CN112364431B - 一种馈能悬架馈能装置的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种馈能悬架馈能装置的优化方法，主要针对馈能悬架用圆筒形直线电机，解决了传统直线电机结构参数优化复杂，计算量大，优化困难的问题，提出了一种结合有限元以及参数组合优化的优化设计方法，本发明公开一种电磁直线馈能悬架的设计优化方法，本方法在有限元方法的基础上，通过一次参数组合，便可以快速接近最佳的结构尺寸，在很大程度上简化了优化流程，节省了计算量，并且能够达到较好的优化效果。

Description

一种馈能悬架馈能装置的优化方法
技术领域
本发明涉及汽车设计技术领域，具体讲是一种馈能悬架馈能装置的优化方法。
背景技术
汽车是人们出行的重要交通工具，根据数据显示截至2019年年底，全国汽车保有量高达2.6亿辆，其中截至6月全国新能源汽车保有量达344万辆，占汽车总量的1.37％，与去年年底相比增加83万辆，增长31.87％。虽然新能源汽车已投放于市场，带给人们便捷与舒适，但随着工业化不断发展，能源的清洁与节省问题日趋严重。对于汽车能源清洁和能量回收利用问题，许多国内外学者还在不断的研究。在不改变车用能源的基础之上如何节约能源并加以利用以及在不影响原本耗能的前提下，新型馈能悬架的提出被视为目前的最佳方案。其中，新型馈能悬架中的馈能装置，通过内磁轭与工作缸的运动转换为线圈切割磁感线的运动，从而产生感应电动势，并最终实现了振动能量的回收。作为整个电磁直线半主动-馈能悬架的核心装置，其性能的优劣，关系到整个馈能悬架的整体性能，对该装置进行优化，提高馈能功率与主动输出能力，显得尤为重要。研究发现通过有限元分析方法能够综合比对不同结构的大量仿真计算结果，并能获得馈能装置对馈能电压、馈能功率以及输出力之间的规律，从而对模型结构产生优化，使得馈能悬架具有最佳的结构尺寸。但经过大量的实验得出通过传统的有限元方法进行结构参数优化设计时计算量极大，费时费力。本申请旨在在有限元分析法基础上对一种新型电磁馈能悬架提出更高效的参数组合优化方法，以进一步快速省力提高悬架的馈能特性。
发明内容
本发明提供一种馈能悬架馈能装置的优化方法，主要针对馈能悬架用圆筒形直线电机，解决了传统直线电机结构参数优化复杂，计算量大，优化困难的问题，提出了一种结合有限元以及参数组合优化的优化设计方法。
本发明的技术方案如下：一种馈能悬架馈能装置的优化方法，包括以下步骤：
1)在车辆原有悬架系统空间的约束条件下，确定馈能电机的外廓尺寸，在外廓尺寸的约束下设计馈能电机的内磁轭、永磁体、线圈以及外磁轭；
2)对电机内部原始设计确定结构参数，并选择待优化的参数，记待优化参数个数为n(若n为偶数，若n为奇数，则忽略气隙厚度)；对待优化参数以两个为一组进行分组，共计组，每一组的两个优化参数均设定为变量，在外廓尺寸的约束条件下，以原始设计参数为中间值，以外廓直径0.5％的长度作为线性步长同时改变两个变量值，依据仿真数据量确定变化次数，假设每组变化m次，至此，待优化参数以其中两个变量为一组共分为/>大组，每个大组中有m组，共/>组，其次，对该/>组不同结构参数下的电机进行电磁场有限元分析，计算获得馈能功率及最大推力值；
3)对计算得到的平均馈能功率及最大推力值进行评估，馈能功率和最大推力值较原始设计提升的百分比按照4:1的权重作为评判指标，同时要满足平均馈能电压大于汽车蓄电池标准电压12V，在每一大组中选取上述评判指标提升最大的一组参数；其次对所有选取的共组变量按照互补的原则组成完整的电机的参数，记k＝n/2，共可组成/>组完整参数，对组合后的参数再次进行有限元仿真分析；
4)在上述计算数据的基础上进行分析，综合比对每对参数的仿真计算结果，获得馈能装置各参数对馈能电压、馈能功率以及输出力之间的影响规律，用于进一步的优化；根据分析结论，对上述组合后的参数，依照规律，在组合后参数的基础上进行调整，以进一步促进馈能功率及最大输出力的提升；再次利用有限元软件计算其各项性能，并选取调整后电机平均馈能功率与最大输出力较调整前提升最大的一组参数作为最终设计。
步骤1)中具体设计步骤为：在径向设计上，其中内磁轭采用悬架原有的活塞杆，附加内磁轭、线圈、永磁体、外磁轭按照15：5：20：2的比例分配厚度进行设计；在轴向尺寸上，使得外磁轭高度布满悬架系统上下运动剩余的空间，并同时作为该装置的外壳；附加内磁轭的高度为外磁轭高度与悬架最大行程之差；在附加内磁轭上布置线圈，线圈高度设计为其厚度的1.5倍；根据线圈的高度，设计永磁体的高度，永磁体布置采用Halbach阵列，其一组轴向与径向的永磁体总高度为相邻两线圈中心的间距，以使其满足直线电机运动的电磁回路，并布满外磁轭内侧。
本方法在有限元方法的基础上，通过一次参数组合，便可以快速接近最佳的结构尺寸，在很大程度上简化了优化流程，节省了计算量，并且能够达到较好的优化效果。
附图说明
图1本发明的一种参数组合优化设计的总体流程图。
图2直线电机结构参数定义示意图。
图3实施例中参数组合优化的具体流程图。
具体实施方式
下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。
实施例
以朗行2017手动舒适版为研究对象，其前悬架为麦弗逊式独立悬架，在其基础上加装电磁直线作动-馈能装置(ELA-ERD)，根据弹簧内径98mm，确定馈能电机的外廓尺寸为90mm，其次对内部结构进行设计，初步设计参数如表所示。
表1 ELA-ERD外廓尺寸
在外廓尺寸的约束下对内部结构尺寸进行设计，为了使馈能电机的效能达到最大化，对电机内部原始设计确定结构参数。部各部件的高度根据外廓高度与悬架行程确定，均为定值。故优化针对内部各结构的径向尺寸，以获得较高的电机馈能功率和电机输出力。定义各结构参数：内磁轭厚度Liy、附加内磁轭厚度Lai、线圈厚度Lc、气隙厚度delta、永磁体厚度Lm、外磁轭厚度Loy。
各原始设计参数如下表所示：
表2 ELA-ERD内部结构尺寸
经有限元方法计算，在原始设计参数下，该装置的平均馈能电压为16.55V，平均馈能功率46.28W，最大输出力96.28N。
其次进行优化设计，由于内磁轭为活塞杆，其厚度确定，在优化过程中不做改变；气隙厚度在制造精度所能达到并且不影响电机运动的情况下越小越好，为了简化仿真优化过程，气隙暂且不考虑其影响。最终选择待优化的参数为附加内磁轭厚度Lai、线圈厚度Lc、永磁体厚度Lm、外磁轭厚度Loy。待优化参数为4个，对应结构如图2所示；其次进行参数组合优化设计，其具体流程如图3所示。对待优化参数以两个为一组进行分组，共可分为6组。
表3参数分组
每一组的两个优化参数均为变量，在外廓尺寸的约束条件下，以原始设计参数为中间值，以0.5mm的步长同时变化两个变量值，依据仿真数据量确定每组变化次数为10次。至此，待优化参数以其中两个变量为一组共分为6大组，每个大组中有10组，共60组参数。
在第一大组中，以Lm和Loy为变量，满足Lm+Loy＝20.5mm，Lm以0.5mm的步长从14.5mm增加至19.5mm。在第二大组中，以Lai和Lc为变量，满足Lai+Lc＝19.2mm，Lai以0.5mm的步长从9.7mm增加至14.7mm。在第三大组中，以Lc和Lm为变量，满足Lc+Lm＝24.0mm，Lc以0.5mm的步长从4.5mm增加至9.5mm。在第四大组中，以Lai和Lm为变量，满足Lai+Lm＝29.2mm，Lm以0.5mm的步长从14.5mm增加至19.5mm。在第五大组中，以Lc和Loy为变量，满足Lc+Loy＝10.5mm，Lc以0.5mm的步长从4.5mm增加至9.5mm。在第六大组中，以Lai和Loy为变量，满足Lai+Loy＝15.7mm，Loy以0.5mm的步长从1.0mm增加至6.0mm。
对该60组不同结构参数下的电机进行电磁场有限元分析，计算获得馈能电压、馈能功率及最大推力值。
在此基础上进行分析，根据每个大组的两个变量变化所仿真得到的数据，分析获得如下结论：
增加永磁体厚度，减小外磁轭厚度，对馈能电压、馈能功率、电机最大输出力的提高均起促进作用。增加附加内磁轭的厚度，减小线圈厚度，对馈能电压、电机最大输出力的影响较小。增加附加永磁体的厚度，同时减小线圈厚度，对馈能电压、馈能功率有很大程度的提升，但是会导致最大输出力大幅度降低。增加附加附加内磁轭的厚度，同时减小永磁体厚度，对馈能电压、馈能功率和最大输出力均有很大程度的提升。增加附加内磁轭厚度，减小外磁轭厚度，对该装置各项性能均有所提升，对最大输出力提升最为明显。
对计算得到的结果进行评估，选取每一大组中对电机性能提升最大的一组参数。对所有选取的共6组变量按照互补的原则组成完整的电机结构参数，本例中将第一组Lm、Loy与第二组Lai、Lc；第三组Lc、Lm与第六组Lai、Loy；第四组Lai、Lm与第五组Lc、Loy进行组合，共可组成3组完整参数，对组合后的参数再次进行有限元仿真分析。
经过计算发现，参数组合后的结构在馈能功率方面有较大程度的提升，但在馈能电压方面有小幅度的下降，但平均值仍高于汽车蓄电池标准电压12.66V。
根据分析结论，在组合后的参数组上进行调整，主要增加内磁轭厚度，减小外磁轭厚度以及增加永磁体厚度，适当调整线圈布置厚度，最终利用有限元软件计算改变后电机的各项性能。
经过最后的仿真比对，最终确定装置结构为内磁轭厚度5mm，附加内磁轭厚度16.7mm，线圈厚度5.5mm，气隙厚度0.3mm，永磁体厚度14mm，外磁轭厚度为3.5mm，该装置的平均馈能电压为16.99V，平均馈能功率53.41W，最大输出力97.90N。优化后的电机在馈能电压、馈能功率、最大输出力上较原始设计均有一定量的提升，尤其是馈能功率，相比优化前提升较为明显。满足了馈能装置提高馈能功率的需求，与此同时，对馈能电压与输出力也能起到一定的提高作用。
以上仅是本发明的特征实施范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (2)

1.一种馈能悬架馈能装置的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）在车辆原有悬架系统空间的约束条件下，确定馈能电机的外廓尺寸，在外廓尺寸的约束下设计馈能电机的内磁轭、永磁体、线圈以及外磁轭；
2）对电机内部原始设计确定结构参数，并选择待优化的参数，记待优化参数个数为n，n 为偶数；对待优化参数以两个为一组进行分组，共计组，每一组的两个优化参数均设定为变量，在外廓尺寸的约束条件下，以原始设计参数为中间值，以外廓直径 0.5%的长度作为线性步长同时改变两个变量值，依据仿真数据量确定变化次数，假设每组变化m 次，至此，待优化参数以其中两个变量为一组共分为/>大组，每个大组中有m 组，共/>组，其次，对该/>组不同结构参数下的电机进行电磁场有限元分析，计算获得馈能功率及最大推力值；
3）对计算得到的平均馈能功率及最大推力值进行评估，馈能功率和最大推力值较原始设计提升的百分比按照 4:1 的权重作为评判指标，同时要满足平均馈能电压大于汽车蓄电池标准电压 12V，在每一大组中选取上述评判指标提升最大的一组参数；其次对所有选取的共组变量按照互补的原则组成完整的电机的参数，记k＝n/2 ，共可组成/>组完整参数，对组合后的参数再次进行有限元仿真分析；
4）在上述计算数据的基础上进行分析，综合比对每对参数的仿真计算结果，获得馈能装置各参数对馈能电压、馈能功率以及输出力之间的影响规律，用于进一步的优化；根据分析结论，对上述组合后的参数，依照规律，在组合后参数的基础上进行调整，以进一步促进馈能功率及最大输出力的提升；
包括：增加永磁体厚度，减小外磁轭厚度，对馈能电压、馈能功率、电机最大输出力的提高均起促进作用；增加附加内磁轭的厚度，减小线圈厚度，对馈能电压、电机最大输出力的影响较小；增加附加永磁体的厚度，同时减小线圈厚度，对馈能电压、馈能功率有很大程度的提升，但是会导致最大输出力大幅度降低；增加附加附加内磁轭的厚度，同时减小永磁体厚度，对馈能电压、馈能功率和最大输出力均有很大程度的提升；增加附加内磁轭厚度，减小外磁轭厚度，对该装置各项性能均有所提升，对最大输出力提升最为明显；
再次利用有限元软件计算其各项性能，并选取调整后电机平均馈能功率与最大输出力较调整前提升最大的一组参数作为最终设计。
2.根据权利要求1所述的馈能悬架馈能装置的优化方法，其特征在于，步骤1)中具体设计步骤为：在径向设计上，其中内磁轭采用悬架原有的活塞杆，附加内磁轭、线圈、永磁体、外磁轭按照15：5：20：2的比例分配厚度进行设计；在轴向尺寸上，使得外磁轭高度布满悬架系统上下运动剩余的空间，并同时作为该装置的外壳；附加内磁轭的高度为外磁轭高度与悬架最大行程之差；在附加内磁轭上布置线圈，线圈高度设计为其厚度的1.5倍；根据线圈的高度，设计永磁体的高度，永磁体布置采用Halbach阵列，其一组轴向与径向的永磁体总高度为相邻两线圈中心的间距，以使其满足直线电机运动的电磁回路，并布满外磁轭内侧。
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