楊 超，李以農(nóng)，鐘銀輝，胡一明，鄭 玲

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044； 2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院，重慶 400044)

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2015179

主動(dòng)懸架用直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析*

楊 超1,2，李以農(nóng)1,2，鐘銀輝2，胡一明2，鄭 玲1,2

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044； 2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院，重慶 400044)

針對(duì)現(xiàn)有主動(dòng)懸架作動(dòng)器存在能耗大、功率密度低等不足，設(shè)計(jì)了一款電磁力大而波動(dòng)小的永磁直線作動(dòng)器。運(yùn)用基于圓柱坐標(biāo)標(biāo)量磁位的分離變量法對(duì)作動(dòng)器氣隙徑向磁場(chǎng)進(jìn)行解析，驗(yàn)證了所建的有限元模型。研究作動(dòng)器電磁力及其波動(dòng)特性，并用波動(dòng)比評(píng)價(jià)其波動(dòng)特性。結(jié)果顯示：電磁力與輸入電壓和運(yùn)行速度有密切關(guān)系；電磁力的波動(dòng)隨電磁力上升而增大，但波動(dòng)比降低并逐漸穩(wěn)定于6.8%左右。通過作動(dòng)器電磁力計(jì)算并和被動(dòng)減振器阻尼力測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，表明所設(shè)計(jì)的的電磁作動(dòng)器能夠滿足懸架對(duì)阻尼力的要求。

主動(dòng)懸架；電磁直線作動(dòng)器；電磁力及其波動(dòng)

前言

傳統(tǒng)被動(dòng)懸架只能在滿足平順性和操縱穩(wěn)定性的矛盾中進(jìn)行折衷，無法達(dá)到懸架控制的理想目標(biāo)。主動(dòng)懸架系統(tǒng)通過控制調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼力，突破傳統(tǒng)被動(dòng)懸架的局限，使汽車懸架特性與道路狀況和行駛狀態(tài)相適應(yīng)，從而滿足汽車平順性和操縱穩(wěn)定性的要求，逐漸成為懸架發(fā)展的新方向。目前針對(duì)主動(dòng)懸架的研究主要集中于懸架系統(tǒng)的建模和控制算法的研究[1-4]。而作為車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)的核心部件之一的作動(dòng)器，其性能的好壞對(duì)懸架系統(tǒng)甚至整車性能都有重要影響，因此對(duì)作動(dòng)器本體的深入研究不容忽視。通過查閱國內(nèi)外大量文獻(xiàn)可知，目前針對(duì)車輛開發(fā)的主動(dòng)懸架作動(dòng)器大致可分為氣-液式主動(dòng)懸架系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)直線式主動(dòng)懸架系統(tǒng)、磁懸浮式主動(dòng)懸架系統(tǒng)和電磁直線式主動(dòng)懸架系統(tǒng)等幾大類[5]。

氣-液式主動(dòng)懸架主要由壓力缸和壓力閥構(gòu)成，雖然已經(jīng)開始商業(yè)應(yīng)用，但存在效率低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量消耗大、能量回收困難和污染環(huán)境等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]～文獻(xiàn)[8]中運(yùn)用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)的方式設(shè)計(jì)可變阻尼減振器，此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，功率密度低；文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中基于磁懸浮理論，設(shè)計(jì)了新型主動(dòng)懸架作動(dòng)器。

針對(duì)上述主動(dòng)懸架的不足，文獻(xiàn)[11]中研制了一種兩相的軸向充磁的圓筒型永磁直線直流作動(dòng)器；文獻(xiàn)[12]中采用磁極外置，無槽結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了三相永磁同步直線作動(dòng)器，并在測(cè)試中取得良好效果。文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]中應(yīng)用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了新型感應(yīng)作動(dòng)器，該作動(dòng)器與永磁作動(dòng)器相比結(jié)構(gòu)簡單，成本低。文獻(xiàn)[15]中基于開關(guān)磁阻電機(jī)原理設(shè)計(jì)出一款磁阻式電磁直線作動(dòng)器，該作動(dòng)器結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。

現(xiàn)階段所研制的主動(dòng)懸架能耗大，功率密度較低，且沒有針對(duì)電磁力波動(dòng)的研究。電磁力的波動(dòng)不僅直接影響到阻尼力的精確控制，而且對(duì)整車舒適性和安全性造成影響。本文中采用綜合評(píng)分法選定作動(dòng)器類型。針對(duì)作動(dòng)器本體設(shè)計(jì)，以高電磁力及其低的波動(dòng)為目標(biāo)，采用分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型永磁直線作動(dòng)器，分析不同激勵(lì)和速度下電磁力及其波動(dòng)特性，并用波動(dòng)比評(píng)價(jià)作動(dòng)器。

1 作動(dòng)器選型

目前電磁作動(dòng)器主要有感應(yīng)作動(dòng)器、永磁作動(dòng)器和磁阻作動(dòng)器。感應(yīng)作動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低，推力平穩(wěn)，但機(jī)體發(fā)熱嚴(yán)重，效率和功率密度低，體積較大；永磁作動(dòng)器能量損耗較小，效率和功率密度高，但永磁體較昂貴，而且在高溫環(huán)境下產(chǎn)生退磁；磁阻作動(dòng)器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，散熱性好，成本低，易于控制，但在效率和功率密度方面遜于永磁作動(dòng)器，與感應(yīng)作動(dòng)器相當(dāng)，而且推力波動(dòng)和噪聲較為嚴(yán)重。

對(duì)于電動(dòng)汽車，作動(dòng)器功率密度直接影響電磁力能否滿足阻尼力要求，效率則影響電動(dòng)汽車的電能消耗，影響電動(dòng)汽車行駛里程，此兩項(xiàng)為選型首要考慮的因素；同時(shí)主動(dòng)懸架響應(yīng)速度影響車輛的操穩(wěn)性和安全性，惡劣的工作環(huán)境要求作動(dòng)器必須具有高可靠性；此外，電磁作動(dòng)器輸出力存在波動(dòng)，直接影響電磁力穩(wěn)定輸出與控制精確。所以本文中重點(diǎn)考慮了3種作動(dòng)器在功率密度、效率、電磁力波動(dòng)、響應(yīng)時(shí)間和可靠性5個(gè)方面的特性，采用未加權(quán)綜合評(píng)價(jià)方法[16]對(duì)作動(dòng)器每項(xiàng)特性進(jìn)行評(píng)分(最高為5分)，結(jié)果如表1所示。

表1 作動(dòng)器性能對(duì)比

對(duì)表1中5項(xiàng)性能評(píng)分求和：感應(yīng)作動(dòng)器21分，永磁作動(dòng)器24分，磁阻作動(dòng)器20分。最終采用總分最高的永磁作動(dòng)器作為主動(dòng)懸架主體。

2 作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中對(duì)主動(dòng)懸架作動(dòng)器的設(shè)計(jì)以某目標(biāo)車被動(dòng)懸架減振器為設(shè)計(jì)目標(biāo)，具體減振器結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)如表2和表3所示。

表3 減振器性能參數(shù)

電磁作動(dòng)器采用圓筒形結(jié)構(gòu)，主要由初級(jí)和次級(jí)磁鋼、三相繞組、永磁體和磁極支撐軸構(gòu)成，如圖1所示。

當(dāng)初級(jí)磁鋼內(nèi)的繞組通入三相交流電時(shí)，在直線運(yùn)動(dòng)方向?qū)a(chǎn)生正弦分布的氣隙磁場(chǎng)。三相電流隨時(shí)間變化，氣隙磁場(chǎng)變?yōu)檠刂本€運(yùn)動(dòng)的行波磁場(chǎng)。次級(jí)永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁拉力。

為滿足作動(dòng)器行程以及便于在試驗(yàn)車上的安裝，對(duì)作動(dòng)器的外形尺寸進(jìn)行限制：動(dòng)子長度不超過25cm；考慮到作動(dòng)器傳感器及動(dòng)、定子軸承等外圍部件的安裝，動(dòng)子鐵芯長度不超過20cm；初級(jí)外徑不超過90mm。文獻(xiàn)[17]中對(duì)圓筒形直線電機(jī)初級(jí)外徑和次級(jí)外徑比值做了研究，得出最優(yōu)比值為0.55。本文中考慮到槽型設(shè)計(jì)及繞組的安裝，選擇次級(jí)外徑和初級(jí)外徑比值為0.5。槽型選擇平底槽，氣隙長度選擇為1mm，槽口長度為3mm，槽寬取值為12mm，槽數(shù)選用12槽，匹配的磁極對(duì)數(shù)如表4所示。

表4 作動(dòng)器極槽匹配

可以看出，12槽對(duì)應(yīng)8極、10極、14極和16極(2p)。不同極槽匹配具有不同繞組系數(shù)，直接影響作動(dòng)器性能。文獻(xiàn)[18]中分析了不同極槽匹配的繞組系數(shù)，指出12槽10極、12槽14極具有較高的繞組系數(shù)。文獻(xiàn)[19]中在極槽匹配研究中指出，相同槽數(shù)的作動(dòng)器適宜選擇極數(shù)較大的方案，以減少齒部鐵損和降低推力波動(dòng)，因此該作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三相12槽14極結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表5所示。

根據(jù)上述作動(dòng)器結(jié)構(gòu)尺寸在ansoft中建立12槽14極雙層繞組1/2有限元模型，其中定子和動(dòng)子磁鋼選用鐵芯損耗較小的型號(hào)為DW465的硅鋼片疊制而成；永磁體采用型號(hào)為NdFe30的硅鋼片，剩余磁通密度為1.1T，矯頑力為875kA/m。圖2為所建有限元模型，圖3為磁力線分布。

表5 作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 作動(dòng)器磁場(chǎng)解析計(jì)算

基于標(biāo)量磁位分離法[20]，計(jì)算作動(dòng)器氣隙磁場(chǎng)分布，12槽14極徑向充磁圓筒型永磁直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，g為氣隙長度，Rs為線圈外半徑，Rm為磁極外半徑，Rr為軸半徑，hw為線圈厚度，hm為永磁體的厚度，τm為永磁體長度，b0為槽口寬度。

假設(shè)磁體表面為等磁位面，并設(shè)外殼定子磁位為零，則在動(dòng)子外表面(r=Rm)處，一對(duì)磁極的磁動(dòng)勢(shì)F(z)分布為

(1)

式中z為軸向長度。磁動(dòng)勢(shì)分布如圖5所示，對(duì)于永磁體，F(xiàn)0=Br/μrhm，剩磁Br=1.1T，相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1.04。

將圖5的方波磁位展成傅里葉級(jí)數(shù)：

(2)

其中：

式中：τp為極距，本文中極弧系數(shù)αp(定義為τm/τp)取為1，故τp=τm。氣隙磁場(chǎng)中標(biāo)量磁位滿足拉普拉斯方程：

(3)

定解的邊界條件為

采用分離變量法，可解得

(4)

其中：

γ1=I0(mRs)K0(mRm)-I0(mRm)K0(mRs)

γ2=I0(mRs)K0(mr)-I0(mr)K0(mRs)

式中：I0(·)和K0(·)分別為第1類和第2類0階變形貝塞爾函數(shù)。

由Br(r,z)=-μ0dφ(r,z)/dr，可得氣隙中徑向磁通密度Br(r,z)計(jì)算公式為

(5)

其中：

γ3(r)=I0(mRs)K1(mr)+I1(mr)K0(mRs)

式中：I1(·)和K1(·)分別是第1類和第2類1階變形貝塞爾函數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7N/A2。

本文中所設(shè)計(jì)的作動(dòng)器為開槽結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮開槽對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響，這里引入卡特系數(shù)Kc：

其中：g′=g+hm/μr

式中：τt為槽距；γ為開槽系數(shù)。

因此，有效氣隙ge和等效電樞半徑Rie分別為

ge=g+(Kc-1)g′

Rie=Rm+ge

在電樞內(nèi)徑上磁通徑向分量Bar(z)為

(6)

式中Bar是用有效氣隙ge計(jì)算的徑向磁通密度。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，電樞內(nèi)徑徑向磁通密度理論計(jì)算值和有限元(FEA)仿真值基本接近，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。

4 作動(dòng)器電磁力及波動(dòng)特性研究

4.1 電磁力分析

電磁力是評(píng)價(jià)作動(dòng)器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)作動(dòng)器的設(shè)計(jì)盡量滿足小體積出大力的特點(diǎn)，提高作動(dòng)器的功率密度。對(duì)上述有限元模型進(jìn)行電磁力瞬態(tài)分析。設(shè)定作動(dòng)器的同步速度為0.4m/s，峰值電壓為40V，輸入三相交流電：

A相：UAmaxsin(ωt-2π/3+φ)

(7)

B相：UBmaxsin(ωt+φ)

(8)

C相：UCmaxsin(ωt+2π/3+φ)

(9)

式中：ω=2πf；φ為初相位角。計(jì)算時(shí)間為0.3s，Z軸電磁力計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

從圖7可見，作動(dòng)器電磁力峰值為412N，經(jīng)過50ms后在平均值342N附近上下波動(dòng)，波動(dòng)幅值為45N?？梢钥闯?，電磁力在電壓激勵(lì)下并不是穩(wěn)定輸出值，而是存在一定的波動(dòng)。這主要是作動(dòng)器在運(yùn)行過程中，一方面定子磁動(dòng)勢(shì)與動(dòng)子磁場(chǎng)諧波相互作用產(chǎn)生波紋推力，另一方面由于作動(dòng)器采用開槽結(jié)構(gòu)形成齒槽效應(yīng)，產(chǎn)生齒槽力。兩種波動(dòng)力的匯集造成電磁力周期性上下波動(dòng)。

電磁作動(dòng)器可以通過改變輸入電壓的大小控制電磁力的輸出，從而提供懸架的主動(dòng)控制力。分析不同電壓下電磁力變化規(guī)律。計(jì)算峰值電壓20～200V的瞬態(tài)電磁力，同樣設(shè)置作動(dòng)器同步速度為0.4m/s，計(jì)算時(shí)間為0.3s，基于電磁力存在波動(dòng)，本文中取電磁力平均值作為實(shí)際電磁力F。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

從圖8可見，作動(dòng)器電磁力隨電壓升高而逐漸增大，200V電壓對(duì)應(yīng)的電磁力達(dá)到1 540N。當(dāng)電壓值小于80V時(shí)，電磁力隨電壓成一定的線性變化，斜率為12N/V。隨著電壓的升高，斜率逐漸變小，變化趨勢(shì)逐漸變緩，主要是由于電壓升高，繞組電流增大，定子齒和齒根部分磁場(chǎng)密度逐漸接近飽和，因此電磁力不隨電流的升高成線性增大。

4.2 電磁力的波動(dòng)分析

電磁力的波動(dòng)直接影響電磁力穩(wěn)定輸出和精確控制，是作動(dòng)器又一評(píng)價(jià)指標(biāo)。直線作動(dòng)器由于特殊的結(jié)構(gòu)，電磁力的波動(dòng)尤為嚴(yán)重，且波動(dòng)幅度與作動(dòng)器結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，其中極槽比直接影響作動(dòng)器的波動(dòng)特性。對(duì)本文中所設(shè)計(jì)的12槽14極作動(dòng)器電磁力進(jìn)行波動(dòng)分析?；诩虞d電壓20～200V的電磁力瞬態(tài)分析結(jié)果，選擇電磁力最大值和平均值之差作為波動(dòng)值，記為Fr，計(jì)算電磁力波動(dòng)值隨電磁力的變化，如圖9所示。

從圖9可見，電磁力的波動(dòng)隨著電磁力的升高而逐漸升高，其中電磁力在800～1 540N區(qū)間時(shí)上升趨勢(shì)明顯高于在0～800N區(qū)間。采用波動(dòng)比λ來評(píng)價(jià)電磁力的波動(dòng)特性，定義為

(10)

根據(jù)電磁力及其波動(dòng)值的計(jì)算結(jié)果，分析作動(dòng)器波動(dòng)比，如表6所示。

表6 作動(dòng)器電磁力波動(dòng)比

可以看出，當(dāng)電壓處于較低值時(shí)，由于電磁力較小，其波動(dòng)值也較小，但波動(dòng)比較大。隨著電壓的升高，電磁力及其波動(dòng)值均升高，而波動(dòng)比下降并穩(wěn)定于6.8%左右。可以得出：電磁力較小時(shí)比電磁力較大時(shí)波動(dòng)嚴(yán)重。

5 變速工況下作動(dòng)器電磁力分析

懸架工作過程中速度和阻尼力時(shí)刻變化，因此須對(duì)電磁作動(dòng)器進(jìn)行變速工況下性能分析。設(shè)置峰值電壓為80V，計(jì)算作動(dòng)器在速度0～0.6m/s情況下作動(dòng)力隨速度的變化。計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

從圖10可見，在電壓一定的情況下，隨著運(yùn)行速度的升高，電磁力逐漸下降。這是由于輸入電壓一定時(shí)，隨著作動(dòng)器速度變大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電感分配的電壓變大，線圈繞組電壓變??；電阻一定時(shí)，作動(dòng)器輸入的能量較小，因此作動(dòng)力較小。

本文中設(shè)計(jì)主動(dòng)懸架作動(dòng)器應(yīng)當(dāng)滿足被動(dòng)減振器性能要求，結(jié)合被動(dòng)減振器阻尼力測(cè)試值(表3)，計(jì)算作動(dòng)器在模擬被動(dòng)懸架不同速度(阻尼力隨之不同)情況下的電磁力和電壓與電流，如表7所示。圖11為被動(dòng)減振器測(cè)試值和作動(dòng)器電磁力分析值對(duì)比。

表7 作動(dòng)器電磁力計(jì)算

6 結(jié)論

對(duì)電磁直線作動(dòng)器作為主動(dòng)懸架的本體設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，綜合評(píng)判了多種類型作動(dòng)器的性能，選定了作動(dòng)器類型，并對(duì)作動(dòng)器電磁力及波動(dòng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了新型直線永磁作動(dòng)器，所得結(jié)論如下。

(1) 針對(duì)永磁作動(dòng)器、感應(yīng)作動(dòng)器和磁阻作動(dòng)器不同特性，通過功率密度、電磁力波動(dòng)、效率、可靠性、響應(yīng)時(shí)間等方面綜合評(píng)價(jià)分析，表明了永磁作動(dòng)器最符合電磁懸架主體設(shè)計(jì)要求。

(2) 通過作動(dòng)器氣隙磁場(chǎng)徑向磁通密度解析計(jì)算并與有限元模型結(jié)果對(duì)比，表明了所設(shè)計(jì)的作動(dòng)器結(jié)構(gòu)及有限元模型的正確性。

(3) 通過對(duì)不同加載電壓下電磁力的特性分析，結(jié)果顯示：作動(dòng)器電磁力存在一定的周期波動(dòng)；當(dāng)電壓小于80V時(shí)，電磁力隨電壓成線性變化，電壓升高，電磁力增加變緩；電磁力的波動(dòng)隨電磁力而上升，但波動(dòng)比下降并穩(wěn)定于6.8%左右。同時(shí)，分析了變速工況下作動(dòng)器電磁力特性，結(jié)果表明：相同加載電壓下，速度增大電磁力變小。最后通過電磁力計(jì)算并與被動(dòng)減振器測(cè)試對(duì)比，結(jié)果顯示：所設(shè)計(jì)的作動(dòng)器能夠滿足懸架阻尼力要求。

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Structure Design and Performance Analysis of Linear Actuator for Active Suspension

Yang Chao1,2, Li Yinong1,2, Zhong Yinhui2, Hu Yiming2& Zheng Ling1,2

1.ChongqingUniversity,StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,Chongqing400044；2.CollegeofAutomotiveEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044

In view of the high energy consumption and low power density of active suspension actuator, a type of permanent magnet linear actuator with high electromagnetic thrust and low ripple is designed. An analytical analysis is conducted on the radial magnetic field of air gap in actuator by using separated variable method based on the scalar quantity magnet in cylindrical coordinate, with its FE model built verified. The characteristics of actuator are studied in terms of electromagnetic thrust and its fluctuation with a concept of ripple ratio introduced. The results show that electromagnetic thrust has a close relationship with input voltage and operation speed, and with the rise in electromagnetic thrust, its fluctuation increases, but the ripple ratio reduces and tends to stabilize to around 6.8%. The results of the calculation of actuator electromagnetic thrust and its comparison with the damping force measured in passive shock absorber indicate that the electromagnetic actuator designed meets the requirements of suspension damping force.

active suspension; electromagnetic linear actuator; electromagnetic thrust and its fluctuation

*國家自然科學(xué)基金(51275541)和重慶市自然科學(xué)基金(cstc2013jjB0022)資助。

原稿收到日期為2013年10月10日，修改稿收到日期為2014年5月6日。