车辆悬架馈能发电用圆筒形永磁直线电机正向设计方法与流程

本发明属于车辆馈能悬架系统馈能发电装置结构参数设计，具体涉及车辆悬架馈能发电用圆筒形永磁直线电机正向设计方法。

背景技术：

随着全球范围内日益突出的能源问题，节能与新能源利用已成为当前国际汽车工程领域的研究热点，汽车悬架振动能馈能发电可以用于能源效率提升、悬架特性调整等方面，正受到国内外相关学者和工程师的广泛关注，其中，圆筒形永磁直线电机由于其固有的结构简单可靠、安装便捷等优点也逐渐应用于汽车悬架振动能量回收领域。

传统的圆筒形永磁直线电机结构参数设计方法的电机输出模型过于简化、约束条件单一、优化目标简单，主要以输出电压有效值或转换效率等作为指标进行结构参数设计优化，而馈能悬架系统的悬架性能必然会受到圆筒形永磁直线电机的影响，包括对馈能悬架系统固有悬架特性、车辆的操作性和舒适性的影响。目前该研究领域在设计馈能发电装置时，未出现在参数设计之初考虑馈能装置对悬架特性的影响与综合的馈能发电性能的正向设计方法，一般是制作样机后进行试验，没有完整的结构参数设计理论体系。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提出了车辆悬架馈能发电用圆筒形永磁直线电机正向设计方法，建立确保馈能悬架系统的固有悬架特性和馈能发电特性的理论设计体系。

技术方案：为了解决上述问题，本发明提出了一种车辆悬架馈能发电用圆筒形永磁直线电机正向设计方法，其步骤如下：

(1)建立含圆筒形永磁直线电机结构参数的馈能悬架系统动力学模型和电输出模型，包括电机电磁力—输出电压—位移模型、被动/半主动悬架动力学模型；

(2)建立馈能悬架系统动力学模型和电输出模型，所述的馈能悬架系统动力学模型通过“四分之一”馈能悬架系统动力学方程组建立；

(3)求解电机结构参数约束条件，并推导电机性能评价函数；

(4)电机结构参数设计优化。

进一步的，步骤(1)所述的电机电磁力—输出电压—位移模型、被动/半主动悬架动力学模型方程组如下：

其中，表示馈能悬架动力学模型二阶微分方程组，xi表示路面激励，xu表示非簧载质量相对位移，xs表示簧载质量相对位移，Fd表示阻尼器阻尼力，Fm表示电机电磁力；G表示圆筒形永磁直线电机绕组微分方程，is表示绕组电流，Ψs表示空载磁链，Ls表示绕组电感矩阵，Rs表示绕组内阻，RL表示电机负载。

其中，步骤(1)所述的建立含圆筒形永磁直线电机结构参数的馈能悬架系统动力学模型和电输出模型，保持馈能悬架系统固有悬架特性以及高馈能发电特性下的电机结构参数约束条件求解，推导求解悬架性能评价方程和绕组最大功率点表达式，得到电机结构参数约束条件，所述的表达式如下：

其中Fs表示悬架性能特性评价函数，B1、B2表示悬架性能约束边界；Pm表示绕组最大输出功率点。

进一步的，在圆筒形永磁直线电机结构参数约束条件下的设计优化，以绕组最大功率输出点表达式为目标函数，悬架性能评价方程为控制方程，结构参数约束条件转化为如下最优值问题：

min{-Pm}

s.t.B1≤Fs≤B2

进而应用最优化方法求得电机结构参数。

更进一步地，步骤(1)建立的圆筒形永磁直线电机解析模型为圆筒形永磁直线电机电磁力—输出电压—位移解析模型，通过求解柱坐标系下圆筒形永磁直线电机磁矢方程，求得含电机结构参数的绕组空载磁链、绕组电感矩阵、轴向电磁力；

其中电磁力与输出电压定义如下：

其中A＝(0 Aθ 0)表示柱坐标下磁矢，Aθ表示磁矢在柱坐标系下的θ方向分量，J表示绕组电流密度，Ψs表示空载磁链。

进一步地，步骤(2)所述的“四分之一”馈能悬架系统动力学方程组如下：

其中ks表示弹簧刚度系数，kt、ct分别表示轮胎的刚度系数、阻尼系数。

进一步地，步骤(2)中圆筒形永磁直线电机的电输出方程为：

其中Ψt表示定子绕组在激励电流密度Jt下的绕组磁链，it表示Jt对应的绕组电流。

其中，步骤(2)中求解馈能悬架系统动力学方程组时，将簧载/非簧载质量位移解代入悬架固有特性约束不等式中求解电输出方程最大输出功率点，所述的悬架固有特性约束不等式如下：

其中Fs表示悬架固有特性评价函数，B1、B2表示悬架固有特性约束边界；所述的电输出方程最大输出功率点为：

Pm＝Pm(Aθ，Rs，Ls)。 (7)

更进一步地，所述的圆筒形永磁直线电机结构参数优化设计转化为为最优问题，其计算表达式如下：

min(-Pm} (8)

其中Pm表示绕组最大输出功率点，Fs表示悬架性能特性评价函数，xu表示非簧载质量相对位移，xs表示簧载质量相对位移，B1、B2表示悬架固有特性约束边界。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著的效果在于本发明通过馈能悬架系统下圆筒形永磁直线电机结构参数目标函数和约束条件的建立求解，即首先确保电机结构参数对悬架固有特性影响在约束范围内，同时电机绕组以最大功率输出取代传统的电输出评价方式；将电机结构参数正向设计问题表示为最优值问题；另一方面，本发明提出的圆筒形永磁直线电机结构参数优化设计方法易于实现、精度高、可靠性强，无需制作样机反复试验验证，易于投入实际应用。

附图说明

图1是单相动磁式圆筒形Halbach永磁直线电机结构与结构参数示意图；

图2是“四分之一”馈能悬架系统动力学模型图；

图3是ANSYS与MATLAB/SIMULINK的联合仿真试验平台及其结构示意图。

具体实施方式

为了详细的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图，以单相动磁式圆筒形Halbach永磁直线电机应用为例说明具体实施方式。

如图1所示，为柱坐标下圆筒形永磁电机结构与结构参数。该电机径向由内而外分别由：被铁，永磁体阵列，气隙，定子绕组，以及定子铁心组成；永磁体阵列为Halbach的分布方式；定子绕组安置于定子铁心开槽中，并以单相方式接线。这里，假设电机各径向边界半径为Rx，电机极距为τp，槽壁厚度为s1，各磁介质相对磁导率为μx，永磁体矫顽力矢量为Hc。

第一步：圆筒形永磁直线电机解析模型建立

从麦克斯韦方程组出发，列写柱坐标系下电机内各区域磁矢方程组

以θ方向展开化简为

令绕组电流密度为零，求解得各区域含电机结构参数的磁矢通解

(A)θ＝Aθ(x，r，z，Rx，τp，s1，μx，Hc)，由电磁力与输出空载电压定义得圆筒形永磁直线电机Fm-Uo-x模型：

强加绕组电流密度Jt，求解得各区域磁矢通解AθJ(r，z，Rx，τp，s1，μx，Hc)，得绕组电感Ls

其中sw表示定子槽截面，M表示绕组槽数，N表示绕组总匝数。

第二步：馈能悬架系统动力学模型和电输出模型建立

如图2所示为“四分之一”车辆馈能悬架系统模型，车辆簧载质量为Ms，非簧载质量为Mu，ks表示悬架刚度系数，kt、ct分别表示轮胎的刚度系数和阻尼系数，Fd＝Fd(xs-xu)为阻尼器输出阻尼力，Fm＝Fm(xs-xu)为圆筒形永磁直线电机输出电磁力，列写系统动力学方程

其中，阻尼器可为被动阻尼器或磁流变阻尼器。

而圆筒形永磁直线电机的电输出方程为

其中is表示在负载RL下待求解的电机绕组电流。

第三步：电机结构参数约束条件求解

车辆悬架系统常用性能评价函数质心加速度传输率Tag、悬架动行程传输率Tdr、轮胎动载荷系数DLC等可用于悬架固有特性评价。由实际悬架性能需求，如悬架固有共振第一共振点在1-1.5Hz、第二共振点在8-10Hz，可求得馈能悬架系统悬架固有特性约束条件

其中xs、xu在不同xi频率激励下含电机结构参数的动行程解；求解电机绕组方程，以绕组最大功率运行，最大功率如下：

Pm＝max[is²(Uo，Rs，Ls，RL)·RL] (21)

且最大功率作为电能输出指标。

圆筒形永磁直线电机结构参数可由ANSYS等有限元分析软件进行设计优化，其参数扫描范围为求得的电机结构参数约束条件。为验证本发明提出的圆筒形永磁直线电机结构参数正向设计方法有效性，如图3所示，在MATLAB/SIMULINK环境下建立了上述馈能悬架系统动力学模型，并通过ANSYS与MATLAB/SIMULINK的联合仿真平台仿真试验来验证该电机结构参数设计方法的有效性。

通过上述具体实施方式，本发明以馈能悬架系统固有悬架特性为约束，确保电机有高性能电输出为目标，提出了用于车辆馈能悬架系统的圆筒形永磁直线电机结构参数正向设计方法，并且提出的结构参数约束条件可用于多种优化方法求解该圆筒形永磁直线电机结构参数，便于优化结果的比较论证，最后本发明提出的正向设计方法思想，适用于各种圆筒形永磁直线电机结构参数设计优化，也可以推广到半主动馈能悬架系统的协同减振与最优控制。