电磁阻尼减振器

陈绍志 张炜 张玉增

1、山东潍坊工程职业学院山工机电工程学院 2、雷沃重工股份有限公司

1 引言

减振器作为汽车的易损件，其工作状态将直接影响到汽车行驶的平稳性和汽车的使用寿命，减振器和弹性元件来承担缓冲击与减振的任务，如果阻尼系数过大，将使悬架的弹性变坏，甚至会使减振器的连接件损坏，因此应使减振器保持良好的工作状态。

近来，由于功耗少、响应快、容错性好和成本低等优点，磁流变阻尼技术在车辆悬架的振动控制领域有其广阔的应用前景。磁流变减振系统是利用了磁流变液体在磁场作用下粘度产生巨大变化的特性，因此只要通过控制磁场强度就可以获得可控制的阻尼力。由此构建的磁流变减振系统具有调节范围宽、阻尼力大、响应速度快、温度适应性强、能耗低等特点，是理想的半主动式动力减振系统。因此，电磁技术在汽车领域受到高度重视并发挥着重要的作用。电磁阻尼减振器正是基于电磁技术衍生出的新的产物。

2 电磁阻尼减振器

本论文所设计的电磁阻尼减振器原理图如图1所示。

图1 电磁阻尼减振器的结构原理图

其工作原理为：电磁阻尼减振器在工作时，永磁体受激振力作用而上下振动，相邻的永磁体相对位移会发生变化，即二者的间距会发生变化，从而导致磁场力的改变。在激励作用下，弹性力由橡胶减振筒和弹簧产生，以削弱外界激励的作用。相邻的永磁体之间的磁通量随着永磁体的相对运动而发生改变，感应线圈由于磁通量的变化而产生感应电动势，在闭合的感应线圈中会产生感应电流，变化的感应电流又会产生磁场。感应电流产生的磁场总是要阻碍磁通量的改变，因此产生阻止改变的阻尼力，即减缓两个永磁体之间的相对运动，发挥减振器的根本作用。

电磁阻尼减振器具有以下技术优点：该减振器主要通过弹簧、感应电流、永磁体产生的阻碍磁场改变力而实现减振，对永磁体自身的矫顽力要求较低。根据减振程度的不同，可以选择具有相应程度矫顽力的永磁体；同时还可以利用感应线圈把振动的机械能转换为电能，而弹簧活塞式减振器和永磁式减振器却以摩擦的形式产生阻尼力，将振动机械能转换为热能而浪费掉；感应线圈产生的磁场与永磁体的磁场之间形成减振阻尼力，该减振方式的减振性能比普通减振器更优，减振达到效果更佳。如果永磁体和感应线圈产生的磁场之间产生的阻尼力不足，还可以通过改变永磁体的磁场强度和弹簧刚度来优化阻尼系数。

3 电磁阻尼减振器的工作原理

电磁现象是日常生活中普遍存在的现象，麦克斯韦在已有定律和物理实验结果的基础上，从数学的角度对电磁场规律进行了总结。其微分形式如下：

麦克斯韦方程反映了电荷在电磁场内部运动规律和其激发电磁场的形式。本文对电磁感应进行研究，把电流的密度J定义为零，对上式进行简化得：

从该式可以体现出麦克斯韦的核心理论与贡献，建立了完整的电磁场理论体系。其核心理论为：变化的磁场与变化的电场之间相互激发特性，并且得出电荷和电流反作用于磁场，磁场和电场不是彼此孤立存在的，而是组成一个统一的电磁场。

由法拉第感应定律和麦克斯韦理论可知，感应线圈在变化的磁场中会产生感应电动势，这时在磁场中有电流通过的导线会受到力的作用，由安培定律可知：

产生的感应电流为:

式中R为线圈的电阻，单位为Ω。综合以上两式得：

由楞次定律得知，通过感应产生的电流，同时通过感应线圈产生磁场，由感应线圈产生的磁场总有阻碍磁通密度变化的特性，这样就使得磁场的变化速度变慢，这和阻尼力总是阻碍相对运动产生的目标是类似的。因此可以借助二者的相同特性在阻尼器中产生阻尼力。由上面的式子可以直接得到，电磁感应产生的力与磁场的感应强度B的变化率成正比，其和需要的阻尼力的特性也相同。

电磁阻尼器做好后，线圈的长度L是固定值，从而线圈的电阻R即是固定值，阻尼器的结构决定了线圈在磁场中的有效面积也是不变的，因此磁感应强度B是唯一的可控变量。由于汽车自身的结构特性，大多数情况下主要沿Z的轴线方向振动，因此做一个假设，在空间中磁感应强度B只与Z向有关，则有

将其代入上式得：

由于速度是位移的一阶导数，由v=z˙

从上式分析得，阻尼系数C是仅仅与磁感应强度B有关的变量。因为特定的电磁阻尼器，其电阻是一个常量，长度L也是个常量（感应线圈的匝数一定），空间有效磁场面积S的改变可忽略。

4 结论

本论文对电磁阻尼器减振的工作原理进行了分析说明，该减振器具有无粘着力限制，部件之间无机械接触，能量消耗小，不易磨损，对环境污染较轻等优点。应用磁荷模型和分子电流模型，利用数值积分以及响应面思想，拟合出磁场强度B在空间的解析表达式，确定了阻尼系数C，得出的阻尼参数的应用范围较广，具有较好的理论价值和应用前景。

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