一种再生直驱电磁主动悬架的效能
Bart L. J. Gysen, Member, IEEE, Tom P. J. van der Sande, Johannes J. H. Paulides, Member, IEEE, and Elena A. Lomonova, Fellow, IEEE
【摘要】本文研究了与汽车应用相关的直驱电磁主动悬架系统的效率和功耗特性。其中指出了一种麦弗逊悬架系统，该系统主要由一个直驱无刷管状永磁制动器加上一个被动弹簧和减振器并联组成。这种悬架系统既能提供主动力，又能因强制运动而再生动力。为改善汽车的舒适性和操作稳定性，研究人员又开发了一种线性二次调节控制器，该调节器主要将耗电量模拟为主动悬架系统中被动阻尼的函数，最终，在1/4轿车试验装置上进行了测量并验证分析了仿真结果。
【关键词】主动悬架，永磁执行器，1/4轿车
一、 简介
汽车工业现在和未来的趋势都是将混合动力电动汽车（HEVs）和全电动汽车进行商业化。其中一个例子是车轮内电机，它具有高性能、高效率、无机械齿轮、灵活性以及簧下质量如电池组所需的空间更少等特点。除这些改进之外，这项技术还有一个主要的缺点，由于非簧载质量比的增加，导致汽车舒适性和稳定性急剧下降。尽管在车轮内电机中允许自由度独立控制牵引力和制动力，改善汽车行驶舒适性仍极其困难。因此，研发出一种主动悬架，对于这些系统的改进是不可或缺的。
电磁主动悬架系统由于其效率高、成本低的优点，逐渐成为目前所用的被动安装、半主动和液压主动悬架系统的替代品。研究证明，与液压系统相比，电磁系统的有限力密度可以通过合理地选择设计方案、材料和几何优化来提高，达到相对较高的数值663kN/msup3;。除此之外，有限的再生能力使这些系统更加符合降低碳排放的要求。由于电动汽车的发展，电磁悬架系统更容易装载其上，因为电动汽车有独立控制主动悬架系统峰值功率和再生功率的能源存储系统。最后，与液压和气动悬架系统相比，这些系统提供的带宽增加了约10倍，大大提高了整车控制的舒适性、稳定性和灵活性。本文研究了直驱式电磁主动悬架系统的效率和功率消耗，如图所1示，由螺旋弹簧与无刷管式永磁执行器(TPMA)并联而成。由于极高的力密度，理想的零吸力，管状结构，以及没有机械变速箱的特点，该系统为达到在极短响应时间内产生主动力的目的提供了一个很好的选择。此外，它还可以将直线运动直接转化为电能，从而降低总能耗。在第二节中，给出了电磁悬挂系统的拓扑和规格，以及相关开发的宝马530i样机的性能数据，如图2所示。第三节讨论了汽车舒适性和操控性目标的建模和控制设计。首先考虑主动悬架中的被动阻尼量是一个变量，然后根据被动阻尼量的大小，针对给定的参数设计了一种线性二次型调节器(LQR)控制器。第四节中显示了所有标准的仿真结果，概述了总体功耗和效率。在1/4轿车测试装置上进行的测试，验证了模拟性能，并指出为达到相应舒适性和操纵所需求的功耗。最后，在第五节中得出结论。
二、电磁悬架系统
电磁悬挂系统的体积规格使其可以在宝马530i进行改装。原先麦克弗森悬架的被动支柱将被图1和2中所示的电磁悬架系统所取代。它由一个支撑弹簧质量的被动螺旋弹簧和一个直接驱动的无刷TPMA组成。在安全方面，当发生电力故障时，悬挂系统应提供阻尼，因此应在主动悬挂系统中加装减振器，可以通过并联充油阻尼器来实现。但考虑到电磁执行器，它是通过在导电非叠层定子中感应的涡流来获得的，其问题在于被动阻尼应该是一个有效的系统数。该系统给出了特定的规格，轮胎负荷和悬挂行程。一般来说，较低的被动阻尼将增加再生功率的能力，因为执行器必须执行阻尼功能，但是由于发生电源故障时会产生较少的被动阻尼从而导致安全性降低。因此，在初始分析时，将被动阻尼的大小视为变量，并分析其对性能和功率消耗的影响。
这种悬浮系统已经进行了优化和设计，使得TPMA的外管上有永久磁铁(PMs)，内管有一个三相开槽定子。PM阵列通过铝制外壳连接到轮毂，如图1所示。具有三相绕组拓扑的开槽定子附着在车体上，从而避免了导线的移动。该驱动器是针对最小铜损耗设计的，平均输出力为1kN。所有构造原型的参数汇总于表一。力-电流依赖关系如图3所示，其中近似的电机常数为115 N/A，该常数在2100 N之前是有效的。普通乘用车的12V电池不应是限制因素，因为汽车工业的发展趋势是向更高的电压水平走的，特别是在混合动力汽车和全电动汽车这一领域。
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