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【技术分享】汽车电磁主动悬架的研究现状与发展趋势
2019-04-11 00:00:41· 来源：彭冲，李连 《重型汽车》
摘要：主动悬架是基于汽车在行驶过程中运动状态和路面状况变化产生主动控制力使车辆处于最佳减振状态。电磁主动悬架具有无接触摩擦、响应快、控制力大、适应频率
摘要：主动悬架是基于汽车在行驶过程中运动状态和路面状况变化产生主动控制力使车辆处于最佳减振状态。电磁主动悬架具有无接触摩擦、响应快、控制力大、适应频率宽、可控性好等优点，是实现汽车主动悬架系统的主要途径，电磁主动悬架成为国内外研究热点。基于国内外近年对电磁主动悬架的研究现状，对各类电磁主动悬架的作动器进行分析总结，最后针对电磁主动悬架目前的关键问题和悬架系统目前馈能研究现状进行了总结。
关键字：电磁主动悬架，感应直线，永磁直线
随着科技的发展与生活水平的提高，人们对汽车的舒适性，操纵性和安全性要求也逐渐提高。而悬架系统直接影响了汽车在行驶过程中的平顺性、操纵稳定性、舒适性等性能，为提高车辆平顺性与舒适性，各类新型悬架得到了飞快的发展。相比不可控的被动/ 半主动悬架难以适应各类路面的状况及驾驶环境的变化，主动悬架根据汽车的运动状态和路面状况的变化产生主动控制力，保证悬架系统总是处于最佳减振状态。
本文针对近年国内外车辆电磁主动悬架研究，对各类车辆电磁主动悬架结构研究现状进行分析，并对电磁主动悬架的能耗及能量回收的研究进行了总结分析。应用汽车电磁主动悬架主要有滚珠丝杆式、感应直线电机式和永磁直线电机式，电磁主动悬架的馈能特性是解决悬架应用过程中高能耗的主要途径，最后探讨了悬架馈能的发展状况及趋势。
一、汽车电磁主动悬架发展
主动悬架早在1954年就被GM公司的Erspiel Labrossc在悬架设计中被提出，发展到现在，主动悬架一般采用一个液动或电动的力发生器（称为作动器）来代替传统被动悬架中的弹簧与减振器，而目前用于实车上的主动悬架一般为液压式主动悬架。如Nissan公司研发了一款电控液压主动悬架，其主要有液压和电子控制两大系统组成，其控制系统采用天棚阻尼与频率阻尼装置，该悬架系统用于infiniti Q45豪华轿车上，但液压主动悬架存在油液泄漏、管道破裂、环境污染、质量大、结构复杂等缺点，且大部分油液为有毒物质。自1980起Bose公司通过24年的研究，成功研发了一款电磁主动悬架系统，用于实车中具有较好的舒适性与操稳性，悬架系统采用空气弹簧支撑静态簧载质量以减少电能消耗，在轮毂中安装阻尼器减少垂向振动，并且该悬架系统具有较宽的频域特性。与液压式主动悬架相比电磁主动悬架具有有无接触摩擦、无润滑、功耗低、响应快、控制力大、适应频带宽、输出位移和输出力较大、可控性好等优点。其中高可控性是电磁主动悬架的最大特点，实现电磁主动悬架技术大致有旋转电机结合传动装置、电磁感应直线电机和永磁无刷直线电机。
二、电磁主动悬架的分类
二、电磁主动悬架的分类
2.1 滚珠丝杆式
滚珠丝杆式电磁主动悬架是由旋转式电机与旋转直线转换机构组成的装置演变而来，在旋转电机具有成熟设计与控制方法基础上，主动悬架采用传动装置将旋转运动转换为直线运动，对旋转电机进行控制实现对旋转电机的控制。该类悬架系统在20世纪90年代美国德克萨斯大学电机中心进行了一系列研究，初始采用旋转电机与齿轮齿条结合实现旋转与直线运动的转换与力矩的传递。
东京大学Kawamoto 、Suda等人对该类电磁作动器具体结构进行优化设计，解决了等效惯量大、结构冲击等问题，同时对作动器进行了深入的理论研究、仿真建模、实车样机试验，结果表明，采用该悬架系统汽车平顺性得以提高，且悬架系统能量能实现自供应，功率值为-15.3W。
国内西南交通大学欧阳东等人采用最优控制算法，对滚珠丝杆式电磁主动悬架的馈能系统进行了研究，上海交通大学喻凡等人基于某款乘用车研制一款滚珠丝杆式电磁作动器，对悬架系统的性能改善和回收能量特性进行深入的理论研究和台架试验验证，研究表明该悬架系统用于实车上有助于改善车辆的平顺性与舒适性，具有广阔的前景。
滚珠丝杠式悬架其主要特点在于推力体积大、传动效率高、过载能力强和动态响应好。基于该悬架自身结构，作动器电磁力是旋转电机通过传动装置转变而来，结构复杂导致具有较大等效惯量和结构冲击影响作动器性能。虽然滚珠丝杆使得传动效率有一定提高，但作动器工作时仍具有较大摩擦阻尼影响作动器的效率，因此，结构优化和效率提高是此类主动悬架的研究重点。
2.2 感应直线电机式
感应直线电机式悬架作动器是由旋转电机演变出的直线电机而来，因而直线电机也是电磁主动悬架研究热点，其中电磁感应直线电机是实现电磁主动悬架方式之一。电磁主动悬架采用与车身弹簧并联的方式以减小能量消耗，为方便与车身弹簧并联安装并保证电磁力大小，在电磁主动悬架中圆柱电磁感应直线电机为圆筒。
重庆大学来飞等人对电磁感应直线电机主动悬架系统进行了深入的研究，设计如图1所示感应直线电机。研究表明：在不平路面激励为2Hz、5Hz时，车身垂向振动加速度、悬架动行程、轮胎动载荷都有很大改善，在激励为10Hz时，垂向加速度有较小改善，而动行程、动载荷性能变差。
图1 感应直线电机式电磁作动器
电磁感应直线电机具有推力体积比大、无接触摩擦、结构简单、响应快速等特点，采用通电线圈产生气隙磁场避免了采用永磁体可能产生退磁、温度影响磁场分布等问题。电磁感应直线电机也存在其固有的缺陷，动态纵向效应导致推力波动、作动器滑移率的启动推力和高推力下的高温是此类主动悬架的主要问题，减小推力波动，降低滑移率影响和满足温度条件下提高作动器推力是发展该类主动悬架的首要任务。
2.3 永磁直线电机式
永磁直线电机是是实现电磁主动悬架的另一种方式，其最大特点与感应直线电机相同具有高推力体积比，构成与感应直线电机相同。与感应直线电机用于悬架系统相同，其结构形式为圆筒型。在永磁直线电机中永磁体排列方式有轴向、径向和Halbach三类。基于作动器高推力体积比特点，径向与Halbach排列磁路理论分析是电磁主动悬架作动器的研究重点。相比径向排列，Halbach排列的圆筒型永磁直线电机产生更高的电磁力。
Ismenio Martin等人在比较了电磁主动悬架和液压主动悬架的基础上，设计一款7极20槽的永磁直线作动器，外径为110mm，行程为180mm。建立对应的有限元仿真模型，并加工出样机，搭建了1/4悬架试验， 研究表明，作动器电磁力大小与电流大小基本呈线性变化，表明电磁作动器具有较高可控性，适用于主动悬架系统。
谢菲尔德大学Jiabin Wang等人对用于主动悬架的永磁直线电机的径向、Halbach排列进行了深入理论分析、推导了各类永磁直线电机磁路分析公式、对应建立仿真模型，针对车辆主动悬架设计对应电磁作动器，进行优化设计并建立对应温度模型，作动器最高推力为1354N，均方根力为518N，利用二次线性调节技术（LQR）设计主动悬架控制器，对悬架系统的仿真表明车身加速度降低了38%。
荷兰埃因霍芬理工大学Bart L. J.Gysen、J.L.G.Janssen等人针对车型BMW545i建立了1/4主动悬架模型，采用Halbach排列作为永磁体排列方式，分析Halbach永磁体外排列、内排列电磁力大小。如图2所示，永磁内排列、外排列两类永磁直线电机式电磁主动悬架，仿真结果与样机在1/4悬架台架试验表明，作动器在5.1A/mm2时电磁力为800N，采用LQR悬架控制器，不同行驶路面进行了仿真分析与台架试验，结果表明，在单个轮消耗功率为47W时簧载质量加速度降低36%，单个轮消耗功率为37W时轮胎动载荷降低54%。
图2 Halbach排列永磁直线电机式电磁作动器
Seungho Lee等人对采用永磁直线电机式电磁主动悬架的控制系统进行了研究，利用三个PWM放大器供应三相电流，针对圆筒型永磁作动器设计反馈控制器、二次线性控制器和模糊控制器分别作为主动悬架控制器，进行了仿真试验，试验表明，与被动悬架相比，衰减路面扰动分别为73%、64%、77%，其中采用模糊控制器可降低簧上质量加速度69%，研究表明，比其他控制器，模糊控制器相更适应于永磁直线式电磁主动悬架。
国内重庆大学邓兆祥、阮德玉等人采用永磁体内部径向排列设计一款永磁直线电机式电磁主动悬架，分析永磁直线电机各结构参数对电磁力的影响，值得注意的是在作动器温度分析表明，作动器堵转180s时温度仍为40°左右，具有较好的温度特性，试验测试结果表明作动器的电磁力控制系统满足了车辆主动悬架作动器电磁力的要求。
永磁直线电机式悬架作动器具有感应直线电机所有优点，其高推力体积比也优于感应直线电机式，消除了滑移率的存在。但也带来永磁体材料固有的问题，如内部结构不稳定、磁后效等引起的可逆与不可逆变换，虽稀土永磁材料快速发展有很大改善，但是一些固有退磁问题是难以避免，绕线开槽和边端突变导致的永磁直线电机推力波动是影响推力精确控制主要因素。则保证推力平稳性和减小永磁体固有特性影响是永磁直线电机式主动悬架考虑的主要问题。
三、电磁主动悬架的关键问题
电磁主动悬架在工作需持续供电，能耗则成为悬架系统的主要问题。基于电磁主动悬架工作原理，作动器提供可控推力，同时在不通电状态可充当发电机，储能系统以蓄电池储能方式将电能储存，提供作动器工作时的电能，以此减小电磁主动悬架的能量消耗。针对各类电磁主动悬架，感应直线电机悬架，磁场是由感应线圈通电产生，其能量回收是建立在能量消耗的基础上，难以满足能量回收的要求。滚珠丝杆式与永磁直线电机式的能量回收磁场分别由转子永磁瓦和动子永磁体提供，满足能量回收条件，此两类电磁主动悬架是主动悬架能量回收研究热点。
Kawamoto等人在设计滚珠丝杆式电磁主动悬架同时对悬架系统能量控制系统进行了设计，对电磁作动器的能量消耗与回收公式进行了推导，通过1/4悬架台架试验台，试验发现悬架采用能量回收系统基本能实现自供应，总能量消耗值为-15.3W。
Okada等人采用直流直线电机作为悬架系统能量回收装置，采用双压充电电路对电能进行回收利用，通过仿真与试验验证了该作动器能量回收特性可行性。Antonin Stribrsky等人采用Copley Controls公司TBX3810三相同步永磁直线电机作为电磁作动器，利用液压作为路面激励建立1/4悬架试验台进行试验。提出电磁作动器的能量控制原则，并对能量控制策略进行了分析，采用H∞控制器实现对悬架系统及能量回收管理的控制。得到不同输入系数的悬架性能参数，输入系数为1.000时，能量回收为127.6J，表明电磁作动器具有较大的能量回收潜力。
基于能量回收特性，滚珠丝杆式在能量回收方面更具有优势，研究发现滚珠丝杆式基本能实现悬架系统的自供应。永磁直线电机式目前还未实现系统自供应，但采用能量回收系统后其能量消耗有一定降低。
四、结论
本文基于近年对国内外对电磁主动悬架的研究，对各类电磁主动悬架技术进行了分析与综述。电磁主动悬架中，滚珠丝杆式与直线电机式将成为近几年电磁主动悬架研究热点。成熟的旋转电机设计与完善控制算法保证滚珠丝杠式具有较高可靠性与可行性。直线电机以其结构简单、无接触摩擦、响应快等优势成为电磁主动悬架主要研究对象，其中永磁直线电机以其推力体积比与控制精度高等特点是主动悬架的最佳选择。在馈能特性上，滚珠丝杆式和永磁直线电机式的能量回收特性使其成为电磁主动悬架发展的主要方向。电磁主动悬架保证了汽车具有一个高效、高能悬架系统，电磁主动悬架的研究是提高悬架性能的突破口，电磁主动悬架若能代替传统被动悬架，使汽车悬架性能将更上一个台阶。
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