CN109305010A - 一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器，包括活塞杆、上端盖、外缸筒、内缸筒和馈能线圈，内缸筒内设有弹簧电磁式活塞组件、第一电极、下端盖、第二电极、下端缓冲弹簧、第一励磁线圈、第一永磁体、第二励磁线圈、第二永磁体、第三励磁线圈、第三永磁体、上端缓冲弹簧、第三电极、第四电极；外缸筒的端部与上端盖固连，另一端与下端盖固连；第一励磁线圈与第一永磁体相连，第二励磁线圈与第二永磁体相连，第三励磁线圈与第三永磁体相连，第三永磁体通过上端缓冲弹簧与上端盖内部相连，第一永磁体通过下端缓冲弹簧与下端盖内部相连；活塞杆依次穿设于上端盖、上端缓冲弹簧、第三永磁体和弹簧电磁式活塞组件后与第二永磁体固连。

Description

一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器
技术领域
本发明属于汽车系统及结构与磁悬浮技术领域，具体涉及一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器。
背景技术
现代汽车正朝着安全、舒适、节能、环保、智能化的方向发展，人们对汽车的舒适性和整体品质的追求日益提升。汽车主动悬架系统的应用可显著提升整车平顺性、操纵稳定性及NVH性能，从而大大改善驾乘体验，已成为汽车技术及产品开发的热点之一。然而，现阶段此类系统的核心机构工作原理基本沿用传统液压减振器(阻尼)及直线电机(刚度/力)控制形式，系统结构复杂、动态响应迟钝、能耗高，严重制约了技术性能提升与产品推广应用。因此，引入磁悬浮技术，能更新主动悬架作动器工作原理与结构设计，并开发与磁悬浮机构相适应的悬架馈能装置，变成汽车行业急需解决的问题。
现有专利技术中，一种刚度可调的半主动悬架(专利申请号：201610009523.1，授权公告号：CN 105584310 A)，包括上连接环、下连接环、弹簧上支座、弹簧下支座和刚度可调装置；上连接环下端面固定有弹簧上支座，下连接环上端面固定有弹簧下支座；刚度可调装置包括活塞杆、动子、定子和套筒；动子和定子位于套筒内部，且三者同轴；活塞杆穿过动子、定子和套筒的中心；活塞杆固定在上连接环下端；动子固定在活塞杆外壁；定子固定在套筒内壁上，定子上固定有励磁线圈；动子和定子的工作表面之间留有间隙，且沿工作表面轴向分布有等距等宽的小齿；励磁线圈连接控制器。该技术作动器内结构比较复杂，制造成本比较高。
现有的专利技术中，旁路式馈能型车辆半主动悬架作动器(专利申请号：201721275280.2，授权公告号：CN 207406687 U)，包括活塞缸体、主活塞、辅助活塞筒、隔腔板、内腔下端盖、上活塞杆、下活塞杆、作动器控制器和超级电容组，旁路调节管上设置有导磁铁芯和励磁线圈的，作动器控制器上接有路面不平度位移传感器、非簧载质量位移传感器、簧载质量位移传感器、活塞杆速度传感器和电流调节器。该技术作动器内同时采用了旋转电磁馈能器和液压减振结构比较复杂，制造成本高，振动能量只有小部分被回收，液压减振系统的方式在可控性和响应速度方面没有纯电磁系统好。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种结构简单，使用方便，制造成本较低，可实现悬架阻尼和刚度特性的实时调节的永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器，包括活塞杆、上端盖、外缸筒、内缸筒和馈能线圈，内缸筒内设有弹簧电磁式活塞组件、第一电极、下端盖、第二电极、下端缓冲弹簧、第一励磁线圈、第一永磁体、第二励磁线圈、第二永磁体、第三励磁线圈、第三永磁体、上端缓冲弹簧、第三电极和第四电极，内缸筒位于外缸筒内部，馈能线圈位于内缸筒和外缸筒之间；第一电极、第二电极、第三电极和第四电极相互平行布置在内缸筒内部；外缸筒的端部与上端盖固连，另一端与下端盖固连；第一励磁线圈与第一永磁体相连，第二励磁线圈与第二永磁体相连，第三励磁线圈与第三永磁体相连，第三永磁体通过上端缓冲弹簧与上端盖内部相连，第一永磁体通过下端缓冲弹簧与下端盖内部相连；活塞杆依次穿设于上端盖、上端缓冲弹簧、第三永磁体和弹簧电磁式活塞组件后与第二永磁体固连，第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体均能在内缸筒的内壁上下滑动。
优选地，所述弹簧电磁式活塞组件包括数量为三个的活塞组件弹簧、数量为两个的活塞励磁线圈和数量为两个的活塞永磁体，活塞励磁线圈套设于活塞永磁体上；相邻活塞永磁体之间通过活塞组件弹簧相连。
优选地，所述活塞组件弹簧、上端缓冲弹簧、下端缓冲弹簧均由蝶形弹簧构成。
优选地，所述活塞永磁体上设有电极刷，电极刷位于活塞永磁体的外表面。
优选地，所述电极刷包括结构相同的第一电极刷导体和第二电极刷导体，第一电极位于第一电极刷导体和第二电极刷导体之间，电极刷能沿着第一电极滑动。
优选地，所述电极刷的数量为四且均匀的分布在活塞永磁体四周。
优选地，所述活塞永磁体上设有永磁体凸起，永磁体凸起为半圆结构且与内缸筒的内壁滑动接触。
优选地，所述永磁体凸起的数量为四，永磁体凸起均匀的分布在活塞永磁体的四周。
优选地，所述内缸筒的端部与上端盖固连，另一端与下端盖固连。
本发明的有益效果是：
1、本发明所提供的一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器，结构简单，便于布置，悬架所需的阻尼、刚度特性由一体化结构获得，并摆脱了复杂的传统液压装置。
2、本发明结构一致性好，便于生产制造，本发明中作动器核心零部件由多个完全相同的永磁体、串并联混合设计蝶形弹簧系统和励磁线圈构成，便于模块化和标准化生产加工。
3、本发明可控性好，动态响应迅速，相对液压系统而言，电磁控制本身具有更好的可控性与响应能力；
4、本发明符合汽车行业绿色发展的需求，一方面，完全靠电能满足主动悬架的性能需求，另一方面，将车辆振动的机械能以电能的形似回收利用。
附图说明
图1是本发明一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器的结构总成示意图；
图2是本发明弹簧电磁式活塞组件结构剖视示意图；
图3是本发明弹簧电磁式活塞组件俯视图。
附图标记说明：1、活塞杆；2、上端盖；3、外缸筒；4、内缸筒；5、馈能线圈；6、弹簧电磁式活塞组件；7、第一电极；8、下端盖；9、第二电极；10、下端缓冲弹簧；11、第一励磁线圈；12、第一永磁体；13、第二励磁线圈；14、第二永磁体；15、第三励磁线圈；16、第三永磁体；17、上端缓冲弹簧；18、第三电极；19、第四电极；61、活塞组件弹簧；62、活塞励磁线圈；63、活塞永磁体；64、电极刷；65、永磁体凸起；641、第一电极刷导体；642、第二电极刷导体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1到图3所示，本发明提供的一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器，包括活塞杆1、上端盖2、外缸筒3、内缸筒4和馈能线圈5，内缸筒4内设有弹簧电磁式活塞组件6、第一电极7、下端盖8、第二电极9、下端缓冲弹簧10、第一励磁线圈11、第一永磁体12、第二励磁线圈13、第二永磁体14、第三励磁线圈15、第三永磁体16、上端缓冲弹簧17、第三电极18和第四电极19，内缸筒4位于外缸筒3内部，馈能线圈5位于内缸筒4和外缸筒3之间；第一电极7、第二电极9、第三电极18和第四电极19相互平行布置在内缸筒4内部。外缸筒3的端部与上端盖2固连，另一端与下端盖8固连；第一励磁线圈11与第一永磁体12相连，第二励磁线圈13与第二永磁体14相连，第三励磁线圈15与第三永磁体16相连，第三永磁体16通过上端缓冲弹簧17与上端盖2内部相连，第一永磁体12通过下端缓冲弹簧10与下端盖8内部相连；活塞杆1依次穿设于上端盖2、上端缓冲弹簧17、第三永磁体16和弹簧电磁式活塞组件6后与第二永磁体14固连，第一永磁体12、第二永磁体14和第三永磁体16均能在内缸筒4的内壁上下滑动。
弹簧电磁式活塞组件6包括数量为三个的活塞组件弹簧61、数量为两个的活塞励磁线圈62和数量为两个的活塞永磁体63，活塞励磁线圈62套设于活塞永磁体63上；相邻活塞永磁体63之间通过活塞组件弹簧61相连，活塞永磁体63的另一端与活塞组件弹簧61相连。弹簧电磁式活塞组件6的数量需要根据实际悬架动挠度大小进行匹配，可根据需要进行适当的修改。
在实际使用过程中，活塞组件弹簧61、活塞励磁线圈62和活塞永磁体63均可根据使用需要，为了满足使用效果进行适当的增减。
在本实施例中，内缸筒4由在使用过程中不能造成磁屏蔽的材料制造而成。上端盖2和下端盖8均为内凹结构，内筒4的两端分别与上端盖2的内凹部分和下端盖8的内凹部分固连。
下端盖8上还设有截面为环形状的下端盖连接装置，便于下端盖8与外部其它设备相连，增加本发明的使用范围和实用性。
馈能线圈5与外部馈能电路连接，通过外部的馈能电路对馈能线圈5进行控制。大大增加了本发明的使用范围，具有较强的实用性。
活塞组件弹簧61、上端缓冲弹簧17、下端缓冲弹簧10均由蝶形弹簧构成，在本实施例中，活塞组件弹簧61、上端缓冲弹簧17、下端缓冲弹簧10均由蝶形弹簧构成串并联混合设计的蝶形弹簧系统，占用空间较小，组合使用方便，维修换装容易。
活塞永磁体63上设有电极刷64，电极刷64位于活塞永磁体63的外表面。电极刷64的数量为四且均匀的分布在活塞永磁体63四周，电极刷64包括结构相同的第一电极刷导体641和第二电极刷导体642，第一电极7位于第一电极刷导体641和第二电极刷导体642之间。电极刷64能够在第一电极7上进行相对滑动，第一电极刷导体641和第二电极刷导体642与第一电极7接触良好。第二电极9上也有与第一电极7上相同的结构。电极刷64与活塞励磁线圈62电连接，电极刷64在工作过程中为活塞励磁线圈62进行供电。
在本实施例中，第一电极7、第二电极9、第三电极18和第四电极19结构相同，在第二电极9、第三电极18和第四电极19相同部位的端部均设有与电极刷64结构相同的装置。
活塞永磁体63上设有永磁体凸起65，永磁体凸起65为半圆形凸起结构，永磁体凸起65与内缸筒4的内壁滑动接触。在本实施例中，永磁体凸起65的数量为四，永磁体凸起65均匀的分布在活塞永磁体63的四周。第一电极7、第二电极9、第三电极18和第四电极19四个电极中，相邻电极之间的活塞永磁体63上设有一个永磁体凸起65。即就是电磁体凸起65与电极之间间隔布置。
本发明在实际工作中，有如下三个工况：
1、复原行程：
活塞杆1相对于内缸筒4伸出运动，带动第二永磁体14向上运动，在磁场力和弹簧力的共同作用下活塞永磁体63、第三永磁体16在内缸筒4中相对于馈能线圈5向上滑动，将机械能转化为电能。该过程中第一电极7和第二电极9通电，第三电极18和第四电极19不通电，同时根据实际工作需要控制第一电极7和第二电极9中的电流大小，使作动器产生合适大小的作动力。此时，第二永磁体14上方的串并联混合设计的蝶形弹簧系统均处于不断压缩状态，第二永磁体14下方的串并联混合设计的蝶形弹簧系统均处于不断伸长状态。同时，第二永磁体14上方的相邻励磁线圈之间产生相互排斥的磁场力，第二永磁体14下方的相邻励磁线圈之间产生相互吸引的磁场力，复原阻尼力主要由电磁力提供。
2、压缩行程：
活塞杆1相对于内缸筒4缩进运动，带动第二永磁体14向下运动，在磁场力和弹簧力的共同作用下活塞永磁体63、第三永磁体16在内缸筒4中相对于馈能线圈5向下滑动，将机械能转化为电能。该过程中第一电极7和第二电极9不通电，第三电极18和第四电极19通电，同时根据需要控制第三电极18和第四电极19通电中的电流大小，使作动器产生合适大小的作动力。此时，第二永磁体14上方的串并联混合设计的蝶形弹簧系统均处于不断伸长状态，第二永磁体14下方的串并联混合设计的蝶形弹簧系统均处于不断压缩状态。同时，第二永磁体14上方的相邻励磁线圈之间产生相互吸引的磁场力，第二永磁体14下方的相邻励磁线圈之间产生相互排斥的磁场力，压缩阻尼力主要由电磁力提供。
3、静止状态：
整车处于停止状态，作动器不需要供电，整车由作动器内的串并联混合设计蝶形弹簧系统支撑。
本发明通过第二永磁体14、活塞永磁体63、第三永磁体16在内缸筒4中相对于馈能线圈5运动，将机械能转化为电能，不仅可以产生一定的悬架需求的阻尼力，还可借外部馈能电路将此电能加以回收利用；同时，通过合理调控励磁线圈的磁场强度及方向，使作动器中的磁场力和弹簧力有效协同，获得所需的悬架动态刚度和阻尼特性。
本发明采用了多个弹簧电磁式活塞组件串联的方法实现了悬架作动器的力特性需求和大位移特性需求，其中，采用的串并联混合设计蝶形弹簧系统，充分将蝶形弹簧“小变形大承载，节省空间”的特点和单个磁浮结构磁浮间隙变化范围小的特点相结合，设计出了满足悬架大承载需求的结构。
本发明由一体化的电磁结构获得悬架所需的阻尼和刚度特性，结构简单，布置方便。采用纯机电系统构成悬架作动器，具有良好可控性。采用弹簧电磁式活塞组件串联的结构形式实现悬架作动器的力特性需求和大位移特性需求，还能回收振动能量，充分利用能量。将串并联混合设计蝶形弹簧系统用于磁浮悬架作动器，既满足了作动器不通电时的承载需求，又克服了单个磁浮结构磁浮间隙变化范围小的缺点。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器，其特征在于：包括活塞杆(1)、上端盖(2)、外缸筒(3)、内缸筒(4)和馈能线圈(5)，内缸筒(4)内设有弹簧电磁式活塞组件(6)、第一电极(7)、下端盖(8)、第二电极(9)、下端缓冲弹簧(10)、第一励磁线圈(11)、第一永磁体(12)、第二励磁线圈(13)、第二永磁体(14)、第三励磁线圈(15)、第三永磁体(16)、上端缓冲弹簧(17)、第三电极(18)和第四电极(19)，内缸筒(4)位于外缸筒(3)内部，馈能线圈(5)位于内缸筒(4)和外缸筒(3)之间,第一电极(7)、第二电极(9)、第三电极(18)和第四电极(19)相互平行布置在内缸筒(4)内部；外缸筒(3)的端部与上端盖(2)固连，另一端与下端盖(8)固连；第一励磁线圈(11)与第一永磁体(12)相连，第二励磁线圈(13)与第二永磁体(14)相连，第三励磁线圈(15)与第三永磁体(16)相连，第三永磁体(16)通过上端缓冲弹簧(17)与上端盖(2)内部相连，第一永磁体(12)通过下端缓冲弹簧(10)与下端盖(8)内部相连；活塞杆(1)依次穿设于上端盖(2)、上端缓冲弹簧(17)、第三永磁体(16)和弹簧电磁式活塞组件(6)后与第二永磁体(14)固连，第一永磁体(12)、第二永磁体(14)和第三永磁体(16)均能在内缸筒(4)的内壁上下滑动。
2.根据权利要求1所述的一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器，其特征在于：所述弹簧电磁式活塞组件(6)包括数量为三个的活塞组件弹簧(61)、数量为两个的活塞励磁线圈(62)和数量为两个的活塞永磁体(63)，活塞励磁线圈(62)套设于活塞永磁体(63)上；相邻活塞永磁体(63)之间通过活塞组件弹簧(61)相连。
3.根据权利要求2所述的一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器，其特征在于：所述活塞组件弹簧(61)、上端缓冲弹簧(17)、下端缓冲弹簧(10)均由蝶形弹簧构成。
4.根据权利要求2所述的一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器，其特征在于：所述活塞永磁体(63)上设有电极刷(64)，电极刷(64)位于活塞永磁体(63)的外表面。
5.根据权利要求4所述的一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器，其特征在于：所述电极刷(64)包括结构相同的第一电极刷导体(641)和第二电极刷导体(642)，第一电极(7)位于第一电极刷导体(641)和第二电极刷导体(642)之间，电极刷(64)能沿着第一电极(7)滑动。
6.根据权利要求4所述的一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器，其特征在于：所述电极刷(64)的数量为四且均匀的分布在活塞永磁体(63)四周。
7.根据权利要求4所述的一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器，其特征在于：所述活塞永磁体(63)上设有永磁体凸起(65)，永磁体凸起(65)为半圆结构且与内缸筒(4)的内壁滑动接触。
8.根据权利要求7所述的一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器，其特征在于：所述永磁体凸起(65)的数量为四，永磁体凸起(65)均匀的分布在活塞永磁体(63)的四周。
9.根据权利要求1所述的一种永磁电磁耦合控制馈能悬架作动器，其特征在于：所述内缸筒(4)的端部与上端盖(2)固连，另一端与下端盖(8)固连。
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