一种具有被动阻尼的车辆电磁作动器及其匹配设计方法

1.本发明涉及车辆悬架系统设计领域，具体涉及一种具有被动阻尼的车辆电磁作动器及其匹配设计方法。


背景技术：

2.传统被动悬架的刚度和阻尼不可调，难以有效满足不同行驶路面及行驶车速下的动力学性能需求，并且被动悬架是将振动能量转化为热能耗散掉，从而造成能量浪费。主动悬架能够实时输出理想作动力，从而能够提高不同路面条件下的车辆动力学性能。油气悬架和空气悬架虽然能够根据行驶路面及行驶车速的变化实时调整控制参数，但是能耗巨大，并且存在控制带宽低、响应速度慢等固有难题。直线电机电磁主动悬架可以实现能量的双向流动，具有能量再生和主动作动双重功能，能量再生模式下回收悬架振动能量，降低系统整体能耗；主动控制模式下，直线电机具有更高的控制带宽和更快的响应速度。因此，相较于主动油气悬架和空气悬架，电磁悬架具有更优越的综合性能，是现有主动悬架研究领域的热点。
3.然而，单一直线电机电磁作动器在电路失效时，无法提供作动力，车辆动力学性能急剧下降，严重影响到乘坐舒适性和行驶安全性，即无工作可靠性。当前，已有研究将液压减振器和直线电机并联，以提高悬架基值被动阻尼，使其具有可靠性；然而这种并联设计必然导致悬架总成的质量和占用空间增大，增加悬架系统的复杂性；并且，关于电磁作动器被动阻尼和推力输出匹配设计的相关文献较少，电磁作动器的设计缺乏理论指导。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种具有被动阻尼的车辆电磁作动器及其匹配设计方法。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种具有被动阻尼的车辆电磁作动器，包括同轴设置的动子和定子；所述定子包括导电环和背铁，所述背铁为中空结构，背铁沿圆周方向开设有若干槽，槽中放置线圈绕组，且槽口处嵌放导电环。
7.上述技术方案中，导电环位于永磁体外侧，永磁体沿周向固定在中心杆上。
8.上述技术方案中，导电环位于永磁体内侧，永磁体安装在外壳上。
9.上述技术方案中，所述动子和定子之间设有滑动轴承。
10.上述技术方案中，所述动子与定子之间设有螺旋弹簧。
11.上述技术方案中，所述动子包括中心杆，中心杆底部设有圆形凹槽，凹槽与导向杆间隙配合；导向杆底端以及背铁的底端均与下吊固定，下吊与外壳刚性连接。
12.上述技术方案中，所述导电环采用无磁金属材料。
13.一种基于具有被动阻尼的车辆电磁作动器的匹配设计方法，包括被动阻尼、额定电磁推力以及具有被动阻尼的车辆电磁作动器控制方法的匹配设计；所述被动阻尼的匹配
设计值为c
max
[c
min
,c’pa
]，其中c
min
为电磁作动器失效时具有的最低被动阻尼期望值，c’pa
为优化后的被动阻尼系数；所述额定电磁推力的匹配设计值通过对车辆悬架控制器输出的理想力均方根值取整获得；所述具有被动阻尼的车辆电磁作动器控制方法的匹配设计，具体为：车辆电磁作动器控制方法的表达式为：其中c
p
为导电环和背铁在变化的磁场中产生的电涡流阻尼，ce是由动子与定子相对运动时，线圈绕组产生的电磁阻尼，c’sky
为优化后的天棚阻尼系数，为簧上质量的速度，为簧下质量的速度。
[0014]
进一步地，所述匹配设计方法还用于液压阻尼器和直线电机集成的混合电磁作动器的匹配设计。
[0015]
本发明的有益效果为：
[0016]
(1)本发明车辆电磁作动器的定子包括导电环和模块化实心的背铁，背铁为中空结构，背铁沿圆周方向开设有若干槽，槽中放置线圈绕组，且槽口处嵌放导电环；车辆电磁作动器工作时，以背铁和导电环产生的电涡流阻尼提供电磁作动器被动阻尼，有效减小电磁作动器的整体质量和占用空间；
[0017]
(2)本发明车辆电磁作动器的匹配设计方法，包括被动阻尼、额定电磁推力以及具有被动阻尼的车辆电磁作动器控制方法的匹配设计，为悬架作动器设计提供了理论参考。
附图说明
[0018]
图1为本发明所述具有被动阻尼的车辆电磁作动器结构示意图；
[0019]
图2为本发明所述具有被动阻尼的车辆电磁作动器匹配设计流程图；
[0020]
图3为本发明所述具有被动阻尼的车辆电磁作动器所涉及的车辆2自由度振动模型图；
[0021]
图4(a)为本发明所述具有被动阻尼的车辆电磁作动器所涉及的车身加速度响应图；
[0022]
图4(b)为本发明所述具有被动阻尼的车辆电磁作动器所涉及的轮胎动载荷响应图；
[0023]
图4(c)为本发明所述具有被动阻尼的车辆电磁作动器所涉及的悬架动挠度响应图；
[0024]
图5为本发明所述具有被动阻尼的车辆电磁作动器所涉及的电磁作动器消耗能量/回收能量图；
[0025]
图中：1.动子，2.上吊耳，3.中心杆，4.永磁体，5.螺旋弹簧，6.定子，7.定子端盖，8.定位环，9.滑动轴承，10.线圈绕组，11.导电环，12.背铁，13.导向柱，14.外壳，15.下吊耳。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0027]
如图1所示，本发明所述具有被动阻尼的车辆电磁作动器，包括动子1、定子6和螺旋弹簧5，动子1与定子6同轴设置，且两者之间设有气隙；螺旋弹簧5设置在动子1和定子6。
[0028]
所述动子1由上吊耳2、中心杆3和永磁体4组成，上吊耳2与中心杆3刚性连接，若干个永磁体4沿周向固定在中心杆3上；动子1通过上吊耳2与车身相连。
[0029]
所述定子6由定子端盖7、滑动轴承9、线圈绕组10、导电环11、背铁12和下吊耳15组成，背铁12为中空圆柱结构，背铁12内部沿圆周方向开设有若干槽，槽中放置线圈套组10，且槽口处嵌放导电环11，导电环11位于永磁体4外侧；背铁12上部通过定子端盖7进行密封，定子端盖7上安装有定位环8，定位环8用于螺旋弹簧5的安装定位，螺旋弹簧5安装于上吊耳1和定子端盖7之间，用以支撑车辆重量，并提供车辆悬架刚度；背铁12下部及定子端盖7均与永磁体4之间设有滑动轴承9；背铁12外侧固定在外壳14上。背铁12采用模块化实心设计；导电环11采用铜、铝等无磁金属材料。
[0030]
所述中心杆3底部设有圆形凹槽，与导向杆13间隙配合，导向杆13底端以及背铁12的底端均与下吊耳15固定；外壳14与下吊耳15刚性连接，定子6通过下吊耳15与车轴相连。
[0031]
本发明具有被动阻尼的车辆电磁作动器的工作过程为：车辆行驶过程中，线圈绕组10通电时，电磁作动器提供主动力；线圈绕组10不通电时，动子1与定子6的相对运动使得线圈绕组10中产生感应电动势，回收振动能量。工作过程中，导电环11和背铁12在变化的磁场中将产生电涡流阻尼c
p
，用以提供电磁作动器的被动阻尼；动子1和定子6通过滑动轴承9、导向杆13抵抗电磁作动器运动过程中的非理想侧向力，保持相对直线运动。
[0032]
上述设置中，永磁体4装配在动子1中，导电环11、线圈绕组10和背铁12装配在定子6中，永磁体4、导电环11、线圈绕组10和背铁12从内到外依次设置；永磁体4装配在定子6中，导电环11、线圈绕组10和背铁12装配在动子1中，背铁12、线圈绕组10、导电环11和永磁体4从内到外依次设置，背铁12位于中心杆3外侧，且永磁体4安装在外壳15上。
[0033]
如图2所示，本发明一种具有被动阻尼的车辆电磁作动器匹配设计方法，包括被动阻尼、额定电磁推力两个关键性能参数的匹配设计，以及具有被动阻尼的车辆电磁作动器控制方法的匹配设计。
[0034]
首先建立车辆2自由度振动模型，如图3所示，动力学方程可表示为：其中，ms、m
t
分别为簧上质量和簧下质量，ks为弹簧刚度，zs为簧上质量的位移，z
t
为簧下质量的位移，为簧上质量的加速度，为簧下质量的加速度，f
t
为轮胎力，且f
t
＝f(z
t-zr)，zr为路面高程，f为悬架力；因为f
t
可以为非线性表达式，所述一种具有被动阻尼的车辆电磁作动器匹配设计方法适用于所有轮式车辆。
[0035]
选择天棚阻尼系数和被动阻尼系数的公式组成与所述具有被动阻尼的车辆电磁作动器具有较高契合度的改进天棚控制作为控制策略，改进天棚的控制方程为：其中，c
sky
为天棚阻尼系数，c
pa
为被动阻尼系数。
[0036]
采用优化算法(例如麻雀算法)对所述改进天棚控制参数c
sky
和c
pa
进行优化选取。优化准则为乘坐舒适性、车轮接地性、能耗特性和安全可靠性。具体地，以车身加速度、悬架动挠度作为乘坐舒适性的评价指标，以轮胎动载荷作为车轮接地性的评价指标，以提供主动力所消耗能量作为能耗特性评价指标，并且设置电磁作动器失效时具有的最低被动阻尼cmin
，提高所述电磁作动器的安全可靠性。
[0037]
以c
max
[c
min
,c’pa
]作为被动阻尼的匹配设计值，c’pa
为优化后的被动阻尼系数；以车辆悬架控制器输出的理想力均方根值取整作为额定电磁推力的匹配设计值。
[0038]
具有被动阻尼的车辆电磁作动器控制方法的匹配设计：
[0039]
由于电磁作动器被动阻尼是控制参数c
pa
的物理实现，控制策略由改进天棚控制变为天棚控制，即车辆电磁作动器控制方法的设计准则为：当车身速度与悬架速度方向相同时，天棚控制力和被动阻尼力方向相同，选择被动馈能模式；当车身速度与悬架速度方向相反时，天棚控制力和被动阻尼力方向相反，选择主动控制模式。因此，车辆电磁作动器控制方法的表达式为：
[0040][0041]
其中c’sky
为优化后的天棚阻尼系数，ce为由动子1与定子6相对运动时，线圈绕组10产生的电磁阻尼，为簧上质量的速度，为簧下质量的速度。
[0042]
本发明公开的一种具有被动阻尼的车辆电磁作动器匹配设计方法不仅限于图1中给出的作动器结构，可以为液压阻尼器和直线电机集成的混合电磁作动器。
[0043]
具体地，以ms＝218.5kg、m
t
＝23.3kg、ks＝13200n/m、f
t
＝5.386
×
106(z
t-zr) 1.418
×
105(z
t-zr)的车辆系统为例，该系统参数下，选择麻雀算法对改进天棚的天棚阻尼系数和被动阻尼系数进行优化，优化后，天棚阻尼系数c’sky
＝1069.7n
·
s/m、被动阻尼系数c’pa
＝1000.5n
·
s/m。设定最小被动阻尼为c
min
＝800n
·
s/m，c
max
[c
min
,c
pa
]＝1000.5n
·
s/m，因此，电磁作动器的被动阻尼的设计值为1000n
·
s/m；车辆悬架控制器输出的理想作动力均方根值为268n，峰值作动力为805n，因此，电磁作动器额定电磁推力设计为270n，峰值电磁推力为800n。
[0044]
如图4(a)、(b)、(c)所示，相较于被动悬架，电磁悬架能够有效降低车身加速度和悬架动挠度，车轮动载荷相差不大。如图5所示，电磁作动器回收能量大于消耗能量，能够实现汽车节能。本发明所设计电磁作动器及控制方法能够提高车辆乘坐舒适性，同时实现振动能量回收。
[0045]
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。