集成永磁直线发电机的自供电磁流变减振器设计

发布时间：2019-10-16 17:22

【摘要】：针对汽车磁流变半主动悬架系统的开发,设计了集供电与减振功能于一体的磁流变减振器。提出了基于准Halbach阵列永磁体的直线发电机结构,并设计了组合隔磁结构,有效降低了磁流变减振器线圈磁场与永磁体磁场的相互干扰,实现了自供电磁流变减振器的集成设计。通过理论与试验研究,探索了自供电磁流变减振器创新设计理论与方法。
【图文】：

自供电,磁流变减振器

2自供电磁流变减振器结构和工作原理本文所设计的自供电磁流变减振器由磁流变减振器、隔磁结构、连接装置、发电机和由浮动活塞与储气室构成的体积补偿装置等5个部分组成，如图1所示。该减振器的设计采用了空间共享原理：发电机采用直线式电机结构，将发电机动子总成与活塞杆固连，发电机定子总成与缸筒固连，结构更加紧凑；在发电机永磁体和减振器缸筒之间设计了组合隔磁结构，通过隔磁和导磁材料的合理分布及尺寸设置，使发电机部分和磁流变减振器部分形成2个独立的磁路，并有效阻止2个磁场的相互干扰；采用多级Halbach阵列永磁体作为发电机的励磁源，相比单级永磁体结构，多级结构可以保证在同样频率和幅值的激励下，线圈切割磁感线的次数更多，从而实现更高的馈能效率。图1自供电磁流变减振器结构在外界激励下，活塞杆与缸筒产生相对运动，动子总成的永磁体切割定子总成发电线圈产生感应电压，并通过能量回收电路产生电能存储在储能装置中。与此同时，控制器根据传感器输入的振动信号进行半主动控制，输出控制信号使储能装置向减振器内的励磁线圈通电，在减振器阻尼通道产生可控的磁场形成磁流变效应，从而产生可控的阻尼力以减轻车辆的振动。如果通过发电机回收的电能能够满足半主动励磁线圈的需要，那么磁流变悬架系统就可以实现自供电。3基于准Halbach阵列的永磁直线发电机设计3.1永磁直线发电机工作性能分析由法拉第电磁感应定律可知，长l的导体在磁感应强度为B的磁场中以速度v切割磁感线时所产生的感应电动势为：E=Blv（1）在短路情况下，导体中的最大电流为：I=VR=σBvAw（2）式中，V为导体两端的电压；R为导体的电阻；σ为导体的电导率；Aw为导体的横截面积。结合式（1）和式（2）可得功率为：

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2πBvDcAc3d2（6）功率为：P=π2σB2v2DcAc23（7）由式（7）可以看出，在电磁发电机的磁路设计过程中应尽量采用高剩磁的永磁体和高磁导率的材料，使得气隙具有较高的磁感应强度，并在空间布局允许的情况下尽量加大绕组的直径和横截面积。3.2准Halbach阵列永磁体特性分析永磁直线发电机按永磁体排列不同可以分为径向充磁结构、轴向充磁结构和准Halbach阵列结构，根据参考文献[6]对3种结构的分析，，本文的永磁直线发电机最适合采用准Halbach阵列结构。准Halbach阵列结构中（见图2），磁力线主要在永磁体径向外侧形成闭合回路，无磁力线进入减振器部分，且径向磁场和轴向磁场的相互叠加使得气隙一侧的磁场强度增大，另一侧磁场强度降低，从而形成单边磁场的磁屏蔽效应。Halbach阵列永磁体的单边磁场效应非常适用于本文所设计的发电机，在增强了气隙一侧的磁感应强度、提高了发电机功率密度的同时，降低了靠近减振器缸筒一侧的磁场强度，从而可以在保证磁场互不干扰的情况下减小隔磁结构的体积，减轻动子质量，提高效率。图2准Halbach阵列连接装置发电机磁流变减振器隔磁机构浮动活塞储气室空气间隙线圈外筒导磁筒轴向充磁永磁体隔磁筒磁流变减振器径向充磁永磁体·设计开发·-22-汽车技术
【作者单位】：重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心;
【基金】：国家质量监督检验检疫总局科研项目(2014QK262) 重庆市质量技术监督局科研项目(CQZJKY2014013)
【分类号】：U463.335.1

【参考文献】