鄒一楠

電磁饋能懸架作動(dòng)器設(shè)計(jì)

鄒一楠

（沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

為了實(shí)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(jī)作為懸架的作動(dòng)器。以傳統(tǒng)筒式減振器為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種圓筒型直線式作動(dòng)器，對(duì)作動(dòng)器各部分結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)作動(dòng)器進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的永磁直線作動(dòng)器電磁力在均值為330N，磁場(chǎng)分布均勻，滿足作動(dòng)器設(shè)計(jì)要求。

饋能懸架；直線電機(jī)；作動(dòng)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(dòng)器，其性能的好壞對(duì)懸架系統(tǒng)乃至整車的性能都有著重要的影響，因此對(duì)作動(dòng)器的研究非常重要。在作動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，國(guó)內(nèi)有的學(xué)者設(shè)計(jì)了齒輪齒條式作動(dòng)和滾珠絲桿式作動(dòng)器[1-2]，本文以傳統(tǒng)減振器性能為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種直線式作動(dòng)器，和其他類型作動(dòng)器相比，直線式作動(dòng)器具有控制精度高，能力回收效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需潤(rùn)滑等優(yōu)勢(shì)。

1 作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 作動(dòng)器結(jié)構(gòu)與原理

由圖1可知，直線作動(dòng)器由永磁體、繞組線圈、初級(jí)鐵芯和次級(jí)鐵芯組成。在初級(jí)三相繞組中通入對(duì)稱的三相電流后，三相繞組中的電流會(huì)在氣隙中產(chǎn)生沿軸向直線運(yùn)動(dòng)的行波磁場(chǎng)，行波磁場(chǎng)和次級(jí)永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用就產(chǎn)生了磁拉力。在此拉力作用下，若次級(jí)保持固定不動(dòng)時(shí)，則初級(jí)便會(huì)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，其方向與行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向相反。作動(dòng)器的速度與電源頻率保持同步，可以由電源的頻率來(lái)控制。初級(jí)運(yùn)動(dòng)的速度等于同步速度=2，當(dāng)初級(jí)線圈中的三相電流相序改變時(shí)，氣隙中產(chǎn)生的行波磁場(chǎng)方向也隨之改變，此時(shí)初級(jí)的運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)發(fā)生改變[3]。

圖1 作動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 作動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求

本文中作動(dòng)器以傳統(tǒng)圓筒型減振器為試驗(yàn)對(duì)象，懸架主要結(jié)構(gòu)尺寸可參照中華人民共和國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)L=126mm，行程S=180mm。初級(jí)運(yùn)動(dòng)速度可以參考傳統(tǒng)液壓減振器運(yùn)動(dòng)速度，汽車以60km/h每小時(shí)的速度運(yùn)行與普通路面時(shí)，懸架相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0.3m/s，該速度下作動(dòng)器所需電磁推力約為350N。具體要求如表1所示。

表1 作動(dòng)器設(shè)計(jì)要求

1.3 作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括極槽數(shù)匹配和繞組設(shè)計(jì)。

對(duì)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(jī)能有效減小推力波動(dòng)，且分?jǐn)?shù)槽電機(jī)比整數(shù)槽電機(jī)的推力波動(dòng)更小[4]。本文選擇12槽11極分?jǐn)?shù)槽的極槽數(shù)配合。

對(duì)于繞組的設(shè)計(jì)，電機(jī)繞組主要由單層繞組和雙層繞組兩種。雙層繞組中的電動(dòng)勢(shì)的分布效應(yīng)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(yīng)磁動(dòng)勢(shì)諧波，容易產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲，并引起動(dòng)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(dòng)器尺寸設(shè)計(jì)

作動(dòng)器尺寸設(shè)計(jì)主要包括初級(jí)長(zhǎng)度、次級(jí)長(zhǎng)度、氣隙長(zhǎng)度、初級(jí)外半徑、次級(jí)外半徑、齒槽結(jié)構(gòu)尺寸和永磁體尺寸。

本文選擇長(zhǎng)次級(jí)短初級(jí)結(jié)構(gòu)。由作動(dòng)器設(shè)計(jì)要求確定初級(jí)和次級(jí)長(zhǎng)度以及外半徑。在確定初級(jí)長(zhǎng)度時(shí)，為保證端部力最小，初級(jí)長(zhǎng)度與極距應(yīng)滿足以下關(guān)系式：

其中：1為初級(jí)長(zhǎng)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(kāi)口槽，半閉口槽槽口小，對(duì)氣隙磁場(chǎng)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(jì)算得到：

其中：B為齒磁密，通?？蛇x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(jī)的齒距。

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

其中：h為永磁體軸向長(zhǎng)度，為氣隙長(zhǎng)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(dòng)機(jī)飽和系數(shù)；

結(jié)合上述研究，作動(dòng)器具體尺寸如表3所示。

表3 作動(dòng)器具體尺寸 mm

2 仿真結(jié)果分析

圖2 12/11作動(dòng)器有限元模型

根據(jù)上述作動(dòng)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(duì)上述有限元模型進(jìn)行瞬態(tài)分析。設(shè)定作動(dòng)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(dòng)器磁力線分布圖，選取作動(dòng)器0.016s時(shí)刻磁力線分布情況。由圖可知，作動(dòng)器磁力線整體分布情況較為均勻，在初級(jí)鐵心外的求解域范圍幾乎沒(méi)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(lì)與磁場(chǎng)的共同作用下，推動(dòng)次級(jí)相對(duì)于初級(jí)向上運(yùn)動(dòng)。

圖3 12/11作動(dòng)器磁力線分布

圖4 作動(dòng)器磁場(chǎng)分布云圖

圖4為作動(dòng)器磁場(chǎng)分布云圖，選取作動(dòng)器在0.016s時(shí)刻磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況。由圖可知，作動(dòng)器運(yùn)行到0.016s時(shí)刻，其磁場(chǎng)分布情況與磁力線分布情況一致，磁感應(yīng)強(qiáng)度主要集中在初級(jí)鐵心區(qū)域，其中初級(jí)齒槽的最大磁通密度可達(dá)1.9T，說(shuō)明此區(qū)域?yàn)樽鲃?dòng)器內(nèi)部主要受力部分，在齒端部拐角處磁感應(yīng)強(qiáng)度最大能達(dá)到2.3T，說(shuō)明作動(dòng)器在運(yùn)行過(guò)程中齒端部受到很大的作用力。

圖5為作動(dòng)器電磁推力曲線圖。由圖可知，在電流激勵(lì)的作用下，作動(dòng)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(shè)計(jì)要求，但波動(dòng)較大，需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 作動(dòng)器電磁推力曲線圖

3 結(jié)論

對(duì)電磁饋能懸架的作動(dòng)器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。

（1）選定了作動(dòng)器的類型，以傳統(tǒng)圓筒型減振器為研究對(duì)象，確定設(shè)計(jì)要求，然后通過(guò)理論計(jì)算對(duì)作動(dòng)器具體尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

（2）通過(guò)有限元仿真，分析了所設(shè)計(jì)作動(dòng)器的磁場(chǎng)分布和電磁力曲線。磁力線分布均勻，幾乎沒(méi)有磁力線溢出，磁場(chǎng)分布與磁力線分布一致；電磁力均值滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的作動(dòng)器的正確性。

[1] 彭虎,張進(jìn)秋,張建,韓朝帥,王輝.饋能式電磁作動(dòng)器設(shè)計(jì)及特性試驗(yàn)研究[J].機(jī)械傳動(dòng),2018,42(11):127-131+136.

[2] 曹民,劉為,喻凡.車輛主動(dòng)懸架用電機(jī)作動(dòng)器的研制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(11):224-228.

[3] 任全.車輛直線電機(jī)式主動(dòng)懸架作動(dòng)器研究[D].西安科技大學(xué), 2018.

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

[5] 楊岳.低速大推力分?jǐn)?shù)槽繞組圓筒型永磁直線電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].哈爾濱理工大學(xué),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(yáng)理工大學(xué)，研究方向：車輛現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。