圓筒型橫向磁通直線電機式主動懸架作動器的設計

丁軻，古玉鋒，張國慶

圓筒型橫向磁通直線電機式主動懸架作動器的設計

丁軻，古玉鋒，張國慶

（長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

針對現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作動器。在分析電機作動器的基礎上，搭建了路面激勵模型、1/4主動懸架數學模型以及LQG控制器模型，利用Matlab/Simulink進行仿真得出主動懸架作動器的主動力設計目標。將該設計目標與圓筒型橫向磁通直線電機作動器的Maxwell軟件電磁力仿真結果進行對比分析，結果表明，主動懸架作動器的主動力設計目標與Maxwell仿真得到的電磁力數值基本吻合，為橫向磁通直線電機應用于主動懸架的可行性進行了驗證。

主動懸架；橫向磁通；作動器；有限元分析

前言

主動懸架可以自動地調節懸架的剛度和阻尼，可以回收懸架系統振動的能量，既滿足汽車的行駛平順性，又節能環保。作動器性能的好壞與主動懸架性能好壞密切相關，對于作動器的研究越發重要。直線電機式作動器，可以部分或者完全替代懸架中的彈簧和減振器，實時調節懸架所需要的主動控制力。但是直線電機的缺點是輸出力密度較低。傳統軸向和徑向磁路的直線電機，磁通經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的旋轉方向，導致槽寬與齒寬相互制約，電機力密度難以得到根本提高。而橫向磁通直線電機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，更能發揮出電機的功能特性。

目前對于各類直線電機的研究也取得了一些成績。文獻[1]設計了一種雙定子空心圓筒型永磁直線電機作動器，通過電機的仿真優化證明了極對數為2，繞組配置為積分槽型，磁體為準Halbach型時，電機具有最大推力，但未對該種電機的漏磁情況做具體說明[1]。文獻[2]研究了橫向磁通永磁直線電機的氣隙磁場分布，將推力密度和推力波動作為優化目標，優化設計了電機的主要結構參數[2]。文獻[3]提出了一種圓筒型橫向磁通同步發電機來實現高線性，描述了電機的基本構型，并對三種不同次級數的模型進行了解釋，在給定的橫截面范圍內，考慮了電樞鐵心中次級線圈的數目，得到了最優設計[3]。由已有文獻可知，橫向磁通直線電機主要研究其結構參數優化及提高其力密度的方法，并將其作為發電機應用于汽車驅動上，對于將橫向磁通直線電機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作動器，并將LQG控制應用于主動懸架系統，運用Matlab仿真，得到了作動器設計目標，在此基礎上對直線電機作動器進行了結構設計，并進行了有限元仿真，驗證了橫向磁通直線電機用于主動懸架上的可行性。

1 懸架模型

1.1 主動懸架動力學模型

1/4車輛主動懸架模型如圖1所示[4]，圖中為簧載質量、為非簧載質量、為懸架彈簧剛度、為減振器阻尼系數、為輪胎剛度，為作動器主動力等，圖中2表示簧載質量的垂向位移，1表示非簧載質量的垂向位移，0表示路面激勵。

圖1 1/4主動懸架模型

1/4主動懸架的動力學方程為：

狀態方程為：

則：

1.2 路面激勵

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。

1.3 LQG最優主動懸架控制器的建立

汽車懸架動力學性能評價指標主要包括：簧上質量垂直加速度、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函數如下[5]：

式中：1為簧載質量垂向振動加速度加權系數，2為懸架動撓度加權系數，3為輪胎動載荷加權系數。

將綜合性能指標寫成矩陣形式為：

最優控制反饋增益矩陣K由黎卡提（Riccati）方程求出：

調用Matlab中的程序[K P E]=lqr（A，B，Q，R，N）即可得最優反饋增益矩陣K、黎卡提方程的解P及特征根E。當=-時，綜合性能指標J取最小值，可得到最優控制力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

仿真結果如下：

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。

2 電磁作動器的設計與有限元仿真

2.1 作動器結構設計

橫向磁通電機內的磁場是一個三維場，本文采用Max -well 3D軟件建立模型并進行有限元分析[6]。該作動器由定子鐵芯、轉子、永磁體和線圈組成，結構示意圖如圖6所示，其中定子鐵芯采用硅鋼片疊壓而成，材料為M19-24G，轉子也采用此材料。該種材料具有較大的磁導率和較小的阻抗；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。該電機采用三相結構，各相互差120°電角度。在圓周方向上，定子齒數和動子極數相同均為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，有利于提高電機效率。電機具體的技術參數如下表2所示。

表2 電機作動器技術參數 mm

2.2 基于Ansys Maxwell的電磁作動器有限元建模及仿真

直線電機作動器的主磁通是從永磁體的N極開始，穿過氣隙，再穿過定子齒部進入到定子鐵芯內，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，構成電機的磁路[8]。

圖6 橫向磁通直線電機結構示意圖

橫向磁通直線電機的簡化磁場強度分布情況如圖7所示，由圖7可看出，該電機磁場分布均勻，形成了完整的閉合回路，無漏出情況；磁場矢量集中在轉子永磁體和定子相鄰齒槽間隙形成的區域內，由此通電繞組在磁場中運動產生力，推動電機的運動。

將作動器0.005s和0.047s運動時的磁感應強度變化情況進行分析來驗證該電機模型的正確性。由圖7可以看出，作動器在兩個瞬時時間的磁感應強度主要集中在定子齒部和轉子部分。當t=0.005s時定子齒部的磁感應強度為1.6025T，轉子部分的磁感應強度為5×10-3T；當t=0.047s時，定子齒部的磁感應強度集中分布在1.0718T至1.4718T，轉子中心及定子鐵芯內部的磁感應強度大多集中在5.0142×10-3T至5.3840×10-1T，兩個瞬時時刻的磁感應強度相一致，較大的值集中在定子齒部，較小的值集中在轉子中心及定子鐵芯內部區域，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度

圖8 橫向磁通直線電機作動器電磁力

由圖8可知，該電機作動器的電磁力輸出最大為652.87N，經過0.97s以后，下降到651.1739N并且隨著時間的增加，數值穩定在651.1N左右。由此說明，該電機的電磁推力為651N左右，該數值與懸架的主動控制力數值基本吻合，進一步驗證了懸架作動器電機模型的正確性。

3 結論

（1）建立1/4主動懸架模型，根據懸架動力學方程、路面白噪聲激勵和LQG最優控制建立了Matlab/Simulink模型，得到了最優控制下的懸架主動力，并以此為目標來設計作動器。

（2）根據橫向磁通電機的參數建立了直線電機Maxwell 3D模型，對其進行瞬態電磁場有限元分析，通過分析作動器內部的磁場分布驗證了模型結構設計的合理性；通過對比分析作動器0.005s和0.047s運動時的磁感應強度驗證了該電機模型的正確性；將線圈繞組磁場與永磁體磁場相互作用產生的電磁力與懸架設計目標中的主動力進行對比，兩個數值基本吻合，進一步驗證了懸架作動器電機模型的正確性。

（3）本設計考慮了圓筒型橫向磁通直線電機應用于主動懸架充當作動器的可行性，下一步需要分析橫向磁通電機結構參數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。

[1] Yiming Shen, Qinfen Lu, Yunyue Ye. Double-stator air-core tubular permanent magnet linear motor for vehicle active suspension systems[C].IEEE Vehicle and Propulsion Conference,2016:1-6.

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[3] Ryuji Watanabe, Jung-Seob Shin, Takafumi Koseki. Optimal design for high output power of transverse-flux-type cylindrical linear synchronous generator[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2014, 50(11):1-4.

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[7] Ryuji Watanabe, Jung-Seob Shin, Takafumi Koseki. Optimal design for high output power of transverse-flux-type cylindrical linear synchronous generator[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2014,50 (11):1-4.

[8] 于斌.圓筒型錯齒結構橫向磁通永磁直線電機的研究[D].哈爾濱工業大學,2016.

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，就職于長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室。