电磁直线馈能悬架的馈能特性研究
电磁直线馈能悬架是一种基于麦弗逊式悬架的半主动悬架，它能够将车身振动的能量进行回收利用，以此达到提高车辆能源利用率的设计目的。本文主要是基于Ansoft Maxwell的二维有限元建模与仿真，对电磁直线馈能悬架的馈能特性进行研究与分析。另外，本文还将根据仿真的结果，将不同的结构设计参数、材料的选择和路面状况等因素进行对比，然后分析各种因素对电磁直线馈能悬架的馈能特性的影响，为往后馈能悬架的性能优化和结构优化的研究奠定一定的基础。 关键词 馈能特性，Ansoft Maxwell，有限元分析，影响因素
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景与意义 1
1.2 馈能悬架的馈能特性的研究现状 2
2 电磁直线馈能悬架馈能装置的建模与仿真 3
2.1 电磁直线馈能悬架的馈能装置的结构和原理 3
2.2 基于Ansoft Maxwell的有限元模型建立及仿真 4
3 电磁直线馈能悬架有限元结果分析 12
3.1 二维有限元分析法的原理 12
3.3 瞬磁场馈能特性 13
4 电磁直线馈能悬架馈能特性的影响因素 16
4.1 结构设计参数 16
4.2 材料选择 18
4.3 路面状况 20
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1 课题研究背景与意义
汽车悬架系统的作用简单的来说就是缓和冲击，以便改善乘坐人员的乘坐舒适性。目前，大多数的汽车任然在使用被动悬架，而被动悬架存在一定的局限性。如弹簧刚度和阻尼无法改变，外界路面的情形又多种多样，无法做到使其适应路面，因此减震效果可想而知。基于这样的考虑，本文将采用主动悬架。之所以把主动悬架用于本文的研究，原因在于其优势是国内外研究人员有目共睹的。它弥补了被动悬架弹簧和阻尼不可以变化的缺点，能够依照车辆的行驶情况和路面情形，适时的改变悬架刚度和阻尼，这样一来减震效果会大幅度的提高，舒适性也会有质的飞跃。当然，主动悬架也是存在一定的缺陷，其缓和冲击所需要的能量过多，所以使用成本也会相对较多，并不能适用于大多 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
数的汽车[1]。本文研究的另一个意义在于节能。目前节能是众多车辆设计研究的目标之一，所以，本文解决了主动悬架消耗能量多的缺陷，把能量的回馈作为设计考虑，这样就能为汽车弥补消耗的能量，以此来达到减能耗降成本的目的。馈能悬架是将车轴与黄在质量之间的振动转化为电能，并且回收储藏，加以利用。目前的馈能悬架分为两种，一种是机械式馈能悬架，另外一种则是电磁式馈能悬架。将这两种悬架进行对比后发现，机械式悬架存在响应频率低、响应速度慢等缺点[2]，不适用于本文，而电磁式馈能悬架系统传动效率理想，并且没有机械式悬架的缺点，所以本文选择了电磁式馈能悬架。
近年来，馈能悬架的研究中心集中在对馈能特性的研究与分析。在主动悬架的设计过程中，如何使得主动悬架在应用中降低能耗一直是研究的重中之重。本文所研究的电磁式馈能悬架为解决这一难题提供了有效的途径，其主要研究思想是利用回馈的能量来供给系统，使得悬架能够有能量来实现主动控制，从而降低外界能量的输入。由于外界路面情况的不同，车辆行驶的速度不同，悬架的振动情况也不同，因此回馈的电压有可能较低，储能装置往往是能够储存一定电压范围的电能，故需要将较小的电压进行放大处理才能实现储存，才能最大程度的回收振动能量，才能提高馈能效率。另外也需要考虑到减震性能和馈能性能的综合协调，提高减震性能就得需要提高系统的能量消耗[3]，这样一来，馈能特性就会得不到设计的要求，因此，协调者两者的关系对于研究馈能特性具有一定的意义。
1.2 馈能悬架的馈能特性的研究现状
在此之前，有许多学者与研究者对于电磁馈能悬架的馈能功率、电阻、效率等一系列的馈能性能进行了一定的研究，他们的研究成果对于本文电磁直线馈能悬架特性研究都有这显著的帮助。
Suda等人对于自供电式的主动悬架的研究，提出了一种控制能量消耗的方法，其作用是用来协调再生阻尼器、作动器与储能电容。此类系统在工作的过程中，不需要任何的外部能量输入，主动悬架的主动控制需要一定的能量，而这部分的能量来自于储能电容，储能电容产生的能量又出自于再生阻尼器，而阻尼器的能量是其在工作过程中经过馈能装置回收而拥有的回馈能量[4]，这样就可以有效的降低了簧载质量的垂直方向的运动。
Kim和Okada等研究人员将双向电压充电电路引入脉宽调制升压斩波电路中，其工作原理简单的阐述为在电感的工作下，回馈的电流以某种方式从一种相对较低反电动势输入相对较高电压的电池重去，从而能够从低速度运转过程中回收到正常的能量[5]。Graves等研究人员对于旋转直流电机结合齿轮齿条机构的电磁馈能装置进行了一系列的改进和创新，从升压型DCDC转换器中得到启发，经过研究和分析，产生了一款较为新型的控制电路，此电路的设计产生使得低速时馈能电压较小无法进行回收的难题在某种程度上得到了攻克。
Bose集团对于作动器设计了一款专用于车辆的直线式电机电磁作动器，其作用是大幅度的减小汽车转弯侧倾、刹车前倾和跨越障碍时的垂直方向上产生的振动。这款作动器的原理如下：首先在车辆的车轮和底盘位置加装速度传感器，以此来监控测量车辆行驶过程中的各种状况，在行驶的过程中，根据不同的路面情形，中央控制器会根据实际情况进行控制功放装置，以此来为作动器提供一定的能量，然后作动器能够在2ms的时间内进行响应，使悬架支柱依车身和车轮的相对位置的不同而伸张或收缩。作动器在发电机模式运转时，可以将回馈的电能储存在储能装置中，从而达到降低能量消耗的目的[6]。
以上就是相关的先前的研究成果，对于电磁直线馈能悬架的特性，通过结构设计和材料选择还是不够明显准确的表达，所以，本文将通过参数的选择与严密的理论计算来量化电磁直线馈能悬架的特性。
2 电磁直线馈能悬架馈能装置的建模与仿真
2.1 电磁直线馈能悬架的馈能装置的结构和原理
由于本文的重点是对馈能特性的研究，故对于馈能装置的结构图采用简单明了的图形来表达。
如图2.1(a)，1为悬架减震器活塞拉杆，起作用在于带动线圈绕组上下运动切割磁感线。2为线圈绕组，在线圈绕组和拉杆之间存在着线圈骨架，用于缠绕线圈。3为永磁体，为整个装置提供磁场，在永磁体的外部还有一个外磁轭。对于永磁体，本文采用Halbach分布，图2.1（b），即轴向磁极的磁体与径向磁极的磁体进行依次分布，径向磁体有6块，轴向磁体7块，这样的分布能够使得磁体的一侧产生加强的磁场，而另一侧则产生自屏蔽效应[7]，几乎不存在磁场。磁体与线圈之间存在一定的间隙，能够在保证磁通密度的同时，使得线圈绕组的运动不会触碰到磁体而产生磨损。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景与意义 1
1.2 馈能悬架的馈能特性的研究现状 2
2 电磁直线馈能悬架馈能装置的建模与仿真 3
2.1 电磁直线馈能悬架的馈能装置的结构和原理 3
2.2 基于Ansoft Maxwell的有限元模型建立及仿真 4
3 电磁直线馈能悬架有限元结果分析 12
3.1 二维有限元分析法的原理 12
3.3 瞬磁场馈能特性 13
4 电磁直线馈能悬架馈能特性的影响因素 16
4.1 结构设计参数 16
4.2 材料选择 18
4.3 路面状况 20
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1 课题研究背景与意义
汽车悬架系统的作用简单的来说就是缓和冲击，以便改善乘坐人员的乘坐舒适性。目前，大多数的汽车任然在使用被动悬架，而被动悬架存在一定的局限性。如弹簧刚度和阻尼无法改变，外界路面的情形又多种多样，无法做到使其适应路面，因此减震效果可想而知。基于这样的考虑，本文将采用主动悬架。之所以把主动悬架用于本文的研究，原因在于其优势是国内外研究人员有目共睹的。它弥补了被动悬架弹簧和阻尼不可以变化的缺点，能够依照车辆的行驶情况和路面情形，适时的改变悬架刚度和阻尼，这样一来减震效果会大幅度的提高，舒适性也会有质的飞跃。当然，主动悬架也是存在一定的缺陷，其缓和冲击所需要的能量过多，所以使用成本也会相对较多，并不能适用于大多 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
数的汽车[1]。本文研究的另一个意义在于节能。目前节能是众多车辆设计研究的目标之一，所以，本文解决了主动悬架消耗能量多的缺陷，把能量的回馈作为设计考虑，这样就能为汽车弥补消耗的能量，以此来达到减能耗降成本的目的。馈能悬架是将车轴与黄在质量之间的振动转化为电能，并且回收储藏，加以利用。目前的馈能悬架分为两种，一种是机械式馈能悬架，另外一种则是电磁式馈能悬架。将这两种悬架进行对比后发现，机械式悬架存在响应频率低、响应速度慢等缺点[2]，不适用于本文，而电磁式馈能悬架系统传动效率理想，并且没有机械式悬架的缺点，所以本文选择了电磁式馈能悬架。
近年来，馈能悬架的研究中心集中在对馈能特性的研究与分析。在主动悬架的设计过程中，如何使得主动悬架在应用中降低能耗一直是研究的重中之重。本文所研究的电磁式馈能悬架为解决这一难题提供了有效的途径，其主要研究思想是利用回馈的能量来供给系统，使得悬架能够有能量来实现主动控制，从而降低外界能量的输入。由于外界路面情况的不同，车辆行驶的速度不同，悬架的振动情况也不同，因此回馈的电压有可能较低，储能装置往往是能够储存一定电压范围的电能，故需要将较小的电压进行放大处理才能实现储存，才能最大程度的回收振动能量，才能提高馈能效率。另外也需要考虑到减震性能和馈能性能的综合协调，提高减震性能就得需要提高系统的能量消耗[3]，这样一来，馈能特性就会得不到设计的要求，因此，协调者两者的关系对于研究馈能特性具有一定的意义。
1.2 馈能悬架的馈能特性的研究现状
在此之前，有许多学者与研究者对于电磁馈能悬架的馈能功率、电阻、效率等一系列的馈能性能进行了一定的研究，他们的研究成果对于本文电磁直线馈能悬架特性研究都有这显著的帮助。
Suda等人对于自供电式的主动悬架的研究，提出了一种控制能量消耗的方法，其作用是用来协调再生阻尼器、作动器与储能电容。此类系统在工作的过程中，不需要任何的外部能量输入，主动悬架的主动控制需要一定的能量，而这部分的能量来自于储能电容，储能电容产生的能量又出自于再生阻尼器，而阻尼器的能量是其在工作过程中经过馈能装置回收而拥有的回馈能量[4]，这样就可以有效的降低了簧载质量的垂直方向的运动。
Kim和Okada等研究人员将双向电压充电电路引入脉宽调制升压斩波电路中，其工作原理简单的阐述为在电感的工作下，回馈的电流以某种方式从一种相对较低反电动势输入相对较高电压的电池重去，从而能够从低速度运转过程中回收到正常的能量[5]。Graves等研究人员对于旋转直流电机结合齿轮齿条机构的电磁馈能装置进行了一系列的改进和创新，从升压型DCDC转换器中得到启发，经过研究和分析，产生了一款较为新型的控制电路，此电路的设计产生使得低速时馈能电压较小无法进行回收的难题在某种程度上得到了攻克。
Bose集团对于作动器设计了一款专用于车辆的直线式电机电磁作动器，其作用是大幅度的减小汽车转弯侧倾、刹车前倾和跨越障碍时的垂直方向上产生的振动。这款作动器的原理如下：首先在车辆的车轮和底盘位置加装速度传感器，以此来监控测量车辆行驶过程中的各种状况，在行驶的过程中，根据不同的路面情形，中央控制器会根据实际情况进行控制功放装置，以此来为作动器提供一定的能量，然后作动器能够在2ms的时间内进行响应，使悬架支柱依车身和车轮的相对位置的不同而伸张或收缩。作动器在发电机模式运转时，可以将回馈的电能储存在储能装置中，从而达到降低能量消耗的目的[6]。
以上就是相关的先前的研究成果，对于电磁直线馈能悬架的特性，通过结构设计和材料选择还是不够明显准确的表达，所以，本文将通过参数的选择与严密的理论计算来量化电磁直线馈能悬架的特性。
2 电磁直线馈能悬架馈能装置的建模与仿真
2.1 电磁直线馈能悬架的馈能装置的结构和原理
由于本文的重点是对馈能特性的研究，故对于馈能装置的结构图采用简单明了的图形来表达。
如图2.1(a)，1为悬架减震器活塞拉杆，起作用在于带动线圈绕组上下运动切割磁感线。2为线圈绕组，在线圈绕组和拉杆之间存在着线圈骨架，用于缠绕线圈。3为永磁体，为整个装置提供磁场，在永磁体的外部还有一个外磁轭。对于永磁体，本文采用Halbach分布，图2.1（b），即轴向磁极的磁体与径向磁极的磁体进行依次分布，径向磁体有6块，轴向磁体7块，这样的分布能够使得磁体的一侧产生加强的磁场，而另一侧则产生自屏蔽效应[7]，几乎不存在磁场。磁体与线圈之间存在一定的间隙，能够在保证磁通密度的同时，使得线圈绕组的运动不会触碰到磁体而产生磨损。
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