CN109760481A - 一种无线电能回收式电磁作动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线电能回收式电磁作动器,一种无线电能回收式电磁作动器，包括主体结构、动力机构以及导向装置，所述主体结构包括电机罩、齿轮罩、作动器缸筒、连接球头一以及连接球头二，所述动力机构包括MOTEC交流伺服电机以及APE减速机，所述导向装置包括轴承一、齿轮轴承转接头一、齿轮、齿轮轴承转接头二、轴承二、齿条以及齿条导向阀，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：采用齿轮齿条式电磁作动器和无线充电技术实现车辆悬架振动能量回收再利用，提升资源利用率，同时不影响原车的乘坐舒适性。

Description

一种无线电能回收式电磁作动器

技术领域

本发明是一种无线电能回收式电磁作动器，属于车辆悬挂系统技术领 域。

背景技术

馈能式电磁作动器采用直线电机或旋转电机和传动机构作为悬架的执 行机构，不仅能够使电机工作于电动机状态，控制其主动出力，还可以工 作于发电机状态，进行能量回收，成为一个电磁阻尼器。电磁悬架具有无 泄漏、不受温度等环境因素影响、响应速度快、可控性好等优点，国内外 学者对不同形式的电磁作动器进行了大量的研究，采用的结构包括直线电 机式、滚珠丝杠式、齿轮齿条式、液压马达式等等。其中，直线电机和旋 转电机+滚珠丝杠等结构的电磁作动器，由于结构相对简单、体积较小，基 于两种结构进行的研究较多，但研究中也发现了一些问题，如直线电机出 力相对较小、可靠性相对较低，滚珠丝杠抗冲击性较差、高频振动时控制 效果不明显等。而基于旋转电机+齿轮齿条结构的电磁作动器的研究虽然相 对较少，但其具有抗冲击性好、出力平稳等特点。

研究中也发现基于旋转电机+齿轮齿条结构的电磁作动器处于馈能发 电状态时，会产生电磁阻尼力，电磁阻尼力的大小由电机馈能时的电流决 定，而电流的大小又由电机的反馈电压和能量回收电路的等效负载所决定。 当车辆行驶于随机不平路面时，悬架相对运动速度也随机变化，电机的反 馈电压也是随机变化的，若想通过调整能量回收电路的等效负载来实现电 磁阻尼力的控制，技术复杂，目前还难以实现，这就导致电磁作动器产生的阻尼力不稳定、不受控，严重影响乘坐舒适性。

目前，基于旋转电机+齿轮齿条结构的电磁作动器主要用于车辆悬挂系 统的主动控制，而无法有效回收利用那些被耗散的振动能量并加以管理和 控制。因此，在现有电磁作动器的基础上，急需研制一种新的能量回收模 块，不仅可以有效衰减车体振动，而且在不影响悬挂系统控制效果的前提 下回收能量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种无线电能回收式电 磁作动器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种无线 电能回收式电磁作动器，包括主体结构、动力机构以及导向装置，所述主 体结构包括电机罩、齿轮罩、作动器缸筒、连接球头一以及连接球头二， 所述动力机构包括MOTEC交流伺服电机以及APE减速机，所述导向装置包 括轴承一、齿轮轴承转接头一、齿轮、齿轮轴承转接头二、轴承二、齿条 以及齿条导向阀。

进一步地，在所述主体结构中，所述电机罩右端通过螺栓固定有齿轮 罩，所述齿轮罩上端安装作动器缸筒，所述连接球头一安装在作动器缸筒 上端面上，所述连接球头二安装在齿条下端面上，所述动力机构设置在电 机罩内，所述导向装置设置在齿轮罩内。

进一步地，在所述动力机构中，所述APE减速机安装在MOTEC交流伺 服电机右端面上。

进一步地，在所述导向装置中，所述轴承一安装在齿轮轴承转接头一 环形侧面上，所述齿轮轴承转接头一安装在齿轮左端，所述齿轮右端设有 齿轮轴承转接头二，所述齿轮轴承转接头二环形侧面上安装轴承二，所述 齿轮后端设有齿条，所述齿条导向阀安装在齿条上端面上。

进一步地，所述MOTEC交流伺服电机与APE减速机均安装在电机罩内， 所述APE减速机右端设有齿轮轴承转接头一，所述MOTEC交流伺服电机通 过APE减速机与齿轮轴承转接头一相连接，所述轴承一安装在齿轮罩内， 所述轴承一嵌入于齿轮罩左端面上并与齿轮轴承转接头一相连接，所述轴 承二嵌入于齿轮罩右端面内并与齿轮轴承转接头二相连接，所述齿条以及 齿条导向阀均安装在作动器缸筒内部，所述齿条与齿轮进行齿轮啮合，所述作动器缸筒上方安装连接球头一，在实际中，MOTEC交流伺服电机工作可 在APE减速机传递下带动齿轮轴承转接头一旋转，齿轮轴承转接头一旋转 带动齿轮旋转，从而带动齿条移动，同时APE减速机的设计可有效降低MOTEC 交流伺服电机输出的旋转速度，此时MOTEC交流伺服电机为电动机的工作 状态，当齿条在外力作用下进行移动，进而使齿轮旋转，可使齿轮轴承转 接头一旋转，并在APE减速机传递运输到MOTEC交流伺服电机，此时MOTEC 交流伺服电机为发电机的工作状态。

进一步地，产品的工作原理中，车体上安装有车体振动状态传感器组， 车体振动状态传感器组通过连接线与控制器相连接，控制器与功能切换开 关通过开关控制信号相连接，控制器通过连接线与控制电源相连接，控制 电源与功能切换开关相连接，控制电源通过功能切换开关与电磁作动器相 连接，功能切换开关通过无线电能传输模块与超级电容连接，超级电容通 过连接线与控制电源连接，控制电源通过连接线与控制器连接。

进一步地，产品的工作原理中，车体振动状态传感器组采集车体振动 信号，传输至控制器进行数据融合处理后产生开关控制信号和控制脉冲信 号，开关控制信号控制功能切换开关的导通方向，当处于能量回收阶段时， 电磁阻尼器可吸收振动能量，通过无线电能发射接收电路等能量转换机构 将此机械能转换为电能，然后将电能储存在超级电容中，当处于主动控制 阶段时，功能切换开关导通电磁作动器与控制电源连接，同时超级电容可 对控制电源进行供电，并使控制电源产生输出电流，然后供电给电磁作动 器，进而使电磁作动器主动出力，实现减振工作，该设计可改善车辆乘坐 舒适性,并回收冲击产生的能量，并将此机械能转换为电能，并将其回收存 储至超级电容中，采用齿轮齿条式电磁作动器和无线充电技术实现车辆悬 架振动能量回收再利用，消除电磁阻尼力的不稳定、不受控。

进一步地，本发明采用磁耦合共振式电能传输模型，将铜线绕成的线 圈与电容并联构成振荡能量发射端，产生高频振荡电磁场以空气为传输介 质向周围辐射，与距离发射端1m距离内具有相同振荡频率的接收端产生谐 振感应，电能通过磁共振完成了无线传输，驱动接收端负载，通过调节并 联电感或电容值产生谐振，再利用电磁作动器馈能时输出变频率变幅值的 正弦电压，使发射端馈能电压自适应跟随LC谐振频率。

本发明的有益效果：本发明的一种无线电能回收式电磁作动器，本发 明通过添加MOTEC交流伺服电机、APE减速机、电机罩、轴承一、齿轮轴承 转接头一、齿轮、齿轮轴承转接头二、轴承二、齿条、作动器缸筒、齿条 导向阀、连接球头一、齿轮罩以及连接球头二，该设计不仅可以实现车辆 悬架系统振动的主动控制，而且在能量回收阶段可以控制电磁作动器产生 的阻尼力大小，不仅实现了振动能量回收再利用，同时不影响原车的乘坐 舒适性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明 的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种无线电能回收式电磁作动器的结构示意图；

图2为本发明一种无线电能回收式电磁作动器的立体图；

图3为本发明一种无线电能回收式电磁作动器的剖视图；

图4为本发明一种无线电能回收式电磁作动器的电路图；

图5为本发明一种无线电能回收式电磁作动器的工作原理图；

图6为本发明一种无线电能回收式电磁作动器中发射端和接收端耦合 模型；

图7为本发明一种无线电能回收式电磁作动器中谐振器发射端电路原 理图；

图中：1-MOTEC交流伺服电机、2-APE减速机、3-电机罩、4-轴承一、 5-齿轮轴承转接头一、6-齿轮、7-齿轮轴承转接头二、8-轴承二、9-齿条、 10-作动器缸筒、11-齿条导向阀、12-连接球头一、13-齿轮罩、14-连接球 头二、15-车体、16-减振弹簧、17-车轮、18-路面、19-超级电容、20-无 线电能传输模块、21-功能切换开关、22-电磁阻尼器、23-电磁作动器、24- 车体振动状态传感器组、25-控制器、26-控制电源、27-MOTEC交流伺服电 机发电时三相电整流后负极、28-MOTEC交流伺服电机发电时三相电整流后 正极。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了 解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1-图5，本发明提供一种技术方案：一种无线电能回收式电 磁作动器，包括主体结构、动力机构以及导向装置，主体结构包括电机罩3、 齿轮罩13、作动器缸筒10、连接球头一12以及连接球头二14，动力机构 包括MOTEC交流伺服电机1以及APE减速机2，导向装置包括轴承一4、齿 轮轴承转接头一5、齿轮6、齿轮轴承转接头二7、轴承二8、齿条9以及齿条导向阀11。

在主体结构中，电机罩3右端通过螺栓固定有齿轮罩13，齿轮罩13上 端安装作动器缸筒10，连接球头一12安装在作动器缸筒10上端面上，连 接球头二14安装在齿条9下端面上，动力机构设置在电机罩3内，导向装 置设置在齿轮罩13内，在动力机构中，APE减速机2安装在MOTEC交流伺 服电机1右端面上，在导向装置中，轴承一4安装在齿轮轴承转接头一5 环形侧面上，齿轮轴承转接头一5安装在齿轮6左端，齿轮6右端设有齿 轮轴承转接头二7，齿轮轴承转接头二7环形侧面上安装轴承二8，齿轮6 后端设有齿条9，齿条导向阀11安装在齿条9上端面上。

作为本发明的一个实施例：MOTEC交流伺服电机1与APE减速机2均安 装在电机罩3内，APE减速机2右端设有齿轮轴承转接头一5，MOTEC交流 伺服电机1通过APE减速机2与齿轮轴承转接头一5相连接，轴承一4安 装在齿轮罩13内，轴承一4嵌入于齿轮罩13左端面上并与齿轮轴承转接 头一5相连接，轴承二8嵌入于齿轮罩13右端面内并与齿轮轴承转接头二 7相连接，齿条9以及齿条导向阀11均安装在作动器缸筒10内部，齿条9 与齿轮6进行齿轮啮合，作动器缸筒10上方安装连接球头一12，在实际中， MOTEC交流伺服电机1工作可在APE减速机2传递下带动齿轮轴承转接头一 5旋转，齿轮轴承转接头一5旋转带动齿轮6旋转，从而带动齿条9移动， 同时APE减速机2的设计可有效降低MOTEC交流伺服电机1输出的旋转速 度，此时MOTEC交流伺服电机1为电动机的工作状态，当齿条9在外力作 用下进行移动，进而使齿轮6旋转，可使齿轮轴承转接头一5旋转，并在 APE减速机2传递运输到MOTEC交流伺服电机1，此时MOTEC交流伺服电机 1为发电机的工作状态，并可通过无线电能回收电路对反馈的电能进行回 收。

作为本发明的一个实施例：产品的工作原理中，车体15上安装有车体 振动状态传感器组24，车体振动状态传感器组24通过连接线与控制器25 相连接，控制器25与功能切换开关21通过开关控制信号相连接，控制器 25通过连接线与控制电源26相连接，控制电源26与功能切换开关21相连 接，控制电源26通过功能切换开关21与电磁作动器23相连接，功能切换 开关21通过无线电能传输模块20与超级电容19连接，超级电容19通过 连接线与控制电源26连接，控制电源26通过连接线与控制器25连接。

作为本发明的一个实施例：产品的工作原理中，车体振动状态传感器 组24采集车体15振动信号，传输至控制器25进行数据融合处理后产生开 关控制信号和控制脉冲信号，开关控制信号控制功能切换开关21的导通方 向，当处于能量回收阶段时，电磁阻尼器22可吸收振动能量，通过无线电 能发射接收电路等能量转换机构将此机械能转换为电能，然后将电能储存 在超级电容19中，当处于主动控制阶段时，功能切换开关21导通电磁作 动器23与控制电源26连接，同时超级电容19可对控制电源26进行供电， 并使控制电源26产生输出电流，然后供电给电磁作动器23，进而使电磁作 动器23主动出力，实现减振工作，该设计可改善车辆乘坐舒适性,并回收 冲击产生的能量，并将此机械能转换为电能，并将其回收存储至超级电容 19中，采用齿轮齿条式电磁作动器和无线充电技术实现车辆悬架振动能量 回收再利用，消除电磁阻尼力的不稳定、不受控。

作为本发明的一个实施例：将MOTEC交流伺服电机1通过电机驱动电 源接口与电机编码器接口连接输入电源与控制信号，如图1所示，电磁作 动器23只能工作于电动机或发电机其中一种工作状态，当工作于电动机状 态时，电磁作动器23主动出力，当工作于发电机状态时，电磁作动器23 作为电磁阻尼器22提供电磁阻尼力，反馈能量，同时处于能量回收阶段时 电磁阻尼器22发电，将电能储存在超级电容19中，当处于主动控制阶段 时，功能切换开关21导通电磁作动器23，超级电容19供电给电磁作动器 23，电磁作动器23主动出力，采用齿轮齿条式电磁作动器和无线充电技术 实现车辆悬架振动能量回收再利用，提升资源利用率。

作为本发明的一个实施例：本发明采用磁耦合共振式电能传输模型，将 铜线绕成的线圈与电容并联构成振荡能量发射端，产生高频振荡电磁场以空 气为传输介质向周围辐射，与距离发射端1m距离内具有相同振荡频率的接收 端产生谐振感应，电能通过磁共振完成了无线传输，驱动接收端负载，通过 调节并联电感或电容值产生谐振，再利用电磁作动器23馈能时输出变频率变 幅值的正弦电压，使发射端馈能电压自适应跟随LC谐振频率，PT对称是描述 微观物体运动的基本理论，属于量子动力学范畴，具有空间反射和时间反演下的不变性，为搭建PT对称电路，建立了发射端和接收端耦合模型，如图6 和图7所示，图中左侧部分电路为发射端，右侧部分电路为接收端，电磁作 动器馈能时发电机输出交流电，经整流器后变为直流电，作为电压放大器的 驱动电源，电压放大器、电阻R1、电阻R2与电阻R3通过图7连接方式组成 负电阻，此时负电阻与电磁作动器电能输出就等效为谐振器发射端整体增益 率，将电压放大器的输出通过电阻R3连接其正极输入端，利用正反馈驱动LC并联发射天线，产生自激谐振。谐振器接收端电路设计与发射端类似，通过 LC并联接收天线与发射端产生磁共振，完成无线电能的传输，接收的交流电 能通过整流桥后驱动负载，由于LC并联电路谐振时完全呈现阻抗特性，电阻 值理论上为无穷大，因此，馈能时电磁作动器的电流接近于零，满足设计要 求。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对 于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而 且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实 现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而 且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因 此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个 实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清 楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术 方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种无线电能回收式电磁作动器，包括主体结构、动力机构以及导向装置，其特征在于：所述主体结构包括电机罩(3)、齿轮罩(13)、作动器缸筒(10)、连接球头一(12)以及连接球头二(14)，所述动力机构包括MOTEC交流伺服电机(1)以及APE减速机(2)，所述导向装置包括轴承一(4)、齿轮轴承转接头一(5)、齿轮(6)、齿轮轴承转接头二(7)、轴承二(8)、齿条(9)以及齿条导向阀(11)。

2.根据权利要求1所述的一种无线电能回收式电磁作动器，其特征在于：在所述主体结构中，所述电机罩(3)右端通过螺栓固定有齿轮罩(13)，所述齿轮罩(13)上端安装作动器缸筒(10)，所述连接球头一(12)安装在作动器缸筒(10)上端面上，所述连接球头二(14)安装在齿条(9)下端面上，所述动力机构设置在电机罩(3)内，所述导向装置设置在齿轮罩(13)内。

3.根据权利要求1所述的一种无线电能回收式电磁作动器(23)，其特征在于：在所述动力机构中，所述APE减速机(2)安装在MOTEC交流伺服电机(1)右端面上。

4.根据权利要求1所述的一种无线电能回收式电磁作动器，其特征在于：在所述导向装置中，所述轴承一(4)安装在齿轮轴承转接头一(5)环形侧面上，所述齿轮轴承转接头一(5)安装在齿轮(6)左端，所述齿轮(6)右端设有齿轮轴承转接头二(7)，所述齿轮轴承转接头二(7)环形侧面上安装轴承二(8)，所述齿轮(6)后端设有齿条(9)，所述齿条导向阀(11)安装在齿条(9)上端面上。

5.根据权利要求2、3或4所述的一种无线电能回收式电磁作动器，其特征在于：所述MOTEC交流伺服电机(1)与APE减速机(2)均安装在电机罩(3)内，所述APE减速机(2)右端设有齿轮轴承转接头一(5)，所述MOTEC交流伺服电机(1)通过APE减速机(2)与齿轮轴承转接头一(5)相连接，所述轴承一(4)安装在齿轮罩(13)内，所述轴承一(4)嵌入于齿轮罩(13)左端面上并与齿轮轴承转接头一(5)相连接，所述轴承二(8)嵌入于齿轮罩(13)右端面内并与齿轮轴承转接头二(7)相连接，所述齿条(9)以及齿条导向阀(11)均安装在作动器缸筒(10)内部，所述齿条(9)与齿轮(6)进行齿轮啮合，所述作动器缸筒(10)上方安装连接球头一(12)，在实际中，MOTEC交流伺服电机(1)工作可在APE减速机(2)传递下带动齿轮轴承转接头一(5)旋转，齿轮轴承转接头一(5)旋转带动齿轮(6)旋转，从而带动齿条(9)移动，同时APE减速机(2)的设计可有效降低MOTEC交流伺服电机(1)输出的旋转速度，此时MOTEC交流伺服电机(1)为电动机的工作状态，当齿条(9)在外力作用下进行移动，进而使齿轮(6)旋转，可使齿轮轴承转接头一(5)旋转，并在APE减速机(2)传递运输到MOTEC交流伺服电机(1)，此时MOTEC交流伺服电机(1)为发电机的工作状态。

6.根据权利要求1所述的一种无线电能回收式电磁作动器，其特征在于：产品的工作原理中，车体(15)上安装有车体振动状态传感器组(24)，车体振动状态传感器组(24)通过连接线与控制器(25)相连接，控制器(25)与功能切换开关(21)通过开关控制信号相连接，控制器(25)通过连接线与控制电源(26)相连接，控制电源(26)与功能切换开关(21)相连接，控制电源(26)通过功能切换开关(21)与电磁作动器(23)相连接，功能切换开关(21)通过无线电能传输模块(20)与超级电容(19)连接，超级电容(19)通过连接线与控制电源(26)连接，控制电源(26)通过连接线与控制器(25)连接。

7.根据权利要求1所述的一种无线电能回收式电磁作动器，其特征在于：产品的工作原理中，车体振动状态传感器组(24)采集车体(15)振动信号，传输至控制器(25)进行数据融合处理后产生开关控制信号和控制脉冲信号，开关控制信号控制功能切换开关(21)的导通方向，当处于能量回收阶段时，电磁阻尼器(22)可吸收振动能量，通过无线电能发射接收电路等能量转换机构将此机械能转换为电能，然后将电能储存在超级电容(19)中，当处于主动控制阶段时，功能切换开关(21)导通电磁作动器(23)与控制电源(26)连接，同时超级电容(19)可对控制电源(26)进行供电，并使控制电源(26)产生输出电流，然后供电给电磁作动器(23)，进而使电磁作动器(23)主动出力，实现减振工作，该设计可改善车辆乘坐舒适性,并回收冲击产生的能量，并将此机械能转换为电能，并将其回收存储至超级电容(19)中，采用齿轮齿条式电磁作动器和无线充电技术实现车辆悬架振动能量回收再利用，消除电磁阻尼力的不稳定、不受控。

8.根据权利要求1所述的一种无线电能回收式电磁作动器，其特征在于：本发明采用磁耦合共振式电能传输模型，将铜线绕成的线圈与电容并联构成振荡能量发射端，产生高频振荡电磁场以空气为传输介质向周围辐射，与距离发射端1m距离内具有相同振荡频率的接收端产生谐振感应，电能通过磁共振完成了无线传输，驱动接收端负载，通过调节并联电感或电容值产生谐振，再利用电磁作动器(23)馈能时输出变频率变幅值的正弦电压，使发射端馈能电压自适应跟随LC谐振频率。