变磁力主动悬架的结构设计与电磁仿真

0引言

随着科技与经济的发展,人们在日常生活中对舒适性的要求也越来越高。汽车作为重要的交通工具I减少其在行驶中的振动I提升驾驶体验与安全性I对于当今汽车行业具有重要的研究意义。

影响车辆驾驶体验的主要因素包括不平整路面带来的振动,转向与上坡时车身姿态改变带来的不适感,车身晃动带来的噪声……当今市面上常见的车辆大多使用被动悬架与半主动悬架进行减振,少数高端车型使用的主动悬架也大多为气缸式、液压式主动悬架I其响应速度有限I且成本高昂,控制精度低,体积大,影响车辆的整体设计与重量。而电磁式主动悬架具有体积小、重量轻、响应速度极快等优点,可以精确快速地降低车辆行驶中的振动对车身的影响[1]。且由于其存在线圈与永磁体等部件,具有开发馈能等功能的潜力,可以很好地应用于新能源汽车上增加车辆的续航[2]。综合各方面分析,电磁式主动悬架在减振效果、控制精度等方面具有十分明显的优势,因而拥有广泛的应用前景。

1悬架整体设计

电磁主动悬架如图1所示,其内部磁通量可变,在路面情况较好时,可降低电机内部的磁通量密度来减少涡流效应造成的损耗[3];路面情况较差时则增大电机内部的磁通量密度来提升电机输出的阻抗力,从而达到更好的减振效果。

如图2所示,减振装置为动圈式直线电机,其动子部分与普通动圈式直线电机相似,由线圈与动子架构成。定子部分由Halbach阵列永磁体、内外定子铁壳与铁芯组成,外定子铁壳与一端的端盖固定连接在车架上,内定子铁壳与另一端的端盖和旋转装置连接,旋转装置带动内定子铁壳转动,使内外铁壳上的孔重合或相互覆盖,控制磁感线回路的导通与阻断,从而实现对电机内部磁通量大小的控制。

根据《直线电机技术手册》[4]选取动圈式直线电机的主要参数,如表1所示。

2悬架旋转装置设计

旋转装置由导轨柱、滚架、滚柱、外壳、石蜡、电热丝组成。外壳与滚架通过滚柱滑动连接,滚架的内壁与导轨柱通过滚柱套接。导轨柱如图3所示,其内部空腔呈凸台形,导轨柱的内部空腔填充石蜡,滚架插入导轨柱空腔内的部分连有电热丝,通电后加热石蜡,使得石蜡膨胀为旋转装置提供动力。两个滚柱穿过滚架,一头通过轴承连接在旋转装置外壳的导轨上,另一头通过轴承连接在导轨柱的导轨上。导轨柱上的导轨为2道螺距100 mm的螺旋线导轨。通过对石蜡油温度的控制,使得滚架运动不同的行程,经滚柱与导轨的传递,变为导轨轴转过的不同角度。

2.1石蜡膨胀行程计算

石蜡材料的物理特征参数如下:密度为760kg/m³;比热为2100 J/(kg.K);相变潜热为170 kJ/kg;液体相温度为330.15 K;动力粘度为0.0032 kg/(m.S);导热系数为0.25 W/(m.K)。25~61℃时,石蜡膨胀率为1.13。

内部腔体体积V:

式中:r1为凸台底圆半径,为15 mm;r2为凸台顶圆半径,为4mm;h1为凸台等效为圆锥后的高度,为30mm;h2为凸台顶部圆锥高度,为5 mm。

经计算得v=6 981 mm3,故旋转装置的最大位移Lmax为:

故在此工作温度下导轨柱内部的腔体可提供18.06 mm左右的行程。

2.2旋转装置导轨柱计算

由于导轨柱受到外壳、滚架孔与滚柱配合的约束,当滚架后移一定行程时,导轨柱相应转过一定角度,根据导轨柱的尺寸,设导轨柱上螺旋线导轨的螺距为100 mm。当导轨柱螺距为100 mm时,石蜡行程每推动100 mm,导轨柱就旋转一周。导轨柱位移与角度的关系与滚珠丝杠类似,其位移等于螺距乘旋转角度。

式中:L为旋转装置的位移;a为导轨柱转过的角度;S为导轨柱上的螺距。

经电机三维装配模型测试,要使电机定子铁壳处的圆孔互相覆盖或重合需要导轨柱转动33°左右,因此需要至少9.17mm行程,小于石蜡提供的17.94mm行程,故此设计尺寸满足要求。

3直线电机电磁仿真

根据表1建立如图4所示的仿真模型。将其导入ANSYSMaxwell设置材料与激励,进行仿真,得到如图5、图6所示的仿真结果。

在仿真设置中,电机沿Z轴做直线往复运动,本电机假设振动输入的方向为Z轴正方向,故需要电机输出沿Z轴负方向的电磁力来削弱振动。设置激励电流为16 A直流电,对其稳态力进行仿真分析。电机磁力削弱状态时,工作部分平均气隙磁密为0.49 T,电磁力随动子位移在—269~—235 N波动; 电机磁力增强状态时,工作部分平均气隙磁密为0.67 T,电磁力随动子位移在—411~—370 N波动。

图7为三维仿真模型XOZ平面截面上的磁通量分布图,电机线圈部分的磁通量因Halbach阵列的强化效果[5],显著高于其他部分。电机在磁力削弱工况下,整体磁通量密度低于磁力强化状态,可以有效减少过高的磁力产生的涡流效应对电机部件的损耗,从而延长电机寿命。

4结束语

本文针对改变电机内部磁通量来应对不同减振需求,减少电机损耗的 目的,设计了电磁主动悬架。

建立了其三维模型,并对其进行了电磁有限元仿真。由仿真结果可知,其可以根据路面的情况调整自身的工作状态:动圈式直线电机响应速度极快,路面情况好时使用涡流效应小的磁力削弱状态输出—269~—235 N的电磁力来应对轻微振动;路面情况差时使用阻抗力强、减振效果好的磁力增强状态,输出—411~—370 N的电磁力来有效减少振动,提升车辆驾驶体验的同时,减少磁力产生的涡流效应对电机的损耗。

[参考文献]

[1]汪若尘,曾昆阳,陈龙,等.主动悬架直线电机温升—电磁特性分析与优化设计[J].重庆理工大学学报(自然科学),2024,38(8):20—29.

[2]杨超.电磁主动悬架直线式作动器优化设计及馈能特性研究[D].重庆:重庆大学,2018.

[3]李锴.双边磁通切换永磁直线电机损耗分析与温度场研究[D].石家庄:石家庄铁道大学,2023.

[4] 叶云岳.直线电机技术手册[M].北京:机械工业出版社,2003.

[5]李伟.Halbach型动圈式线性压缩机机电性能分析及优化[D].阜新:辽宁工程技术大学,2023.

《机电信息》2025年第20期第8篇