(yōu)化氣隙長度、永磁體高度，確定負載阻值。Matlab仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)被動懸架相比，在隨機路面激勵下，混合勵磁懸架不僅提升了隔振性，還能回收部分振動能量，驗證了所提出結(jié)構(gòu)的可行性。

關(guān)鍵詞：懸架；混合勵磁；減振器；能量回收；有限元分析

中圖分類號：U463.33+5.1 文獻標(biāo)文獻標(biāo)識碼：A文獻標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.03

Abstract：Most energy regenerative suspensions fail at achieving a good balance between vibration isolation and energy regeneration performance. A novel hybrid damper for vehicle suspension applications， integrating a hybrid excitation linear motor into a hydraulic shock absorber， was designed which can output adjustable damping force and meanwhile can recover vibration energy. Firstly the analytical analysis of the hybrid excitation damper based on a lumped magnetic circuit method was conducted， the finite element model was established in Ansoft， the gas length and the height of the permanent magnet were optimized taking the adjustment range of electromagnetic damping force as an objective function， and the load resistance was determined. The simulation results show that compared with traditional passive suspension systems， the hybrid excitation suspension damper can effectively improve the vibration isolation performance and meanwhile recover vibration energy subjected torandom road excitation， which verifies the feasibility of the proposed structure.

Keywords：suspension； hybrid excitation； damper； energy-regeneration； finite element analysis

半主動懸架多包含阻尼可調(diào)減振器，功耗小、結(jié)構(gòu)簡單，可以獲得接近主動懸架的性能，具有重要的研究意義。與此同時，將被動阻尼與可調(diào)阻尼集成的混合阻尼器日益得到重視，早在1999年，MARTINS等[1]就提出將傳統(tǒng)被動阻尼減振器與主動電磁減振器集成，并在汽車懸架中加以應(yīng)用?；F盧大學(xué)的EBRAHIM等[2]將液壓減振器與電磁作動器組合，通過對電磁作動器部分進行主動控制，為懸架提供不同作動力。ASADI等[3]提出一種集成液壓減振器與直線電機的混合阻尼器，并通過有限元法對其進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。另一方面，傳統(tǒng)懸架在汽車行駛過程中，振動能量轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，不利于燃油經(jīng)濟性。因此，提出在優(yōu)化懸架性能的同時，回收振動能量，以提高燃油經(jīng)濟性。施德華等[4]提出一種半主動饋能懸架，借由永磁直線電機回收振動能量，通過步進電機調(diào)節(jié)節(jié)流閥面積以改變阻尼系數(shù)，但直線電機僅用作回收能量，利用效率不高。陳士安等[5]將液壓蓄能器和油缸結(jié)合，通過壓力閥進行能量存儲和釋放控制，達到減振和回收能量的作用。SUDA等[6]設(shè)計了能量自供給的兩級式饋能懸架，一級饋能，一級進行車身姿態(tài)控制。

圓筒直線電機結(jié)構(gòu)簡單，繞組利用率高。無橫向端部效應(yīng)，不存在單邊磁拉力，應(yīng)用在車輛懸架中既可提供電磁阻尼力，也可以有效回收懸架振動能量。NAKANO等[7-8]通過改變饋能回路電阻調(diào)節(jié)在發(fā)電機模式下工作的直線電機電磁阻尼力，實現(xiàn)半主動控制，優(yōu)化了懸架隔振性。陳龍等[9]提出通過控制饋能回路中DC-DC變換器，實時調(diào)節(jié)繞組感應(yīng)電流，使電機電磁阻尼力在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

本研究將基于混合勵磁的圓筒直線電機與液壓減振器集成，提出一種應(yīng)用于車輛半主動懸架的饋能減振器。采用此新型饋能減振器的半主動懸架依據(jù)路況進行阻尼力調(diào)節(jié)，隔振性能良好，在車輛行駛過程中可以將振動能量轉(zhuǎn)化為電能儲存，降低整車能耗，并可滿足故障-安全（Fail-Safe）特性。首先，介紹了混合勵磁懸架減振器的結(jié)構(gòu)與工作原理，基于集總磁路對混合勵磁直線電機磁場進行解析，并借由Ansoft有限元分析軟件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定負載電阻大小。最后，通過仿真驗證其隔振性與饋能性。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

新型饋能減振器將傳統(tǒng)液壓減振器與混合勵磁圓筒直線電機集成?；旌蟿畲攀怯呻妱畲排c永磁勵磁共同作用的新型勵磁方式，因此，混合勵磁直線電機存在兩種類型的勵磁源，一種是永磁勵磁源，它在氣隙中產(chǎn)生一個基本不變的磁通；另一種是直流勵磁繞組，工作時，通過調(diào)節(jié)勵磁繞組上的電流大小和方向，使氣隙中的磁通發(fā)生變化，兩種勵磁源磁場在氣隙中共同作用產(chǎn)生電機內(nèi)主磁場。與永磁電機比較，混合勵磁電機具有調(diào)節(jié)氣隙磁場的能力；與電勵磁同步電機相比，具有較小的電樞反應(yīng)電抗[10]。

混合勵磁懸架減振器結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可知，混合勵磁圓筒直線電機由初級與次級兩部分組成，初級部分是與防塵罩焊接的導(dǎo)體管，其內(nèi)部設(shè)有三相繞組。次級部分與初級部分之間有固定尺寸的氣隙。次級部分設(shè)有開口矩形槽，焊接于減振器缸筒外壁，由永磁體、鐵芯、直流勵磁繞組組成。永磁體貼附于次級部分表面，次級部分的矩形槽內(nèi)繞有直流勵磁繞組。

氣隙中的勵磁磁場由永磁體與勵磁繞組共同產(chǎn)生，永磁體提供直線電機運行時主要的氣隙磁場，直流勵磁電流作為磁場調(diào)節(jié)器起到調(diào)節(jié)氣隙磁場的作用。當(dāng)車輛行駛時，車身與車輪的相對運動使減振器工作，此時，與上吊耳、防塵罩相連的電機初級部分與次級部分產(chǎn)生相對運動，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在三相繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，得以將振動能量轉(zhuǎn)化為電能儲存，實現(xiàn)饋能。同時，根據(jù)楞次定律，在產(chǎn)生感應(yīng)電流的同時伴隨著電磁阻尼力的產(chǎn)生。通過改變直流勵磁繞組的勵磁電流大小，可以使電磁阻尼力與感應(yīng)電流大小改變，實現(xiàn)阻尼值可調(diào)。此外，如果混合勵磁電機失效，液壓減振器部分仍能繼續(xù)工作，實現(xiàn)“Fail-Safe”。

2 電機解析與優(yōu)化

2.1 磁感應(yīng)強度推導(dǎo)

在電機設(shè)計分析中，根據(jù)需要，傾向于采用解析法尋找電磁設(shè)計規(guī)律，采用等效磁路法進行初步電磁和結(jié)構(gòu)參數(shù)計算，使用有限元計算分析得到準確的磁場分布、電磁推力和反電動勢[11]。為了分析此新型饋能減振器的工作特性，并推導(dǎo)出混合阻尼力和感應(yīng)電動勢表達式，基于集總磁路法進行混合勵磁直線電機磁場分析。

混合勵磁電機一對磁極結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，回路C為其等效磁回路。

對圖2中各變量具體含義的描述見表1。

（1）永磁體為徑向充磁，氣隙中磁場完全為徑向，且磁極中各部分磁感線方向都與回路C相平行。

（2）忽略結(jié)構(gòu)中各部分漏磁。

（3）材料中無磁飽和。

（4）液壓減振器與混合勵磁電機連接部分為非導(dǎo)磁材料。

由式（8）、（11）可知，懸架簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量間相對速度越大，即車身振動越劇烈，由振動機械能轉(zhuǎn)化成的電能也越多，即回收能量越多。同時，為了獲得良好的平順性與操縱穩(wěn)定性，需要提供的電磁阻尼力越大。

2.2 磁感應(yīng)強度優(yōu)化

由式（8）、（11）可知，混合勵磁直線電機輸出的電磁阻尼力與回收能量大小都與磁感應(yīng)強度Bm有關(guān)，且由式（4）可知，Bm的大小主要由電機結(jié)構(gòu)尺寸與直流勵磁電流決定。由于電機一旦設(shè)計完成，結(jié)構(gòu)尺寸不可調(diào)，所以通過有限元法進行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化。

假設(shè)圓筒混合勵磁直線電機部分初定結(jié)構(gòu)尺寸，見表2。這部分在初定尺寸的基礎(chǔ)上，以電磁阻尼力和回收能量為目標(biāo)利用有限元法進行尺寸優(yōu)化，從而提高懸架隔振性與饋能性。在Ansoft 12.0中建立圓筒混合勵磁直線電機模型，并在Maxwell/circuit模塊設(shè)置饋能電路，進行聯(lián)合仿真，分別以氣隙長度、永磁體寬度為可變參數(shù)，進行優(yōu)化設(shè)計。初級部分與次級部分的相對運動速度設(shè)定為0.26 m/s，饋能電路電阻設(shè)為10 Ω，為了避免直流勵磁部分磁飽和對仿真結(jié)果的影響，勵磁電流變化區(qū)間設(shè)置為0～2.5 A。

2.2.1 氣隙長度

假設(shè)其它結(jié)構(gòu)尺寸不變，氣隙從0.5 mm變化到2.5 mm，勵磁電流從0 A變化到2.5 A，電磁阻尼力與回收能量的變化如圖3和圖4所示。由所推導(dǎo)公式可知，隨著氣隙長度增大，電磁阻尼力與回收能量都將減少，符合有限元分析結(jié)果，同時可以看出，隨著氣隙的增大，不同勵磁電流下阻尼力與回收能量的變化逐漸減小。由此得出結(jié)論，較大氣隙會使阻尼調(diào)節(jié)的范圍降低，氣隙過小會使阻尼調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈敏度過高，且電機初級部分與次級部分易發(fā)生碰撞。綜上所述，取氣隙為1 mm。

2.2.2 永磁體高度

永磁體高度的選取將很大程度影響減振器工作性能，高度增加則永磁體提供磁場強度增加，但同時會導(dǎo)致磁路飽和程度增加，削弱電勵磁場的影響。因此，需要選取一個最佳值，既能使電勵磁場最大程度起到調(diào)節(jié)磁場作用，又可充分利用永磁體。假設(shè)其它結(jié)構(gòu)尺寸不變，永磁體高度從4 mm變化至6.5 mm，勵磁電流從0 A變化至2.5 A，電磁阻尼力的變化如圖5所示。隨著永磁體高度增大，電磁阻尼力增大，但直流勵磁的作用不斷減弱。綜上所述，為了提高輸出的電磁阻尼力，并盡可能發(fā)揮勵磁磁場的作用，選取永磁體高度5 mm作為最終結(jié)果。

2.3 優(yōu)化結(jié)果

綜合以上結(jié)論，考慮到邊界條件，得到優(yōu)化后的混合勵磁電機尺寸，見表3。利用有限元軟件分析尺寸優(yōu)化前后電磁阻尼力與回收能量大小的變化，結(jié)果如圖6和圖7所示。尺寸經(jīng)過優(yōu)化后，在相同工況下，所能提供的電磁阻尼力與回收能量均得到了提升。

2.4 負載電阻確定

除了改變磁感應(yīng)強度Bm大小，調(diào)節(jié)負載電路的電阻也可以使輸出的電磁阻尼力與回收能量發(fā)生改變。為了得到負載電路電阻對工作性能的具體影響[13]，進行相同工況下，不同電阻值對電磁阻尼力大小與回收能量的影響仿真分析，從而確定出最佳電阻值。由圖8可知，當(dāng)負載電路電阻為0時，輸出的電磁阻尼力達到最大，當(dāng)負載電路電阻等于電機內(nèi)阻時（內(nèi)阻約為5.3 Ω），回收能量達到最大值。綜上所述，為了使懸架時刻工作在最佳饋能狀態(tài)，并能輸出合適大小的電磁阻尼力，取5.3 Ω為負載電路阻值。

3 混合勵磁懸架動力學(xué)分析與仿真

混合勵磁的四分之一懸架等效模型如圖9所示。

采用通過濾波器的一階白噪聲來模擬路面輸入。假設(shè)汽車以20 m/s駛過 B 級路面，其它仿真參數(shù)為：簧載質(zhì)量ms160 kg，非簧載質(zhì)量mt20 kg，懸架剛度ks10 kN/m，輪胎剛度 kt100 kN/m，假設(shè)傳統(tǒng)液壓減振器的阻尼系數(shù)cs被設(shè)定為1 100 Ns/m，電機繞組經(jīng)過整流器串接阻值為 5.3 Ω 的負載，仿真時間10 s。

通過仿真得到帶有混合勵磁懸架和傳統(tǒng)被動懸架汽車的車身加速度對比曲線圖與車輪動載荷對比曲線圖，如圖10和圖11所示。

由圖可知，帶有混合勵磁懸架的車輛車身加速度得到了明顯優(yōu)化，相比于傳統(tǒng)被動懸架，車身加速度均方根值減少了30.13%，車身峰值加速度減少了17.16%，此外，輪胎動載荷幅值增加了2.67%，均方根值增加了4.21%，但對車輛操縱穩(wěn)定性的影響不大?？傮w而言，混合勵磁懸架的減振效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)被動懸架。

在路面激勵下，仿真得到的混合勵磁懸架感應(yīng)電動勢如圖12所示。圖中電壓的有效值為11.35 V，證明了混合勵磁懸架在車輛行駛過程中除了有較好的減振效果外，還可回收部分振動能量。

由于液力阻尼系數(shù)cs為定值，在給定車輛參數(shù)下，cs值的選取將很大程度上影響懸架性能。通過仿真研究液力阻尼系數(shù)的選取對隔振性的影響，結(jié)果如圖13所示。當(dāng)液力阻尼系數(shù)取550 Ns /m時，隔振性最優(yōu)。

4 結(jié)論與展望

（1）提出一種混合勵磁直線電機與液壓減振器集成的車輛懸架減振器，實現(xiàn)阻尼可調(diào)與振動能量回收，詳細介紹其結(jié)構(gòu)與工作原理，并利用集總磁路模型推導(dǎo)出混合勵磁直線電機輸出的電磁阻尼力與其感應(yīng)電動勢公式。

（2）建立混合勵磁直線電機部分有限元模型，并對其進行有限元分析，分別優(yōu)化了氣隙長度與永磁體寬度。綜合考慮輸出電磁阻尼力大小以及對阻尼力的調(diào)節(jié)能力，取氣隙長度為1 mm，永磁體高度為5 mm，對優(yōu)化前后的混合勵磁直線電機進行有限元分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后輸出電磁阻尼力能力較優(yōu)且阻尼調(diào)節(jié)能力較佳。同時分析不同外電路電阻值對懸架性能的影響，確定負載電路阻值為5.3 Ω。仿真結(jié)果表明，混合勵磁懸架在車輛行駛過程中除了有較好的減振效果，還能回收振動能量。

（3）在考慮懸架隔振性的前提下，進行液力阻尼與電磁阻尼的最優(yōu)匹配分析，發(fā)現(xiàn)在給定懸架參數(shù)下，液力阻尼系數(shù)取550 Ns/m時，隔振性最優(yōu)。而綜合考慮饋能性與隔振性，進行阻尼匹配，值得進一步研究。

（4）當(dāng)混合勵磁直線電機中通入的勵磁電流一定時，電機的力特性曲線近似線性，與減振器集成后，并不會影響減振器外特性。而在實際工作過程中，由于通入的勵磁電流根據(jù)不同工況實時改變，導(dǎo)致在宏觀角度直線電機的力特性產(chǎn)生變化，有可能在集成液力阻尼后，產(chǎn)生外特性的畸變，需要進行進一步的仿真與試驗研究。

參考文獻（References）：

MARTINS I，ESTEVES J，SILVA F P D，et al. Elec-tromagnetic Hybrid Active-passive Vehicle Suspension System [J]. Vehicular Technology Conference，1999， 49（3）：2273-2277.

EBRAHIMI B，KHAMESEE M B，GOLNARAGHI F.

Design of a Hybrid Electrom-agnetic/Hydraulic Damper for Automotive Suspension Systems [C]//2009 Inter-national Conference on Mechatronics and Automation，August 9-12，2009，Changchun，China.Piscataway，N.J：IEEE，2009：3196-3200.

ASADI E，RIBEIRO R. A New Adaptive Hybrid Electromagnetic Damper：Modelling，Optimization， and Experiment [J]. Smart Materials and Structures，2015，24（7）：75003-75016.

施德華，陳龍，汪若塵，等. 半主動懸架饋能器設(shè)計及其饋能特性研究[J]. 機械設(shè)計與制造，2014（11）：126-130.

SHI Dehua，CHEN Long，WANG Ruochen，et al. Study on Design and Energy-regenerative Performance of Regenerator for Semi-active Suspension [J]. Machinery Design and Manufacture，2014（11）：126-130. （in Chinese）

陳士安，何仁，陸森林. 新型饋能懸架及其工作原理 [J]. 機械工程學(xué)報，2007，43（11）：177-182.

CHEN Shian，HE Ren，LU Senlin. New Reclaiming Energy Suspension and Its Working Principle [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43（11）：177-182. （in Chinese）

SUDA Y，NAKADAI S，NAKANO K.Hybrid Suspension System with skyhook Control and Energy Regeneration （Development of Self-powered Active Suspension） [J]. Vehicle System Dynamics，1998，29（Sup.1）：619-634.

NAKANO K，SUDA Y，NAKADAI S. Self-powered active Vibration Control Using a Singles Electric Actuator [J]. Journal of Sound and Vibration，2003，260（2）： 213-235.

NAKANO K，SUDA Y. Combined Type Self-powered Active Vibration Control of Truck Cabins [J].Vehicle system Dynamics，2004，41（6）：449-473.

陳龍，施德華，汪若塵，等. 基于混合控制策略的饋能懸架半主動控制 [J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報，2016，36（3）：252-257.

CHEN Long，SHI Dehua，WANG Ruochen，et al. Semi-active Control of Energy-regenerative Suspension Based on Hybrid Control Strategy [J]. Transactions of Beijing Institute of Technology，2016 ，36（3）：252-257. （in Chinese）

趙朝會，秦海鴻，嚴仰光. 混合勵磁同步電機發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景 [J]. 電機與控制學(xué)報，2006，10（2）：113-117.

ZHAO Chaohui，QIN Haiou，YAN Yangguang. Present Status and Application Perspective of Hybrid Excitation Synchronous Machine[J]. Electric Machines and Control，2006，10（2）：113-117. （in Chinese）

盧秦芬. 直線同步電機的特性研究 [D]. 杭州：浙江大學(xué)，2005：12-14.

LU Qinfen. Characteristic Research of Linear Synchronous Motor [D]. Hangzhou：Zhejiang University，2005：12-14.（in Chinese）

PALOMERA-ARIAS R，CONNOR J J，OCHSENDORF J A. Feasibility Study of Passive Electro-magnetic Damping System [J]. Journal of Structural Engineering，2008，134（1）：164-170.

RIBEIRO R，ASADI E. Hybrid Variable Damping Control，Design，Simulation，and Optimization [J]. Microsystem Technologies，2014，20（8）：1723-1732 .