車(chē)輛主動(dòng)懸架用電磁直線(xiàn)作動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

車(chē)輛主動(dòng)懸架用電磁直線(xiàn)作動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

0電磁直線(xiàn)作動(dòng)器主動(dòng)懸浮設(shè)備系統(tǒng)可以解決被動(dòng)懸浮設(shè)計(jì)中的矛盾，改善車(chē)輛的平滑度和操縱穩(wěn)定性，引起人們的關(guān)注。動(dòng)態(tài)障礙系統(tǒng)的重要組成部分——力動(dòng)器的開(kāi)發(fā)，吸引了研究人員的注意。通過(guò)查閱大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)可知,對(duì)于車(chē)輛主動(dòng)懸架作動(dòng)器的研究大致可分為以下三類(lèi):(1)空氣主動(dòng)懸架作動(dòng)器上述主動(dòng)懸架作動(dòng)器中,空氣和液壓作動(dòng)器都存在著結(jié)構(gòu)復(fù)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(wèn)題,而隨著電磁學(xué)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(shí)其價(jià)格也日趨低廉,采用電磁方式來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)懸架力發(fā)生器已成為目前研究的熱點(diǎn)。相比之下,電磁直線(xiàn)作動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速及控制精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí),電磁主動(dòng)懸架還具有將能量回收的潛力,這也與當(dāng)前提倡的“節(jié)能、環(huán)保”這一主題相吻合。上述關(guān)于電磁直線(xiàn)作動(dòng)器的文獻(xiàn)中,一部分研究者采用現(xiàn)成的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)來(lái)充當(dāng)力發(fā)生器,另外一部分研究者所采用的電磁直線(xiàn)作動(dòng)器為永磁式的,而對(duì)感應(yīng)式的卻沒(méi)有涉及。本文采用電磁直線(xiàn)作動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)懸架力發(fā)生器為終極目標(biāo),提出了一種圓筒型電磁直線(xiàn)感應(yīng)式作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)合有限元仿真軟件Flux,系統(tǒng)地分析了電磁作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)和電氣參數(shù)對(duì)電磁力大小和響應(yīng)速度的影響規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上試制了一款作動(dòng)器樣機(jī),通過(guò)對(duì)作動(dòng)器的相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試,表明了對(duì)作動(dòng)器的設(shè)計(jì)和仿真分析是正確可行的。1電磁直線(xiàn)作動(dòng)器本文所提出的電磁直線(xiàn)作動(dòng)器與圓筒型直線(xiàn)異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理相似:在作動(dòng)器的三相繞組中通入三相對(duì)稱(chēng)正弦電流后,會(huì)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng),當(dāng)不考慮兩端開(kāi)斷而引起的縱向邊緣效應(yīng)時(shí),此氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似,即沿展開(kāi)的直線(xiàn)方向可看成呈正弦形分布。當(dāng)三相電流隨時(shí)間變化時(shí),氣隙磁場(chǎng)將按A、B、C相序沿直線(xiàn)移動(dòng)。次級(jí)導(dǎo)體在行波磁場(chǎng)切割下,將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流,電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生電磁推力。若初級(jí)固定不動(dòng),則次級(jí)就順著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。上述兩者的本質(zhì)差別在于前者用于車(chē)輛懸架系統(tǒng)上時(shí)需要有較大的推力和行程,而后者通常用于往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的位置伺服控制。當(dāng)電磁作動(dòng)器應(yīng)用于車(chē)輛懸架系統(tǒng)時(shí),將初級(jí)與簧上質(zhì)量相聯(lián)接,次級(jí)與簧下質(zhì)量相聯(lián)接。通過(guò)控制三相繞組的電流來(lái)生成主動(dòng)懸架所需的控制力,從而達(dá)到減少車(chē)身振動(dòng)的目的。自行設(shè)計(jì)的電磁直線(xiàn)作動(dòng)器如圖1所示,已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。該電磁作動(dòng)器采用星型聯(lián)接,初級(jí)鐵心采用0.5mm厚的硅鋼片疊成。次級(jí)采用實(shí)心鋼管,鋼管外面覆蓋一層2mm厚的銅層。圖1中的電磁直線(xiàn)作動(dòng)器的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下:相數(shù)為3;作動(dòng)器并聯(lián)個(gè)數(shù)為3;初級(jí)槽寬16mm;初級(jí)齒距為20mm;初級(jí)鐵心縱向長(zhǎng)度364mm;次級(jí)有效長(zhǎng)度為410mm,電磁氣隙為2mm;動(dòng)行程為100mm;每相串聯(lián)匝數(shù)為300;銅線(xiàn)直徑為1.12mm;初級(jí)相電阻為1.7?;同步速度為6m/s;額定電壓為220V;初級(jí)槽數(shù)為18;初級(jí)槽高16mm;初級(jí)槽寬4mm;初級(jí)外徑為140mm;次級(jí)外徑為40.5mm;繞組形式為單層餅式繞組;槽滿(mǎn)率為0.735;電源頻率為50Hz。2在磁極上直接作動(dòng)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(xiàn)作動(dòng)器的有限元仿真分析包括以下4個(gè)基本步驟:(1)電磁作動(dòng)器幾何模型的建立;(2)電磁作動(dòng)器有限元網(wǎng)格的生成;(3)作動(dòng)器各部分材料屬性的設(shè)置;(4)電路的設(shè)置及關(guān)聯(lián)。其中,幾何模型的建立通過(guò)對(duì)作動(dòng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化得到,忽略了初級(jí)定子中的進(jìn)線(xiàn)孔和工藝孔,可采用其他二維繪圖軟件生成后導(dǎo)入,也可通過(guò)Flux環(huán)境下直接建立,最終建立的直線(xiàn)作動(dòng)器的幾何模型和有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。初級(jí)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(shí)為了易于加工,初級(jí)圓筒及次級(jí)鋼管采用導(dǎo)磁性能較好的08F鋼,各材料相應(yīng)的B-H曲線(xiàn)如圖3所示。在進(jìn)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(jì)算相關(guān)的電氣參數(shù),并進(jìn)一步與圖2中的有限元模型發(fā)生關(guān)聯(lián)。上述鐵磁材料的B-H特性與作動(dòng)器電磁力的匹配關(guān)系主要通過(guò)對(duì)初級(jí)繞組線(xiàn)圈的不同組合來(lái)確定,為方便闡述,設(shè)計(jì)了如下4種不同的電路接線(xiàn)圖,如圖4所示。方式1:每相的6組線(xiàn)圈全串聯(lián)。方式2:分成單獨(dú)的交叉兩組,每組每相的3組線(xiàn)圈串聯(lián)。方式3:分成單獨(dú)的鄰近兩組,每組每相的3組線(xiàn)圈串聯(lián)。方式4:分成單獨(dú)的鄰近三組,每組每相的2組線(xiàn)圈串聯(lián)。樣機(jī)模型中最終采用的為第4種接線(xiàn)方式。在完成電磁作動(dòng)器有限元網(wǎng)格的剖分、材料屬性的設(shè)置和電路的設(shè)置及關(guān)聯(lián)后,便可進(jìn)行電磁力的響應(yīng)分析。在對(duì)作動(dòng)器進(jìn)行仿真求解前,需施加相關(guān)的邊界條件:(1)初級(jí)速度和次級(jí)速度均為0m/s,即將作動(dòng)器兩端固定不動(dòng);(2)對(duì)作動(dòng)器初級(jí)繞組施加相電壓峰值為220V,頻率為50Hz的三相對(duì)稱(chēng)正弦交流電。其目的主要是模擬作動(dòng)器靜止啟動(dòng)推力與繞組相電壓的關(guān)系,用于后續(xù)與試驗(yàn)測(cè)試的對(duì)比分析。仿真步長(zhǎng)設(shè)置為0.001s,求解步數(shù)為300步,求解器選擇CG/BiCG+LDUpreconditioner。通過(guò)仿真分析計(jì)算,得到0.2s這一時(shí)刻電磁直線(xiàn)作動(dòng)器的磁力線(xiàn)分布如圖5a所示,同時(shí)圖5b為電磁直線(xiàn)作動(dòng)器的瞬態(tài)推力響應(yīng)曲線(xiàn)?？梢钥闯?作動(dòng)器的電磁力峰值在3000N左右,之后有短時(shí)間的振蕩,經(jīng)0.15s后穩(wěn)定在-1604N附近。電磁力為負(fù)值表示力的方向與規(guī)定的坐標(biāo)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(dòng)行波磁場(chǎng)有關(guān),對(duì)換任意的兩相電源線(xiàn)就可得到反方向的行波磁場(chǎng),即可獲得反方向的電磁力。2.2直線(xiàn)作用電磁器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁力的影響2.2.1不同氣隙厚度時(shí)圖6為初級(jí)與次級(jí)氣隙厚度發(fā)生變化時(shí)對(duì)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(shí),峰值力為-2983N,穩(wěn)態(tài)力為-1604N;氣隙厚度為1mm時(shí),峰值力為2837N,穩(wěn)態(tài)力為-1524N;氣隙厚度為1.5mm時(shí),峰值力為-2686N,穩(wěn)態(tài)力為-1443N;氣隙厚度為2mm時(shí),峰值力為-2518N,穩(wěn)態(tài)力為-1350N。圖7為初級(jí)鐵心與初級(jí)圓筒氣隙厚度變化時(shí)對(duì)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(huì)隨之下降。2.2.2次級(jí)銅層厚度對(duì)電磁力的影響圖8為次級(jí)不銹鋼管厚度對(duì)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(shì),不銹鋼厚度為0即銅層外不采用不銹鋼時(shí)產(chǎn)生的電磁力最大,但考慮到銅的強(qiáng)度較小,加上不銹鋼還可以防止感應(yīng)電流流出等優(yōu)點(diǎn),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(jí)與次級(jí)氣隙厚度的影響。圖9為次級(jí)銅層厚度對(duì)電磁力的影響規(guī)律,在保證其他參數(shù)不變的情況下,計(jì)算銅層厚度為0.5~4.0mm時(shí)電磁力的響應(yīng)?？梢钥闯?當(dāng)銅層厚度由0.5mm增加到1.5mm的過(guò)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(jìn)一步增加,即銅層厚度由1.5mm增至4.0mm的過(guò)程中,電磁力隨著銅層厚度的增加呈下降的趨勢(shì)。實(shí)際上,當(dāng)銅層的厚度發(fā)生變化時(shí),電磁作動(dòng)器內(nèi)部存在著兩種內(nèi)在的變化:(1)隨著次級(jí)導(dǎo)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(dòng)器的電磁力減小;(2)隨著次級(jí)銅層厚度的增加,減小了銅層的電阻,次級(jí)銅層中的感應(yīng)電流隨之增加,致使電磁作動(dòng)器的電磁力增加。當(dāng)銅層由0.5mm增加至1.5mm的過(guò)程中,原因(2)起主導(dǎo)作用,致使作動(dòng)器的電磁力增加,而隨之銅層厚度的進(jìn)一步增加,原因一起主導(dǎo)作用,結(jié)果導(dǎo)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(xiàn)的分布圖10為絕緣擋圈導(dǎo)磁性能對(duì)電磁力的影響規(guī)律,可以看出,絕緣擋圈的導(dǎo)磁性能越好,產(chǎn)生的電磁力值越小。絕緣擋圈相對(duì)磁導(dǎo)率為1時(shí),電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值分別為-2983N和-1604N;絕緣擋圈相對(duì)磁導(dǎo)率為10時(shí),電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值分別為-927N和-320N;絕緣擋圈相對(duì)磁導(dǎo)率為50時(shí),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(duì)磁導(dǎo)率為100時(shí),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(xiàn)的分布圖中可發(fā)現(xiàn),絕緣擋圈的導(dǎo)磁性能對(duì)磁力線(xiàn)的分布影響較大,進(jìn)一步造成電磁力的較大變化。圖12為絕緣擋圈導(dǎo)電性能對(duì)電磁力的影響,可以看出,電磁力的響應(yīng)與絕緣擋圈的導(dǎo)電性能無(wú)關(guān)。2.2.4電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值圖13為線(xiàn)圈不同連接方式對(duì)電磁力的影響規(guī)律,可以看出,線(xiàn)圈的連接方式對(duì)電磁力有重要影響。當(dāng)線(xiàn)圈如圖4a連接方式時(shí),電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值分別為-219N和-100N;當(dāng)線(xiàn)圈如圖4b方式連接時(shí),電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值分別為-797N和-330N;當(dāng)線(xiàn)圈如圖4c方式連接時(shí),電磁力的峰值和穩(wěn)態(tài)值分別為-1006N和-450N;當(dāng)線(xiàn)圈如圖4d方式連接時(shí),等效為3個(gè)電磁作動(dòng)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(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下盡可能產(chǎn)生大的電磁力,線(xiàn)圈的連接方式則須按圖4d所示的電路圖進(jìn)行連接。2.3電源對(duì)電磁力的影響2.3.1電壓幅值為200v時(shí),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(yīng)情況?？梢钥闯?電壓幅值越大,產(chǎn)生的電磁力越大。電壓幅值為220V時(shí)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)電磁力約為-1609N,電壓幅值為165V時(shí)產(chǎn)生的電磁力約為-895N,電壓幅值為110V時(shí)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)電磁力約為-388N,電壓幅值為55V時(shí)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(guān)系。2.3.2hz不同頻率對(duì)hz響應(yīng)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(yīng)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(dòng)器的電磁力與電源頻率存在一定的函數(shù)關(guān)系式中,F2.3.3幅值和頻率對(duì)電磁力的影響斜坡幅值電壓加載:當(dāng)在220V、50Hz激勵(lì)下作動(dòng)器響應(yīng)達(dá)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(yīng)情況如圖16所示。可以看出,在此激勵(lì)條件下,電磁力的幅值也呈逐漸減小趨勢(shì),最終保持在-388N附近,超調(diào)量小,過(guò)渡也較平緩。正弦幅值電壓加載:同上述斜坡電壓加載類(lèi)似,區(qū)別在于當(dāng)作動(dòng)器穩(wěn)定后,施加幅值為頻率5Hz的正弦激勵(lì),此時(shí)作動(dòng)器的電磁力響應(yīng)情況如圖17所示?？梢钥闯?當(dāng)電源電壓幅值按正弦規(guī)律變化時(shí),作動(dòng)器電磁力的響應(yīng)也大致呈正弦規(guī)律變化,超調(diào)量小。3電源電壓對(duì)電磁直線(xiàn)作動(dòng)器力學(xué)性能的影響電磁直線(xiàn)作動(dòng)器的試驗(yàn)測(cè)試是研究作動(dòng)器的一個(gè)重要方法,通過(guò)試驗(yàn)不僅可以檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的樣品是否符合技術(shù)要求,還可發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,促使進(jìn)一步地研究和掌握作動(dòng)器的內(nèi)在規(guī)律,提高理論研究和工程技術(shù)水平。前面通過(guò)有限元仿真軟件分析研究了圓筒型電磁直線(xiàn)作動(dòng)器的基本特性,為了能夠驗(yàn)證仿真的正確性,特加工了圓筒型的電磁直線(xiàn)作動(dòng)器樣機(jī)模型,具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)文中第2節(jié)。為了研究作動(dòng)器在滑移率為1時(shí)的電磁推力響應(yīng)情況,對(duì)加工后的電磁直線(xiàn)作動(dòng)器樣機(jī)模型進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究,通過(guò)GSGC2-6型三相接觸調(diào)壓器對(duì)作動(dòng)器的電源電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),從而可以得到不同電壓下作動(dòng)器的起動(dòng)電磁推力。圖18為在某廠(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試的情況,其中左半部分為作動(dòng)器的試驗(yàn)側(cè)視圖,右半部分為作動(dòng)器的試驗(yàn)正視圖。對(duì)電磁直線(xiàn)作動(dòng)器進(jìn)行次級(jí)不同位置下的電磁力測(cè)試,將電源線(xiàn)電壓的有效值先從40V上升到120V,再?gòu)?20V下降至40V,間隔10V進(jìn)行一次,然后取其平均值。圖19為次級(jí)處于不同位置處的電磁力的對(duì)比圖?？梢钥闯?當(dāng)次級(jí)處于某一位置時(shí),作動(dòng)器的電磁力隨著電源電壓的增加而增加,基本上成平方關(guān)系;同時(shí)還可以看出,電磁力與次級(jí)所充滿(mǎn)的程度也有密切的關(guān)系,對(duì)于某一特定電壓下,次級(jí)充滿(mǎn)的程度越大,作動(dòng)器的電磁力越大。圖20為作動(dòng)器次級(jí)在完全充滿(mǎn)情況下,試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果的電磁力對(duì)比情況,可以看出,試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。次級(jí)在其他位置下的試驗(yàn)情況與仿真結(jié)果也基本一致,為節(jié)省篇幅不再一一列出。下表為次級(jí)完全充滿(mǎn)下試驗(yàn)與有限元仿真結(jié)果的電磁力與相電流的對(duì)比情況,可以看出,當(dāng)線(xiàn)電壓有效值為120V時(shí),作動(dòng)器電磁力可達(dá)555N,此時(shí)相電流為43A左右。4電源電壓及頻率對(duì)電磁力的影響應(yīng)注意做到(1)研制了一種新型的車(chē)輛主動(dòng)懸架作動(dòng)