电磁直线馈能悬架的机理分析与结构设计
本文的研究对象是一种动圈式电磁直线馈能悬架，本悬架以麦弗逊独立悬架为基础，将电磁直线作动器同悬架圆柱螺旋弹簧内侧的支柱式减震器（单筒式）相串联。在理解其工作原理的基础上，重点研究动圈式电磁直线作动器的结构设计部分。通过对车辆悬架、弹簧、减震器各参数的选型与计算，配合作动器本身对各项材料与结构尺寸的设计要求，最终确定作动器的结构尺寸参数。并使用AutoCAD工图制作软件，对动圈式电磁直线作动器的零件图和整体装配图进行绘制，完成此次论文。本文作动器永磁体采用Halbach阵列排列，此项举措有效提高作动器的工作效率，更适合在一些对尺寸与重量要求较高的场合使用。关键词 电磁直线馈能悬架，电磁直线作动器，机理分析，结构设计，尺寸参数
目 录
1 绪论 1
1.1 本文研究背景及意义 1
1.2 电磁直线馈能悬架发展历史与研究现状 1
1.3 本文研究内容及拟采用研究手段 4
2 电磁直线馈能悬架工作机理及可行性分析 5
2.1 电磁直线馈能悬架系统模型 5
2.2 电磁直线馈能悬架能量回收可行性分析 6
2.3 电磁直线馈能悬架馈能效率 7
3 电磁直线作动器方案设计 8
3.1 电磁直线作动器基本结构与工作原理 8
3.2 电磁直线作动器设计目标 10
3.3 电磁直线作动器方案评估与确定 11
4 动圈式电磁直线作动器结构设计 12
4.1 动圈式电磁直线作动器设计要求 12
4.2 动圈式电磁直线作动器电磁设计 12
4.3 其他材料的选择与尺寸参数确定 20
结论 22
致谢 23
参考文献 24
附录 26
1 绪论
1.1 本文研究背景及意义
随着科学技术的日益增进，能源和污染问题也日趋严峻。节能减排俨然成为当下关注度较高的话题。本文的主要研究对象是电磁直线馈能悬架机理分析与结构设计的相关内容。目的要求是设计一款用于回收汽车震动能量的电磁直线作动器。通过将其安装在汽车悬架上，采用将其与减震器串 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
联再与弹性原件并联的方式，使得汽车悬架不再是单一的刚度一定，阻尼系数不可变的传统悬架，而是一种可以回收振动能量，达到馈能效果从而改善汽车行驶平顺性、操作稳定性与乘坐舒适性的一款新型的主动悬架。
所谓主动悬架，即悬架的刚度和阻尼特性能够根据车身高度、车速、转向角度等信号进行实时的自适应调整，从而始终保持在最佳减振状态的一种悬架[1, 2]。
但由于主动悬架在缓解车身振动时，耗能较高，使用成本斐然[3, 4]，并未得到广泛推广使用。馈能悬架的产生很好的缓解了这一棘手困境，其采用的主要手段就是回收悬架的振动能量，以重新投入到汽车能耗系统的使用中，达到提高汽车能源利用率的效果。传统车辆行驶时，车轴与簧载质量间的振动能量，在传统阻尼作用下，通常都以热能的形式耗散掉[5]。这种热能的消耗不仅会影响器件的工作性能和使用寿命，而且，在现今这种能源日渐稀缺的环境里，能量的耗散，从另外一种观点来看也是一种能源的浪费[6, 7]。反观电磁直线馈能悬架，作为一种既可以缓解车身振动，提高乘坐舒适性，又可以转化原本耗散能量作为汽车其他耗能部件使用的新悬架系统[1]，其特有的能量回收装置，既良好地保证了汽车的行驶平顺性，又达到了节能减排的目的，可谓是一悬架两功用。此课题的研究前景十分斐然，尤其对于传统汽车来讲，具有卓越的节能意义[8]。
1.2 电磁直线馈能悬架发展历史与研究现状
1.2.1 主动悬架及馈能悬架发展概况
主动悬架技术的发展源于主动悬架控制技术的产生[1, 9, 10]。
20世纪50年代中期，主动悬架控制技术的概念由美国汽车公司的费得斯贝尔 拉布劳斯率先提出，他在被动汽车的基础上增加了一个可以改变悬架刚度与阻尼的控制装置，使得汽车在行驶过程中的运动特性得以大幅改善。紧接着越来越多的人投入到主动悬架的研究中来[11]。
60年代中期，英国的西屋豪斯公司也进行了类似的车辆动力学研究，但并未得到令人满意的结果。直至1976年，汤普森[12]首次将全状态反馈最优控制理论应用于主动悬架的研究中，他证明了全主动悬架系统对提高车辆性能的作用，首先完美地总结了主动悬架的基本思想和控制方案。
70年代初，半主动悬架[13]的概念由洛斯贝 坎诺首次提出，其性能介于被动悬架与主动悬架之间。相较于传统悬架，半主动悬架的各项性能确实得以提高，同时，其基本结构也比全主动悬架更加简略。
1980年，关于汽车主动悬架技术的研究结果大大证实了主动悬架系统的实际效用。相对于传统车辆，装载了主动悬架系统的车辆，其多方面性能都有着不可忽略的优势[14]。
例如1982年，瑞典沃尔沃汽车公司首次在其产品车上安装了美国莲花汽车公司研制的一款有源主动悬架系统[9]。上个世纪80年代初，日本丰田公司在其索阿雷车型上配置了一款阻尼可调节的减振系统。1984年底，福特汽车公司在林肯大陆车上安装了一款电控悬架，能够很好地达到车辆的振动分离以及高度调节的效果[15]。
自1970年以来，研究者对悬架振动能量的回收可行性难题的研究就从未停歇过[10]。1978年，美国加利福尼亚戴维斯分校区的卡诺普利用基本车辆模型,估算了车辆被动悬架阻尼器的功率流动机理，研究内容说明了悬架系统的能量消耗进程，同时也表明当越野车辆在崎岖地形上行驶时，可以更优地回收悬架系统的振动能量[16]。
1982年，埃尔 塞格尔和爱克斯皮剖析了悬架系统能量耗散与克制不平路面振动之间的关系，计算结果显示当车辆在不平整路面上以13.4 m/s匀速行驶时，悬架上所有减震器的耗散功率大概是200W左右[10]。
1996年，皮 胡苏以通用电动汽车为原型，着重于悬架系统的功率恢复特性研究，文中介绍了一种作为道路车辆主动悬架系统的主要执行器的电动机。利用具有线性二次最佳控制特性的四分之一车型作为模型，用功率谱密度分析和计算机模拟确定潜在的可恢复功率和可回收特性。研究证实，在高速公路驾驶条件下，中型车的主动系统可在每个车轮上恢复大约100W的功率。
目 录
1 绪论 1
1.1 本文研究背景及意义 1
1.2 电磁直线馈能悬架发展历史与研究现状 1
1.3 本文研究内容及拟采用研究手段 4
2 电磁直线馈能悬架工作机理及可行性分析 5
2.1 电磁直线馈能悬架系统模型 5
2.2 电磁直线馈能悬架能量回收可行性分析 6
2.3 电磁直线馈能悬架馈能效率 7
3 电磁直线作动器方案设计 8
3.1 电磁直线作动器基本结构与工作原理 8
3.2 电磁直线作动器设计目标 10
3.3 电磁直线作动器方案评估与确定 11
4 动圈式电磁直线作动器结构设计 12
4.1 动圈式电磁直线作动器设计要求 12
4.2 动圈式电磁直线作动器电磁设计 12
4.3 其他材料的选择与尺寸参数确定 20
结论 22
致谢 23
参考文献 24
附录 26
1 绪论
1.1 本文研究背景及意义
随着科学技术的日益增进，能源和污染问题也日趋严峻。节能减排俨然成为当下关注度较高的话题。本文的主要研究对象是电磁直线馈能悬架机理分析与结构设计的相关内容。目的要求是设计一款用于回收汽车震动能量的电磁直线作动器。通过将其安装在汽车悬架上，采用将其与减震器串 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
联再与弹性原件并联的方式，使得汽车悬架不再是单一的刚度一定，阻尼系数不可变的传统悬架，而是一种可以回收振动能量，达到馈能效果从而改善汽车行驶平顺性、操作稳定性与乘坐舒适性的一款新型的主动悬架。
所谓主动悬架，即悬架的刚度和阻尼特性能够根据车身高度、车速、转向角度等信号进行实时的自适应调整，从而始终保持在最佳减振状态的一种悬架[1, 2]。
但由于主动悬架在缓解车身振动时，耗能较高，使用成本斐然[3, 4]，并未得到广泛推广使用。馈能悬架的产生很好的缓解了这一棘手困境，其采用的主要手段就是回收悬架的振动能量，以重新投入到汽车能耗系统的使用中，达到提高汽车能源利用率的效果。传统车辆行驶时，车轴与簧载质量间的振动能量，在传统阻尼作用下，通常都以热能的形式耗散掉[5]。这种热能的消耗不仅会影响器件的工作性能和使用寿命，而且，在现今这种能源日渐稀缺的环境里，能量的耗散，从另外一种观点来看也是一种能源的浪费[6, 7]。反观电磁直线馈能悬架，作为一种既可以缓解车身振动，提高乘坐舒适性，又可以转化原本耗散能量作为汽车其他耗能部件使用的新悬架系统[1]，其特有的能量回收装置，既良好地保证了汽车的行驶平顺性，又达到了节能减排的目的，可谓是一悬架两功用。此课题的研究前景十分斐然，尤其对于传统汽车来讲，具有卓越的节能意义[8]。
1.2 电磁直线馈能悬架发展历史与研究现状
1.2.1 主动悬架及馈能悬架发展概况
主动悬架技术的发展源于主动悬架控制技术的产生[1, 9, 10]。
20世纪50年代中期，主动悬架控制技术的概念由美国汽车公司的费得斯贝尔 拉布劳斯率先提出，他在被动汽车的基础上增加了一个可以改变悬架刚度与阻尼的控制装置，使得汽车在行驶过程中的运动特性得以大幅改善。紧接着越来越多的人投入到主动悬架的研究中来[11]。
60年代中期，英国的西屋豪斯公司也进行了类似的车辆动力学研究，但并未得到令人满意的结果。直至1976年，汤普森[12]首次将全状态反馈最优控制理论应用于主动悬架的研究中，他证明了全主动悬架系统对提高车辆性能的作用，首先完美地总结了主动悬架的基本思想和控制方案。
70年代初，半主动悬架[13]的概念由洛斯贝 坎诺首次提出，其性能介于被动悬架与主动悬架之间。相较于传统悬架，半主动悬架的各项性能确实得以提高，同时，其基本结构也比全主动悬架更加简略。
1980年，关于汽车主动悬架技术的研究结果大大证实了主动悬架系统的实际效用。相对于传统车辆，装载了主动悬架系统的车辆，其多方面性能都有着不可忽略的优势[14]。
例如1982年，瑞典沃尔沃汽车公司首次在其产品车上安装了美国莲花汽车公司研制的一款有源主动悬架系统[9]。上个世纪80年代初，日本丰田公司在其索阿雷车型上配置了一款阻尼可调节的减振系统。1984年底，福特汽车公司在林肯大陆车上安装了一款电控悬架，能够很好地达到车辆的振动分离以及高度调节的效果[15]。
自1970年以来，研究者对悬架振动能量的回收可行性难题的研究就从未停歇过[10]。1978年，美国加利福尼亚戴维斯分校区的卡诺普利用基本车辆模型,估算了车辆被动悬架阻尼器的功率流动机理，研究内容说明了悬架系统的能量消耗进程，同时也表明当越野车辆在崎岖地形上行驶时，可以更优地回收悬架系统的振动能量[16]。
1982年，埃尔 塞格尔和爱克斯皮剖析了悬架系统能量耗散与克制不平路面振动之间的关系，计算结果显示当车辆在不平整路面上以13.4 m/s匀速行驶时，悬架上所有减震器的耗散功率大概是200W左右[10]。
1996年，皮 胡苏以通用电动汽车为原型，着重于悬架系统的功率恢复特性研究，文中介绍了一种作为道路车辆主动悬架系统的主要执行器的电动机。利用具有线性二次最佳控制特性的四分之一车型作为模型，用功率谱密度分析和计算机模拟确定潜在的可恢复功率和可回收特性。研究证实，在高速公路驾驶条件下，中型车的主动系统可在每个车轮上恢复大约100W的功率。
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