电磁主动悬架直线式作动器优化设计及馈能特性研究

发布时间：2020-07-03 04:27

【摘要】：随着汽车工业迅速发展,人类面临严峻的能源与环境挑战,以电动汽车为代表的新能源汽车是实现交通可持续发展的最佳选择,轮边驱动电动汽车由于动力系统布置灵活,省略了传统汽车的机械传动系统,使得整车质量降低,结构简洁紧凑、可利用空间增大,传动链缩短、传动效率提高,已被视为电动汽车的最终驱动形式。但由于其特殊的动力布置形式造成非簧载质量增加,整车平顺性与操纵稳定性下降。主动悬架能够产生主动控制力来改善悬架特性,实现车辆舒适性和操稳性的平衡,但同时也造成了电动汽车电能的消耗;馈能型悬架能够实现振动能量的回收和利用,同时可以产生可调的电磁阻尼力来改善悬架的阻尼特性。本文基于动力吸振器原理及电磁主动悬架的运用,提出了一种结构和功能上高度集成的电动汽车电动轮新构型,以抑制车轮振动负效应问题。针对电磁主动悬架系统,从作动器本体入手设计了一种高功率密度、低电磁力波动的直线式作动器;分析研究了直线式作动器结构优化及电磁力波动的抑制方法;探索了电磁主动悬架非线性阻尼特性和馈能特性,并设计了一种基于负载可调的电磁主动悬架电阻控制单元,实现了对新型电动轮系统舒适性及安全性的控制要求。具体工作包括以下几个方面:(1)借助轮毂电机悬置元件将电机“悬浮”,将轮毂电机转化为动力吸振器,从而将普通轮边驱动系统转化为减振型轮边驱动系统,并根据吸振器的安装方式构建车身减振型和车轮减振型两种悬架减振构型,对多种轮边驱动系统进行垂向振动对比分析。在此基础上引入电磁主动悬架,提出了一种集驱动、隔振、减振和振动能量回收为一体的新型电动汽车电动轮系统。根据电动轮结构及性能的需求,设计了一种基于分数槽结构的永磁直线式电磁主动悬架作动器。(2)基于麦克斯韦磁场理论及圆柱坐标磁通密度矢量法,建立了开槽结构的永磁直线式作动器理论模型,分析了作动器静态磁场分布及动态绕组电磁输出特性;研究了作动器电磁力瞬态响应,分析了电磁力波动的时间响应特性,以及影响电磁力波动的主要因素。(3)对永磁直线式作动器工作状态下电磁力波动的机理进行了分析,明确定位力与波纹力对电磁力波动的影响。针对定位力,一方面通过改变定子端部齿的厚度,研究端部齿厚度对作动器端部定位力的影响规律;另一方面探索多种极槽组合的作动器的齿槽定位力特性,提出了有效降低电磁力波动的措施。针对波纹力,采用多目标粒子群优化算法,以作动器主要结构设计参数为优化变量,以作动器感应电动势幅值最大和总谐波含量最小为优化目标,对电磁作动器进行多目标优化设计,获取作动器优化结构参数Pareto解集,基于模糊集合理论确定作动器最优结构参数,最终提高了电磁力并降低其波纹力。(4)在作动器结构优化的基础上,建立了基于正弦激励下作动器馈能电压及馈能功率模型,探讨了作动器馈能特性随激励的频率、振幅以及其起始相位的变化规律。分析了多种激励下作动器阻尼力-位移特性及阻尼力-速度特性。最后,通过实验验证了所设计作动器的有效性。(5)基于电动轮系统动力学模型及电磁主动悬架馈能模型,探讨了电磁主动悬架馈能特性和车辆的舒适性及安全性的耦合关系,包括悬架结构参数对馈能功率以及馈能功率对悬架动力学性能的影响。结合作动器电磁力解析解与实验测试结果,考虑磁场饱和效应,建立了电磁主动悬架半解析的非线性电磁力模型。设计了基于负载可调的,考虑非线性电磁力特性的电阻控制器,以实现馈能型电磁主动悬架的自减振控制。此外,在此基础上进一步提出主动-半主动一体式的悬架控制方法,并对悬架性能参数进行优化,以改善电动汽车电动轮系统动力学性能。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U469.7
【图文】：

米其林,车轮

图 1.1 米其林“主动车轮”系统[5]Fig.1.1 Michelin“active wheel”system[5]4[7]公司设计的一体化轮边驱动系统采用外转子式永磁直接与轮辋相连，将电动机外壳作为车轮的组成部分为鼓式制动器的制动鼓，制动蹄片直接作用在电动机，减小了轮边驱动系统的质量，集成化设计程度相当的永磁无刷直流电动机的性能非常高，其峰值功率可Nm，最高转速为 1385r/min，额定功率为 18.5kW，额定转80Nm，额定工况下的平均效率可达到 96.3%。司开发的 eCorner[8]将车轮部件、轮毂电机、主动悬架轮轮辋里面。主要特点是在电机结构上进行了创新，，定子和轮毂作为一体，转子和支撑板作为一体。中装置。文中将悬架一分为二，中间连接部分和车轴相轮集成的一种新模式，如图 1.2 所示。

电磁主动悬架直线式作动器优化设计及馈能特性研究

SiemensVDOeCorner系统

【参考文献】