CN111251889B - 一种新能源车用惯性馈能装置及工作方法 - Google Patents

一种新能源车用惯性馈能装置及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新能源车用惯性馈能装置及工作方法，采用直线电机和旋转电机耦合的结构形式，可实现“馈能”、“被动控制”和“主动控制”三种不同工作模式。“馈能”模式下可有效地实现系统的振动能量回收，具有更高的能量回收效率；“被动控制”模式下可将复杂的机械网络通过直线电机和旋转电机外端电网络进行模拟实现，同时实现复杂机电网络的一体化集成设计；“主动控制”模式下可将新能源车用惯性馈能装置作为力发生器对振动系统进行调谐控制。本发明所述的新能源车用惯性馈能装置，可实现复杂的系统阻抗输出，其受非线性因素影响较小，且动态性能优越，可有效地节省安装空间并实现振动能量的回收。

Description

一种新能源车用惯性馈能装置及工作方法
技术领域
本发明属于工程隔振领域，尤其涉及一种新能源车用惯性馈能装置及工作方法。
背景技术
作为承载车身重力与缓冲路面不平度冲击的总成装置，悬架的优劣对车辆的行驶性能有着重要的影响作用。为突破传统机械隔振系统“质量-弹簧-阻尼器”(Mass-Spring-Damper)性能提升的瓶颈，解决质量块元件的单端点问题，惯容器应运而生。由此形成的新型机械隔振网络“惯容器-弹簧-阻尼器”(Inerter-Spring-Damper)展现出了极大的隔振潜力并已在诸多隔振领域得到证实。
国内外研究中，多种性能优良的ISD网络隔振结构被提出并验证其有效的隔振优势。根据新机电相似性理论，惯容器对应于电网络中的电容元件，目前较为常见的惯容器实现形式有滚珠丝杠式、齿轮齿条式和液压-泵式。但是，单纯的机械网络元件较为复杂，难以在工程实践中得到应用。随着汽车电动化和节能化的加速推进，新能源汽车成为了汽车工程领域的研究热点。如何在新能源汽车行驶过程中实现能量回收，同时可有效改善悬架系统的隔振性能，成为新能源汽车底盘的核心技术。
发明内容
本发明的目的是：提出一种新能源车用惯性馈能装置及工作方法，可实现新能源车辆行驶过程中的振动能量回收，同时实现复杂悬架结构的一体化设计，可有效改善悬架系统的隔振性能，实现节能减排的同时，提升新能源汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性。
为实现上述发明目的所采用的技术手段实现为：
一种新能源车用惯性馈能装置，包括上吊耳(1)，下吊耳(14)，联轴器(17)，丝杠(19)，电机缸筒(2)，电机工作腔(22)工作腔体内部的直线电机中有直线电机动子磁轭(20)、直线电机定子(21)、绕组(3)、动子磁极(4)、动子轴(23)；所述电机缸筒(2)下端有外壳体(13)，外壳体内部有旋转电机的旋转电机壳体(16)，旋转电机转子轴(12)，旋转电机中心转子(10)，旋转电机定子(11)；
所述上吊耳(1)与电机缸筒(2)焊接为一体，电机缸筒(2)的内侧壁沿径向呈圆形矩阵固定有直线电机定子(21)，直线电机定子(21)内均布有绕组(3)，动子磁极(4)与直线电机动子磁轭(20)均固定在动子轴(23)上，动子轴(23)从电机工作腔(22)伸出与丝杆(19)焊接连成一体，所述丝杆(19)与旋转电机动子轴(12)经联轴器(17)连接；
所述外壳体(13)内部设有旋转电机壳体(16)，旋转电机壳体(16)固定在外壳体(13)内壁上，所述旋转电机壳体(16)内部设有旋转电机转子轴(12)，旋转电机转子轴(12)周围设有旋转电机中心转子(10)，且旋转电机中心转子(10)固定在旋转电机转子轴(12)上；旋转电机定子(11)固定在旋转电机壳体(16)上；
所述动子轴(23)可在电机工作腔(22)内做径向直线往复运动，旋转电机转子轴(12)与固结的旋转电机中心转子(10)可在旋转电机壳体(16)内做旋转运动；下吊耳(14)与外壳体(13)焊接为一体。
进一步，所述丝杠(19)与丝杠螺母(5)相啮合，丝杠螺母(5)经由丝杠螺母安装螺栓(6)固定在电机缸筒(2)的下端。
进一步，还包括法兰安装螺栓(7)，所述法兰安装螺栓(7)将端盖(8)固定安装在丝杠(19)延伸出外壳体(13)的上端。
进一步，所述端盖(8)内部安装有角接触球轴承(18)，轴承内环与丝杠(19)相配合连接，可共同旋转。
进一步，还包括旋转电机上端盖轴承(9)和旋转电机下端盖轴承(15)，所述旋转电机上端盖轴承(9)和旋转电机下端盖轴承(15)分别与旋转电机转子轴(12)相配合安装于旋转电机壳体(16)的上端与下端。
进一步，所述上吊耳(1)与隔振系统上端点相铰接，下吊耳(14)与隔振系统下端点相铰接。
本发明的工作方法的技术方案以下三种工作模式：
当直线电机和旋转电机处于馈能状态时，利用上吊耳(1)，下吊耳(14)之间的相对运动使直线电机和旋转电机均处于发电状态，产生的端电压可以通过外端能量回收电路相连接，对系统的振动能量进行回收，用于其他控制系统的能量输入，此时新能源车用惯性馈能装置工作在“馈能工作模式”；
当直线电机和旋转电机处于被动控制状态时，所述直线电机产生的电磁推力Fa可表示为：
Figure BDA0002391501810000031
式中，s为拉氏复变量，Fa(s)是直线电机产生的电磁推力Fa的拉氏变换，v(s)是上吊耳1和下吊耳14之间的相对速度的拉氏变换，ka为直线电机的电动势系数，kt为推力系数，Ra为直线电机等效电阻，La为直线电机等效电感，Za(s)为直线外接电路阻抗；
所述旋转电机产生的电磁转矩转换为轴向力Fb可表示为：
Figure BDA0002391501810000032
式中，Fb(s)是旋转电机产生的电磁转矩转换为轴向力Fb的拉氏变换，J是旋转电机转子的转动惯量，p为滚珠丝杠的导程，Ke为旋转电机的电动势常数，Kt为旋转电机转矩常数，Re为旋转电机的等效内阻，Le为旋转电机的电感，Ze(s)为旋转电机外端电路的阻抗表达式；
所述一种新能源车用惯性馈能装置产生的电磁阻尼力F的表达式为：
Figure BDA0002391501810000033
F(s)是一种新能源车用惯性馈能装置产生的电磁阻尼力F的拉氏变换，通过改变直线电机的外端阻抗Za(s)和旋转电机的外端电路阻抗Ze(s)均能实现对装置阻尼力的改变，拓宽了所能实现的复杂网络阻抗的范围，提升装置的隔振性能，此时新能源车用惯性馈能装置工作在“被动控制模式”；
当直线电机和旋转电机处于主动控制状态时，可通过直线电机或旋转电机外接电路控制电流，根据设计的控制策略对振动系统进行主动调谐控制，实现对振动系统的主动控制，此时新能源车用惯性馈能装置工作在“主动控制模式”。
本发明的有益实施效果是：
本发明公开的一种新能源车用惯性馈能装置可工作在三种工作模式：
(1)馈能模式：通过上下吊耳之间的相对运动使直线电机和旋转电机均处于发电状态，产生的端电压可以通过外端能量回收电路相连接，对系统的振动能量进行回收，用于其他控制系统的能量输入，相较于传统的单独的旋转电机或直线电机形式，本发明采用的双电机馈能装置具有更高的能量回收效率，此时新能源车用惯性馈能装置工作在“馈能工作模式”。
(2)被动控制模式：通过改变直线电机的外端阻抗Za(s)和旋转电机的外端电路阻抗Ze(s)均可实现对装置阻尼力的改变，极大地拓宽了所能实现的复杂网络阻抗的范围，可有效提升装置的隔振性能。此时新能源车用惯性馈能装置工作在“被动控制模式”。
(3)主动控制模式：通过直线电机或旋转电机外接电路控制电流，根据设计的控制策略对振动系统进行主动调谐控制，实现对振动系统的主动控制，此时新能源车用惯性馈能装置工作在“主动控制模式”。
本发明利用采用直线电机和旋转电机耦合的结构形式，可实现“馈能”、“被动控制”和“主动控制”三种不同工作模式。“馈能”模式下可有效地实现系统的振动能量回收，具有更高的能量回收效率；“被动控制”模式下可将复杂的机械网络通过直线电机和旋转电机的外端电网络进行模拟实现，同时实现复杂机电网络的一体化集成设计；“主动控制”模式下可将新能源车用惯性馈能装置作为力发生器对振动系统进行调谐控制。本发明所述的新能源车用惯性馈能装置，可实现复杂的系统阻抗输出，其受非线性因素影响较小，且动态性能优越，可有效地节省安装空间并实现振动能量的回收。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是一种新能源车用惯性馈能装置结构示意图。
附图标记说明：
1-上吊耳，2-电机缸筒，3-绕组，4-动子磁极，5-丝杠螺母，6-丝杠螺母安装螺栓，7-法兰安装螺栓，8-端盖，9-旋转电机上端盖轴承，10-旋转电机中心转子，11-旋转电机定子，12-旋转电机转子轴，13-外壳体，14-下吊耳，15-旋转电机下端盖轴承，16-旋转电机壳体，17-联轴器，18-角接触球轴承，19-丝杠，20-直线电机动子磁轭，21-直线电机定子，22-电机工作腔，23-动子轴。
具体实施方式
下面结合附图1以及具体实施例对本发明作进一步的说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种新能源车用惯性馈能装置，包括上吊耳1，电机缸筒2，绕组3，动子磁极4，丝杠螺母5，丝杠螺母安装螺栓6，法兰安装螺栓7，端盖8，旋转电机上端盖轴承9，旋转电机中心转子10，旋转电机定子11，旋转电机转子轴12，外壳体13，下吊耳14，旋转电机下端盖轴承15，旋转电机壳体16，联轴器17，角接触球轴承18，丝杠19，直线电机动子磁轭20，直线电机定子21，电机工作腔22，动子轴23。
其中，上吊耳1与电机缸筒2焊接为一体，电机缸筒2的内侧壁沿径向呈圆形矩阵固定有直线电机定子21，直线电机定子21内均布有绕组3，动子磁极4与直线电机动子磁轭20均固定在动子轴23上，动子轴23从电机工作腔22伸出与丝杆19焊接连成一体，所述丝杆19与旋转电机动子轴12经联轴器17连接。
所述外壳体13内部设有旋转电机壳体16，旋转电机壳体16固定在外壳体13内壁上，所述旋转电机壳体16内部设有旋转电机转子轴12，旋转电机转子轴12周围设有旋转电机中心转子10，且旋转电机中心转子10固定在旋转电机转子轴12上；旋转电机定子11固定在旋转电机壳体16上。
所述丝杠螺母5与丝杠19相啮合，经由丝杠螺母安装螺栓6固定在电机缸筒2的下端；
所述法兰安装螺栓7将端盖8固定安装在丝杠19延伸出外壳体13的上端；
所述角接触球轴承18安装在端盖8内部，轴承内环与丝杠19相配合连接，可共同旋转；
所述旋转电机上端盖轴承9和旋转电机下端盖轴承15分别与旋转电机转子轴12相配合安装于旋转电机壳体16的上端与下端；
所述动子轴23可在电机工作腔22内做径向直线往复运动，旋转电机转子轴12与固结的旋转电机中心转子10可在旋转电机壳体16内做旋转运动。下吊耳14与外壳体13焊接为一体。
所述上吊耳1与隔振系统上端点相铰接，下吊耳14与隔振系统下端点相铰接，由此完成一种新能源车用惯性馈能装置的安装。
以图1所示的一种新能源车用惯性馈能装置为例，其工作过程为：
当上吊耳1与下吊耳14之间产生相对压缩或拉伸运动时，上吊耳1与电机缸筒2相对于下吊耳14和外壳体13做往复直线运动，与丝杠19相啮合的丝杆螺母5做往复直线运动，此时丝杠19做旋转运动，与滚珠丝杠19通过联轴器17连接的旋转电机中心转子10也相较于旋转电机定子11做切割磁感线旋转运动，带动旋转电机发电，在外端电路产生感应电压。
与此同时，固定在电机缸筒2上的直线电机定子21相对于与丝杠19固定的动子轴23也做径向相对直线运动，动子磁极4与直线电机动子磁轭20相对于直线电机定子21做切割磁感线运动，带动直线电机发电，在外端电路产生感应电压。
通过对直线电机和旋转电机的工作原理分析可知：
根据直线电机产生的感应电动势Va和产生的电磁推力Fa关系可得：
Va＝kav(1)
Fa＝ktIa(2)
其中，ka为直线电机的电动势系数，kt为推力系数，v为上吊耳1和下吊耳14之间的相对速度，Ia为外端电路的感应电流。直线电机的阻抗表达式为：
Figure BDA0002391501810000061
s为拉氏复变量，Va(s)为感应电动势的拉氏变换，Ia(s)为感应电流的拉氏变换，Ra为直线电机等效电阻，La为直线电机等效电感，Za(s)为直线外接电路阻抗。
直线电机产生的电磁推力Fa可表示为：
Figure BDA0002391501810000071
Fa(s)是直线电机产生的电磁推力Fa的拉氏变换，v(s)是上吊耳1和下吊耳14之间的相对速度的拉氏变换。
设参数p为滚珠丝杠的导程，则滚珠丝杠的旋转角速度ωe(单位为rad/s)可表示为：
Figure BDA0002391501810000072
此时旋转电机产生的感应电动势为：
Ve＝Keωe(6)
式中，Ve为旋转电机产生的感应电动势；Ke为旋转电机的电动势常数。
假设旋转电机的外电路形成闭合回路，参数Ie代表回路电流，参数Kt为旋转电机转矩常数，则电磁转矩Te可表示为：
Te＝KtIe(7)
进一步地，对感应电动势Ve、电流Ie进行拉普拉斯变换，得到拉普拉斯变换下的感应电动势Ve(s)、电流Ie(s)，则它们之间的关系可表示为：
Figure BDA0002391501810000073
公式中，Re为旋转电机的等效内阻，Le为旋转电机的电感，Ze(s)为旋转电机外端电路的阻抗表达式。
旋转电机产生的电磁转矩转换为轴向力Fb可表示为：
Figure BDA0002391501810000074
Fb(s)是旋转电机产生的电磁转矩转换为轴向力Fb的拉氏变换，J是旋转电机转子的转动惯量。
因此，可以得到本发明提出的一种新能源车用惯性馈能装置产生的电磁阻尼力F的表达式为：
Figure BDA0002391501810000081
F(s)是一种新能源车用惯性馈能装置产生的电磁阻尼力F的拉氏变换。可以看出，通过改变直线电机的外端阻抗Za(s)和旋转电机的外端电路阻抗Ze(s)均可实现对装置阻尼力的改变，极大地拓宽了所能实现的复杂网络阻抗的范围，可有效提升装置的隔振性能。
本发明所提出的一种新能源车用惯性馈能装置，具有以下几种工作模式：
(1)当直线电机和旋转电机处于馈能状态时，利用上下吊耳之间的相对运动使直线电机和旋转电机均处于发电状态，产生的端电压可以通过外端能量回收电路相连接，对系统的振动能量进行回收，用于其他控制系统的能量输入，相较于传统的单独的旋转电机或直线电机形式，本发明采用的双电机馈能装置具有更高的能量回收效率，此时新能源车用惯性馈能装置工作在“馈能工作模式”。
(2)当直线电机和旋转电机处于被动控制状态时，通过改变直线电机的外端阻抗Za(s)和旋转电机的外端电路阻抗Ze(s)均可实现对装置阻尼力的改变，极大地拓宽了所能实现的复杂网络阻抗的范围，可有效提升装置的隔振性能。此时新能源车用惯性馈能装置工作在“被动控制模式”。
(3)当直线电机和旋转电机处于主动控制状态时，可通过直线电机或旋转电机外接电路控制电流，根据设计的控制策略对振动系统进行主动调谐控制，实现对振动系统的主动控制，此时新能源车用惯性馈能装置工作在“主动控制模式”。
综上可以看出，本发明公开的一种新能源车用惯性馈能装置，利用上下吊耳的相对运动，可实现“馈能”、“被动控制”和“主动控制”三种不同工作模式。“馈能”模式下可有效地实现系统的振动能量回收，具有更高的能量回收效率；“被动控制”模式下可将复杂的机械网络通过电网络进行模拟实现，同时实现复杂机电网络的一体化集成设计；“主动控制”模式下可将新能源车用惯性馈能装置作为力发生器对振动系统进行调谐控制。本发明所提出的新能源车用惯性馈能装置，其作用机理简单，受非线性因素影响较小，且动态性能优越，性能稳定，同时可进行能量回收，减小能量消耗，具有更广阔的应用前景。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种新能源车用惯性馈能装置，其特征在于，包括上吊耳(1)，下吊耳(14)，联轴器(17)，丝杠(19)，电机缸筒(2)，电机工作腔(22)，工作腔体内部的直线电机中有直线电机动子磁轭(20)、直线电机定子(21)、绕组(3)、动子磁极(4)、动子轴(23)；所述电机缸筒(2)下端有外壳体(13)，外壳体内部有旋转电机的旋转电机壳体(16)，旋转电机转子轴(12)，旋转电机中心转子(10)，旋转电机定子(11)；
所述上吊耳(1)与电机缸筒(2)焊接为一体，电机缸筒(2)的内侧壁沿径向呈圆形矩阵固定有直线电机定子(21)，直线电机定子(21)内均布有绕组(3)，动子磁极(4)与直线电机动子磁轭(20)均固定在动子轴(23)上，动子轴(23)从电机工作腔(22)伸出与丝杆(19)焊接连成一体，所述丝杆(19)与旋转电机动子轴(12)经联轴器(17)连接；
所述外壳体(13)内部设有旋转电机壳体(16)，旋转电机壳体(16)固定在外壳体(13)内壁上，所述旋转电机壳体(16)内部设有旋转电机转子轴(12)，旋转电机转子轴(12)周围设有旋转电机中心转子(10)，且旋转电机中心转子(10)固定在旋转电机转子轴(12)上；旋转电机定子(11)固定在旋转电机壳体(16)上；
所述动子轴(23)可在电机工作腔(22)内做径向直线往复运动，旋转电机转子轴(12)与固结的旋转电机中心转子(10)可在旋转电机壳体(16)内做旋转运动；下吊耳(14)与外壳体(13)焊接为一体；
所述丝杠(19)与丝杠螺母(5)相啮合，丝杠螺母(5)经由丝杠螺母安装螺栓(6)固定在电机缸筒(2)的下端。
2.根据权利要求1所述的一种新能源车用惯性馈能装置，其特征在于，还包括法兰安装螺栓(7)，所述法兰安装螺栓(7)将端盖(8)固定安装在丝杠(19)延伸出外壳体(13)的上端。
3.根据权利要求2所述的一种新能源车用惯性馈能装置，其特征在于，所述端盖(8)内部安装有角接触球轴承(18)，轴承内环与丝杠(19)相配合连接，可共同旋转。
4.根据权利要求3所述的一种新能源车用惯性馈能装置，其特征在于，还包括旋转电机上端盖轴承(9)和旋转电机下端盖轴承(15)，所述旋转电机上端盖轴承(9)和旋转电机下端盖轴承(15)分别与旋转电机转子轴(12)相配合安装于旋转电机壳体(16)的上端与下端。
5.根据权利要求1所述的一种新能源车用惯性馈能装置，其特征在于，所述上吊耳(1)与隔振系统上端点相铰接，下吊耳(14)与隔振系统下端点相铰接。
6.根据权利要求1所述的一种新能源车用惯性馈能装置的工作方法，其特征在于，包括以下三种工作模式：
当直线电机和旋转电机处于馈能状态时，利用上吊耳(1)，下吊耳(14)之间的相对运动使直线电机和旋转电机均处于发电状态，产生的端电压可以通过外端能量回收电路相连接，对系统的振动能量进行回收，用于其他控制系统的能量输入，此时新能源车用惯性馈能装置工作在“馈能工作模式”；
当直线电机和旋转电机处于被动控制状态时，所述直线电机产生的电磁推力Fa可表示为：
Figure FDA0002971637650000021
式中，s为拉氏复变量，Fa(s)是直线电机产生的电磁推力Fa的拉氏变换，v(s)是上吊耳和下吊耳之间的相对速度的拉氏变换，ka为直线电机的电动势系数，kt为推力系数，Ra为直线电机等效电阻，La为直线电机等效电感，Za(s)为直线外接电路阻抗；
所述旋转电机产生的电磁转矩转换为轴向力Fb可表示为：
Figure FDA0002971637650000022
式中，Fb(s)是旋转电机产生的电磁转矩转换为轴向力Fb的拉氏变换，J是旋转电机转子的转动惯量，p为滚珠丝杠的导程，Ke为旋转电机的电动势常数，Kt为旋转电机转矩常数，Re为旋转电机的等效内阻，Le为旋转电机的电感，Ze(s)为旋转电机外端电路的阻抗表达式；
所述一种新能源车用惯性馈能装置产生的电磁阻尼力F的表达式为：
Figure FDA0002971637650000031
F(s)是一种新能源车用惯性馈能装置产生的电磁阻尼力F的拉氏变换，通过改变直线电机的外端阻抗Za(s)和旋转电机的外端电路阻抗Ze(s)均能实现对装置阻尼力的改变，拓宽了所能实现的复杂网络阻抗的范围，提升装置的隔振性能，此时新能源车用惯性馈能装置工作在“被动控制模式”；
当直线电机和旋转电机处于主动控制状态时，可通过直线电机或旋转电机外接电路控制电流，根据设计的控制策略对振动系统进行主动调谐控制，实现对振动系统的主动控制，此时新能源车用惯性馈能装置工作在“主动控制模式”。
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