电磁悬架研究技术现状

彭冲，李连，杨超

（1.重庆车辆检测研究院有限公司，重庆 401120；2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044）

前言

汽车悬架系统直接影响了汽车在行驶过程中的平顺性、操纵稳定性、舒适性等性能，随着微电子技术的发展使得电磁悬架在车辆上的应用变成了现实。

基于针国内外汽车电磁主动悬架研究，本文对电磁主动悬架研究现状进行阐述，根据作动器工作原理的不同大致可以分为磁流变式悬架，磁悬浮式悬架和电机式悬架。

1 磁流变式主动悬架研究现状

1993年，美国TRW公司就将磁流变液应用到汽车主动悬架系统减振器中。美国福特和通用汽车公司也相继对磁流变减振器的应用进行了研究。此外，Lord公司与Delphi公司于1999年合作开发出MagneRide悬架磁流变阻尼器[1]，装备在2002 Cadillac Seville高级轿车STS上。

我国对车辆磁流变减振器的研究起步较晚，重庆大学在汽车磁流变减振器的理论基础及工程应用做了大量工作[2]，取得了很大进展。此外，浙江大学、南京航空航天大学和同济大学[3]等研究机构也对磁流变减振器进行了理论和试验研究。

磁流变减振器在研究和运用上取得了一定成果, 同时也存在统的研发尚待解决的问题主要包括[2]减振器结构与制造工艺、磁流变液的稳定性与传感器集成度和可靠性等方面。

2 磁悬浮式主动悬架研究现状

基于磁悬浮技术在轨道交通领域的应用，研究人员尝试将磁悬浮技术用于主动悬架电磁减振系统。

Mirzaei S，Saghaiannejad S.M等人基于磁悬浮理论，设计了一种新型的悬架系统[4]，该装置主要由硅钢和线圈组成，通过控制线圈电流的大小来控制阻尼力的输出。

祁建城[5]提出了基于电磁铁设计汽车主动悬架系统。采用超声波传感器检测位移激振信号，该信号转换成电信号后经过控制器处理，来调整线圈电压的大小，使作用在铸钢体上的力发生变化，达到调整系统刚度和阻尼系数的目的。

李云超等人[6]根据电磁学原理，利用电磁铁作为悬架作动器。并在1/4汽车悬架的基础上建立了电磁悬架的非线性模型，设计了该模型的次优控制器，对模型进行仿真，结果表明电磁悬架能够实现主动悬架的功能，满足车辆平顺性的要求。

目前，磁悬浮技术的电磁减振器的研究目前只有少数研究者提出了一些设计方案，并进行了一些理论研究，但技术尚不成熟，磁悬浮技术在道路车辆上还没有应用。

3 电机式主动悬架研究现状

在磁性材料及电控技术的快速发展下，电机式电磁悬架成为悬架发展的方向。20世纪90年代美国德克萨斯大学电机中心 Beno等人已开发一款新型电控悬架，并应用于美国机动车辆上，该作动器采用旋转电机与齿轮齿条结合实现旋转与直线运动的转换与力矩的传递。

东京大学 Suda等[7]人对滚珠丝杆类电磁作动器结构进行了优化设计。针对等效惯量大及结构冲击等问题，对作动器进行了深入的理论研究，并将该系统应用于道路试验，验证了该系统的有效性。

国内上海交通大学喻凡[8]等人基于某款乘用车研制一款滚珠丝杆式电磁悬架作动器，对悬架系统的性能改善和回收能量特性进行深入的理论研究,研究表明该悬架系统用于实车上有助于改善车辆的平顺性与舒适性。

重庆大学邓兆祥等人[9]设计了如感应直线式悬架作动器，探讨了作动器内部结构参数如气隙厚度、同层厚度及绕组等尺寸对电磁力的影响，利用样机进行了台架试验。

荷兰埃因霍芬理工大学Bart L. J. Gysen等人[10]基于设计一种基于整数槽三相绕组永磁电磁直线式悬架作动器，在体积、质量、温度等条件约束下比较了永磁内排列、外排列输出电磁力的大小。

谢菲尔德大学Jiabin Wang等人[11]对主动悬架的永磁直线作动器永磁体排列进行了深入理论分析、推导了各类永磁直线电机磁路分析公式并建立了电磁悬架作动器仿真模型，并对永磁体尺寸进行了优化，以提高作动器的推力密度。

研究表明电机式主动悬架具有较大的开发潜力，同时电机式主动悬架的结构优化、减小控制力波动、降低滑移率与提高悬架可靠性还需进一步研究与完善。

4 电磁悬架振动能量回收研究现状

为保证电磁主动悬架持续工作，同时减少能量浪费，增加器件的工作性能和使用寿命，能量回馈是电磁主动悬架系统的需要研究的主要课题。

自20世纪70年代，学者们开始从理论上研究车辆悬架的振动能量和回收的可行性。Goldner[12]等对电磁悬架的馈能能力进行了一些基础研究和评估。研究指出，对于2500lb的车辆，以 45km/h的速度行驶在普通高速路上，四支减振器可产生大约7500W的电能。

Abouelnour[13]等对基于 1/4车辆模型的电磁悬架的能量回收进行了研究，研究表明车辆以 56km/h的速度行驶时，一支减振器可以产生大约150W的能量。

Li[14]等人采用了相同的结构实现了能量的回收，在车速48km/h普通路面下能够回收最大功率为68W和平均功率为19W的电能。

Zuo[15]等设计并测试了一款车用电磁减振器，测试结果表明在悬架簧载质量和非簧载质量相对速度均方根值为0.25-0.5m/s的情况下，一支电磁减振器可反馈16-64W的能量。

Li等[16]人研究了馈能悬架的馈能特性，还分析了不同频率及振幅下作动器的反向电磁力特性，表明作动器在发电的同时能够产生电磁阻尼力，可以实现馈能悬架的减振。

研究表明电磁主动悬架在能量回收方面具有广阔的前景，可满足电磁主动悬架的自供应需求。

5 结论

针对电磁主动悬架近年来研究状况及发展趋势进行回顾，对各类电磁悬架进行了分类总结，分析各类悬架的核心问题及发展方向。结果显示，电机式主动悬架为主动悬架实现的主要研究对象，并对其馈能特性进行深入的探讨与研究。随着电磁、电控等技术的快速发展，电机式主动悬架将成为电磁悬架实现的主要途径。