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摘 要：针对现有馈能悬架无法很好地兼顾隔振性与馈能性的问题，提出一种混合励磁直线电机与液压减振器集成的车辆悬架减振器，实现输出可调阻尼力与回收振动能量同时进行。基于集总磁路法对混合励磁直线电机进行解析分析，并在Ansoft软件中建立有限元模型，以电磁阻尼力调节范围为目标，优化气隙长度、永磁体高度，确定负载阻值。Matlab仿真结果表明，与传统被动悬架相比，在随机路面激励下，混合励磁悬架不仅提升了隔振性，还能回收部分振动能量，验证了所提出结构的可行性。
关键词：悬架；混合励磁；减振器；能量回收；有限元分析
中图分类号：U463.33+5.1 文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.03
Abstract：Most energy regenerative suspensions fail at achieving a good balance between vibration isolation and energy regeneration performance. A novel hybrid damper for vehicle suspension applications， integrating a hybrid excitation linear motor into a hydraulic shock absorber， was designed which can output adjustable damping force and meanwhile can recover vibration energy. Firstly the analytical analysis of the hybrid excitation damper based on a lumped magnetic circuit method was conducted， the finite element model was established in Ansoft， the gas length and the height of the permanent magnet were optimized taking the adjustment range of electromagnetic damping force as an objective function， and the load resistance was determined. The simulation results show that compared with traditional passive suspension systems， the hybrid excitation suspension damper can effectively improve the vibration isolation performance and meanwhile recover vibration energy subjected torandom road excitation， which verifies the feasibility of the proposed structure.
Keywords：suspension； hybrid excitation； damper； energy-regeneration； finite element analysis
半主动悬架多包含阻尼可调减振器，功耗小、结构简单，可以获得接近主动悬架的性能，具有重要的研究意义。与此同时，将被动阻尼与可调阻尼集成的混合阻尼器日益得到重视，早在1999年，MARTINS等[1]就提出将传统被动阻尼减振器与主动电磁减振器集成，并在汽车悬架中加以应用。滑铁卢大学的EBRAHIM等[2]将液压减振器与电磁作动器组合，通过对电磁作动器部分进行主动控制，为悬架提供不同作动力。ASADI等[3]提出一种集成液压减振器与直线电机的混合阻尼器，并通过有限元法对其进行了结构优化。另一方面，传统悬架在汽车行驶过程中，振动能量转化为热能耗散掉，不利于燃油经济性。因此，提出在优化悬架性能的同时，回收振动能量，以提高燃油经济性。施德华等[4]提出一种半主动馈能悬架，借由永磁直线电机回收振动能量，通过步进电机调节节流阀面积以改变阻尼系数，但直线电机仅用作回收能量，利用效率不高。陈士安等[5]将液压蓄能器和油缸结合，通过压力阀进行能量存储和释放控制，达到减振和回收能量的作用。SUDA等[6]设计了能量自供给的两级式馈能悬架，一级馈能，一级进行车身姿态控制。
圆筒直线电机结构简单，绕组利用率高。无横向端部效应，不存在单边磁拉力，应用在车辆悬架中既可提供电磁阻尼力，也可以有效回收悬架振动能量。NAKANO等[7-8]通过改变馈能回路电阻调节在发电机模式下工作的直线电机电磁阻尼力，实现半主动控制，优化了悬架隔振性。陈龙等[9]提出通过控制馈能回路中DC-DC变换器，实时调节绕组感应电流，使电机电磁阻尼力在一定范围内连续可调。
本研究将基于混合励磁的圆筒直线电机与液压减振器集成，提出一种应用于车辆半主动悬架的馈能减振器。采用此新型馈能减振器的半主动悬架依据路况进行阻尼力调节，隔振性能良好，在车辆行驶过程中可以将振动能量转化为电能储存，降低整车能耗，并可满足故障-安全（Fail-Safe）特性。首先，介绍了混合励磁悬架减振器的结构与工作原理，基于集总磁路对混合励磁直线电机磁场进行解析，并借由Ansoft有限元分析软件进行结构优化，确定负载电阻大小。最后，通过仿真验证其隔振性与馈能性。
1 结构与工作原理
新型馈能减振器将传统液压减振器与混合励磁圆筒直线电机集成。混合励磁是由电励磁与永磁励磁共同作用的新型励磁方式，因此，混合励磁直线电机存在两种类型的励磁源，一种是永磁励磁源，它在气隙中产生一个基本不变的磁通；另一种是直流励磁绕组，工作时，通过调节励磁绕组上的电流大小和方向，使气隙中的磁通发生变化，两种励磁源磁场在气隙中共同作用产生电机内主磁场。与永磁电机比较，混合励磁电机具有调节气隙磁场的能力；与电励磁同步电机相比，具有较小的电枢反应电抗[10]。
混合励磁悬架减振器结构如图1所示。由图可知，混合励磁圆筒直线电机由初级与次级两部分组成，初级部分是与防尘罩焊接的导体管，其内部设有三相绕组。次级部分与初级部分之间有固定尺寸的气隙。次级部分设有开口矩形槽，焊接于减振器缸筒外壁，由永磁体、铁芯、直流励磁绕组组成。永磁体贴附于次级部分表面，次级部分的矩形槽内绕有直流励磁绕组。
气隙中的励磁磁场由永磁体与励磁绕组共同产生，永磁体提供直线电机运行时主要的气隙磁场，直流励磁电流作为磁场调节器起到调节气隙磁场的作用。当车辆行驶时，车身与车轮的相对运动使减振器工作，此时，与上吊耳、防尘罩相连的电机初级部分与次级部分产生相对运动，根据法拉第电磁感应定律，在三相绕组中产生感应电流，得以将振动能量转化为电能储存，实现馈能。同时，根据楞次定律，在产生感应电流的同时伴随着电磁阻尼力的产生。通过改变直流励磁绕组的励磁电流大小，可以使电磁阻尼力与感应电流大小改变，实现阻尼值可调。此外，如果混合励磁电机失效，液压减振器部分仍能继续工作，实现“Fail-Safe”。
2 电机解析与优化
2.1 磁感应强度推导
在电机设计分析中，根据需要，倾向于采用解析法寻找电磁设计规律，采用等效磁路法进行初步电磁和结构参数计算，使用有限元计算分析得到准确的磁场分布、电磁推力和反电动势[11]。为了分析此新型馈能减振器的工作特性，并推导出混合阻尼力和感应电动势表达式，基于集总磁路法进行混合励磁直线电机磁场分析。
混合励磁电机一对磁极结构如图2所示，其中，回路C为其等效磁回路。
对图2中各变量具体含义的描述见表1。
（1）永磁体为径向充磁，气隙中磁场完全为径向，且磁极中各部分磁感线方向都与回路C相平行。
（2）忽略结构中各部分漏磁。
（3）材料中无磁饱和。
（4）液压减振器与混合励磁电机连接部分为非导磁材料。
由式（8）、（11）可知，悬架簧上质量与簧下质量间相对速度越大，即车身振动越剧烈，由振动机械能转化成的电能也越多，即回收能量越多。同时，为了获得良好的平顺性与操纵稳定性，需要提供的电磁阻尼力越大。
2.2 磁感应强度优化
由式（8）、（11）可知，混合励磁直线电机输出的电磁阻尼力与回收能量大小都与磁感应强度Bm有关，且由式（4）可知，Bm的大小主要由电机结构尺寸与直流励磁电流决定。由于电机一旦设计完成，结构尺寸不可调，所以通过有限元法进行关键结构尺寸优化。
假设圆筒混合励磁直线电机部分初定结构尺寸，见表2。这部分在初定尺寸的基础上，以电磁阻尼力和回收能量为目标利用有限元法进行尺寸优化，从而提高悬架隔振性与馈能性。在Ansoft 12.0中建立圆筒混合励磁直线电机模型，并在Maxwell/circuit模块设置馈能电路，进行联合仿真，分别以气隙长度、永磁体宽度为可变参数，进行优化设计。初级部分与次级部分的相对运动速度设定为0.26 m/s，馈能电路电阻设为10 Ω，为了避免直流励磁部分磁饱和对仿真结果的影响，励磁电流变化区间设置为0～2.5 A。
2.2.1 气隙长度
假设其它结构尺寸不变，气隙从0.5 mm变化到2.5 mm，励磁电流从0 A变化到2.5 A，电磁阻尼力与回收能量的变化如图3和图4所示。由所推导公式可知，随着气隙长度增大，电磁阻尼力与回收能量都将减少，符合有限元分析结果，同时可以看出，随着气隙的增大，不同励磁电流下阻尼力与回收能量的变化逐渐减小。由此得出结论，较大气隙会使阻尼调节的范围降低，气隙过小会使阻尼调节系统灵敏度过高，且电机初级部分与次级部分易发生碰撞。综上所述，取气隙为1 mm。
2.2.2 永磁体高度
永磁体高度的选取将很大程度影响减振器工作性能，高度增加则永磁体提供磁场强度增加，但同时会导致磁路饱和程度增加，削弱电励磁场的影响。因此，需要选取一个最佳值，既能使电励磁场最大程度起到调节磁场作用，又可充分利用永磁体。假设其它结构尺寸不变，永磁体高度从4 mm变化至6.5 mm，励磁电流从0 A变化至2.5 A，电磁阻尼力的变化如图5所示。随着永磁体高度增大，电磁阻尼力增大，但直流励磁的作用不断减弱。综上所述，为了提高输出的电磁阻尼力，并尽可能发挥励磁磁场的作用，选取永磁体高度5 mm作为最终结果。
2.3 优化结果
综合以上结论，考虑到边界条件，得到优化后的混合励磁电机尺寸，见表3。利用有限元软件分析尺寸优化前后电磁阻尼力与回收能量大小的变化，结果如图6和图7所示。尺寸经过优化后，在相同工况下，所能提供的电磁阻尼力与回收能量均得到了提升。
2.4 负载电阻确定
除了改变磁感应强度Bm大小，调节负载电路的电阻也可以使输出的电磁阻尼力与回收能量发生改变。为了得到负载电路电阻对工作性能的具体影响[13]，进行相同工况下，不同电阻值对电磁阻尼力大小与回收能量的影响仿真分析，从而确定出最佳电阻值。由图8可知，当负载电路电阻为0时，输出的电磁阻尼力达到最大，当负载电路电阻等于电机内阻时（内阻约为5.3 Ω），回收能量达到最大值。综上所述，为了使悬架时刻工作在最佳馈能状态，并能输出合适大小的电磁阻尼力，取5.3 Ω为负载电路阻值。
3 混合励磁悬架动力学分析与仿真
混合励磁的四分之一悬架等效模型如图9所示。
采用通过滤波器的一阶白噪声来模拟路面输入。假设汽车以20 m/s驶过 B 级路面，其它仿真参数为：簧载质量ms160 kg，非簧载质量mt20 kg，悬架刚度ks10 kN/m，轮胎刚度 kt100 kN/m，假设传统液压减振器的阻尼系数cs被设定为1 100 Ns/m，电机绕组经过整流器串接阻值为 5.3 Ω 的负载，仿真时间10 s。
通过仿真得到带有混合励磁悬架和传统被动悬架汽车的车身加速度对比曲线图与车轮动载荷对比曲线图，如图10和图11所示。
由图可知，带有混合励磁悬架的车辆车身加速度得到了明显优化，相比于传统被动悬架，车身加速度均方根值减少了30.13%，车身峰值加速度减少了17.16%，此外，轮胎动载荷幅值增加了2.67%，均方根值增加了4.21%，但对车辆操纵稳定性的影响不大。总体而言，混合励磁悬架的减振效果明显优于传统被动悬架。
在路面激励下，仿真得到的混合励磁悬架感应电动势如图12所示。图中电压的有效值为11.35 V，证明了混合励磁悬架在车辆行驶过程中除了有较好的减振效果外，还可回收部分振动能量。
由于液力阻尼系数cs为定值，在给定车辆参数下，cs值的选取将很大程度上影响悬架性能。通过仿真研究液力阻尼系数的选取对隔振性的影响，结果如图13所示。当液力阻尼系数取550 Ns /m时，隔振性最优。
4 结论与展望
（1）提出一种混合励磁直线电机与液压减振器集成的车辆悬架减振器，实现阻尼可调与振动能量回收，详细介绍其结构与工作原理，并利用集总磁路模型推导出混合励磁直线电机输出的电磁阻尼力与其感应电动势公式。
（2）建立混合励磁直线电机部分有限元模型，并对其进行有限元分析，分别优化了气隙长度与永磁体宽度。综合考虑输出电磁阻尼力大小以及对阻尼力的调节能力，取气隙长度为1 mm，永磁体高度为5 mm，对优化前后的混合励磁直线电机进行有限元分析，发现优化后输出电磁阻尼力能力较优且阻尼调节能力较佳。同时分析不同外电路电阻值对悬架性能的影响，确定负载电路阻值为5.3 Ω。仿真结果表明，混合励磁悬架在车辆行驶过程中除了有较好的减振效果，还能回收振动能量。
（3）在考虑悬架隔振性的前提下，进行液力阻尼与电磁阻尼的最优匹配分析，发现在给定悬架参数下，液力阻尼系数取550 Ns/m时，隔振性最优。而综合考虑馈能性与隔振性，进行阻尼匹配，值得进一步研究。
（4）当混合励磁直线电机中通入的励磁电流一定时，电机的力特性曲线近似线性，与减振器集成后，并不会影响减振器外特性。而在实际工作过程中，由于通入的励磁电流根据不同工况实时改变，导致在宏观角度直线电机的力特性产生变化，有可能在集成液力阻尼后，产生外特性的畸变，需要进行进一步的仿真与试验研究。
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