一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器及其尺寸确定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器及其尺寸确定方法，包括上吊耳、防尘罩、下吊耳、液压减振器、混合励磁机构，液压减振器提供不变粘性阻尼系数，混合励磁机构提供可调电磁阻尼力，并将振动能量转化为电能进行储存。同时提供一种尺寸确定方法，根据额定要求确定液压减振器选型，推导出电磁阻尼力表达式，利用粒子群优化算法确定混合励磁机构初步尺寸，进行有限元分析，优化气隙长度等，并确定最终尺寸。本发明专利技术将液压减振器与混合励磁的圆筒直线电机集成，实现阻尼力可调，并在工作过程中回收能量，结构简单，协调车辆悬架隔振性与馈能性，并兼具Fail‑safe功能；另外尺寸确定方法步骤明确、实施简单、优化结果明显，具有较强实践性。

Semi active energy suspension damper based on mixed excitation and its size determination method

The invention discloses a semi-active fed hybrid excitation can determine the method of suspension shock absorber and its size based on including hanging ear, dust cover, hanger, hydraulic damper, hybrid excitation mechanism, hydraulic shock absorber provides a constant viscous damping coefficient, the hybrid excitation mechanism provides adjustable electromagnetic damping force and vibration energy into electrical energy storage. At the same time provide a method to determine the size, according to the rating requirements to determine hydraulic damper selection, deduced electromagnetic damping force expression, using particle swarm optimization algorithm to determine the initial size of the hybrid excitation mechanism, finite element analysis and optimization of the air gap length, and determines the final size. The invention of the linear motor hydraulic damper and hybrid excitation integration, realize adjustable damping force, and energy recovery, in the work process has the advantages of simple structure, coordinated vehicle suspension isolation and energy feedback, both Fail and safe function; also the method to determine the dimensions of clear steps and simple implementation, the optimization results obviously. Has the strong practicality.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于汽车悬架领域，具体涉及一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器及其尺寸确定方法。
技术介绍
目前，大部分车辆悬架部分仍使用传统的双筒式减振器，其阻尼系数不可随行驶工况进行调节，设计时只能保证在某种特定行驶工况下达到良好的减振条件，难以适应不同的道路状况，因而减振性能有限。此外，大多数传统减振器一旦失效则彻底失去隔振能力，大大影响汽车行驶平顺性与操纵稳定性。另一方面，全球环境问题和能源问题日益突出，就传统内燃机而言，仅有16％的能量用于驱动车辆行驶，其他能量被各耗能部件以热能形式消耗掉。能量回收再利用是实现汽车节能的有效途径。理论研究表明，再生制动最大可提高30％的燃油效率，废热回收可提高10％-30％的燃油效率，悬架振动能量回收最大可提高10％的燃油效率。直线电机结构简单、紧凑、效率高、抗电磁干扰能力强、电枢与定子间无径向力。Bose公司研制了直线电机式馈能主动悬架，在提高车辆动态性能的同时，可部分回收车辆振动能量,但直线电机输出主动力时，无法回收振动能量，耗能较高。此外，中国专利CN201310105535.0公开了一种混合动力车辆半主动悬架馈能器，将一筒式直线发电机集成到传统的被动减振器中，并在活塞杆上开设节流口以使减振器阻尼力可调，但调节方式复杂，稳定性不高，直线电机仅用来回收能量，利用率不高。因此，亟待提出一种新结构，在输出可调阻尼力的同时可以进行能量回收。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，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。因此提出将基于混合励磁的直线电机集成到传统减振器的概念。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器及其尺寸确定方法，将基于混合励磁的筒式直线电机集成到传统液压减振器上，在汽车行驶过程中，通过改变直流励磁绕组励磁电流大小与方向，使悬架的阻尼力根据行驶工况实时可调，提高行驶平顺性与操纵稳定性；与此同时，利用簧上质量与簧下质量间的相对运动，对振动能量进行回收，提高燃油经济性，减少能源消耗。此外，本专利技术兼具Fail-safe功能，当混合励磁直线电机部分失效时，液压减振器部分仍能提供阻尼力，使得悬架正常工作。本专利技术是通过以下技术方案实现上述目的的。一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法，包括以下步骤：步骤1)，推导出半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力与感应电动势的解析表达式；步骤2)，根据半主动馈能悬架减振器的具体工况及技术要求确定半主动馈能悬架减振器的额定数据，并确定混合阻尼力调节范围，进行液压减振器选型；步骤3)，根据推导得出的半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力解析表达式，令直流励磁绕组中的励磁电流为零，确定永磁体的尺寸；根据直流励磁绕组中的直流励磁电流输入范围，确定直流励磁绕组的匝数与线径；步骤4)，利用粒子群算法优化电机整体尺寸，取单位励磁电流提供的电磁阻尼力为目标函数，约束条件为：各部分磁密不超过磁密最大值，边界尺寸满足要求，励磁电流不超过3A，电磁阻尼力大于最小值；利用罚函数，将上述约束条件列入目标函数，粒子群算法设置参数包括：粒子群规模、学习因子、惯性权重、自变量以及迭代次数；步骤5)，将得到的电机整体尺寸代入电磁阻尼力与感应电动势的解析表达式，得到半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力与回收能量解析值；步骤6)，将步骤2)中的额定数据与步骤5)中计算得到的解析值进行比较，若满足设计要求则进行下一步，否则回到步骤3)；步骤7)，在Ansoft仿真软件中，根据步骤3)及步骤4)中电机各部分的初定尺寸建立电机模型，仿真混合励磁直线电机，进行有限元分析，对比有限元值与步骤4)中计算得到的解析值，并进行混合励磁机构的尺寸优化，优化的内容包括永磁体的宽度、直流励磁绕组的长度以及电机初级与电机次级之间的气隙长度；步骤8)，得到优化后混合励磁机构的尺寸，对比优化前后半主动馈能悬架减振器的性能，若没有明显优化，则回到步骤6)；步骤9)，确定半主动馈能悬架减振器的最终尺寸。进一步，所述步骤1)中推导出的电磁阻尼力的解析表达式为：其中FE为半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力，kf为电磁阻尼力系数，kv为绕组的电压系数，为电机次级与初级间相对速度，Rm为电机内阻，Rl为负载电路电阻。进一步，所述步骤1)中推导出的感应电动势的解析表达式为：其特征在于，所述步骤1)中推导出的感应电动势的解析表达式为：其中Vemf为半主动馈能悬架减振器的感应电动势，m为三相绕组(202)的匝数，r为三相绕组(202)的线经，Am为永磁体(203)径向的截面面积，Acoil为三相绕组(202)径向的截面面积，Bm为永磁体(203)的磁感应强度，kv为绕组的电压系数，为电机次级与初级间相对速度。进一步，所述步骤9)确定半主动馈能悬架减振器的最终尺寸为铁芯厚度τi＝5.7mm，永磁体厚度τm＝10.5mm，三相绕组宽度τc＝8.4mm，定子磁轭半径rs＝33.55mm，三相绕组外径rc＝32.2mm，三相绕组内径ra＝29.2mm，永磁体外径rm＝28.2mm，永磁体内径rw＝22.2mm，直流电励磁外径ri＝19.2mm，直流电励磁内径rp＝4.2mm。进一步，所述步骤4)中粒子群算法参数设置为：粒子群规模为40，学习因子都取2，惯性权重都取0.9，自变量为4，迭代次数取500。一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法确定的半主动馈能悬架减振器，包括上吊耳、下吊耳以及设置在上吊耳、下吊耳之间的液压减振器主体；还包括包裹在所述液压减振器主体外围的防尘罩、混合励磁机构；所述混合励磁机构包括电机初级与电机次级，所述电机初级包括导体管和三相绕组，所述电机次级包括永磁体、铁芯及直流励磁绕组；所述上吊耳下端两侧焊接防尘罩，所述防尘罩下端两侧均与导体管焊接，所述导体管内部设有三相绕组；电机次级焊接于储油缸筒外壁，所述电机次级表面贴附有永磁体，所述电机次级设有开口矩形槽，所述开口矩形槽内绕有直流励磁绕组，所述铁芯与永磁体相接触；所述电机初级与电机次级之间有固定尺寸的气隙，所述气隙中的励磁磁场由永磁体与直流励磁绕组共同产生，所述永磁体提供电机运行时的主要励磁磁场，所述直流励磁绕组提供电机运行时的辅助励磁磁场。进一步，所述液压减振器主体包括活塞杆、骨架油封、导向座、工作缸筒、活塞、流通阀、伸张阀、储油缸筒、压缩阀以及补偿阀；所述活塞杆的上端焊接在防尘罩的内部，所述活塞杆下端伸入工作缸筒内，且与活塞相连；所述活塞上端面设有伸张阀，所述活塞下端面设置流通阀；所述工作缸筒顶部由导向座压紧；工作缸筒下端设有压缩阀与补偿阀；所述活塞杆与骨架油封配合置于储油缸筒顶部，所述储油缸筒内部装有工作缸筒，所述储油缸筒下端焊有下吊耳。进一步，所述防尘罩与储油缸筒均由非导磁材料制成。进一步，所述混合励磁机构为集成电励磁与永磁励磁的圆筒式直线电机。进一步，由所述半主动馈能悬架减振器确定其最终尺寸为铁芯厚度τi＝5.7mm，永磁体厚度τm＝10.5mm，三相绕组宽度τc＝8.4mm，定子磁轭半径rs＝33.55mm，三相绕组外径rc＝32.2mm，三相绕组内径ra＝29.2mm，永磁体外径rm＝28.2mm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)，推导出半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力与感应电动势的解析表达式；步骤2)，根据半主动馈能悬架减振器的具体工况及技术要求确定半主动馈能悬架减振器的额定数据，并确定混合阻尼力调节范围，进行液压减振器(10)选型；步骤3)，根据推导得出的半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力解析表达式，令直流励磁绕组(205)中的励磁电流为零，确定永磁体(203)的尺寸；根据直流励磁绕组(205)中的直流励磁电流输入范围，确定直流励磁绕组(205)的匝数与线径；步骤4)，利用粒子群算法优化电机整体尺寸，取单位励磁电流提供的电磁阻尼力为目标函数，约束条件为：各部分磁密不超过磁密最大值，边界尺寸满足要求，励磁电流不超过3A，电磁阻尼力大于最小值；利用罚函数，将上述约束条件列入目标函数，粒子群算法设置参数包括：粒子群规模、学习因子、惯性权重、自变量以及迭代次数；步骤5)，将得到的电机整体尺寸代入电磁阻尼力与感应电动势的解析表达式，得到半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力与回收能量解析值；步骤6)，将步骤2)中的额定数据与步骤5)中计算得到的解析值进行比较，若满足设计要求则进行下一步，否则回到步骤3)；步骤7)，在Ansoft仿真软件中，根据步骤3)及步骤4)中电机各部分的初定尺寸建立电机模型，仿真混合励磁直线电机，进行有限元分析，对比有限元值与步骤4)中计算得到的解析值，并进行混合励磁机构(20)的尺寸优化，优化的内容包括永磁体(203)的宽度、直流励磁绕组(205)的长度以及电机初级与电机次级之间的气隙长度；步骤8)，得到优化后混合励磁机构(20)的尺寸，对比优化前后半主动馈能悬架减振器的性能，若没有明显优化，则回到步骤6)；步骤9)，确定半主动馈能悬架减振器的最终尺寸。...

【技术特征摘要】
1.一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)，推导出半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力与感应电动势的解析表达式；步骤2)，根据半主动馈能悬架减振器的具体工况及技术要求确定半主动馈能悬架减振器的额定数据，并确定混合阻尼力调节范围，进行液压减振器(10)选型；步骤3)，根据推导得出的半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力解析表达式，令直流励磁绕组(205)中的励磁电流为零，确定永磁体(203)的尺寸；根据直流励磁绕组(205)中的直流励磁电流输入范围，确定直流励磁绕组(205)的匝数与线径；步骤4)，利用粒子群算法优化电机整体尺寸，取单位励磁电流提供的电磁阻尼力为目标函数，约束条件为：各部分磁密不超过磁密最大值，边界尺寸满足要求，励磁电流不超过3A，电磁阻尼力大于最小值；利用罚函数，将上述约束条件列入目标函数，粒子群算法设置参数包括：粒子群规模、学习因子、惯性权重、自变量以及迭代次数；步骤5)，将得到的电机整体尺寸代入电磁阻尼力与感应电动势的解析表达式，得到半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力与回收能量解析值；步骤6)，将步骤2)中的额定数据与步骤5)中计算得到的解析值进行比较，若满足设计要求则进行下一步，否则回到步骤3)；步骤7)，在Ansoft仿真软件中，根据步骤3)及步骤4)中电机各部分的初定尺寸建立电机模型，仿真混合励磁直线电机，进行有限元分析，对比有限元值与步骤4)中计算得到的解析值，并进行混合励磁机构(20)的尺寸优化，优化的内容包括永磁体(203)的宽度、直流励磁绕组(205)的长度以及电机初级与电机次级之间的气隙长度；步骤8)，得到优化后混合励磁机构(20)的尺寸，对比优化前后半主动馈能悬架减振器的性能，若没有明显优化，则回到步骤6)；步骤9)，确定半主动馈能悬架减振器的最终尺寸。2.根据权利要求1所述的一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤1)中推导出的电磁阻尼力的解析表达式为：其中FE为半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力，kf为电磁阻尼力系数，kv为绕组的电压系数，为电机次级与初级间相对速度，Rm为电机内阻，Rl为负载电路电阻。3.根据权利要求1所述的一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤1)中推导出的感应电动势的解析表达式为：其中Vemf为半主动馈能悬架减振器的感应电动势，m为三相绕组(202)的匝数，r为三相绕组(202)的线经，Am为永磁体(203)径向的截面面积，Acoil为三相绕组(202)径向的截面面积，Bm为永磁体(203)的磁感应强度，kv为绕组的电压系数，为电机次级与初级间相对速度。4.根据权利要求1所述的一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤9)确定半主动馈能悬架减振器的最终尺寸为铁芯(204)厚度τi＝5.7mm，永磁体(203)厚度τm＝10.5mm，三相绕组(202)宽度τc＝8.4mm，定子磁轭半径rs＝33.55mm，三相绕组(202)外径rc＝32.2mm，三相绕组(202)内径ra＝29.2mm，永磁体(203)外径rm＝28.2mm，永磁体(203)内径rw＝22.2mm，直流电励磁(205)外径ri＝19.2mm，直流电励磁(205)内径rp＝4.2mm。5.根据权利要求1所述的一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪若尘，余未，丁仁凯，陈龙，汪佳佳，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32