電磁懸架研究技術(shù)現(xiàn)狀

彭沖，李連，楊超

（1.重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401120；2.重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044）

前言

汽車懸架系統(tǒng)直接影響了汽車在行駛過程中的平順性、操縱穩(wěn)定性、舒適性等性能，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展使得電磁懸架在車輛上的應(yīng)用變成了現(xiàn)實。

基于針國內(nèi)外汽車電磁主動懸架研究，本文對電磁主動懸架研究現(xiàn)狀進行闡述，根據(jù)作動器工作原理的不同大致可以分為磁流變式懸架，磁懸浮式懸架和電機式懸架。

1 磁流變式主動懸架研究現(xiàn)狀

1993年，美國TRW公司就將磁流變液應(yīng)用到汽車主動懸架系統(tǒng)減振器中。美國福特和通用汽車公司也相繼對磁流變減振器的應(yīng)用進行了研究。此外，Lord公司與Delphi公司于1999年合作開發(fā)出MagneRide懸架磁流變阻尼器[1]，裝備在2002 Cadillac Seville高級轎車STS上。

我國對車輛磁流變減振器的研究起步較晚，重慶大學(xué)在汽車磁流變減振器的理論基礎(chǔ)及工程應(yīng)用做了大量工作[2]，取得了很大進展。此外，浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)和同濟大學(xué)[3]等研究機構(gòu)也對磁流變減振器進行了理論和試驗研究。

磁流變減振器在研究和運用上取得了一定成果, 同時也存在統(tǒng)的研發(fā)尚待解決的問題主要包括[2]減振器結(jié)構(gòu)與制造工藝、磁流變液的穩(wěn)定性與傳感器集成度和可靠性等方面。

2 磁懸浮式主動懸架研究現(xiàn)狀

基于磁懸浮技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用，研究人員嘗試將磁懸浮技術(shù)用于主動懸架電磁減振系統(tǒng)。

Mirzaei S，Saghaiannejad S.M等人基于磁懸浮理論，設(shè)計了一種新型的懸架系統(tǒng)[4]，該裝置主要由硅鋼和線圈組成，通過控制線圈電流的大小來控制阻尼力的輸出。

祁建城[5]提出了基于電磁鐵設(shè)計汽車主動懸架系統(tǒng)。采用超聲波傳感器檢測位移激振信號，該信號轉(zhuǎn)換成電信號后經(jīng)過控制器處理，來調(diào)整線圈電壓的大小，使作用在鑄鋼體上的力發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)整系統(tǒng)剛度和阻尼系數(shù)的目的。

李云超等人[6]根據(jù)電磁學(xué)原理，利用電磁鐵作為懸架作動器。并在1/4汽車懸架的基礎(chǔ)上建立了電磁懸架的非線性模型，設(shè)計了該模型的次優(yōu)控制器，對模型進行仿真，結(jié)果表明電磁懸架能夠?qū)崿F(xiàn)主動懸架的功能，滿足車輛平順性的要求。

目前，磁懸浮技術(shù)的電磁減振器的研究目前只有少數(shù)研究者提出了一些設(shè)計方案，并進行了一些理論研究，但技術(shù)尚不成熟，磁懸浮技術(shù)在道路車輛上還沒有應(yīng)用。

3 電機式主動懸架研究現(xiàn)狀

在磁性材料及電控技術(shù)的快速發(fā)展下，電機式電磁懸架成為懸架發(fā)展的方向。20世紀(jì)90年代美國德克薩斯大學(xué)電機中心 Beno等人已開發(fā)一款新型電控懸架，并應(yīng)用于美國機動車輛上，該作動器采用旋轉(zhuǎn)電機與齒輪齒條結(jié)合實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與直線運動的轉(zhuǎn)換與力矩的傳遞。

東京大學(xué) Suda等[7]人對滾珠絲桿類電磁作動器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。針對等效慣量大及結(jié)構(gòu)沖擊等問題，對作動器進行了深入的理論研究，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于道路試驗，驗證了該系統(tǒng)的有效性。

國內(nèi)上海交通大學(xué)喻凡[8]等人基于某款乘用車研制一款滾珠絲桿式電磁懸架作動器，對懸架系統(tǒng)的性能改善和回收能量特性進行深入的理論研究,研究表明該懸架系統(tǒng)用于實車上有助于改善車輛的平順性與舒適性。

重慶大學(xué)鄧兆祥等人[9]設(shè)計了如感應(yīng)直線式懸架作動器，探討了作動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)如氣隙厚度、同層厚度及繞組等尺寸對電磁力的影響，利用樣機進行了臺架試驗。

荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)Bart L. J. Gysen等人[10]基于設(shè)計一種基于整數(shù)槽三相繞組永磁電磁直線式懸架作動器，在體積、質(zhì)量、溫度等條件約束下比較了永磁內(nèi)排列、外排列輸出電磁力的大小。

謝菲爾德大學(xué)Jiabin Wang等人[11]對主動懸架的永磁直線作動器永磁體排列進行了深入理論分析、推導(dǎo)了各類永磁直線電機磁路分析公式并建立了電磁懸架作動器仿真模型，并對永磁體尺寸進行了優(yōu)化，以提高作動器的推力密度。

研究表明電機式主動懸架具有較大的開發(fā)潛力，同時電機式主動懸架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減小控制力波動、降低滑移率與提高懸架可靠性還需進一步研究與完善。

4 電磁懸架振動能量回收研究現(xiàn)狀

為保證電磁主動懸架持續(xù)工作，同時減少能量浪費，增加器件的工作性能和使用壽命，能量回饋是電磁主動懸架系統(tǒng)的需要研究的主要課題。

自20世紀(jì)70年代，學(xué)者們開始從理論上研究車輛懸架的振動能量和回收的可行性。Goldner[12]等對電磁懸架的饋能能力進行了一些基礎(chǔ)研究和評估。研究指出，對于2500lb的車輛，以 45km/h的速度行駛在普通高速路上，四支減振器可產(chǎn)生大約7500W的電能。

Abouelnour[13]等對基于 1/4車輛模型的電磁懸架的能量回收進行了研究，研究表明車輛以 56km/h的速度行駛時，一支減振器可以產(chǎn)生大約150W的能量。

Li[14]等人采用了相同的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了能量的回收，在車速48km/h普通路面下能夠回收最大功率為68W和平均功率為19W的電能。

Zuo[15]等設(shè)計并測試了一款車用電磁減振器，測試結(jié)果表明在懸架簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量相對速度均方根值為0.25-0.5m/s的情況下，一支電磁減振器可反饋16-64W的能量。

Li等[16]人研究了饋能懸架的饋能特性，還分析了不同頻率及振幅下作動器的反向電磁力特性，表明作動器在發(fā)電的同時能夠產(chǎn)生電磁阻尼力，可以實現(xiàn)饋能懸架的減振。

研究表明電磁主動懸架在能量回收方面具有廣闊的前景，可滿足電磁主動懸架的自供應(yīng)需求。

5 結(jié)論

針對電磁主動懸架近年來研究狀況及發(fā)展趨勢進行回顧，對各類電磁懸架進行了分類總結(jié)，分析各類懸架的核心問題及發(fā)展方向。結(jié)果顯示，電機式主動懸架為主動懸架實現(xiàn)的主要研究對象，并對其饋能特性進行深入的探討與研究。隨著電磁、電控等技術(shù)的快速發(fā)展，電機式主動懸架將成為電磁懸架實現(xiàn)的主要途徑。