電磁饋能懸架作動器設計

鄒一楠

電磁饋能懸架作動器設計

鄒一楠

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

為了實現(xiàn)電磁饋能懸架減振與能量回收的目的，將永磁直線電機作為懸架的作動器。以傳統(tǒng)筒式減振器為試驗對象，設計了一種圓筒型直線式作動器，對作動器各部分結(jié)構(gòu)尺寸進行了設計，并對作動器進行了仿真分析。結(jié)果表明：設計的永磁直線作動器電磁力在均值為330N，磁場分布均勻，滿足作動器設計要求。

饋能懸架；直線電機；作動器；電磁力

前言

隨著電磁饋能懸架研究的深入，作為懸架核心部件之一的作動器，其性能的好壞對懸架系統(tǒng)乃至整車的性能都有著重要的影響，因此對作動器的研究非常重要。在作動器的設計中，國內(nèi)有的學者設計了齒輪齒條式作動和滾珠絲桿式作動器[1-2]，本文以傳統(tǒng)減振器性能為目標，設計了一種直線式作動器，和其他類型作動器相比，直線式作動器具有控制精度高，能力回收效率高，結(jié)構(gòu)簡單，無需潤滑等優(yōu)勢。

1 作動器結(jié)構(gòu)設計

1.1 作動器結(jié)構(gòu)與原理

由圖1可知，直線作動器由永磁體、繞組線圈、初級鐵芯和次級鐵芯組成。在初級三相繞組中通入對稱的三相電流后，三相繞組中的電流會在氣隙中產(chǎn)生沿軸向直線運動的行波磁場，行波磁場和次級永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場相互作用就產(chǎn)生了磁拉力。在此拉力作用下，若次級保持固定不動時，則初級便會進行直線運動，其方向與行波磁場運動的方向相反。作動器的速度與電源頻率保持同步，可以由電源的頻率來控制。初級運動的速度等于同步速度=2，當初級線圈中的三相電流相序改變時，氣隙中產(chǎn)生的行波磁場方向也隨之改變，此時初級的運動方向也會發(fā)生改變[3]。

圖1 作動器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 作動器的設計要求

本文中作動器以傳統(tǒng)圓筒型減振器為試驗對象，懸架主要結(jié)構(gòu)尺寸可參照中華人民共和國汽車行業(yè)標準QC/T491- 1999《汽車筒式減震器尺寸系列及技術(shù)條件》，工作缸直徑確定為D=50mm，由工作缸直徑確定減振器外徑D1=90mm，基長L=126mm，行程S=180mm。初級運動速度可以參考傳統(tǒng)液壓減振器運動速度，汽車以60km/h每小時的速度運行與普通路面時，懸架相對運動速度為0.3m/s，該速度下作動器所需電磁推力約為350N。具體要求如表1所示。

表1 作動器設計要求

1.3 作動器結(jié)構(gòu)設計

作動器結(jié)構(gòu)設計主要包括極槽數(shù)匹配和繞組設計。

對于槽極數(shù)的選擇，研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)值上較為接近且互為質(zhì)數(shù)的槽極數(shù)電機能有效減小推力波動，且分數(shù)槽電機比整數(shù)槽電機的推力波動更小[4]。本文選擇12槽11極分數(shù)槽的極槽數(shù)配合。

對于繞組的設計，電機繞組主要由單層繞組和雙層繞組兩種。雙層繞組中的電動勢的分布效應比單層繞組要大，繞組的分布系數(shù)較低，總的繞組系數(shù)也較低。而且，相比于雙層繞組，單層繞組通常有較多的電樞反應磁動勢諧波，容易產(chǎn)生較大的振動和噪聲，并引起動子鐵損增加[5]。綜上所述，選擇雙層繞組。其繞組排列如表2所示。

表2 12槽11極雙層繞組排列規(guī)律

1.4 作動器尺寸設計

作動器尺寸設計主要包括初級長度、次級長度、氣隙長度、初級外半徑、次級外半徑、齒槽結(jié)構(gòu)尺寸和永磁體尺寸。

本文選擇長次級短初級結(jié)構(gòu)。由作動器設計要求確定初級和次級長度以及外半徑。在確定初級長度時，為保證端部力最小，初級長度與極距應滿足以下關系式：

其中：1為初級長度，為極距，為任意正整數(shù)。

齒槽結(jié)構(gòu)一般為半閉口槽和開口槽，半閉口槽槽口小，對氣隙磁場的影響小，本文選擇半閉口槽。齒槽尺寸包括齒寬、齒槽寬、槽口寬和齒軛高度。齒寬和齒軛高度可以由下列公式計算得到：

其中：B為齒磁密，通常可選為1.4-1.6T；K為鐵芯沖片的疊壓系數(shù)，通常取0.95；B為軛磁密，可與齒磁密的選取一致；B為氣隙磁通密度最大值；為電機的齒距。

永磁體尺寸主要包括永磁體的軸向長度和永磁體徑向長度。本文采用軸向沖磁方式，永磁體軸向長度預估公式如下：

其中：h為永磁體軸向長度，為氣隙長度，0是永磁體空載漏磁系數(shù)，反映了永磁體的利用率；K是電動機飽和系數(shù)；

結(jié)合上述研究，作動器具體尺寸如表3所示。

表3 作動器具體尺寸 mm

2 仿真結(jié)果分析

圖2 12/11作動器有限元模型

根據(jù)上述作動器結(jié)構(gòu)尺寸在ansoft中建立12槽11極雙層繞組1/2模型。其中鐵芯選用鐵芯損耗較小的DW360-50硅鋼片疊制而成；永磁體采用NdFe30的硅鋼片。圖2為所建有限元模型。

對上述有限元模型進行瞬態(tài)分析。設定作動器同步速度為0.3m/s，峰值電流為9A，輸入三相交流電：

圖3為作動器磁力線分布圖，選取作動器0.016s時刻磁力線分布情況。由圖可知，作動器磁力線整體分布情況較為均勻，在初級鐵心外的求解域范圍幾乎沒有磁力線溢出情況，磁力線主要集中在齒槽的齒槽高部分，在電流激勵與磁場的共同作用下，推動次級相對于初級向上運動。

圖3 12/11作動器磁力線分布

圖4 作動器磁場分布云圖

圖4為作動器磁場分布云圖，選取作動器在0.016s時刻磁感應強度分布情況。由圖可知，作動器運行到0.016s時刻，其磁場分布情況與磁力線分布情況一致，磁感應強度主要集中在初級鐵心區(qū)域，其中初級齒槽的最大磁通密度可達1.9T，說明此區(qū)域為作動器內(nèi)部主要受力部分，在齒端部拐角處磁感應強度最大能達到2.3T，說明作動器在運行過程中齒端部受到很大的作用力。

圖5為作動器電磁推力曲線圖。由圖可知，在電流激勵的作用下，作動器輸出的電磁推力均值為330N，最大值為579N，最小值為111N，電磁推力基本滿足設計要求，但波動較大，需要進一步進行優(yōu)化。

圖5 作動器電磁推力曲線圖

3 結(jié)論

對電磁饋能懸架的作動器進行了設計與研究。

（1）選定了作動器的類型，以傳統(tǒng)圓筒型減振器為研究對象，確定設計要求，然后通過理論計算對作動器具體尺寸進行了設計。

（2）通過有限元仿真，分析了所設計作動器的磁場分布和電磁力曲線。磁力線分布均勻，幾乎沒有磁力線溢出，磁場分布與磁力線分布一致；電磁力均值滿足設計要求，驗證了所設計的作動器的正確性。

[1] 彭虎,張進秋,張建,韓朝帥,王輝.饋能式電磁作動器設計及特性試驗研究[J].機械傳動,2018,42(11):127-131+136.

[2] 曹民,劉為,喻凡.車輛主動懸架用電機作動器的研制[J].機械工程學報,2008,44(11):224-228.

[3] 任全.車輛直線電機式主動懸架作動器研究[D].西安科技大學, 2018.

[4] 黃文美,楊帥,宋桂英.永磁直線電動機削弱齒槽力的槽極數(shù)配合分析[J].微特電機,2012,40(04):4-6.

[5] 楊岳.低速大推力分數(shù)槽繞組圓筒型永磁直線電機設計與優(yōu)化[D].哈爾濱理工大學,2019.

Design of Electromagnetic Feeder Suspension Actuator

Zou Yinan

( Shenyang Ligong University, Liaoning Shenyang 110159 )

In order to achieve the purpose of vibration reduction and energy recovery of electromagnetic feed energy suspension, permanent magnet linear motor is used as the actuator of suspension. Based on the traditional cylinder shock absorber, a cylindrical linear actuator is designed. The structural dimensions of each part of the actuator are designed and simulated. Experimental results show that the electromagnetic force of the designed permanent magnet linear actuator is uniformly distributed N, the mean value is 320, which meets the design requirements of the actuator.

Energy-regenerative suspension; Linear motor; Actuator; Electromagnetic force

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.014

U463.3

A

1671-7988(2021)03-48-03

U463.3

A

1671-7988(2021)03-48-03

鄒一楠，碩士，就讀于沈陽理工大學，研究方向：車輛現(xiàn)代設計與制造技術(shù)。