丁軻,古玉鋒,張國慶
圓筒型橫向磁通直線電機(jī)式主動懸架作動器的設(shè)計
丁軻,古玉鋒,張國慶
(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安 710064)
針對現(xiàn)有車用主動懸架作動器存在的輸出力密度低、控制精度差、效率低等問題,提出了一種圓筒型橫向磁通直線電機(jī)作動器。在分析電機(jī)作動器的基礎(chǔ)上,搭建了路面激勵模型、1/4主動懸架數(shù)學(xué)模型以及LQG控制器模型,利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真得出主動懸架作動器的主動力設(shè)計目標(biāo)。將該設(shè)計目標(biāo)與圓筒型橫向磁通直線電機(jī)作動器的Maxwell軟件電磁力仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明,主動懸架作動器的主動力設(shè)計目標(biāo)與Maxwell仿真得到的電磁力數(shù)值基本吻合,為橫向磁通直線電機(jī)應(yīng)用于主動懸架的可行性進(jìn)行了驗證。
主動懸架;橫向磁通;作動器;有限元分析
主動懸架可以自動地調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼,可以回收懸架系統(tǒng)振動的能量,既滿足汽車的行駛平順性,又節(jié)能環(huán)保。作動器性能的好壞與主動懸架性能好壞密切相關(guān),對于作動器的研究越發(fā)重要。直線電機(jī)式作動器,可以部分或者完全替代懸架中的彈簧和減振器,實時調(diào)節(jié)懸架所需要的主動控制力。但是直線電機(jī)的缺點是輸出力密度較低。傳統(tǒng)軸向和徑向磁路的直線電機(jī),磁通經(jīng)過的齒部和電樞繞組所在的槽在同一截面上,磁力線所在平面平行于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,導(dǎo)致槽寬與齒寬相互制約,電機(jī)力密度難以得到根本提高。而橫向磁通直線電機(jī)由于其主磁通所在的平面與運動方向垂直,齒寬和槽寬相互獨立不受影響,其力密度可以得到提升,更能發(fā)揮出電機(jī)的功能特性。
目前對于各類直線電機(jī)的研究也取得了一些成績。文獻(xiàn)[1]設(shè)計了一種雙定子空心圓筒型永磁直線電機(jī)作動器,通過電機(jī)的仿真優(yōu)化證明了極對數(shù)為2,繞組配置為積分槽型,磁體為準(zhǔn)Halbach型時,電機(jī)具有最大推力,但未對該種電機(jī)的漏磁情況做具體說明[1]。文獻(xiàn)[2]研究了橫向磁通永磁直線電機(jī)的氣隙磁場分布,將推力密度和推力波動作為優(yōu)化目標(biāo),優(yōu)化設(shè)計了電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)[2]。文獻(xiàn)[3]提出了一種圓筒型橫向磁通同步發(fā)電機(jī)來實現(xiàn)高線性,描述了電機(jī)的基本構(gòu)型,并對三種不同次級數(shù)的模型進(jìn)行了解釋,在給定的橫截面范圍內(nèi),考慮了電樞鐵心中次級線圈的數(shù)目,得到了最優(yōu)設(shè)計[3]。由已有文獻(xiàn)可知,橫向磁通直線電機(jī)主要研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及提高其力密度的方法,并將其作為發(fā)電機(jī)應(yīng)用于汽車驅(qū)動上,對于將橫向磁通直線電機(jī)用于主動懸架上的研究較少。本文提出了一種圓筒型橫向磁通直線電機(jī)作動器,并將LQG控制應(yīng)用于主動懸架系統(tǒng),運用Matlab仿真,得到了作動器設(shè)計目標(biāo),在此基礎(chǔ)上對直線電機(jī)作動器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計,并進(jìn)行了有限元仿真,驗證了橫向磁通直線電機(jī)用于主動懸架上的可行性。
1/4車輛主動懸架模型如圖1所示[4],圖中為簧載質(zhì)量、為非簧載質(zhì)量、為懸架彈簧剛度、為減振器阻尼系數(shù)、為輪胎剛度,為作動器主動力等,圖中2表示簧載質(zhì)量的垂向位移,1表示非簧載質(zhì)量的垂向位移,0表示路面激勵。
圖1 1/4主動懸架模型
1/4主動懸架的動力學(xué)方程為:
狀態(tài)方程為:
則:
選取濾波白噪聲來生成路面激勵:
式中,f0為下截止頻率,f0=0.1Hz;x0(t)為路面位移;G0為路面不平度,G0=64×10-6m-3;u0為速度,u0=20m/s;w(t)為高斯白噪聲輸入矩陣。在Matlab/Simulink里建立的路面激勵仿真模型如圖2所示。
汽車懸架動力學(xué)性能評價指標(biāo)主要包括:簧上質(zhì)量垂直加速度、懸架動撓度以及輪胎動載荷。綜合以上因素,建立懸架的綜合性能指標(biāo)函數(shù)如下[5]:
式中:1為簧載質(zhì)量垂向振動加速度加權(quán)系數(shù),2為懸架動撓度加權(quán)系數(shù),3為輪胎動載荷加權(quán)系數(shù)。
將綜合性能指標(biāo)寫成矩陣形式為:
最優(yōu)控制反饋增益矩陣K由黎卡提(Riccati)方程求出:
調(diào)用Matlab中的程序[K P E]=lqr(A,B,Q,R,N)即可得最優(yōu)反饋增益矩陣K、黎卡提方程的解P及特征根E。當(dāng)=-時,綜合性能指標(biāo)J取最小值,可得到最優(yōu)控制力U的值。
在matlab/simulink里建立了主動懸架仿真模型,車輛模型參數(shù)如表1所示,主動懸架仿真模型如圖3所示。
表1 車輛模型主動懸架參數(shù)
仿真結(jié)果如下:
圖4 主動懸架垂向加速度
圖5 懸架主動力
由圖4可知LQG控制下的主動懸架垂向加速度的值較小,滿足車輛的平順性要求。由圖5可知,汽車在C級路面20m/s的車速條件下,主動控制力最大值為678N,即汽車懸架所需要的的推力為678N,以此值作為作動器輸出力的目標(biāo)。
橫向磁通電機(jī)內(nèi)的磁場是一個三維場,本文采用Max -well 3D軟件建立模型并進(jìn)行有限元分析[6]。該作動器由定子鐵芯、轉(zhuǎn)子、永磁體和線圈組成,結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示,其中定子鐵芯采用硅鋼片疊壓而成,材料為M19-24G,轉(zhuǎn)子也采用此材料。該種材料具有較大的磁導(dǎo)率和較小的阻抗;永磁體材料采用NdFe30,徑向充磁,相鄰磁極磁性相反[7];繞組材料為copper,每相線圈為300匝。該電機(jī)采用三相結(jié)構(gòu),各相互差120°電角度。在圓周方向上,定子齒數(shù)和動子極數(shù)相同均為12,動子永磁體采用表貼式,極性交替排列,繞組采用集中繞組,有利于提高電機(jī)效率。電機(jī)具體的技術(shù)參數(shù)如下表2所示。
表2 電機(jī)作動器技術(shù)參數(shù) mm
直線電機(jī)作動器的主磁通是從永磁體的N極開始,穿過氣隙,再穿過定子齒部進(jìn)入到定子鐵芯內(nèi),然后再越過與之相鄰的定子齒部和氣隙回到永磁體的S極,形成閉合回路,構(gòu)成電機(jī)的磁路[8]。
圖6 橫向磁通直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
橫向磁通直線電機(jī)的簡化磁場強(qiáng)度分布情況如圖7所示,由圖7可看出,該電機(jī)磁場分布均勻,形成了完整的閉合回路,無漏出情況;磁場矢量集中在轉(zhuǎn)子永磁體和定子相鄰齒槽間隙形成的區(qū)域內(nèi),由此通電繞組在磁場中運動產(chǎn)生力,推動電機(jī)的運動。
將作動器0.005s和0.047s運動時的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化情況進(jìn)行分析來驗證該電機(jī)模型的正確性。由圖7可以看出,作動器在兩個瞬時時間的磁感應(yīng)強(qiáng)度主要集中在定子齒部和轉(zhuǎn)子部分。當(dāng)t=0.005s時定子齒部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.6025T,轉(zhuǎn)子部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度為5×10-3T;當(dāng)t=0.047s時,定子齒部的磁感應(yīng)強(qiáng)度集中分布在1.0718T至1.4718T,轉(zhuǎn)子中心及定子鐵芯內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度大多集中在5.0142×10-3T至5.3840×10-1T,兩個瞬時時刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度相一致,較大的值集中在定子齒部,較小的值集中在轉(zhuǎn)子中心及定子鐵芯內(nèi)部區(qū)域,說明定子齒部是作動器受力較大的部位。
圖7 作動器簡化模型磁場強(qiáng)度
圖8 橫向磁通直線電機(jī)作動器電磁力
由圖8可知,該電機(jī)作動器的電磁力輸出最大為652.87N,經(jīng)過0.97s以后,下降到651.1739N并且隨著時間的增加,數(shù)值穩(wěn)定在651.1N左右。由此說明,該電機(jī)的電磁推力為651N左右,該數(shù)值與懸架的主動控制力數(shù)值基本吻合,進(jìn)一步驗證了懸架作動器電機(jī)模型的正確性。
(1)建立1/4主動懸架模型,根據(jù)懸架動力學(xué)方程、路面白噪聲激勵和LQG最優(yōu)控制建立了Matlab/Simulink模型,得到了最優(yōu)控制下的懸架主動力,并以此為目標(biāo)來設(shè)計作動器。
(2)根據(jù)橫向磁通電機(jī)的參數(shù)建立了直線電機(jī)Maxwell 3D模型,對其進(jìn)行瞬態(tài)電磁場有限元分析,通過分析作動器內(nèi)部的磁場分布驗證了模型結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性;通過對比分析作動器0.005s和0.047s運動時的磁感應(yīng)強(qiáng)度驗證了該電機(jī)模型的正確性;將線圈繞組磁場與永磁體磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力與懸架設(shè)計目標(biāo)中的主動力進(jìn)行對比,兩個數(shù)值基本吻合,進(jìn)一步驗證了懸架作動器電機(jī)模型的正確性。
(3)本設(shè)計考慮了圓筒型橫向磁通直線電機(jī)應(yīng)用于主動懸架充當(dāng)作動器的可行性,下一步需要分析橫向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)例如永磁體磁化方向、定子鐵芯單元軸向長度等對于電磁力的影響。
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Design Of Cylinder Type Transverse Flux Linear Motor Actuator For Active Suspension
Ding Ke, Gu Yufeng, Zhang Guoqing
(Key Laboratory for Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education,Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064)
Aiming at the problems of low output force density, poor control accuracy and low efficiency of existing vehicle active suspension actuators, a cylindrical transverse flux linear motor actuator is proposed. Based on the analysis of motor actuator, the road excitation model, 1/4 active suspension mathematical model and LQG controller model are built. The active force design target of active suspension actuator is obtained by Matlab/Simulink simulation. The design objective is compared with the electromagnetic force simulation results of Maxwell software of cylindrical transverse flux linear motor actuator. The results show that the design objective of active suspension actuator is basically consistent with the electromagnetic force value obtained by Maxwell simulation, which verifies the feasibility of applying transverse flux linear motor to active suspension.
Active suspension; Transverse flux; Actuator; Finite element analysis
10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.021
U462.1
B
1671-7988(2021)04-68-04
U462.1
B
1671-7988(2021)04-68-04
丁軻,就職于長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室。