CN106224425A - 一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器及其尺寸确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器及其尺寸确定方法，包括上吊耳、防尘罩、下吊耳、液压减振器、混合励磁机构，液压减振器提供不变粘性阻尼系数，混合励磁机构提供可调电磁阻尼力，并将振动能量转化为电能进行储存。同时提供一种尺寸确定方法，根据额定要求确定液压减振器选型，推导出电磁阻尼力表达式，利用粒子群优化算法确定混合励磁机构初步尺寸，进行有限元分析，优化气隙长度等，并确定最终尺寸。本发明将液压减振器与混合励磁的圆筒直线电机集成，实现阻尼力可调，并在工作过程中回收能量，结构简单，协调车辆悬架隔振性与馈能性，并兼具Fail‑safe功能；另外尺寸确定方法步骤明确、实施简单、优化结果明显，具有较强实践性。

Description

一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器及其尺寸确定 方法

技术领域

本发明属于汽车悬架领域，具体涉及一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器及其尺寸确定方法。

背景技术

目前，大部分车辆悬架部分仍使用传统的双筒式减振器，其阻尼系数不可随行驶工况进行调节，设计时只能保证在某种特定行驶工况下达到良好的减振条件，难以适应不同的道路状况，因而减振性能有限。此外，大多数传统减振器一旦失效则彻底失去隔振能力，大大影响汽车行驶平顺性与操纵稳定性。

另一方面，全球环境问题和能源问题日益突出，就传统内燃机而言，仅有16％的能量用于驱动车辆行驶，其他能量被各耗能部件以热能形式消耗掉。能量回收再利用是实现汽车节能的有效途径。理论研究表明，再生制动最大可提高30％的燃油效率，废热回收可提高10％-30％的燃油效率，悬架振动能量回收最大可提高10％的燃油效率。

直线电机结构简单、紧凑、效率高、抗电磁干扰能力强、电枢与定子间无径向力。Bose公司研制了直线电机式馈能主动悬架，在提高车辆动态性能的同时，可部分回收车辆振动能量,但直线电机输出主动力时，无法回收振动能量，耗能较高。此外，中国专利CN201310105535.0公开了一种混合动力车辆半主动悬架馈能器，将一筒式直线发电机集成到传统的被动减振器中，并在活塞杆上开设节流口以使减振器阻尼力可调，但调节方式复杂，稳定性不高，直线电机仅用来回收能量，利用率不高。因此，亟待提出一种新结构，在输出可调阻尼力的同时可以进行能量回收。

混合励磁是由电励磁与永磁励磁共同作用的新型励磁方式，与永磁电机比较，混合励磁电机具有调节气隙磁场的能力；与电励磁同步电机相比，具有较小的电枢反应电抗。因此提出将基于混合励磁的直线电机集成到传统减振器的概念。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器及其尺寸确定方法，将基于混合励磁的筒式直线电机集成到传统液压减振器上，在汽车行驶过程中，通过改变直流励磁绕组励磁电流大小与方向，使悬架的阻尼力根据行驶工况实时可调，提高行驶平顺性与操纵稳定性；与此同时，利用簧上质量与簧下质量间的相对运动，对振动能量进行回收，提高燃油经济性，减少能源消耗。此外，本发明兼具Fail-safe功能，当混合励磁直线电机部分失效时，液压减振器部分仍能提供阻尼力，使得悬架正常工作。

本发明是通过以下技术方案实现上述目的的。

一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法，包括以下步骤：

步骤1)，推导出半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力与感应电动势的解析表达式；

步骤2)，根据半主动馈能悬架减振器的具体工况及技术要求确定半主动馈能悬架减振器的额定数据，并确定混合阻尼力调节范围，进行液压减振器选型；

步骤3)，根据推导得出的半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力解析表达式，令直流励磁绕组中的励磁电流为零，确定永磁体的尺寸；根据直流励磁绕组中的直流励磁电流输入范围，确定直流励磁绕组的匝数与线径；

步骤4)，利用粒子群算法优化电机整体尺寸，取单位励磁电流提供的电磁阻尼力为目标函数，约束条件为：各部分磁密不超过磁密最大值，边界尺寸满足要求，励磁电流不超过3A，电磁阻尼力大于最小值；利用罚函数，将上述约束条件列入目标函数，粒子群算法设置参数包括：粒子群规模、学习因子、惯性权重、自变量以及迭代次数；

步骤5)，将得到的电机整体尺寸代入电磁阻尼力与感应电动势的解析表达式，得到半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力与回收能量解析值；

步骤6)，将步骤2)中的额定数据与步骤5)中计算得到的解析值进行比较，若满足设计要求则进行下一步，否则回到步骤3)；

步骤7)，在Ansoft仿真软件中，根据步骤3)及步骤4)中电机各部分的初定尺寸建立电机模型，仿真混合励磁直线电机，进行有限元分析，对比有限元值与步骤4)中计算得到的解析值，并进行混合励磁机构的尺寸优化，优化的内容包括永磁体的宽度、直流励磁绕组的长度以及电机初级与电机次级之间的气隙长度；

步骤8)，得到优化后混合励磁机构的尺寸，对比优化前后半主动馈能悬架减振器的性能，若没有明显优化，则回到步骤6)；

步骤9)，确定半主动馈能悬架减振器的最终尺寸。

进一步，所述步骤1)中推导出的电磁阻尼力的解析表达式为：其中F_E为半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力，k_f为电磁阻尼力系数，k_v为绕组的电压系数，为电机次级与初级间相对速度，R_m为电机内阻，R_l为负载电路电阻。

进一步，所述步骤1)中推导出的感应电动势的解析表达式为：其特征在于，所述步骤1)中推导出的感应电动势的解析表达式为：其中V_emf为半主动馈能悬架减振器的感应电动势，m为三相绕组(202)的匝数，r为三相绕组(202)的线经，A_m为永磁体(203)径向的截面面积，A_coil为三相绕组(202)径向的截面面积，B_m为永磁体(203)的磁感应强度，k_v为绕组的电压系数，为电机次级与初级间相对速度。

进一步，所述步骤9)确定半主动馈能悬架减振器的最终尺寸为铁芯厚度τ_i＝5.7mm，永磁体厚度τ_m＝10.5mm，三相绕组宽度τ_c＝8.4mm，定子磁轭半径r_s＝33.55mm，三相绕组外径r_c＝32.2mm，三相绕组内径r_a＝29.2mm，永磁体外径r_m＝28.2mm，永磁体内径r_w＝22.2mm，直流电励磁外径r_i＝19.2mm，直流电励磁内径r_p＝4.2mm。

进一步，所述步骤4)中粒子群算法参数设置为：粒子群规模为40，学习因子都取2，惯性权重都取0.9，自变量为4，迭代次数取500。

一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法确定的半主动馈能悬架减振器，包括上吊耳、下吊耳以及设置在上吊耳、下吊耳之间的液压减振器主体；还包括包裹在所述液压减振器主体外围的防尘罩、混合励磁机构；

所述混合励磁机构包括电机初级与电机次级，所述电机初级包括导体管和三相绕组，所述电机次级包括永磁体、铁芯及直流励磁绕组；

所述上吊耳下端两侧焊接防尘罩，所述防尘罩下端两侧均与导体管焊接，所述导体管内部设有三相绕组；电机次级焊接于储油缸筒外壁，所述电机次级表面贴附有永磁体，所述电机次级设有开口矩形槽，所述开口矩形槽内绕有直流励磁绕组，所述铁芯与永磁体相接触；

所述电机初级与电机次级之间有固定尺寸的气隙，所述气隙中的励磁磁场由永磁体与直流励磁绕组共同产生，所述永磁体提供电机运行时的主要励磁磁场，所述直流励磁绕组提供电机运行时的辅助励磁磁场。

进一步，所述液压减振器主体包括活塞杆、骨架油封、导向座、工作缸筒、活塞、流通阀、伸张阀、储油缸筒、压缩阀以及补偿阀；

所述活塞杆的上端焊接在防尘罩的内部，所述活塞杆下端伸入工作缸筒内，且与活塞相连；所述活塞上端面设有伸张阀，所述活塞下端面设置流通阀；所述工作缸筒顶部由导向座压紧；工作缸筒下端设有压缩阀与补偿阀；所述活塞杆与骨架油封配合置于储油缸筒顶部，所述储油缸筒内部装有工作缸筒，所述储油缸筒下端焊有下吊耳。

进一步，所述防尘罩与储油缸筒均由非导磁材料制成。

进一步，所述混合励磁机构为集成电励磁与永磁励磁的圆筒式直线电机。

进一步，由所述半主动馈能悬架减振器确定其最终尺寸为铁芯厚度τ_i＝5.7mm，永磁体厚度τ_m＝10.5mm，三相绕组宽度τ_c＝8.4mm，定子磁轭半径r_s＝33.55mm，三相绕组外径r_c＝32.2mm，三相绕组内径r_a＝29.2mm，永磁体外径r_m＝28.2mm，永磁体内径r_w＝22.2mm，直流电励磁外径r_i＝19.2mm，直流电励磁内径r_p＝4.2mm。

本发明的有益效果为：

1、将混合励磁直线电机与液压减振器集成，通过改变直流励磁绕组励磁电流大小实现减振器阻尼力可调，改善悬架隔振性；与此同时,由于混合励磁机构初级部分与次级部分产生相对运动，三相绕组中产生感应电流，从而可以将振动能量转化为电能储存，实现调节阻尼力的同时，进行能量回收。另外，由于混合励磁机构与液压减振器主体部分工作相对独立，从而可以实现“Fail-safe”功能，当混合励磁机构失效时，液压减振器部分仍能提供阻尼力，使得悬架正常工作。，

2、在推导得出电磁阻尼力解析表达式基础上，提供一种简便的尺寸确定方法，使用基于罚函数的粒子群优化算法，得到最优尺寸使得单位励磁电流提供的电磁阻尼力最大；使用有限元法，分别优化永磁体的宽度、直流励磁绕组的长度以及电机初级与电机次级之间的气隙长度，提高了减振器阻尼力以及回收能量的大小，具有一定的实用价值。

附图说明

图1为本发明一基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法确定的半主动馈能悬架减振器的结构示意图；

图2为本发明混合励磁机构一对磁极的结构图；

图3为本发明尺寸确定方法流程图；

图4为本发明电磁阻尼力随励磁电流变化图；

图5为本发明混合励磁机构尺寸优化前后隔振性对比图；

图6为本发明混合励磁机构尺寸优化前后馈能性对比图。

其中：1-上吊耳；2-防尘罩；3-下吊耳；10-液压减振器主体；101-活塞杆；102-骨架油封；103-导向座；104-工作缸筒；105-活塞；106-流通阀；107-伸张阀；108-储油缸筒；109-压缩阀；110-补偿阀；20-混合励磁机构；201-导体管；202-三相绕组；203-永磁体；204-铁芯；205-直流励磁绕组。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法确定的半主动馈能悬架减振器，包括上吊耳1、下吊耳3以及设置在上吊耳1、下吊耳3之间的液压减振器主体10；

液压减振器主体10包括活塞杆101、骨架油封102、导向座103、工作缸筒104、活塞105、流通阀106、伸张阀107、储油缸筒108、压缩阀109以及补偿阀110；

活塞杆101的上端焊接在防尘罩2的内部，活塞杆101下端伸入工作缸筒104内，且与活塞105相连；活塞105上端面设有伸张阀107，活塞105下端面设置流通阀106；工作缸筒104顶部由导向座103压紧；工作缸筒104下端设有压缩阀109与补偿阀110；活塞杆101与骨架油封102配合置于储油缸筒108顶部，储油缸筒108内部装有工作缸筒104，储油缸筒108下端焊有下吊耳3；

一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法确定的半主动馈能悬架减振器，还包括包裹在所述液压减振器主体10外围的防尘罩2、混合励磁机构20，混合励磁机构20为集成电励磁与永磁励磁的圆筒式直线电机；

混合励磁机构20包括电机初级与电机次级，电机初级包括导体管201和三相绕组202，电机次级包括永磁体203、铁芯204及直流励磁绕组205；

上吊耳1下端两侧焊接防尘罩2，防尘罩2下端两侧均与导体管201焊接，述导体管201内部设有三相绕组202；电机次级焊接于储油缸筒108外壁，电机次级表面贴附有永磁体203，电机次级设有开口矩形槽，开口矩形槽内绕有直流励磁绕组205，铁芯204与永磁体203相接触；

电机初级与电机次级之间有固定尺寸的气隙，气隙中的励磁磁场由永磁体203与励磁绕组205共同产生，永磁体203提供电机运行时的主要励磁磁场，励磁绕组205提供电机运行时的辅助励磁磁场。混合励磁机构20由结构相同的多对磁极组成，如图2所示为其中一对磁极。

防尘罩2与储油缸筒108均由非导磁材料制成。

一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的具体工作过程为：

当车辆行驶时，由于路面不平度的影响，车身与车轮间产生相对运动，悬架减振器开始工作，悬架减振器受压缩与拉伸时，液压减振器10中油液在活塞105上面的腔室与下面的腔室间流通，流通阀106、伸张阀107、压缩阀109及补偿阀110对油液的节流形成粘性阻尼力。此时，由于混合励磁机构20初级部分与上吊耳1、防尘罩2相连，励磁机构20初级、次级部分与储油缸筒108相连，所以励磁机构20初级部分与次级部分亦产生相对运动，根据法拉第电磁感应定律，在三相绕组202中产生感应电流，得以将振动能量转化为电能储存，实现减振器馈能；同时，根据楞次定律，在产生感应电流的同时伴随着电磁阻尼力的产生。当直流励磁绕组205不通入电流时，气隙磁场只由永磁体203产生，电磁阻尼系数不变，并且伴随着在三相绕组202产生感应电流，将振动能量转化为电能；若根据不同工况，通过改变直流励磁绕组205的励磁电流大小，气隙磁场磁感应强度随着通入励磁电流改变，可以使得电磁阻尼系数变化，实现减振器阻尼值可调。

图3所示为一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法流程图，包括步骤：

步骤1)，推导出半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力与感应电动势的解析表达式；

解析表达式的推导：

①混合励磁机构各部分磁场强度推导：

根据磁场中的安培环路定理，可得：

其中H为磁场强度；公式(1)基于以下假设：

永磁体为径向充磁，气隙中磁场完全为径向，且磁极中各部分磁感线方向都与回路C相平行；忽略结构中各部分漏磁；材料中无磁饱和；液压减振器与混合励磁电机连接部分为非导磁材料。

(1)式可写为：

其中c为等效磁路，H_m为永磁体203的磁场强度，r_w为永磁体203的内径，r_m为永磁体203的外径，r_i为直流电励磁205的外径，B_pole为铁芯204的磁感应强度，μ₀为真空磁导率，μ_Fe为铁的相对磁导率，r_p为直流电励磁205的内径，N为直流励磁线圈的匝数，I为励磁电流，B_tube为三相绕组202轴向的磁感应强度，τ_c为三相绕组202的宽度，r_a为三相绕组202的内径，B_air气隙磁感应强度，r_c为三相绕组202的外径，B_coil为三相绕组202径向的磁感应强度，μ_cu为铜的相对磁导率；

对于永磁体203而言，其磁感应强度B_m可表示为：

B_m＝B_r+μ₀μ_rH_m (3)

其中B_r为剩余磁感应强度，μ_r为相对可逆磁导率；

由公式(3)可得：

$H_m=\frac{B_m-B_r}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r}---\left(4\right)$

在忽略磁漏的前提下，可以得到如下关系式：

A_mB_m＝A_poleB_pole＝A_tubeB_tube＝A_airB_air＝A_coilB_coil (5)

其中A_m为永磁体203径向的截面面积，A_pole为铁芯204的截面面积，A_tube为三相绕组202轴向的截面面积，A_air为气隙的截面面积，A_coil为三相绕组202径向的截面面积；

根据公式(5)可以推得混合励磁机构中各部分磁场强度与永磁体203磁感应强度B_m的换算关系：

$\underset{r_i}{\overset{r_w}{\∫}}\frac{B_{pole}}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{Fe}}dr=\underset{r_i}{\overset{r_w}{\∫}}\frac{A_m{B}_m}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{Fe}{A}_{pole}}dr=k_{pole}{B}_m---\left(6\right)$

$\frac{B_{tube}\·4{\mathrm{\τ}}_c}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{Fe}}=\frac{A_m{B}_m\·4{\mathrm{\τ}}_c}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{Fe}{A}_{tube}}=k_{tube}{B}_m---\left(7\right)$

$\underset{r_m}{\overset{r_a}{\∫}}\frac{B_{air}}{{\mathrm{\μ}}_0}dr=\underset{r_m}{\overset{r_a}{\∫}}\frac{A_m{B}_m}{{\mathrm{\μ}}_0{A}_{air}}dr=k_{air}{B}_m---\left(8\right)$

$\underset{r_a}{\overset{r_c}{\∫}}\frac{B_{coil}}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{cu}}dr=\underset{r_a}{\overset{r_c}{\∫}}\frac{A_m{B}_m}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{cu}{A}_{coil}}dr=k_{coil}{B}_m---\left(9\right)$

其中k_pole为铁芯204的磁感应强度系数，k_air为气隙的磁感应强度系数，k_coil为三相绕组202径向的磁感应强度系数，k_tube为三相绕组202轴向的磁感应强度系数；

将公式(6)-(9)以及公式(4)代入公式(2)可以得到永磁体203磁感应强度B_m：

$B_m=\frac{(r_w-r_m)B_r+(r_i-r_p){\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}NI}{\[r_w-r_m+{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r(k_{coil}+k_{air}+k_{tube}+k_{pole})\]}---\left(10\right)$

由此，磁路上各个部分的磁感应强度都可通过公式(6)至公式(9)由B_m进行表示。②感应电动势解析表达式的推导：

由电磁感应定律可知单匝绕组感应电压为：

$V_{emf\sin gle}=-2{\mathrm{\πrB}}_{coil}({\stackrel{\·}{z}}_2-{\stackrel{\·}{z}}_1)---\left(11\right)$

其中为电机次级与初级间相对速度；

由上述推导过程可知，B_coil可由B_m表示，则绕组的感应电压可写为：

$B_{coil}=\frac{A_m{B}_m}{A_{coil}}---\left(12\right)$

$V_{emf\sin gle}=-2\mathrm{\π}r\frac{A_m{B}_m}{A_{coil}}({\stackrel{\·}{z}}_2-{\stackrel{\·}{z}}_1)---\left(13\right)$

$V_{emf}=-m2\mathrm{\π}r\frac{A_m{B}_m}{A_{coil}}\frac{dx}{dt}=-k_v({\stackrel{\·}{z}}_2-{\stackrel{\·}{z}}_1)---\left(14\right)$

其中，m为三相绕组202的匝数，r为三相绕组202的线经，k_v称作绕组的电压系数，由公式(10)中B_m的表达式可知，B_m与k_v都随励磁电流的改变而改变。③电磁阻尼力解析表达式的推导：

根据洛伦茨定律，对于单匝绕组而言，其在磁场中受到的电磁力为：

F_Esingle＝2πrB_coili (15)将B_coil用公式(10)推得的B_m进行表示，因此一对磁极产生的电磁阻尼力为：

$F_E=m2\mathrm{\π}r\frac{A_m{B}_m}{A_{coil}}i=k_{f}i---\left(16\right)$

其中称作电磁阻尼力系数，也随着励磁电流的改变而改变。又有

$i=\frac{V_{emf}}{R_m+R_l}=\frac{k_v({\stackrel{\·}{z}}_2-{\stackrel{\·}{z}}_1)}{R_m+R_l}---\left(17\right)$

其中，R_m为电机内阻，R_L为负载电路电阻；代入公式(16)，可得

$F_E=\frac{k_f{k}_v({\stackrel{\·}{z}}_2-{\stackrel{\·}{z}}_1)}{R_m+R_l}---\left(18\right)$

步骤2)，根据半主动馈能悬架减振器的具体工况及技术要求确定半主动馈能悬架减振器的额定数据，并确定混合阻尼力调节范围，进行液压减振器10选型；

步骤3)，根据推导得出的半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力解析表达式，令直流励磁绕组205中的励磁电流为零，确定永磁体203的尺寸；根据直流励磁绕组205中的直流励磁电流输入范围，确定直流励磁绕组205的匝数与线径；

步骤4)，利用引入罚函数的粒子群算法进行整体尺寸优化，优化目标是提升单位励磁电流提供的电磁阻尼力，故将目标函数取为：其中F_E为混合励磁机构提供的电磁阻尼力，F₀为励磁电流为0时的电磁阻尼力；I_l为励磁电流的大小。

涉及变量主要有：电机初级导体管201的宽度r_p、电机次级铁芯204长度r_i、电机次级铁芯204宽度τ_i。

粒子群算法的约束条件设置为：

各部分磁密不超过磁密最大值B_max；限制边界尺寸；励磁电流不超过3A；F₀≤F_e。

一般粒子群算法应用于无约束优化问题，由于此处存在大量约束条件，故引入罚函数F(X)，将本约束规划问题转化为无约束问题；因为本结构尺寸优化中的约束都为不等式约束，故罚函数定义为：其中μ为一很大的常数，g_i(x)为约束条件；粒子群算法参数设置：粒子群规模为40；学习因子都取2；惯性权重都取0.9自变量为3；迭代次数取500。

取电机初级导体管201的宽度r_p、电机次级铁芯204长度r_i、电机次级铁芯204宽度τ_i分别为6mm、15mm、4.5mm，优化结果如表1所示；

表1粒子群优化前后对比表

所用粒子群算法matlab代码：

步骤5)，将得到的电机整体尺寸代入电磁阻尼力与感应电动势的解析表达式，得到半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力与回收能量解析值；

步骤6)，将步骤2)中的额定数据与步骤5)中计算得到的解析值进行比较，若满足设计要求则进行下一步，否则回到步骤3)；

步骤7)，在Ansoft仿真软件中，根据步骤3)及步骤4)中电机各部分的初定尺寸建立电机模型，仿真混合励磁直线电机，进行有限元分析，对比有限元值与步骤4)中计算得到的解析值，并进行混合励磁机构20的尺寸优化，优化的内容包括永磁体203的宽度、直流励磁绕组205的长度以及电机初级与电机次级之间的气隙长度；

步骤8)，得到优化后混合励磁机构20的尺寸，对比优化前后半主动馈能悬架减振器的性能，若没有明显优化，则回到步骤6)；

步骤9)，确定半主动馈能悬架减振器的最终尺寸。

如图2所示混合励磁机构20中的一对磁极，根据小型车辆悬架工况与技术要求，确定优化前混合励磁机构20具体尺寸为：电励磁铁芯204厚度τ_i＝4.5mm，永磁体203厚度τ_m＝10.5mm，三相绕组202宽度τ_c＝8.4mm，定子磁轭半径r_s＝35.8mm，三相绕组205外径r_c＝34.45mm，三相绕组205内径r_a＝31.45mm，永磁体203外径r_m＝30mm，永磁体203内径r_w＝24mm，直流电励磁205外径r_i＝21mm，直流电励磁205内径r_p＝6mm。

利用Ansoft有限元分析软件进行建模、定义材料、施加激励、分割模型、定义运动、进行仿真，图4所示为混合励磁机构20电磁阻尼力随励磁电流变化的趋势图。

进行参数化扫描，分别优化气隙、直流励磁绕组长度、永磁体宽度，优化目的是平衡直流励磁磁场和永磁体磁场，防止磁路饱和，影响磁场调节范围。

优化后得到的尺寸为电励磁铁芯204厚度τ_i＝5.7mm，永磁体203厚度τ_m＝10.5mm，三相绕组202宽度τ_c＝8.4mm，定子磁轭半径r_s＝33.55mm，三相绕组202外径r_c＝32.2mm，三相绕组202内径r_a＝29.2mm，永磁体203外径r_m＝28.2mm，永磁体203内径r_w＝22.2mm，直流电励磁205外径r_i＝19.2mm，直流电励磁205内径r_p＝4.2mm。

优化前后混合励磁机构隔振性与馈能性对比如图5、图6所示。可见，优化后隔振性与馈能性有了较大的提升，以此验证本发明中提出的尺寸确定方法有效性。

以上依据本发明的技术方案详细描述了具体实施方式。根据本发明的技术方案在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，上文描述的具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

Claims (10)

1.一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，推导出半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力与感应电动势的解析表达式；

步骤2)，根据半主动馈能悬架减振器的具体工况及技术要求确定半主动馈能悬架减振器的额定数据，并确定混合阻尼力调节范围，进行液压减振器(10)选型；

步骤3)，根据推导得出的半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力解析表达式，令直流励磁绕组(205)中的励磁电流为零，确定永磁体(203)的尺寸；根据直流励磁绕组(205)中的直流励磁电流输入范围，确定直流励磁绕组(205)的匝数与线径；

步骤4)，利用粒子群算法优化电机整体尺寸，取单位励磁电流提供的电磁阻尼力为目标函数，约束条件为：各部分磁密不超过磁密最大值，边界尺寸满足要求，励磁电流不超过3A，电磁阻尼力大于最小值；利用罚函数，将上述约束条件列入目标函数，粒子群算法设置参数包括：粒子群规模、学习因子、惯性权重、自变量以及迭代次数；

步骤5)，将得到的电机整体尺寸代入电磁阻尼力与感应电动势的解析表达式，得到半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力与回收能量解析值；

步骤6)，将步骤2)中的额定数据与步骤5)中计算得到的解析值进行比较，若满足设计要求则进行下一步，否则回到步骤3)；

步骤7)，在Ansoft仿真软件中，根据步骤3)及步骤4)中电机各部分的初定尺寸建立电机模型，仿真混合励磁直线电机，进行有限元分析，对比有限元值与步骤4)中计算得到的解析值，并进行混合励磁机构(20)的尺寸优化，优化的内容包括永磁体(203)的宽度、直流励磁绕组(205)的长度以及电机初级与电机次级之间的气隙长度；

步骤8)，得到优化后混合励磁机构(20)的尺寸，对比优化前后半主动馈能悬架减振器的性能，若没有明显优化，则回到步骤6)；

步骤9)，确定半主动馈能悬架减振器的最终尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤1)中推导出的电磁阻尼力的解析表达式为：其中F_E为半主动馈能悬架减振器的电磁阻尼力，k_f为电磁阻尼力系数，k_v为绕组的电压系数，为电机次级与初级间相对速度，R_m为电机内阻，R_l为负载电路电阻。

3.根据权利要求1所述的一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤1)中推导出的感应电动势的解析表达式为：其中V_emf为半主动馈能悬架减振器的感应电动势，m为三相绕组(202)的匝数，r为三相绕组(202)的线经，A_m为永磁体(203)径向的截面面积，A_coil为三相绕组(202)径向的截面面积，B_m为永磁体(203)的磁感应强度，k_v为绕组的电压系数，为电机次级与初级间相对速度。

4.根据权利要求1所述的一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤9)确定半主动馈能悬架减振器的最终尺寸为铁芯(204)厚度τ_i＝5.7mm，永磁体(203)厚度τ_m＝10.5mm，三相绕组(202)宽度τ_c＝8.4mm，定子磁轭半径r_s＝33.55mm，三相绕组(202)外径r_c＝32.2mm，三相绕组(202)内径r_a＝29.2mm，永磁体(203)外径r_m＝28.2mm，永磁体(203)内径r_w＝22.2mm，直流电励磁(205)外径r_i＝19.2mm，直流电励磁(205)内径r_p＝4.2mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤4)中粒子群算法参数设置为：粒子群规模为40，学习因子都取2，惯性权重都取0.9，自变量为4，迭代次数取500。

6.一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法确定的半主动馈能悬架减振器，包括上吊耳(1)、下吊耳(3)以及设置在上吊耳(1)、下吊耳(3)之间的液压减振器主体(10)；其特征在于，还包括包裹在所述液压减振器主体(10)外围的防尘罩(2)、混合励磁机构(20)；

所述混合励磁机构(20)包括电机初级与电机次级，所述电机初级包括导体管(201)和三相绕组(202)，所述电机次级包括永磁体(203)、铁芯(204)及直流励磁绕组(205)；

所述上吊耳(1)下端两侧焊接防尘罩(2)，所述防尘罩(2)下端两侧均与导体管(201)焊接，所述导体管(201)内部设有三相绕组(202)；电机次级焊接于储油缸筒(108)外壁，所述电机次级表面贴附有永磁体(203)，所述电机次级设有开口矩形槽，所述开口矩形槽内绕有直流励磁绕组(205)，所述铁芯(204)与永磁体(203)相接触；

所述电机初级与电机次级之间有固定尺寸的气隙，所述气隙中的励磁磁场由永磁体(203)与直流励磁绕组(205)共同产生，所述永磁体(203)提供电机运行时的主要励磁磁场，所述直流励磁绕组(205)提供电机运行时的辅助励磁磁场。

7.根据权利要求6所述的一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法确定的半主动馈能悬架减振器，其特征在于，所述液压减振器主体(10)包括活塞杆(101)、骨架油封(102)、导向座(103)、工作缸筒(104)、活塞(105)、流通阀(106)、伸张阀(107)、储油缸筒(108)、压缩阀(109)以及补偿阀(110)；

所述活塞杆(101)的上端焊接在防尘罩(2)的内部，所述活塞杆(101)下端伸入工作缸筒(104)内，且与活塞(105)相连；所述活塞(105)上端面设有伸张阀(107)，所述活塞(105)下端面设置流通阀(106)；所述工作缸筒(104)顶部由导向座(103)压紧；工作缸筒(104)下端设有压缩阀(109)与补偿阀(110)；所述活塞杆(101)与骨架油封(102)配合置于储油缸筒(108)顶部，所述储油缸筒(108)内部装有工作缸筒(104)，所述储油缸筒(108)下端焊有下吊耳(3)。

8.根据权利要求6所述的一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法确定的半主动馈能悬架减振器，其特征在于，所述防尘罩(2)与储油缸筒(108)均由非导磁材料制成。

9.根据权利要求6所述的一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法确定的半主动馈能悬架减振器，其特征在于，所述混合励磁机构(20)为集成电励磁与永磁励磁的圆筒式直线电机。

10.根据权利要求6所述的一种基于混合励磁的半主动馈能悬架减振器的尺寸确定方法确定的半主动馈能悬架减振器，其特征在于，由所述半主动馈能悬架减振器确定其最终尺寸为铁芯(204)厚度τ_i＝5.7mm，永磁体(203)厚度τ_m＝10.5mm，三相绕组(202)宽度τ_c＝8.4mm，定子磁轭半径r_s＝33.55mm，三相绕组(202)外径r_c＝32.2mm，三相绕组(202)内径r_a＝29.2mm，永磁体(203)外径r_m＝28.2mm，永磁体(203)内径r_w＝22.2mm，直流电励磁(205)外径r_i＝19.2mm，直流电励磁(205)内径r_p＝4.2mm。