車輛主動懸架用電磁直線作動器的設計與仿真

車輛主動懸架用電磁直線作動器的設計與仿真

0電磁直線作動器主動懸浮設備系統(tǒng)可以解決被動懸浮設計中的矛盾，改善車輛的平滑度和操縱穩(wěn)定性，引起人們的關注。動態(tài)障礙系統(tǒng)的重要組成部分——力動器的開發(fā)，吸引了研究人員的注意。通過查閱大量的國內(nèi)外文獻可知,對于車輛主動懸架作動器的研究大致可分為以下三類:(1)空氣主動懸架作動器上述主動懸架作動器中,空氣和液壓作動器都存在著結構復雜、泄漏密封、重量重和成本高及安全可靠性等諸多方面的問題,而隨著電磁學理論的不斷完善以及大功率電子器件性能的不斷提升,同時其價格也日趨低廉,采用電磁方式來實現(xiàn)主動懸架力發(fā)生器已成為目前研究的熱點。相比之下,電磁直線作動器具有結構簡單、響應快速及控制精度高等諸多優(yōu)點。與此同時,電磁主動懸架還具有將能量回收的潛力,這也與當前提倡的“節(jié)能、環(huán)?！边@一主題相吻合。上述關于電磁直線作動器的文獻中,一部分研究者采用現(xiàn)成的直線電動機來充當力發(fā)生器,另外一部分研究者所采用的電磁直線作動器為永磁式的,而對感應式的卻沒有涉及。本文采用電磁直線作動器來實現(xiàn)主動懸架力發(fā)生器為終極目標,提出了一種圓筒型電磁直線感應式作動器的結構設計,結合有限元仿真軟件Flux,系統(tǒng)地分析了電磁作動器結構參數(shù)和電氣參數(shù)對電磁力大小和響應速度的影響規(guī)律,并在此基礎上試制了一款作動器樣機,通過對作動器的相關試驗測試,表明了對作動器的設計和仿真分析是正確可行的。1電磁直線作動器本文所提出的電磁直線作動器與圓筒型直線異步感應電動機的工作原理相似:在作動器的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后,會產(chǎn)生氣隙磁場,當不考慮兩端開斷而引起的縱向邊緣效應時,此氣隙磁場的分布情況與旋轉電動機相似,即沿展開的直線方向可看成呈正弦形分布。當三相電流隨時間變化時,氣隙磁場將按A、B、C相序沿直線移動。次級導體在行波磁場切割下,將感應電動勢并產(chǎn)生電流,電流和氣隙磁場相互作用便產(chǎn)生電磁推力。若初級固定不動,則次級就順著行波磁場運動的方向作直線運動。上述兩者的本質差別在于前者用于車輛懸架系統(tǒng)上時需要有較大的推力和行程,而后者通常用于往復直線運動的位置伺服控制。當電磁作動器應用于車輛懸架系統(tǒng)時,將初級與簧上質量相聯(lián)接,次級與簧下質量相聯(lián)接。通過控制三相繞組的電流來生成主動懸架所需的控制力,從而達到減少車身振動的目的。自行設計的電磁直線作動器如圖1所示,已申報國家發(fā)明專利。該電磁作動器采用星型聯(lián)接,初級鐵心采用0.5mm厚的硅鋼片疊成。次級采用實心鋼管,鋼管外面覆蓋一層2mm厚的銅層。圖1中的電磁直線作動器的有關技術參數(shù)如下:相數(shù)為3;作動器并聯(lián)個數(shù)為3;初級槽寬16mm;初級齒距為20mm;初級鐵心縱向長度364mm;次級有效長度為410mm,電磁氣隙為2mm;動行程為100mm;每相串聯(lián)匝數(shù)為300;銅線直徑為1.12mm;初級相電阻為1.7?;同步速度為6m/s;額定電壓為220V;初級槽數(shù)為18;初級槽高16mm;初級槽寬4mm;初級外徑為140mm;次級外徑為40.5mm;繞組形式為單層餅式繞組;槽滿率為0.735;電源頻率為50Hz。2在磁極上直接作動器的三維模擬分析中2.1數(shù)值模型的建立及分析電磁直線作動器的有限元仿真分析包括以下4個基本步驟:(1)電磁作動器幾何模型的建立;(2)電磁作動器有限元網(wǎng)格的生成;(3)作動器各部分材料屬性的設置;(4)電路的設置及關聯(lián)。其中,幾何模型的建立通過對作動器結構進行合理的簡化得到,忽略了初級定子中的進線孔和工藝孔,可采用其他二維繪圖軟件生成后導入,也可通過Flux環(huán)境下直接建立,最終建立的直線作動器的幾何模型和有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。初級鐵心選用電工用硅鋼片DW470-50,其主要目的是為了減小鐵心損耗;同時為了易于加工,初級圓筒及次級鋼管采用導磁性能較好的08F鋼,各材料相應的B-H曲線如圖3所示。在進行有限元模型的仿真求解前還須定義電子元件、繪制出電路圖和計算相關的電氣參數(shù),并進一步與圖2中的有限元模型發(fā)生關聯(lián)。上述鐵磁材料的B-H特性與作動器電磁力的匹配關系主要通過對初級繞組線圈的不同組合來確定,為方便闡述,設計了如下4種不同的電路接線圖,如圖4所示。方式1:每相的6組線圈全串聯(lián)。方式2:分成單獨的交叉兩組,每組每相的3組線圈串聯(lián)。方式3:分成單獨的鄰近兩組,每組每相的3組線圈串聯(lián)。方式4:分成單獨的鄰近三組,每組每相的2組線圈串聯(lián)。樣機模型中最終采用的為第4種接線方式。在完成電磁作動器有限元網(wǎng)格的剖分、材料屬性的設置和電路的設置及關聯(lián)后,便可進行電磁力的響應分析。在對作動器進行仿真求解前,需施加相關的邊界條件:(1)初級速度和次級速度均為0m/s,即將作動器兩端固定不動;(2)對作動器初級繞組施加相電壓峰值為220V,頻率為50Hz的三相對稱正弦交流電。其目的主要是模擬作動器靜止啟動推力與繞組相電壓的關系,用于后續(xù)與試驗測試的對比分析。仿真步長設置為0.001s,求解步數(shù)為300步,求解器選擇CG/BiCG+LDUpreconditioner。通過仿真分析計算,得到0.2s這一時刻電磁直線作動器的磁力線分布如圖5a所示,同時圖5b為電磁直線作動器的瞬態(tài)推力響應曲線。可以看出,作動器的電磁力峰值在3000N左右,之后有短時間的振蕩,經(jīng)0.15s后穩(wěn)定在-1604N附近。電磁力為負值表示力的方向與規(guī)定的坐標系的正方向相反,這與通入繞組的電源電壓及其產(chǎn)生的移動行波磁場有關,對換任意的兩相電源線就可得到反方向的行波磁場,即可獲得反方向的電磁力。2.2直線作用電磁器的結構參數(shù)對電磁力的影響2.2.1不同氣隙厚度時圖6為初級與次級氣隙厚度發(fā)生變化時對電磁力的影響規(guī)律?？梢钥闯?隨著氣隙厚度的增加,電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值都有所下降。氣隙厚度為0.5mm時,峰值力為-2983N,穩(wěn)態(tài)力為-1604N;氣隙厚度為1mm時,峰值力為2837N,穩(wěn)態(tài)力為-1524N;氣隙厚度為1.5mm時,峰值力為-2686N,穩(wěn)態(tài)力為-1443N;氣隙厚度為2mm時,峰值力為-2518N,穩(wěn)態(tài)力為-1350N。圖7為初級鐵心與初級圓筒氣隙厚度變化時對電磁力的影響規(guī)律,同樣可以發(fā)現(xiàn),隨著氣隙厚度的增加,電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值都會隨之下降。2.2.2次級銅層厚度對電磁力的影響圖8為次級不銹鋼管厚度對電磁力的影響規(guī)律,可以看出,隨著不銹鋼厚度的增加,電磁力也呈下降的趨勢,不銹鋼厚度為0即銅層外不采用不銹鋼時產(chǎn)生的電磁力最大,但考慮到銅的強度較小,加上不銹鋼還可以防止感應電流流出等優(yōu)點,因此常需要在銅層外套上一層不銹鋼管。從圖8可看出,不銹鋼厚度越小,產(chǎn)生的電磁力越大,不銹鋼管的影響可等效為初級與次級氣隙厚度的影響。圖9為次級銅層厚度對電磁力的影響規(guī)律,在保證其他參數(shù)不變的情況下,計算銅層厚度為0.5~4.0mm時電磁力的響應?？梢钥闯?當銅層厚度由0.5mm增加到1.5mm的過程中,隨著銅層厚度的增加,產(chǎn)生的電磁力也隨之增加。但隨著銅層厚度的進一步增加,即銅層厚度由1.5mm增至4.0mm的過程中,電磁力隨著銅層厚度的增加呈下降的趨勢。實際上,當銅層的厚度發(fā)生變化時,電磁作動器內(nèi)部存在著兩種內(nèi)在的變化:(1)隨著次級導電層厚度的增加,等效氣隙在隨之增大,產(chǎn)生的效果使作動器的電磁力減小;(2)隨著次級銅層厚度的增加,減小了銅層的電阻,次級銅層中的感應電流隨之增加,致使電磁作動器的電磁力增加。當銅層由0.5mm增加至1.5mm的過程中,原因(2)起主導作用,致使作動器的電磁力增加,而隨之銅層厚度的進一步增加,原因一起主導作用,結果導致電磁力隨銅層厚度的增加而下降。綜合考慮電磁力的大小和銅層的加工因素,銅層厚度取2mm較為合適。2.2.3磁力線的分布圖10為絕緣擋圈導磁性能對電磁力的影響規(guī)律,可以看出,絕緣擋圈的導磁性能越好,產(chǎn)生的電磁力值越小。絕緣擋圈相對磁導率為1時,電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值分別為-2983N和-1604N;絕緣擋圈相對磁導率為10時,電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值分別為-927N和-320N;絕緣擋圈相對磁導率為50時,電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值分別為-304N和-50N;絕緣擋圈的相對磁導率為100時,電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值分別為-232N和-30N。從圖11中磁力線的分布圖中可發(fā)現(xiàn),絕緣擋圈的導磁性能對磁力線的分布影響較大,進一步造成電磁力的較大變化。圖12為絕緣擋圈導電性能對電磁力的影響,可以看出,電磁力的響應與絕緣擋圈的導電性能無關。2.2.4電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值圖13為線圈不同連接方式對電磁力的影響規(guī)律,可以看出,線圈的連接方式對電磁力有重要影響。當線圈如圖4a連接方式時,電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值分別為-219N和-100N;當線圈如圖4b方式連接時,電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值分別為-797N和-330N;當線圈如圖4c方式連接時,電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值分別為-1006N和-450N;當線圈如圖4d方式連接時,等效為3個電磁作動器,電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值分別為-2983N和-1604N。因此,要想在電磁作動器結構參數(shù)相同的情況下盡可能產(chǎn)生大的電磁力,線圈的連接方式則須按圖4d所示的電路圖進行連接。2.3電源對電磁力的影響2.3.1電壓幅值為200v時,電磁力為5n圖14為電源頻率為50Hz,在不同電壓幅值下的響應情況。可以看出,電壓幅值越大,產(chǎn)生的電磁力越大。電壓幅值為220V時產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)電磁力約為-1609N,電壓幅值為165V時產(chǎn)生的電磁力約為-895N,電壓幅值為110V時產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)電磁力約為-388N,電壓幅值為55V時產(chǎn)生的電磁力約為88N。電磁力的大小基本上與電壓幅值的平方成正比例關系。2.3.2hz不同頻率對hz響應的影響圖15為電源電壓幅值220V,電源頻率為5Hz至110Hz不同頻率下的響應情況?？梢钥闯?相同的電壓幅值下,電磁力隨電源頻率的上升先增加后減小,頻率越低,電磁力的變化越明顯。這是由于作動器的電磁力與電源頻率存在一定的函數(shù)關系式中,F2.3.3幅值和頻率對電磁力的影響斜坡幅值電壓加載:當在220V、50Hz激勵下作動器響應達到穩(wěn)定后,使電壓幅值于0.4s斜坡減小至110V,頻率不變,然后保持電壓幅值和頻率均不變,其電磁力的響應情況如圖16所示?？梢钥闯?在此激勵條件下,電磁力的幅值也呈逐漸減小趨勢,最終保持在-388N附近,超調量小,過渡也較平緩。正弦幅值電壓加載:同上述斜坡電壓加載類似,區(qū)別在于當作動器穩(wěn)定后,施加幅值為頻率5Hz的正弦激勵,此時作動器的電磁力響應情況如圖17所示。可以看出,當電源電壓幅值按正弦規(guī)律變化時,作動器電磁力的響應也大致呈正弦規(guī)律變化,超調量小。3電源電壓對電磁直線作動器力學性能的影響電磁直線作動器的試驗測試是研究作動器的一個重要方法,通過試驗不僅可以檢驗所設計的樣品是否符合技術要求,還可發(fā)現(xiàn)問題,促使進一步地研究和掌握作動器的內(nèi)在規(guī)律,提高理論研究和工程技術水平。前面通過有限元仿真軟件分析研究了圓筒型電磁直線作動器的基本特性,為了能夠驗證仿真的正確性,特加工了圓筒型的電磁直線作動器樣機模型,具體的結構參數(shù)見文中第2節(jié)。為了研究作動器在滑移率為1時的電磁推力響應情況,對加工后的電磁直線作動器樣機模型進行了相應的試驗研究,通過GSGC2-6型三相接觸調壓器對作動器的電源電壓進行調節(jié),從而可以得到不同電壓下作動器的起動電磁推力。圖18為在某廠試驗測試的情況,其中左半部分為作動器的試驗側視圖,右半部分為作動器的試驗正視圖。對電磁直線作動器進行次級不同位置下的電磁力測試,將電源線電壓的有效值先從40V上升到120V,再從120V下降至40V,間隔10V進行一次,然后取其平均值。圖19為次級處于不同位置處的電磁力的對比圖?？梢钥闯?當次級處于某一位置時,作動器的電磁力隨著電源電壓的增加而增加,基本上成平方關系;同時還可以看出,電磁力與次級所充滿的程度也有密切的關系,對于某一特定電壓下,次級充滿的程度越大,作動器的電磁力越大。圖20為作動器次級在完全充滿情況下,試驗結果與有限元仿真結果的電磁力對比情況,可以看出,試驗結果與仿真結果基本吻合。次級在其他位置下的試驗情況與仿真結果也基本一致,為節(jié)省篇幅不再一一列出。下表為次級完全充滿下試驗與有限元仿真結果的電磁力與相電流的對比情況,可以看出,當線電壓有效值為120V時,作動器電磁力可達555N,此時相電流為43A左右。4電源電壓及頻率對電磁力的影響應注意做到(1)研制了一種新型的車輛主動懸架作動