電磁減震器原理

日立

以日本日立制作所研制的電磁減震器為例，這款是電磁減震器由傳感器、電子控制器ECU、圓筒型線性電動(dòng)機(jī)和彈簧液壓減震器4大部分組成的有源懸架系統(tǒng)。

系統(tǒng)中的傳感器有加速度傳感器和懸架行程傳感器。加速度傳感器用來(lái)檢測(cè)路面凹凸不平的程度，輸送給電子控制器ECU，發(fā)出指令控制線性電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生與減震器運(yùn)動(dòng)方向完全相反的反作用力運(yùn)動(dòng)行程，減輕車輛上下的振動(dòng)。懸掛行程傳感器用來(lái)檢測(cè)減震器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)行程，然后反饋給電子控制器ECU適時(shí)修正線性電動(dòng)機(jī)的反作用力運(yùn)動(dòng)行程。

系統(tǒng)中的核心部件

是線性電動(dòng)機(jī)和電子控制器ECU，線性電動(dòng)機(jī)實(shí)際上就是由定子線圈和運(yùn)動(dòng)磁鐵組成的直線電動(dòng)機(jī)，其工作原理與普通旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)相同。普通旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)是利用電流的變化，使電動(dòng)機(jī)的定子線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，感應(yīng)轉(zhuǎn)子磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)。直線電動(dòng)機(jī)可視為將普通旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)從圓心沿半徑切開(kāi)后，平直展開(kāi)而成，這樣原本旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)就變成了直線方向行進(jìn)的磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)也變成直線移動(dòng)。

系統(tǒng)對(duì)電流大小的控制

安裝在彈簧液壓減震器下部的線性電動(dòng)機(jī)，其定子線圈固定在減震器缸體上，線圈中的電流強(qiáng)度直接由電子控制器ECU控制，電子控制器ECU根據(jù)加速度傳感器檢測(cè)到的路面實(shí)際狀況和懸架行程傳感器檢測(cè)到的實(shí)際運(yùn)動(dòng)行程，發(fā)出指令精確控制輸入定子線圈的電流強(qiáng)度，從而精確控制直線電動(dòng)機(jī)的反方向運(yùn)動(dòng)阻尼力和減振力，緩和路面的沖擊與振動(dòng)。輸入的電流越大，定子線圈中產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越強(qiáng)，直線電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生反方向的阻尼力和減振力也就越大， 由此可見(jiàn)，系統(tǒng)對(duì)電流大小的控制完全與行駛加速度及路面顛簸狀況相適應(yīng)。

這就意味著可以根據(jù)各種路況和載荷情況選擇最佳的減振力。當(dāng)車輛在凹凸不平的惡劣路面上行駛或由單人駕駛改為雙人騎乘，車輪劇烈地跳動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制定子線圈輸入更大的電流，使直線電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生與減震器運(yùn)動(dòng)方向完全相反的更大阻尼力和減振力，抵消緩沖減震器的劇烈振動(dòng)。電子控制器ECU可在1 S時(shí)間內(nèi)讓減震器的阻力和減振力連續(xù)改變1 000次，與單獨(dú)使用彈簧液壓減震器相比，既提高響應(yīng)速度，又可提高舒適性，堪稱全球動(dòng)作最快、最先進(jìn)的智能懸架系統(tǒng)。

使用線性電動(dòng)機(jī)與不使用線性電動(dòng)機(jī)相比可將振動(dòng)頻率在1.5 Hz附近的振動(dòng)減輕8 dB。目前，該電磁減震器已經(jīng)安裝在SUV (Sports Utility Vehicles)運(yùn)動(dòng)型多用途車上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，獲得了大量的實(shí)際行駛數(shù)據(jù)。預(yù)計(jì)到2009年可小批量安裝到SUV汽車和大排量運(yùn)動(dòng)型摩托車上。

日立制作所研制的電磁減震器

日本日立制作所研制的電磁減震器是由傳感器、電子控制器ECU、圓筒型線性電動(dòng)機(jī)和彈簧液壓減震器4大部分組成的有源懸架系統(tǒng)。

日立制作所研制的電磁減震器與單用彈簧液壓減震器對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，紅線為使用線性電動(dòng)機(jī)控制時(shí)車身垂直振動(dòng)加速度隨振動(dòng)頻率的變化曲線，黑線為單獨(dú)使用彈簧液壓減振，即不使用線性電動(dòng)機(jī)時(shí)的變化曲線?？梢?jiàn)，使用線性電動(dòng)機(jī)與不使用線性電動(dòng)機(jī)相比可將振動(dòng)頻率在1.5Hz附近的振動(dòng)減輕8dB。目前，該電磁減震器已經(jīng)安裝在SUV(Sports utility Vehicles)運(yùn)動(dòng)型多用途車上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，獲得了大量的實(shí)際行駛數(shù)據(jù)。預(yù)計(jì)到2009年可小批量安裝到SUV汽車和大排量運(yùn)動(dòng)型摩托車上。

發(fā)電減震器PGSA

美國(guó)博斯(BOSE)公司研制成功的動(dòng)力-發(fā)電減震器PGSA(Power-Generating Shock Absorber。)與日本日立制作所研制的電磁減震器的不同點(diǎn)是取消了彈簧液壓減震器，完全由線性電動(dòng)機(jī)電磁系統(tǒng)LMES(Linear Motion Electromagnetic System)組成電磁減震器。不僅進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而且可在正常行駛工況下，具有發(fā)電功能，每個(gè)PGSA可產(chǎn)生至少25 w的功率為電動(dòng)車電池充電，這對(duì)于完全依靠電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車來(lái)說(shuō)是非常有利的，可以較大幅度地增加蓄電池的電力，延長(zhǎng)電動(dòng)車的續(xù)駛里程。

美國(guó)博斯公司是世界上著名的立體音響制造商，線性電動(dòng)機(jī)技術(shù)早已運(yùn)用于硬盤(pán)機(jī)讀取頭(也稱激光頭)上，在制造線性電動(dòng)機(jī)方面積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。公司設(shè)計(jì)大師蓋瑞.馬歇爾(Garry Marshall)通過(guò)多年的努力，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種全新的完全可用于電動(dòng)車上的動(dòng)力一發(fā)電減震器PGSA，其外形尺寸和安裝方式與傳統(tǒng)彈簧液壓減震器完全相同，安裝到普通電動(dòng)車上不需要任務(wù)改裝，使用非常方便，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

增大電動(dòng)車蓄電池電力

高密度永久磁鐵組鑲嵌在運(yùn)動(dòng)活塞上，活塞桿通過(guò)兩端尼龍滑動(dòng)軸承固定在減震器缸體上，缸體與活塞之間留有適當(dāng)?shù)拈g隙，從而使永久磁鐵活塞可以在缸體內(nèi)自由往復(fù)滑動(dòng);缸體上的定子線圈通過(guò)連接導(dǎo)線與外界電子控制器ECU相連。當(dāng)電動(dòng)車在減振性能良好的路面上行駛時(shí)，由于減震器下端直接與車輪或搖架相連，因此帶動(dòng)減震器內(nèi)的永久磁鐵活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，高密度永久磁鐵形成的強(qiáng)大磁場(chǎng)不斷切割定子線圈，從而使定子線圈產(chǎn)生感應(yīng)交流電，經(jīng)整流后變成直流電，輸送電子控制開(kāi)關(guān)。由電子控制器ECU直接控制的電子開(kāi)關(guān)，將每個(gè)電磁減震器上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)(平均每個(gè)大干25 w)及其它電子裝置上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)(例如制動(dòng)再生電流)收集起來(lái)，輸送給蓄電池，為蓄電池充電，達(dá)到增大電動(dòng)車蓄電池電力的目的。

電磁減震器的發(fā)電功能和減振性能完美統(tǒng)一

當(dāng)電動(dòng)車在凹凸不平的惡劣路面上行駛或由單人駕駛改為雙人騎乘，車輪劇烈地跳動(dòng)時(shí)，電子控制器ECU通過(guò)加速度傳感器和其它傳感器立即感知到這一變化，于是控制電子開(kāi)關(guān)切斷動(dòng)力-發(fā)電減震器的輸出回路，接通定子線圈的輸入回路，為定子線圈輸入外加電流，動(dòng)力-發(fā)電減震器瞬間便變成線性電動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生反方向阻力和減振力，緩和路面的沖擊與振動(dòng)。輸入的外加電流越大，定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)，直線電機(jī)產(chǎn)生的反方向阻力和減振力也就越大，系統(tǒng)對(duì)電流的控制完全與行駛加速度及路面顛簸狀況相適應(yīng)。這就意味著可以根據(jù)各種路況和載荷選擇最佳的減振力，使電動(dòng)車的行駛舒適性和運(yùn)動(dòng)性完美統(tǒng)一，使電磁減震器的發(fā)電功能和減振性能完美統(tǒng)一。

電流變與磁流變減震器

電流變與磁流變減震器主要包括電磁減震器、電磁液、傳感器及控制器4大部分，這種電磁減震器內(nèi)采用的不是普通的減振油，而是使用一種黏性連續(xù)可控的新型功能材料--電流變或磁流變特殊減振液。

電流變減振液是由合成碳?xì)浠衔镆约?~l 0μm大小的磁性顆粒組成，在外加電場(chǎng)作用下，其流變材料的性能，如剪切強(qiáng)度，外觀黏度等會(huì)發(fā)生顯著的變化。將這種特殊減振液裝入電流變減震器內(nèi)，通過(guò)改變電場(chǎng)強(qiáng)度使電流液的黏度改變，從而改變減震器的阻尼力，使阻尼力大小隨電場(chǎng)強(qiáng)度的改變而連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)阻尼力無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，達(dá)到在舒適模式下，減振液較為粘稠，吸振效果較顯著;而在運(yùn)動(dòng)模式下，減震器會(huì)直率地傳遞道路表面的狀況。這2種模式會(huì)帶給駕駛者截然不同的全新感受。

電流變液體存在問(wèn)題

如屈服強(qiáng)度小，工作溫度范圍較窄，零電場(chǎng)黏度偏高，懸浮液中固體顆粒與基礎(chǔ)液體之間比重相差較大、容易分離，沉降穩(wěn)定性差，對(duì)雜質(zhì)敏感等難以適應(yīng)電流變減震器長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的需要。要使電流變減震器響應(yīng)迅速、工作可靠，必須解決5大問(wèn)題:1)要設(shè)計(jì)一個(gè)體積小、質(zhì)量小，能任意調(diào)節(jié)的高壓電源;2)為保證電流變液體的正常工作溫度必須要設(shè)計(jì)一個(gè)散熱系統(tǒng);3)充裝電流變液體時(shí)，要保證無(wú)污染;4)要有性能優(yōu)良的電流變液體;5)要解決高壓電源的絕緣與封裝等。電流變減震器正處于研究發(fā)展階段，目前國(guó)外已有一些產(chǎn)品問(wèn)世，如德國(guó)的電流變減震器及美國(guó)的相關(guān)產(chǎn)品等。

擠壓模式減震器

具有小位移大阻尼力的特點(diǎn)，主要用于精密儀器減振。目前，應(yīng)用較多的一般是基于流動(dòng)模式或是基于流動(dòng)模式和剪切模式的混合模式。剪切閥式磁流變減震器的工作原理圖。當(dāng)活塞與缸體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則會(huì)擠壓缸體內(nèi)的磁流變液體，迫使其通過(guò)活塞與缸體之間的間隙從一端流向另一端;當(dāng)間隙加上由線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)后，則其中的磁流變液體固化，變?yōu)檎乘苄泽w，使活塞與缸體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻尼力增大，通過(guò)調(diào)節(jié)線圈的電流大小調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的強(qiáng)度，從而可以調(diào)節(jié)減震器的阻尼力大小。磁流變減震器具有電流變減震器同樣的特點(diǎn)，但是磁流變液體的磁化和退磁需要時(shí)間，因此響應(yīng)速度比電流變減震器稍許慢些。

結(jié)論

總之，無(wú)論是電流變或磁流變電磁減震器，都無(wú)須移動(dòng)任何機(jī)械部件，實(shí)現(xiàn)阻尼力的連續(xù)、無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，響應(yīng)非常及時(shí)。減震力僅取決于電磁流變液體的電流大小或磁場(chǎng)強(qiáng)度，調(diào)節(jié)頻率可達(dá)l000 Hz。

電磁流變減震器，該減震器活塞上繞有電磁線圈，當(dāng)電磁線圈中無(wú)電流通過(guò)時(shí)，活塞內(nèi)4個(gè)微型通道中的電磁液未被磁化，不規(guī)則排列的磁性顆粒呈均勻分布狀態(tài)，產(chǎn)生的阻尼力與普通減振油相同;一旦控制單元發(fā)出脈沖信號(hào)，線圈內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生電壓，從而形成一個(gè)磁場(chǎng)，并改變粒子的排列方式。這些粒子馬上會(huì)按垂直于活塞運(yùn)動(dòng)的方向排列，阻礙油在活塞微型通道內(nèi)流動(dòng)，提高阻尼效果?；钊€圈中輸入的電流強(qiáng)度越大，形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，磁性顆粒被磁化的程度越好，產(chǎn)生的阻尼力就越大。由此可見(jiàn)，磁流變液體產(chǎn)生阻尼力的大小隨輸入電流強(qiáng)度的大小而變化，電子控制器ECU完全可以根據(jù)道路狀況和載荷情況，通過(guò)適時(shí)準(zhǔn)確地控制輸入活塞線圈的電流強(qiáng)度，精確地控制減震器的減振性能，達(dá)到舒適性和運(yùn)動(dòng)性完美統(tǒng)一的最佳效果，即使是在最顛簸的路面，也能保證車輛平穩(wěn)行駛。