CN110182013B - 一种基于双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的两自由度电磁馈能悬架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的两自由度电磁馈能悬架，属于电磁馈能式主动悬架领域。该悬架包括双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器、减振弹簧、悬架外壳、上端盖、下端盖、车身联结扣和车轮联结扣，电机作动器设置在悬架外壳内，减振弹簧通过旋转轴承设置在所述上、下端盖之间；电机作动器由n个定子模块沿轴向按照正反面交替方式依次排列构成定子，动子由嵌有瓦片状永磁体的圆环铁芯和圆环永磁体沿轴向组合构成。本发明有效解决了悬架系统严重的能量消耗问题，提高了车辆驱动系统效率。

Description

一种基于双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的两自由 度电磁馈能悬架

技术领域

本发明属于车辆悬架结构领域，尤其涉及一种基于双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的两自由度电磁馈能悬架。

背景技术

自20世纪90年代以来，为了有效降低悬架减振系统的能耗，电磁馈能主动悬架受到国际知名汽车企业和相关领域学者的广泛关注和高度重视。电磁馈能主动悬架，是指通过电磁能量转换装置将车辆行驶过程产生的垂向振动和纵横向摆动动能进行回收存储，在实现车身直线旋转两自由度方向稳定控制与减振的同时，从而有效降低整车能耗的一类新型主动悬架。与被动悬架和半主动悬架将振动能量以热能的形式耗散掉不同，电磁馈能主动悬架在通过动力源提供能量削减车身振动的主动悬架基础上，引入电机作动器，能有效回收垂向振动和纵横向摆动能量，已成为改善汽车动态性能，降低车辆整车能耗。目前，电磁馈能悬架主要旋转电机式和直线电机式。旋转电机式是通过铰链、滚珠丝杆、齿轮齿条等机械结构与旋转电机转轴相连，将垂向力与纵横向摆动力矩产生的振动能量通过旋转电机作动器转化为电能储存。大众奥迪A8L为采用摆臂+旋转电机气动主动悬架结构，实现垂向车身稳定控制和车身振动能量回收。文献1(黄昆，张勇超，喻凡，等.电动式主动馈能悬架综合性能的协调性优化[J].上海交通大学学报，2009，43(2)：226-230)针对现在普遍采用的液力式主动悬架系统的响应慢、能耗大、结构复杂等缺陷,采用滚珠丝杠结合永磁直流无刷电机结构的馈能式电动悬架,其最大特点是能够在保证悬架减振特性的基础上,将不平路面激励引起的悬架系统振动能转化为电能并回收利用。直线电机式是采用直线电机作为作动器或阻尼器。文献2(邓兆祥，来飞.车辆主动悬架用电磁直线作动器的研究[J].机械工程学报，2011，47(14)：121-128)采用圆筒型电磁直线电机作为作动器来实现主动悬架力发生器，解决了由于液压或气压结构在本质上存在着泄露、密封、响应慢及结构复杂等诸多问题，很难将车辆的极限性能发挥出来的主动悬架问题。然而，旋转电机式电磁馈能悬架，结构简单，但需要传动机构等辅助装置，体积较大，可靠性相对较低，高强度的工作条件，要求传动机构具有较高结构强度，车身稳定控制相对复杂，响应速度慢，效率较低。该悬架对垂直力控制调整效果明显，而对于侧向和前后旋转力矩需要通过四悬架协调控制实现，控制复杂，可靠性低，在SUV、公交车等车身大和重量重的车型应用受限。

近年来，汽车电动化、智能化的发展趋势对底盘系统提出了新的要求和挑战。电动汽车底盘控制系统正从传统的纵横二维平面控制转向整合车轮、转向甚至悬架功能的纵向、横向、垂向三维空间全方位立体综合控制。这些均对悬架系统提出了更高的要求，使传统悬架系统受到挑战。因此，研发更小巧、更稳定、控制能力更强且能够缓解操纵稳定性与平顺性控制之间矛盾的新型主动悬架，突破传统被动悬架的局限，使汽车的悬架特性与道路状况和行驶状态相适应，从而能满足汽车平顺性和操纵稳定性的要求。此外，为实现电动化、智能化底盘以及高效节能悬架系统，需要对汽车底盘系统三维两自由度(垂向、纵向和横向)的有效动力学控制，提高垂向振动和纵横向摆动动能的回收效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的两自由度电磁馈能悬架，具有车辆直线旋转两自由度动态主动控制和垂向振动与纵横摆动动能能量回收，能有效解决悬架系统严重的能量消耗问题，降低整车能耗，提高车辆驱动系统效率。

针对电磁馈能悬架直线旋转两自由度运动的需求，将具有直线、旋转和螺旋运动的直线旋转永磁电机引入电磁馈能悬架，实现电磁馈能悬架的驱动与馈能需求。

采用新型直线旋转永磁电机作为作动器。将“交替极永磁”与“永磁磁阻”电机原理与直线旋转两自由度电机结构相融合，提出一种适合电动汽车电磁馈能悬架电机作动器、响应速度快、功率密度高、效率高的新型双绕组混合磁路直线旋转永磁电机。

本发明的技术方案为：

一种基于双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的两自由度电磁馈能悬架，包括双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器、减振弹簧、悬架外壳、上端盖、下端盖、车身联结扣和车轮联结扣；所述两自由度电磁馈能悬架的一侧是车轮联结扣，另一侧是车身联结扣；所述悬架外壳穿过下端盖；所述下端盖和上端盖是同心并排设置，所述减振弹簧通过第一旋转轴承设置在上端盖与下端盖之间，并套在悬架外壳上；所述上端盖与车轮联结扣相连；所述悬架外壳内设置有双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器，所述双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的输入轴与车轮联结扣相连，双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的输出轴依次穿过直线旋转轴承、第二旋转轴承、上端盖与车身联结扣相连。

进一步，所述双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器包括定子和动子，动子实现直线、旋转和螺旋运动，所述定子由n个定子模块沿轴向按照正反面交替方式依次排列构成，每个所述定子模块具有m个定子齿，每个定子齿上设置有两套集中式绕组；

所述动子由嵌有瓦片状永磁体的圆环铁芯和圆环永磁体沿轴向交替排列组合构成，所述圆环铁芯与所述圆环永磁体设置于非导磁轴上。每个所述圆环铁芯上嵌有k个瓦片状交替极永磁体(consequent-pole PM,CPM)，也就是瓦片状永磁体。

进一步，两套集中式绕组中，上层绕组和下层绕组；在同一个定子模块中，上层绕组的上层线圈沿圆周方向依次串联连接构成一个绕组1，轴向上n个绕组1再联结成电枢绕组1；沿轴向的n个定子模块的同一轴向方向下层绕组的下层线圈依次串联构成一个绕组2，圆周方向上j个绕组2联结成电枢绕组2。

进一步，所述瓦片状永磁体(2-2)沿径向充磁，轴向长度为l1，所述圆环永磁体沿轴向充磁，轴向宽度为l2，且满足g(l1+l2)＝nτ_s，其中τ_s为轴向定子齿距，g为圆环永磁体个数。

进一步，每个所述圆环铁芯上嵌有k个瓦片状永磁体，在同一个圆环铁芯上，k个瓦片状永磁体充磁方向一致，充磁方向都为N-N或者都为S-S，圆环铁芯具有k个凸齿和k个凹槽，凹槽用来嵌入瓦片状永磁体；在轴向上，所述圆环铁芯按照所述瓦片状永磁体的N-N方向与S-S方向交替依次设置；所述圆环永磁体按N-S间隔嵌在两个所述圆环铁芯之间。

进一步，非导磁轴的一端为双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的输入轴，非导磁轴的另一端为双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的输出轴。

进一步，悬架外壳为圆柱状空壳，圆柱状的两端开有通孔，双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的输入轴和输出轴分别从两端的通孔穿过。

进一步，所述车轮联结扣与悬架外壳相连，车身联结扣与车身相连。

本发明具有以下有益效果：

1.将直线旋转电机作动器引入主动悬架，形成一类新型两自由度电磁馈能悬架，实现了单悬架垂直与垂直面两自由度方向的车身稳定控制和振动能量回收；

2.单悬架具备两自由度车身调整，可构成的车辆四悬架八自由度的车身稳定控制，易于实现车辆底盘三维稳定控制。同时，当悬架故障时，仅需一个悬架即可实现车身稳定控制，易实现车辆悬架故障容错稳定控制。

3.直线旋转两自由度电机作动器，采用单定子/单动子结构，集成度高，结构紧凑坚固，加工制造容易；径向和轴向永磁体均嵌入动子铁芯，动子结构强度高，适合高速频繁运动，响应速度快；

4.直线旋转两自由度作动器，具有交错极永磁电机与永磁磁阻直线电机的结构特征，永磁体用量少，凸极效应明显，力密度与力矩密度高，功率密度高；

5.直线旋转两自由度作动器，采用模块化定子与集中绕组结构，绕线空间大，易于实现高反电动势；两套独立的电枢绕组，两自由度控制灵活，解耦控制容易。

6.弹簧与直线旋转永磁电机集成设计，悬架系统具备Fail-Safe特性，保证了电机故障失效后，仍能正常工作。

附图说明

图1为两自由度馈能悬架结构剖视图

图2为双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器结构剖视图。

图3为动子结构展开示意图。

图4为定子模块图。

图5为永磁体排布及极性分布图。

图6为旋转运动时的磁通路径图；(a)为磁路结构1；(b)为磁路结构2；

图7为直线运动时的磁通路径图；(a)为磁路结构1；(b)为磁路结构2；

图8为1/2两自由度馈能电磁悬架系统图。

图9为本发明的在纯电动汽车系统中应用的系统结构图。

图中：1为双绕组混合磁路直线旋转两自由度电机作动器，1-1为定子，1-2为下层绕组，1-3为上层绕组，2-1为圆环永磁体，2-2为瓦片状永磁体，2-3为圆环铁芯，3为非导磁轴，4为减振弹簧，5为车身联结扣，6为车轮联结扣，7为直线旋转轴承，8-1为第一旋转轴承，8-2为第二旋转轴承，9-1为下端盖，9-2为上端盖,10为悬架外壳，11-1为悬架电池包，11-2为双向逆变器，11-3为两自由度馈能悬架。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施方式对本发明作进一步阐述。

如图1所示，为本发明的一个实施例，包括双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器(1)、减振弹簧(4)、悬架外壳(10)、上端盖(9-2)、下端盖(9-1)、车身联结扣(5)和车轮联结扣(6)；所述两自由度电磁馈能悬架的一侧是车轮联结扣(6)，另一侧是车身联结扣(5)；所述悬架外壳(10)穿过下端盖(9-1)；所述下端盖(9-1)和上端盖(9-2)是同心并排设置，所述减振弹簧(4)通过第一旋转轴承(8-1)设置在上端盖(9-2)与下端盖(9-1)之间，并套在悬架外壳(10)上；所述上端盖(9-2)与车轮联结扣(6)相连；所述悬架外壳(10)内设置有双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器(1)，所述双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器(1)的输入轴与车轮联结扣(6)相连，双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器(1)的输出轴依次穿过直线旋转轴承(7)、第二旋转轴承(8-2)、上端盖(9-2)与车身联结扣(5)相连。

该实施例所述双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器设置在悬架外壳内，动子的非导磁轴通过直线旋转轴承与上端盖相连，减震弹簧通过第一旋转轴承和第二旋转轴承设置在下端盖和下端盖之间。

如图2、4所示，所述双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的定子由n＝6个定子模块沿轴向按照正反面交替方式依次排列构成，每个定子模块具有m＝9个齿，每个齿上设置有两套集中式绕组，上层绕组和下层绕组。在一个定子模块中，上层线圈沿圆周方向依次串联连接构成一个绕组1，轴向上n＝6个绕组1在联结成旋转运动电枢绕组。沿轴向的n＝6个定子模块的同一轴向方向下层线圈依次串联构成一个绕组2，圆周方向上j＝9个绕组2联结成直线运动电枢绕组。

如图3所示，所述动子由嵌有瓦片状永磁体的圆环铁芯和圆环永磁体沿轴向组合构成，所述铁芯圆环与所述圆环永磁体设置于非导磁轴上。所述瓦片状永磁体沿径向充磁，轴向长度为l₁＝10mm，所述圆环永磁体沿轴向充磁，轴向宽度为l₂＝8mm，定子轴向齿距τ_s＝18mm，圆环永磁体个数为g＝6。每个所述圆环铁芯上嵌有k＝6个瓦片状永磁体，圆环铁芯凸齿数为6。在轴向上，所述圆环铁芯按照所述瓦片状CPM的N-N方向与S-S方向交替依次设置；所述圆环永磁体按N-S间隔嵌在两个所述圆环铁芯之间，如图5所示。

如图6所示，嵌有两种不同方向CPM的动子铁芯块在圆周方向上的磁路方向相反，由于定子模块按照正反面交替排列，线圈方向相反，两个充磁方向的永磁体产生的反电动势方向一致。当旋转转动时，在旋转绕组中产生连续的反电动势。如图7所示，直线运动磁路有单圆环永磁体励磁和瓦片永磁体与圆环永磁体共同励磁两种。当动子直线运动时，由于同一定子模块直线线圈串联连接，在轴向上的直线绕组产生幅值一致的连续反电动势。当动子受到直线力和旋转力矩同时作用时，在直线和旋转绕组中同时产生反电动势。

通过对直线旋转电机作动器的电动和发电运动控制即可实现悬架两自由度的主动车身调整和能量回馈。本发明的两自由度电磁馈能悬架主要有车身稳定耗能模式和振动与摇摆馈能模式两种，根据车辆行驶设置进行两种模式的协调切换。当在城市工况运行时，本发明的两自由度电磁馈能悬架主要处于车身稳定耗能模式和振动与摇摆馈能模式两种运行状态协调切换；当在市郊工况运行时，本发明的两自由度电磁馈能悬架主要处于车身稳定的耗能模式。当车辆处于运动驾驶模式时，本发明的两自由度电磁馈能悬架主要处于车身振动与摇摆的馈能模式；当车辆处于舒适驾驶模式时，本发明的两自由度电磁馈能悬架主要处于两自由度车身稳定的耗能模式；当车辆处于高效驾驶模式时，本发明的两自由度电磁馈能悬架主要处于车身振动与摇摆的馈能模式；当车辆处于自动驾驶模式时，本发明的两自由度电磁馈能悬架主要处于车身稳定耗能模式和振动与摇摆馈能模式两种运行状态协调切换。

为提高电动汽车系统控制效率，降低能量扰动，采用悬架馈能电池与动力电池并联的结构。1/2两自由度电磁馈能悬架系统结构，如图8所示，该系统由左右悬架、双向逆变器和电池构成。该馈能式主动悬架系统通过功率变换器实现电机的驱动控制与能量回收存储。本发明在纯电动汽车中的应用系统结构框图，如图9所示，采用与电动汽车主驱动系统并联结构，动力电池与悬架电池通过一个双向DC-DC变换器实现能量的传输。整车控制器通过对动力电池组和悬架电池包的实时状态检测，在悬架电池包电压等级较低时，可以通过动力电池组进行充电。当悬架电池包电量充足时可以给动力电池组进行充电，进而实现电动汽车能量的有效利用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的两自由度电磁馈能悬架，其特征在于，包括双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器(1)、减振弹簧(4)、悬架外壳(10)、上端盖(9-2)、下端盖(9-1)、车身联结扣(5)和车轮联结扣(6)；所述两自由度电磁馈能悬架的一侧是车轮联结扣(6)，另一侧是车身联结扣(5)；所述悬架外壳(10)穿过下端盖(9-1)；所述下端盖(9-1)和上端盖(9-2)是同心并排设置，所述减振弹簧(4)通过第一旋转轴承(8-1)设置在上端盖(9-2)与下端盖(9-1)之间，并套在悬架外壳(10)上；所述上端盖(9-2)与车轮联结扣(6)相连；所述悬架外壳(10)内设置有双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器(1)，所述双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器(1)的输入轴与车轮联结扣(6)相连，双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器(1)的输出轴依次穿过直线旋转轴承(7)、第二旋转轴承(8-2)、上端盖(9-2)与车身联结扣(5)相连；

所述双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器(1)包括定子(1-1)和动子，动子实现直线、旋转和螺旋运动，所述定子(1-1)由n个定子模块沿轴向按照正反面交替方式依次排列构成，每个所述定子模块具有m个定子齿，每个定子齿上设置有两套集中式绕组；

所述动子由嵌有瓦片状永磁体(2-2)的圆环铁芯(2-3)和圆环永磁体(2-1)沿轴向交替排列组合构成，所述圆环铁芯与所述圆环永磁体(2-1)设置于非导磁轴(3)上；

两套集中式绕组中，上层绕组(1-3)和下层绕组(1-2)；在同一个定子模块中，上层绕组(1-3)的上层线圈沿圆周方向依次串联连接构成一个绕组1，轴向上n个绕组1再联结成电枢绕组1；沿轴向的n个定子模块的同一轴向方向下层绕组(1-2)的下层线圈依次串联构成一个绕组2，圆周方向上j个绕组2联结成电枢绕组2；

瓦片状永磁体(2-2)沿径向充磁，轴向长度为l1，圆环永磁体(2-1)沿轴向充磁，轴向宽度为l2，且满足g×(l1+l2)＝nτ_s，其中τ_s为轴向定子齿距，g为圆环永磁体(2-1)个数；

每个所述圆环铁芯(2-3)上嵌有k个瓦片状永磁体(2-2)，在同一个圆环铁芯(2-3)上，k个瓦片状永磁体(2-2)充磁方向一致，充磁方向都为N-N或者都为S-S，圆环铁芯具有k个凸齿和k个凹槽，凹槽用来嵌入瓦片状永磁体；在轴向上，所述圆环铁芯(2-3)按照所述瓦片状永磁体(2-2)的N-N方向与S-S方向交替依次设置；所述圆环永磁体(2-1)按N-S间隔嵌在两个所述圆环铁芯(2-3)之间；

通过对双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器(1)的电动和发电运动控制实现悬架两自由度的主动车身调整和能量回馈；两自由度电磁馈能悬架主要有车身稳定耗能模式和振动与摇摆馈能模式两种，根据车辆行驶设置进行两种模式的协调切换；当在城市工况运行时，两自由度电磁馈能悬架处于车身稳定耗能模式和振动与摇摆馈能模式两种运行状态协调切换；当在市郊工况运行时，两自由度电磁馈能悬架处于车身稳定的耗能模式，当车辆处于运动驾驶模式时，两自由度电磁馈能悬架处于车身振动与摇摆的馈能模式；当车辆处于舒适驾驶模式时，两自由度电磁馈能悬架处于两自由度车身稳定的耗能模式；当车辆处于高效驾驶模式时，两自由度电磁馈能悬架主要处于车身振动与摇摆的馈能模式；当车辆处于自动驾驶模式时，两自由度电磁馈能悬架主要处于车身稳定耗能模式和振动与摇摆馈能模式两种运行状态协调切换。

2.根据权利要求1所述的一种基于双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的两自由度电磁馈能悬架，其特征在于，非导磁轴(3)的一端为双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器(1)的输入轴，非导磁轴(3)的另一端为双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器(1)的输出轴。

3.根据权利要求2所述的一种基于双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的两自由度电磁馈能悬架，其特征在于，悬架外壳(10)为圆柱状空壳，圆柱状的两端开有通孔，双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器(1)的输入轴和输出轴分别从两端的通孔穿过。

4.根据权利要求1所述的一种基于双绕组混合磁路直线旋转永磁电机作动器的两自由度电磁馈能悬架，其特征在于，所述车轮联结扣(6)与悬架外壳(10)相连，车身联结扣(5)与车身相连。

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