CN108638780A - 一种基于麦弗逊式结构的电磁直线馈能悬架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于麦弗逊式结构的电磁直线馈能悬架，其特征在于：所述电磁直线馈能悬架包括动圈式电磁直线作动装置、悬架减振器以及悬架弹簧（8），动圈式电磁直线作动装置与悬架减振器串联，并设置于悬架弹簧（8）内部，与悬架弹簧（8）并联；本发明要解决的技术问题是提供一种基于麦弗逊式悬架系统的电磁直线馈能悬架，本发明不但有效解决了现有电磁馈能作动器布置在减振器内部，装配及后期维护修理困难，且长期使用极易引起内部初级铁心片脱落，易导致减振器卡壳，致使悬架系统失效的问题，而且解决了因设计需要，将减振器活塞杆做成中空状，极大地降低活塞杆的强度，不利于悬架高强度运动的问题。

Description

一种基于麦弗逊式结构的电磁直线馈能悬架

技术领域

本发明涉及汽车悬架系统技术领域，具体涉及一种基于麦弗逊式结构的电磁直线馈能悬架。

背景技术

随着能源与环境问题的日益突出，不管是传统汽车的减排还是新能源汽车的节能都已成为大家日益关注的话题。本申请旨在设计一款能部分回收车辆行驶过程中产生的振动能量并加以利用的主动悬架系统，以期在改善车辆行驶稳定性的同时提升车辆的能源利用率。汽车行驶时，路面激励产生的车辆振动能量通常以热能的形式耗散掉，为了改善汽车行驶平顺性与乘坐舒适性，同时回收悬架振动产生的能量，本申请提出了一种新型电磁直线馈能悬架技术方案。

本申请的核心部件为一种电磁直线作动装置，其性能的优劣对汽车悬架的主动控制及馈能效果起着至关重要的作用。目前关于主动悬架作动器的研究方向大致有以下几类：液压主动悬架作动器、空气主动悬架作动器、电磁主动悬架作动器以及电子液力主动悬架作动器。随着电磁学领域的不断完善，造价成本的逐渐降低，电磁主动悬架作动器的诸多优点使其在一些对精度和控制度要求较高的场合得到广泛地应用。汽车悬架系统对作动器功率密度及尺寸要求较高，电磁式作动器恰好满足其要求。

申请号为201521048007.7的专利公开了一种电磁馈能作动器，其有效地将减振器模块与作动器结合在一起。作动器布置在减振器内部，通过减振器活塞杆与次级活塞杆的相对运动，将其转变为作动器线圈切割磁感线的运动。在整流器以及充电电路的作用下给蓄电池充电，达到馈能效果。但作动器布置在减振器内部，装配及后期维护修理都存在较大问题，且长期使用极易引起内部初级铁心片的脱落，从而导致减振器卡壳，致使悬架系统失效。除此之外，因设计需要，将减振器活塞杆做成中空状，极大地降低了活塞杆的强度，不利于悬架的高强度运动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于麦弗逊式结构的电磁直线馈能悬架，本发明不但有效解决了现有电磁馈能作动器布置在减振器内部，装配及后期维护修理困难，且长期使用极易引起内部初级铁心片脱落，易导致减振器卡壳，致使悬架系统失效的问题，而且解决了因设计需要，将减振器活塞杆做成中空状，极大地降低活塞杆的强度，不利于悬架高强度运动的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于麦弗逊式结构的电磁直线馈能悬架，其特征在于：所述电磁直线馈能悬架包括动圈式电磁直线作动装置、悬架减振器以及悬架弹簧(8)，动圈式电磁直线作动装置与悬架减振器串联，并设置于悬架弹簧(8)内部，与悬架弹簧(8)并联；所述动圈式电磁直线作动装置包括外磁轭(1)、内磁轭(2)、线圈骨架(3)、线圈(4)、永磁体阵列，内磁轭(2)设置于线圈骨架(3)内，线圈骨架(3)与内磁轭(2)固定连接，线圈(4)绕制于线圈骨架(3)的齿槽内，外磁轭(1)内壁面固定设置有永磁体阵列，其中永磁阵列包括轴向充磁的磁环(5)、平行充磁的磁瓦(61)环形拼接而成的径向充磁的磁瓦组(6)，磁环(5)与磁瓦组(6)交替分布，永磁体阵列与线圈骨架(3)留有径向气隙；所述内磁轭(2)与动圈式电磁直线作动装置之间的动子运动行程满足以下公式：ΔH＝H-H_线＝(L₁+L₂)·(N_磁-N_线)+(L₁-L₃)，其中H为电磁直线作动装置的高度，L₁为轴向充磁的磁环厚度，L₂为径向充磁的磁瓦组厚度，L₃为线圈绕组厚度，L₄为线圈骨架间隙高度，N_线为线圈个数，N_磁为磁环与磁瓦组对数，H_线为线圈与线圈骨架的总高度。

本发明进一步技术改进方案是：

所述永磁体阵列与线圈骨架(3)之间气隙满足以下公式要求：δ＝D/2-(D_杆/2+d_线+d_磁)，其中D为动圈式电磁直线作动装置整体直径，D_杆为内磁轭直径，d_线为线圈骨架的径向厚度，d_磁为永磁阵列径向厚度，δ为气隙厚度。

本发明型进一步技术改进方案是：

所述线圈(4)包括正向绕组线圈和负向绕组线圈，正向绕组线圈、负向绕组线圈交替分布。

本发明进一步技术改进方案是：

所述悬架减振器包括减振器工作缸(7)，内磁轭(1)作为减振器工作缸(7)的拉杆，外磁轭(1)与减振器工作缸(7)固定连接。

本发明进一步技术改进方案是：

所述外磁轭(1)、内磁轭(2)、线圈骨架(3)、线圈(4)、永磁体阵列均为同心设置。

本发明进一步技术改进方案是：

所述内磁轭(2)与外磁轭(1)采用同种低碳钢材料制成。

本发明进一步技术改进方案是：

所述永磁体阵列通过自身磁性、或为粘接方式与外磁轭(1)内壁面固定。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

1、本发明悬架系统既能满足主动控制需求，又具有一定的馈能特性。

2、本发明将汽车悬架系统内减振器拉杆(内磁轭)与工作缸之间的相对运动转化成电磁直线作动器动圈与定子之间的相对运动，动圈往复切割磁感线将产生感应电流，通过整流器与充电电路实现储能装置的充电过程，以达到馈能效果。

3、本发明动圈式电磁直线作动装置中的永磁体采用Halbach阵列型式布置，可有效增强气隙磁感应强度，提升整体装置的功率密度，从而一定程度上增强装置的馈能效果，因径向辐射充磁工艺限制，以平行充磁磁瓦环形拼接来替代径向辐射充磁。

4、本发明动圈式电磁直线作动器的拉杆(内磁轭)选用低碳钢材料，具有导电性，在永磁体组形成的强磁场范围内往复运动时会产生涡流，从而形成阻碍拉杆运动的电磁力，这一特性可有效提高悬架的阻尼系数，从而提升其减振性能，在一定技术条件下，甚至可以采用此作动装置直接取代减振器，从而进一步简化悬架结构。

5、本发明动圈式电磁直线作动装置布置在减振器缸体之上，装配较为简单，不影响减振器的基本结构及工作性能，后续拆装维护便捷。

6、由于本发明并未舍弃传统车辆的减振阻尼部件，因此即使作动装置因过度损耗而失效，只要减振器还处于正常工作状态，悬架的减振性能并不会受到严重影响，可靠性得到保证。

7、本发明结构紧凑、装配简单、功率密度高、使用寿命长，具有较好的推广应用价值。

综上所述，本发明结构简单，实用性强，功率密度高，使用寿命长，维修方便，在提高汽车能源利用率的同时能大幅提高汽车的乘坐舒适性，可广泛应用于麦弗逊悬架系统。

附图说明

图1为本发明的电磁直线馈能悬架结构示意图。

图2为本发明的永磁阵列布置方案图；

图3为本发明设计尺寸关系图。

具体实施方式

下面结合附图1—3说明本发明的技术解决方案。

如图1所示，本发明电磁直线馈能悬架主要由动圈式电磁直线作动装置、悬架减振器和悬架弹簧等构成，悬架减振器为普通车用单筒式减振器包括拉杆(内磁轭2)，减震器工作缸7，防尘罩等；动圈式电磁直线作动装置包括内磁轭2、线圈骨架3、线圈4、永磁体阵列、外磁轭1以及上盖板9，悬架减振器拉杆作为直线作动装置的内磁轭2，线圈骨架3固定在内磁轭2外侧，且设置在内磁轭2的一定高度处，不得影响悬架减振器的正常工作；线圈4绕制在线圈骨架3的齿槽内，分为正向绕组和负向绕组，正负相绕组交替分布，通常设置4～6组线圈绕组，具体悬架减振器工作行程如以下公式设计：

在设计与布置电磁直线作动装置时应从悬架整体结构尺寸及运动需求着手，首先需考虑悬架中拉杆的运动行程，以此作为基础设计参数，保证电磁直线作动装置的动子运动行程范围大于悬架拉杆运动行程。在设计过程中，考虑到Halbach阵列方式的特殊性，永磁体与线圈的相对位置及各自尺寸也需要满足一定的关系。

从纵向角度来分析，设电磁直线作动装置的高度为H，轴向充磁的磁环厚度为L₁，径向充磁的磁瓦组厚度为L₂，线圈绕组的厚度为L₃，线圈骨架间隙高度为L₄，线圈个数为N_线，磁环与磁瓦组呈N_磁对，线圈及骨架的总高度为H_线。如图3所示，可以得到如下关系：

H_线＝(L₃+L₄)·N_线+L₃

H＝(L₁+L₂)·N_磁+L₁

由电磁直线作动装置动圈与永磁阵列的布置关系可知，有

L₁+L₂＝L₃+L₄

则动子运动行程ΔH＝H-H_线＝(L₁+L₂)·(N_磁-N_线)+(L₁-L₃)，一般L₃<L₂。

为了保证电磁直线作动装置的动子能够合理运动，动子运动行程应大于悬架拉杆运动行程。

永磁体阵列包括由轴向充磁的磁环5、平行充磁的磁瓦61环形拼接而成的径向充磁的磁瓦组6，磁环5与磁瓦组6交替分布，形成Halbach阵列，永磁体阵列通过自身磁性或特殊粘胶布置在外磁轭1之内，并与线圈骨架3间存在一定的气隙，外磁轭1与减振器工作缸7相固连。

永磁体阵列与线圈骨架(3)之间气隙满足以下公式要求：

设电磁直线作动装置的整体直径为D，中间拉杆的直径为D_杆，线圈及线圈骨架的径向厚度为d_线，永磁体的径向厚度为d_磁，作动装置中间气隙厚度为δ，则有：

δ＝D/2-(D_杆/2+d_线+d_磁)

其中，电磁直线作动装置的直径D受悬架弹簧内径的限制，中间拉杆(内磁轭)的直径D_杆可据悬架型号直接确定，当D和D_杆确定后，则在设计过程中相当于d_线+d_磁+δ＝定值。气隙厚度δ为电磁直线作动装置的重要参数，其大小对装置的电磁特性具有重要影响，为了获得较好的电磁特性，在设计中可对d_线、d_磁、δ这三个参数进行最优化分析，以求获得最佳的参数选择。

动圈式电磁直线作动装置在悬架减振器上方，其工作行程取决于悬架减振器工作行程，悬架减振器与动圈式电磁直线作动装置彼此相关，却互相分离，可避免两者之间因故障问题而互相干扰，影响悬架的基本功能。悬架减振器与动圈式直线作动装置串联且内置于悬架弹簧8，与悬架弹簧8形成并联结构。动圈式电磁直线作动装置，其内磁轭2与外磁轭1采用同种低碳钢材料。

动圈式电磁直线作动装置采用圆筒形结构，即内磁轭2、线圈4、线圈骨架3、磁环5、磁瓦组6、外磁轭1均同轴对称。

如图2所示，动圈式电磁直线作动装置的永磁体阵列采用Halbach阵列布置。因径向辐射充磁工艺限制，现以平行充磁磁瓦61环形拼接来替代径向辐射充磁，为了满足较好的磁场特性且尽量装配便捷，选择8磁瓦61拼接方式最佳。

本实施例中，当汽车在行驶过程中受到来自地面的不平冲击时，基于麦弗逊悬架系统汽车车轮向上跳动，通过万向节带动减振器工作缸7向上压缩，减振器拉杆即内磁轭2与减振器工作缸7之间产生相对运动，其运动转换为动圈式电磁直线作动装置内线圈4切割磁感线的运动，从而产生感应电动势，通过整流器和馈能电路将电能进行储存，从而实现汽车悬架振动能量的回收。除此之外，拉杆往复运动在作动装置中也会产生感应电磁力，从而可有效增强悬架的阻尼系数，提高减振效果。

本发明电磁直线馈能悬架亦具有主动特性，电磁直线作动装置在通电状态下可产生电磁力，可据悬架工作状态改变刚度和阻尼，实现悬架的主动控制。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术实施方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于麦弗逊式结构的电磁直线馈能悬架，其特征在于：所述电磁直线馈能悬架包括动圈式电磁直线作动装置、悬架减振器以及悬架弹簧(8)，动圈式电磁直线作动装置与悬架减振器串联，并设置于悬架弹簧(8)内部，与悬架弹簧(8)并联；所述动圈式电磁直线作动装置包括外磁轭(1)、内磁轭(2)、线圈骨架(3)、线圈(4)、永磁体阵列，内磁轭(2)设置于线圈骨架(3)内，线圈骨架(3)与内磁轭(2)固定连接，线圈(4)绕制于线圈骨架(3)的齿槽内，外磁轭(1)内壁面固定设置有永磁体阵列，其中永磁阵列包括轴向充磁的磁环(5)、平行充磁的磁瓦(61)环形拼接而成的径向充磁的磁瓦组(6)，磁环(5)与磁瓦组(6)交替分布，永磁体阵列与线圈骨架(3)留有径向气隙；所述内磁轭(2)与动圈式电磁直线作动装置之间的动子运动行程满足以下公式：ΔH＝H-H_线＝(L₁+L₂)·(N_磁-N_线)+(L₁-L₃)，其中H为电磁直线作动装置的高度，L₁为轴向充磁的磁环厚度，L₂为径向充磁的磁瓦组厚度，L₃为线圈绕组厚度，L₄为线圈骨架间隙高度，N_线为线圈个数，N_磁为磁环与磁瓦组对数，H_线为线圈与线圈骨架的总高度。

2.根据权利要求1所述的一种基于麦弗逊式结构的电磁直线馈能悬架，其特征在于：所述永磁体阵列与线圈骨架(3)之间气隙满足以下公式要求：δ＝D/2-(D_杆/2+d_线+d_磁)，其中D为动圈式电磁直线作动装置整体直径，D_杆为内磁轭直径，d_线为线圈骨架的径向厚度，d_磁为永磁阵列径向厚度，δ为气隙厚度。

3.根据权利要求1所述的一种基于麦弗逊式结构的电磁直线馈能悬架，其特征在于：所述线圈(4)包括正向绕组线圈和负向绕组线圈，正向绕组线圈、负向绕组线圈交替分布。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于麦弗逊式结构的电磁直线馈能悬架，其特征在于：所述悬架减振器包括减振器工作缸(7)，内磁轭(1)作为减振器工作缸(7)的拉杆，外磁轭(1)与减振器工作缸(7)固定连接。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于麦弗逊式结构的电磁直线馈能悬架，其特征在于：所述外磁轭(1)、内磁轭(2)、线圈骨架(3)、线圈(4)、永磁体阵列均为同心设置。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于麦弗逊式结构的电磁直线馈能悬架，其特征在于：所述内磁轭(2)与外磁轭(1)采用同种低碳钢材料制成。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于麦弗逊式结构的电磁直线馈能悬架，其特征在于：所述永磁体阵列通过自身磁性、或为粘接方式与外磁轭(1)内壁面固定。