基于電磁作動器的車輛主動懸架研究

楊保海 肖 靜

（1.九江學院電子工程學院 江西 九江 332005；2.九江學院機械與材料工程學院 江西 九江 332005）

在汽車總裝置中，主動懸架是用一個有自身能源的力發(fā)生器來代替被動懸架中的彈簧和減振器，結(jié)構(gòu)上由四部分組成，即執(zhí)行結(jié)構(gòu)、測量系統(tǒng)、反控制系統(tǒng)和能源系統(tǒng)。主動懸架的執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)具有自動調(diào)節(jié)懸架阻尼系統(tǒng)的特性，汽車拐彎或路面狀況凹凸不平時，通過調(diào)節(jié)懸架高度，適度調(diào)整懸架剛度及阻尼，最大程度減少懸架系統(tǒng)震蕩狀態(tài)，使車輛在任何路面狀況下都可以舒適行駛。

主動懸架還有一個重要功能，即作為執(zhí)行動作系統(tǒng)部分，通過輸入或輸出進行最佳反饋控制，進而使主動懸架處于最優(yōu)減震狀態(tài)，保證車輛在不同路面及行駛條件下都可以平穩(wěn)安全舒適行駛，整體提高車輛性能。此外主動懸架要求作動器所產(chǎn)生的力可以及時地跟蹤任何力控制信號。為此，主動懸架為控制律的選擇設(shè)計提供了空間條件，通過控制律維持系統(tǒng)的最佳狀態(tài)使車輛性能提升到最大化。

近幾年，據(jù)國內(nèi)外資料顯示，有關(guān)車輛的主動懸架作動器研究基本分為三種，即空氣主動懸架作動器（主要結(jié)構(gòu)是氣缸，利用電氣動壓力控制閥控制），液壓主動懸架作動器（主要結(jié)構(gòu)是液壓缸、子汽室和阻尼閥等），電磁類主動懸架作動器（結(jié)構(gòu)組成不一，有的主要結(jié)構(gòu)是珠絲桿、旋轉(zhuǎn)電動機，有的是用永磁直線電動機作為力促動器的，有的是目前正在研究的電磁直線式作動器）。其中，空氣作動器和液壓作動器組成結(jié)構(gòu)復雜，一旦密封不好容易產(chǎn)生泄露問題，空氣和液壓在重量方面不好控制，安全性能不穩(wěn)定，而且投資成本高。現(xiàn)階段，電磁科技的發(fā)展促進了大功率電子器件的性能提升，價格便宜成本低廉，所以研究選用電磁方式作為主動懸架力發(fā)生器非常實用。因為電磁方式的作動器不僅結(jié)構(gòu)簡單，反應快，可控制度高，而且能將能量循環(huán)使用，符合當今時代提倡的“環(huán)保節(jié)能”。

1 電磁直線作動器原理

電磁作動器，其工作原理是以麥克斯韋方程構(gòu)成，其主要涉及到高斯定理，法拉第電磁感應理論以及安培定理。電磁作動器一般是一電機為依托，通過對電機進行裝置的內(nèi)部改變而成。我們可以將旋轉(zhuǎn)電機剖面拉直，使其成為一臺直線電機，這就是所謂的初級電磁作動器。其中電機的定子成為了電磁作動器的初級，轉(zhuǎn)子為次級。當電磁直線作動器通入三相交流電后，會產(chǎn)生磁場，磁場方向為沿軸向方向。在電機的內(nèi)部轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)過程中（我們可以認為是作動器的次級），電機會產(chǎn)生電磁力矩，這是相當于電機在轉(zhuǎn)子（我們可以認為是作動器的初級）在旋轉(zhuǎn)過程中的速率低于電機的同步速率的時候，轉(zhuǎn)子會做切割通電定子線圈的磁場線圈，通過安培定理可知，通電導體在磁場中做運動，會受到安培力的作用，我們可以通過左手定則判斷運動的方向，或者通過運動的方向來判斷電流的方向。在作動器中，我們將這種次級與初級之間的速率差稱之為滑移率，只要存在滑移率，次級導條就會切割磁場，繼而產(chǎn)生安培力。在正常情況下，該滑移率在0與1之間；當滑移率大于1時，電磁處于制動狀態(tài)，當小于0時，其處于發(fā)電狀態(tài)。

2 電磁直線作動器結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對本文所提到的電磁直線作動器工作原理是采用對初級繞組通入三相對稱交流電從而產(chǎn)生電磁力。首先，將三相對稱的正弦電流接入作動器的三相繞組中，進而引發(fā)氣隙磁場，有可能產(chǎn)生兩端斷開產(chǎn)生縱向邊緣效應的情況可以不予考慮，那么此時氣隙磁場的分布和旋轉(zhuǎn)電動機相似，從延伸的直線方向看呈正弦形狀。若三相電流隨時間不斷變化，氣隙磁場則按A、B、C相序沿直線移動。然后次級導體在行波磁場的切割下，形成電動勢產(chǎn)生電流，最后電流、氣隙磁場相互感應形成電磁推力。如果初級固定不動，那么次級就沿著行波磁場運動的方向作直線運動。

上述工作原理與圓筒型直線異步感應電動機的工作原理類似，區(qū)別是圓筒型直線異步感應電動機用于車輛懸架系統(tǒng)上時的前提條件是要有較大的推力和行程，電磁直線作動器一般用于往復直線運動的位置和速度控制。如果將電磁作動器置于實際車輛應用中，則要初級與簧上質(zhì)量相接觸，次級與簧下質(zhì)量相連，利用控制三相繞組的電流來產(chǎn)生主動懸架所需的控制力，從而減少車身振動。

3 電磁直線作動器設(shè)計注意事項

電磁作動器主要應用于汽車懸架系統(tǒng)，所以電磁作動器的相關(guān)設(shè)計參數(shù)必須以汽車系統(tǒng)為依托，其參數(shù)適合汽車的本身情況，這樣才能促使汽車在行駛過程中保持一種相對平衡狀態(tài)，通過這種平衡，減少由于路面的不平整，起落太大而造成的垂直加速運動，提高汽車的舒適度。除此之外，電磁作動器的規(guī)格應該與需要滿足汽車懸架，這樣才方便安裝。電磁作動器在設(shè)計時，還應該注重電磁力，電壓，同步速度，冷卻方式以及繞組連接方式與絕緣耐熱材料等。

考慮電磁直線作動器的品質(zhì)因數(shù)。在電器設(shè)備的設(shè)計過程中，我們都會考慮設(shè)備的質(zhì)量情況，比如考核電機的質(zhì)量有額定功率，效率以及功率因數(shù)來衡量電機的質(zhì)量好壞。同樣，電磁直線作動器也有考核其品質(zhì)的因素，考核其主要的品質(zhì)方法有將初級電流等效為電流層的考核方式，另外一種方式通過通電電源頻率與極距來測評電磁直線作動器的品質(zhì)，最后一種方式為，通過勵磁電抗與次級電阻的比值來評價電磁直線作動器的品質(zhì)。

電磁負荷的選擇。考慮到通電導線的負載能力，即單位長度的總安培數(shù)量，應該選擇散熱能力較強，長時間運行效率穩(wěn)定的材料。在材料選擇的過程中，如果材料的散熱能力差，則可選擇單位長度電荷負荷較小的材料，反之，則可選擇單位負荷較大的材料，通常情況下，電磁作動器的材料選擇為460A/cm的材料。磁負荷是磁通密度的幅值，電磁作動器在考慮電負荷的同時，還應該考慮磁負荷，為了減少勵磁電流，提高電磁作動器的效率，通常情況下，應選擇磁負荷較小的材料，通過經(jīng)驗表明，選擇0.09～0.4T的效果較好。

電磁作動器尺寸的確定。在確定電磁作動器的尺寸之前，需要先看看旋轉(zhuǎn)電機的電樞的直徑與定子長度。我們知道，電機所傳遞的電磁功率與電樞直徑的平 方成正比，與其有效長度亦成正比。于電磁作動器相對應的，在考慮其尺寸的時候應該考慮初級鐵心極距與鐵心直徑的平方之間的關(guān)系。通過研究，作動器的尺寸可用如下公式確定：

在該公式中，主要參數(shù)Fe為額定電磁力；A為初級線負荷；Bs為氣隙磁通密度。

氣隙大小的確定，氣隙的確定直接影響到電磁作動器的性能與穩(wěn)定性，為了加大電磁作動器的功率效應，氣隙越小越好，但是為了保證電磁作動器能夠長時間運行的穩(wěn)定性，氣隙應該較大點為宜。通常情況下，為了平衡性能與穩(wěn)定，一般設(shè)置氣隙的大小在3個毫米以下。

4 結(jié)束語

懸架系統(tǒng)是汽車車輛底盤的重要組成部件之一，實踐表明，采用電磁作動器作為旋動架構(gòu)的主要構(gòu)件對促進汽車的性能與平穩(wěn)性具有十分重要的意義，所以本文以此為依托，結(jié)合旋轉(zhuǎn)電機，重點闡述了電磁作動器的設(shè)計原理，設(shè)計架構(gòu)以及需要考慮的設(shè)計因素，實踐表明，通過在汽車中使用電磁作動器，可以有效提升汽車的舒適性與穩(wěn)定性。

［1］岳廣照.車輛懸架用電磁作動器研究[D].重慶大學,2010.

［2］來飛,黃超群.采用電磁作動器的車輛主動懸架的研究[J].汽車工程,2012(2).

［3］張紅新,朱思洪.主動座椅懸架電磁作動器仿真研究[J].機械設(shè)計,2008(4).