车辆电磁悬架技术综述*

喻 凡，张勇超，张国光

(上海交通大学机械与动力工程学院，机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240)

前言

近几十年来，可控悬架系统得到了学术界和工业界的广泛关注。相比于不可控的半主动/被动悬架系统，可控悬架系统根据车辆当前的行驶工况和路况对其车身特性实行自适应控制，因而可提高车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性。主动控制悬架系统的关键就是作动器。目前，液压式主动悬架作动器已经广泛应用在高端乘用车和商用车上，比如LOTUS公司开发的液压悬架通过液压伺服系统控制液压缸内活塞两端的压力差，推动活塞以抑制车身振动和维持车辆行驶姿态。但其缺点为成本较高、结构复杂和附加系统(供油系统等)质量较大。

随着电磁减振材料和电控技术的快速发展，以及在电动车开发趋势的影响下，车辆电磁悬架技术的理论研究逐渐深入，并得到了一些商业化应用。本文中对车辆电磁悬架系统的研究和应用现状进行了回顾，并对当前电磁悬架系统存在的问题和今后可能的发展趋势进行了分析。

1 电磁悬架系统发展现状

根据电磁悬架系统电磁介质和结构的不同，车辆电磁悬架技术可分为磁/电流变减振技术、以电机为作动器的电动悬架技术和磁悬浮技术3个部分。

1.1 磁/电流变减振器

20世纪40年代，磁流变液研制成功，但直到80年代后期，微电子技术的发展才使磁流变液的潜力发挥出来。磁流变减振器原理是将磁流变液体装入减振器，通过改变内外筒之间的磁场强度来改变液体的黏度，从而改变阻尼力。1993年，美国TRW公司将研制成功的磁流变液［1］应用到汽车主动悬架控制系统上［2］。美国福特和通用汽车公司也相继对磁流变减振器的应用进行了研究［3－4］。最著名的是，美国Lord公司与Delphi公司于1999年合作开发出MagneRide 主 动 悬 架 磁 流 变 阻 尼 器［5－6］，装 备 在2002 Cadillac Seville高级轿车STS上，如图1所示。该系统由安装在车轮上的单筒式磁流变减振器、中央控制器、悬架位移传感器、横向加速度传感器和转向盘位移传感器组成。试验表明该系统可在1ms内进行响应，能够有效抑制路面不平引起的车身振动，同时减小汽车制动和转向时引起的俯仰和侧倾，汽车的舒适性和安全性均得到提高。我国对车辆磁流变减振器的研究起步较晚，重庆大学在汽车磁流变减振器的理论基础及工程应用做了大量工作［7－9］，取得了很大进展。此外，浙江大学［10］、南京航空航天大学［11］和同济大学［12］等研究机构也对磁流变减振器进行了理论和试验研究。

电流变液的工作原理与磁流变液类似，是通过改变电流变液的电场强度来改变流变性能，但由于在屈服应力、温度范围、塑性黏度和稳定性等性能方面与磁流变液有一定差距，因此，近年来的研究成果较少。VB-Airsuspension公司于2011年发布了世界上第一款用于轻型商用车的电流变减振器VB-eRR-ide［13］，如图2所示。该系统可提供连续可变可控的阻尼，阻尼变化范围大，动态响应快。实时控制系统应用天棚控制原理，根据测得的加速度和转向盘信号，对车辆舒适性和抓地性进行最优化处理，每隔1ms进行1次阻尼力的调节。国内在电流变减振器研究方面，重庆大学［14－16］进行了电流变减振器理论建模与试验测试和减振控制性能评估等工作。

控制有效、能耗低、造价低的磁/电流变减振器的开发，仍然要取决于材料科学、微电子技术和测控技术的进步。磁/电流变半主动悬架系统的研发尚待解决的问题主要包括:(1)减振器结构与制造工艺，即研究各种结构参数对性能的影响，优化结构和改善制造工艺;(2)磁/电流变液稳定性，即研制沉淀稳定性好、屈服应力高、零场黏度低、响应快、工作温度范围宽的优质磁/电流变液;(3)传感器集成度和可靠性，即将车轮跳动和悬架行程位置传感器与减振器进行结构的融合设计;(4)控制系统集成，基于已有的控制算法研究成果，诸如天棚控制［11，17］、最优控制［18－19］、鲁棒控制［20－21］和滑模控制［22－23］等，开发集信号采集、控制单元、驱动电路为一体的智能控制器，同时与汽车底盘电子系统进行集成。

1.2 永磁电机作动器

本质上，磁/电流变减振器的作用介质是液油，通过液油的黏滞阻力来消耗机械能，以达到抑制振动的效果。由于电机的能量转化方式简单，且效率较高，机械能与电能通过电机可以方便地进行转化。随着高性能永磁材料和永磁电机控制技术的发展，永磁电机作动器逐渐得到研究者们的重视，在车辆悬架上的应用正成为主动悬架研究的热点。

早在1989年，加利福尼亚大学戴维斯分校的Karnopp就提出利用永磁电机作为可变阻尼减振器的想法［24］，理论分析了其可行性和实现方法，通过改变连接阻尼器的外部电阻阻值来改变悬架的阻尼系数，具有低摩擦因数和线性力学特性等优点，但在保证一定阻尼力的同时，体积和质量大是永磁电机在悬架系统应用的一大难题。随后，国外的研究者们开始对永磁电机减振技术进行了理论研究和试验验证。根据电机输出不同形式，本文中将电机作动器分为直线式和旋转式，前者将电能直接转化成线性动能，而后者则输出转矩，再通过传动装置将旋转动能转换为线性动能。

1.2.1 直线式

直线式电机广泛应用于工业自动控制系统和驱动系统，典型的例子有精密机床和磁悬浮列车推进系统。直线式电机在车辆悬架上的应用必须考虑悬架尺寸和运动学、动力学特性，因此，直线式电机作动器多设计成圆筒形。捷克理工大学Stribrsky等人利用Copley Controls公司的三相同步直线电机TBX3810 作为力发生器［25－26］，设计了用于车辆悬架的电磁作动器，并设计了鲁棒控制算法。葡萄牙阿尔加维大学Martins等人研制了轴向磁化的圆筒型永磁直线作动器，通过双向切换控制电路进行电流控制。采用正弦激励信号进行试验，结果表明:作动器电磁力与相电流基本成正比，故可通过控制相电流来控制电磁力。试验结果与仿真结果基本吻合，表明作动器能够产生悬架系统所需的主动控制力。这些电机作动器的优点包括输出力较大，响应快，效率高，具有回收电能的可行性;缺点是成本高，体积较大，供电系统电压要求较高。Seungho Lee等人［27］为其研制的直线式电机作动器设计了LQG和模糊控制器，比较了不同控制策略的减振效果，通过单轮台架试验进行验证。荷兰埃因霍温理工大学Gysen等人与瑞典SKF公司合作为BMW530i开发了筒型永磁作动器(tubular permanent-magnet actuator，TPMA)［28－29］，如图 3 所示。外筒为永磁体动子，内筒为三相开槽定子，内筒定子与车身连接，外筒动子与车轮连接，仍然由机械弹簧支持簧上质量。该作动器具有与传统被动减振器的相同尺寸，通过单轮试验台测试，可显著提高舒适性。

值得一提的是Bose公司成功研制的车辆电磁主动悬架［30－31］，如图 4所示。它显著提升了车辆悬架性能，但到目前为止，Bose公司还未发布关于这套悬架系统的任何数据，也未申请专利。装在每个车轮和底盘上的加速度测量计实时测量车辆的行驶情况，估计路面信息，如凸包或凹坑，控制单元会控制功率放大器为电机供电，使悬架支柱依车身和车轮的相对位置的不同而伸张或收缩，以保持车身运动平稳。

1.2.2 旋转式

旋转式电机作动器由于包含传动装置，所以在结构设计上比直线式电机作动器复杂，在实际应用中，机械传动装置磨损和传动效率损失不容忽视。20世纪90年代，美国德克萨斯大学机电中心Beno等人［32－33］与美国国防部合作开发新型的电控主动悬架系统(electronically controlled active suspension system，ECASS)，并将其应用到美国高机动性多功能车辆上。该系统将旋转电机与齿轮齿条结合用以传递转矩，如图5 所示［34］。以使簧上质量加速度为零为控制目标，实时测量悬架动行程和车轮跳动速度，计算电机的输出转矩，单轮台架试验和实车试验结果表明车辆的舒适性显著改善。东京大学 Suda等人［35－36］对电磁作动器进行了深入的理论研究和模型样机试验，进而使用旋转电机与滚珠丝杠机构试制了实车样机，考察了该系统的减振性能和回收能量特性［37－39］。国内上海交通大学喻凡等人也针对某乘用车设计研制了电磁作动器［40］，如图6所示，并对该系统的性能改善和回收能量特性进行了理论研究［41－42］和台架试验验证［43－44］。

基于永磁电机研发的主动悬架系统完全由车载供电系统来供给电能，实施主动控制，同时有利于机械能向电能转化，并进行电能回收，在能量管理方面国内外研究者们已做了许多工作［29，31，35－36，39，41，45－46］。未来电动车发展的大趋势正好为永磁电机悬架提供了很好的发展平台，因此，这种类型的悬架系统具有较好的发展前景。但是要实现商业化应用，在可靠性、稳定性、失效保护和成本等方面仍然有很多问题需要解决。

1.3 磁悬浮悬架

磁悬浮技术已发展得比较成熟，在轨道车辆的推进系统和支撑系统上地成功得到了商业化应用，如日本的JR-Maglev、德国的M-Bahn和用在上海磁悬浮列车上的德国Transrapid。磁悬浮系统包含超导磁体线圈和作为导向用的悬浮线圈。当列车运动时，由于磁场感应效应，移动的磁场在悬浮线圈中产生电流，此电流又产生一个磁场与超导线圈磁场的作用，使车体获得向上托力，维持列车稳定。磁悬浮在道路车辆上还没有应用，目前只有少数研究者提出了一些设计方案，并进行了理论研究［47－49］，但技术还不成熟。

1.4 电磁悬架在轮毂电机车辆上的应用

目前，在电动车开发过程中，轮毂电机技术，又称车轮内装电机车辆(Motor In-wheel Vehicle)正在得到汽车研究者们的关注。它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，可将电动车辆的机械部分大大简化，因此可预见轮毂电机车辆将是未来电动车发展的一个重要方向。

早在1900年，保时捷就首先制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车，在20世纪70年代，该技术在矿山运输车等领域得到了应用。而对于乘用车所用的轮毂电机，日系厂商(丰田)对于此项技术研发得较早，处于领先地位，美国通用汽车公司也对该技术有所涉足。国内也有自主品牌汽车厂商开始研发该技术，奇瑞公司在2011年上海车展展出的电动汽车瑞麒X1-EV就采用了轮毂电机技术。丰田汽车的Satoshi Murata对轮毂电机车辆的悬架设计进行了深入研究和实际应用［50－52］，并指出造成轮毂电机车辆不能批量生产的关键因素是轮内电机安装空间不足。车轮直径和宽度、悬架结构形式和转向机构都直接影响轮内电机安装的难度，在考虑轮毂电机输出功率的前提下，根据轮内可利用空间来给悬架定量打分，空间越小，分数越高，如图7所示。前悬架由于要安装转向机构，分数高于后悬架。因此，电磁悬架系统由于其体积和质量上的劣势在轮毂电机车辆上的应用难度更大。值得一提的是米其林公司开发的主动车轮［53－54］，如图 8所示，其突破性技术是其紧凑的驱动电机和集成式悬挂系统。车轮中不仅集成了制动盘，还包括驱动电机和悬架电机作动器，这为未来轮毂电机电动车的批量生产提供了关键技术支持。

2 总结和展望

本文中基于近期发表的50余篇文献，对车辆的电磁悬架技术进行了分析和综述。尽管主动悬架对车辆性能的改善毋庸置疑，但由于其成本、附加系统和复杂程度，使车辆主动悬架的市场应用仍不被广泛接受。而近30年来，车辆电磁悬架减振技术引起了研究者们的广泛关注，其中磁/电流变减振器得到了一些商业化应用，并装备于高档乘用车上，显著改善了车辆的乘坐舒适性;结合车身姿态控制系统，极大地提升了车辆操纵稳定性。磁/电流变减振器在未来会有广泛的发展前景，但磁/电流变液的可靠性和稳定性，以及减振器制造工艺和测控系统方面还有较大的完善空间。永磁电机作动器在机电能量转换和控制实现上具有更大的潜力，伴随着电磁材料和电机测控技术的进步，越来越多的电机作动器可能被开发。磁悬浮技术在轨道车辆上的应用较为成熟，但在道路车辆上因受限于可用的车辆悬架空间，磁悬浮减振器还仅停留在理论研究层面。随着电动车的迅猛发展，研究热点之一将是性能高、整合程度高的轮毂电机车辆，研究者们正在努力使电磁悬架技术与轮毂电机车辆相结合，这对未来车辆底盘的设计开发将产生重要影响。

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