基于电磁作动器的车辆主动悬架研究

杨保海 肖 静

（1.九江学院电子工程学院 江西 九江 332005；2.九江学院机械与材料工程学院 江西 九江 332005）

在汽车总装置中，主动悬架是用一个有自身能源的力发生器来代替被动悬架中的弹簧和减振器，结构上由四部分组成，即执行结构、测量系统、反控制系统和能源系统。主动悬架的执行机构系统具有自动调节悬架阻尼系统的特性，汽车拐弯或路面状况凹凸不平时，通过调节悬架高度，适度调整悬架刚度及阻尼，最大程度减少悬架系统震荡状态，使车辆在任何路面状况下都可以舒适行驶。

主动悬架还有一个重要功能，即作为执行动作系统部分，通过输入或输出进行最佳反馈控制，进而使主动悬架处于最优减震状态，保证车辆在不同路面及行驶条件下都可以平稳安全舒适行驶，整体提高车辆性能。此外主动悬架要求作动器所产生的力可以及时地跟踪任何力控制信号。为此，主动悬架为控制律的选择设计提供了空间条件，通过控制律维持系统的最佳状态使车辆性能提升到最大化。

近几年，据国内外资料显示，有关车辆的主动悬架作动器研究基本分为三种，即空气主动悬架作动器（主要结构是气缸，利用电气动压力控制阀控制），液压主动悬架作动器（主要结构是液压缸、子汽室和阻尼阀等），电磁类主动悬架作动器（结构组成不一，有的主要结构是珠丝杆、旋转电动机，有的是用永磁直线电动机作为力促动器的，有的是目前正在研究的电磁直线式作动器）。其中，空气作动器和液压作动器组成结构复杂，一旦密封不好容易产生泄露问题，空气和液压在重量方面不好控制，安全性能不稳定，而且投资成本高。现阶段，电磁科技的发展促进了大功率电子器件的性能提升，价格便宜成本低廉，所以研究选用电磁方式作为主动悬架力发生器非常实用。因为电磁方式的作动器不仅结构简单，反应快，可控制度高，而且能将能量循环使用，符合当今时代提倡的“环保节能”。

1 电磁直线作动器原理

电磁作动器，其工作原理是以麦克斯韦方程构成，其主要涉及到高斯定理，法拉第电磁感应理论以及安培定理。电磁作动器一般是一电机为依托，通过对电机进行装置的内部改变而成。我们可以将旋转电机剖面拉直，使其成为一台直线电机，这就是所谓的初级电磁作动器。其中电机的定子成为了电磁作动器的初级，转子为次级。当电磁直线作动器通入三相交流电后，会产生磁场，磁场方向为沿轴向方向。在电机的内部转子的旋转过程中（我们可以认为是作动器的次级），电机会产生电磁力矩，这是相当于电机在转子（我们可以认为是作动器的初级）在旋转过程中的速率低于电机的同步速率的时候，转子会做切割通电定子线圈的磁场线圈，通过安培定理可知，通电导体在磁场中做运动，会受到安培力的作用，我们可以通过左手定则判断运动的方向，或者通过运动的方向来判断电流的方向。在作动器中，我们将这种次级与初级之间的速率差称之为滑移率，只要存在滑移率，次级导条就会切割磁场，继而产生安培力。在正常情况下，该滑移率在0与1之间；当滑移率大于1时，电磁处于制动状态，当小于0时，其处于发电状态。

2 电磁直线作动器结构设计

针对本文所提到的电磁直线作动器工作原理是采用对初级绕组通入三相对称交流电从而产生电磁力。首先，将三相对称的正弦电流接入作动器的三相绕组中，进而引发气隙磁场，有可能产生两端断开产生纵向边缘效应的情况可以不予考虑，那么此时气隙磁场的分布和旋转电动机相似，从延伸的直线方向看呈正弦形状。若三相电流随时间不断变化，气隙磁场则按A、B、C相序沿直线移动。然后次级导体在行波磁场的切割下，形成电动势产生电流，最后电流、气隙磁场相互感应形成电磁推力。如果初级固定不动，那么次级就沿着行波磁场运动的方向作直线运动。

上述工作原理与圆筒型直线异步感应电动机的工作原理类似，区别是圆筒型直线异步感应电动机用于车辆悬架系统上时的前提条件是要有较大的推力和行程，电磁直线作动器一般用于往复直线运动的位置和速度控制。如果将电磁作动器置于实际车辆应用中，则要初级与簧上质量相接触，次级与簧下质量相连，利用控制三相绕组的电流来产生主动悬架所需的控制力，从而减少车身振动。

3 电磁直线作动器设计注意事项

电磁作动器主要应用于汽车悬架系统，所以电磁作动器的相关设计参数必须以汽车系统为依托，其参数适合汽车的本身情况，这样才能促使汽车在行驶过程中保持一种相对平衡状态，通过这种平衡，减少由于路面的不平整，起落太大而造成的垂直加速运动，提高汽车的舒适度。除此之外，电磁作动器的规格应该与需要满足汽车悬架，这样才方便安装。电磁作动器在设计时，还应该注重电磁力，电压，同步速度，冷却方式以及绕组连接方式与绝缘耐热材料等。

考虑电磁直线作动器的品质因数。在电器设备的设计过程中，我们都会考虑设备的质量情况，比如考核电机的质量有额定功率，效率以及功率因数来衡量电机的质量好坏。同样，电磁直线作动器也有考核其品质的因素，考核其主要的品质方法有将初级电流等效为电流层的考核方式，另外一种方式通过通电电源频率与极距来测评电磁直线作动器的品质，最后一种方式为，通过励磁电抗与次级电阻的比值来评价电磁直线作动器的品质。

电磁负荷的选择。考虑到通电导线的负载能力，即单位长度的总安培数量，应该选择散热能力较强，长时间运行效率稳定的材料。在材料选择的过程中，如果材料的散热能力差，则可选择单位长度电荷负荷较小的材料，反之，则可选择单位负荷较大的材料，通常情况下，电磁作动器的材料选择为460A/cm的材料。磁负荷是磁通密度的幅值，电磁作动器在考虑电负荷的同时，还应该考虑磁负荷，为了减少励磁电流，提高电磁作动器的效率，通常情况下，应选择磁负荷较小的材料，通过经验表明，选择0.09～0.4T的效果较好。

电磁作动器尺寸的确定。在确定电磁作动器的尺寸之前，需要先看看旋转电机的电枢的直径与定子长度。我们知道，电机所传递的电磁功率与电枢直径的平 方成正比，与其有效长度亦成正比。于电磁作动器相对应的，在考虑其尺寸的时候应该考虑初级铁心极距与铁心直径的平方之间的关系。通过研究，作动器的尺寸可用如下公式确定：

在该公式中，主要参数Fe为额定电磁力；A为初级线负荷；Bs为气隙磁通密度。

气隙大小的确定，气隙的确定直接影响到电磁作动器的性能与稳定性，为了加大电磁作动器的功率效应，气隙越小越好，但是为了保证电磁作动器能够长时间运行的稳定性，气隙应该较大点为宜。通常情况下，为了平衡性能与稳定，一般设置气隙的大小在3个毫米以下。

4 结束语

悬架系统是汽车车辆底盘的重要组成部件之一，实践表明，采用电磁作动器作为旋动架构的主要构件对促进汽车的性能与平稳性具有十分重要的意义，所以本文以此为依托，结合旋转电机，重点阐述了电磁作动器的设计原理，设计架构以及需要考虑的设计因素，实践表明，通过在汽车中使用电磁作动器，可以有效提升汽车的舒适性与稳定性。

［1］岳广照.车辆悬架用电磁作动器研究[D].重庆大学,2010.

［2］来飞,黄超群.采用电磁作动器的车辆主动悬架的研究[J].汽车工程,2012(2).

［3］张红新,朱思洪.主动座椅悬架电磁作动器仿真研究[J].机械设计,2008(4).