電磁阻尼減振器

陳紹志 張煒 張玉增

1、山東濰坊工程職業學院山工機電工程學院 2、雷沃重工股份有限公司

1 引言

減振器作為汽車的易損件，其工作狀態將直接影響到汽車行駛的平穩性和汽車的使用壽命，減振器和彈性元件來承擔緩沖擊與減振的任務，如果阻尼系數過大，將使懸架的彈性變壞，甚至會使減振器的連接件損壞，因此應使減振器保持良好的工作狀態。

近來，由于功耗少、響應快、容錯性好和成本低等優點，磁流變阻尼技術在車輛懸架的振動控制領域有其廣闊的應用前景。磁流變減振系統是利用了磁流變液體在磁場作用下粘度產生巨大變化的特性，因此只要通過控制磁場強度就可以獲得可控制的阻尼力。由此構建的磁流變減振系統具有調節范圍寬、阻尼力大、響應速度快、溫度適應性強、能耗低等特點，是理想的半主動式動力減振系統。因此，電磁技術在汽車領域受到高度重視并發揮著重要的作用。電磁阻尼減振器正是基于電磁技術衍生出的新的產物。

2 電磁阻尼減振器

本論文所設計的電磁阻尼減振器原理圖如圖1所示。

圖1 電磁阻尼減振器的結構原理圖

其工作原理為：電磁阻尼減振器在工作時，永磁體受激振力作用而上下振動，相鄰的永磁體相對位移會發生變化，即二者的間距會發生變化，從而導致磁場力的改變。在激勵作用下，彈性力由橡膠減振筒和彈簧產生，以削弱外界激勵的作用。相鄰的永磁體之間的磁通量隨著永磁體的相對運動而發生改變，感應線圈由于磁通量的變化而產生感應電動勢，在閉合的感應線圈中會產生感應電流，變化的感應電流又會產生磁場。感應電流產生的磁場總是要阻礙磁通量的改變，因此產生阻止改變的阻尼力，即減緩兩個永磁體之間的相對運動，發揮減振器的根本作用。

電磁阻尼減振器具有以下技術優點：該減振器主要通過彈簧、感應電流、永磁體產生的阻礙磁場改變力而實現減振，對永磁體自身的矯頑力要求較低。根據減振程度的不同，可以選擇具有相應程度矯頑力的永磁體；同時還可以利用感應線圈把振動的機械能轉換為電能，而彈簧活塞式減振器和永磁式減振器卻以摩擦的形式產生阻尼力，將振動機械能轉換為熱能而浪費掉；感應線圈產生的磁場與永磁體的磁場之間形成減振阻尼力，該減振方式的減振性能比普通減振器更優，減振達到效果更佳。如果永磁體和感應線圈產生的磁場之間產生的阻尼力不足，還可以通過改變永磁體的磁場強度和彈簧剛度來優化阻尼系數。

3 電磁阻尼減振器的工作原理

電磁現象是日常生活中普遍存在的現象，麥克斯韋在已有定律和物理實驗結果的基礎上，從數學的角度對電磁場規律進行了總結。其微分形式如下：

麥克斯韋方程反映了電荷在電磁場內部運動規律和其激發電磁場的形式。本文對電磁感應進行研究，把電流的密度J定義為零，對上式進行簡化得：

從該式可以體現出麥克斯韋的核心理論與貢獻，建立了完整的電磁場理論體系。其核心理論為：變化的磁場與變化的電場之間相互激發特性，并且得出電荷和電流反作用于磁場，磁場和電場不是彼此孤立存在的，而是組成一個統一的電磁場。

由法拉第感應定律和麥克斯韋理論可知，感應線圈在變化的磁場中會產生感應電動勢，這時在磁場中有電流通過的導線會受到力的作用，由安培定律可知：

產生的感應電流為:

式中R為線圈的電阻，單位為Ω。綜合以上兩式得：

由楞次定律得知，通過感應產生的電流，同時通過感應線圈產生磁場，由感應線圈產生的磁場總有阻礙磁通密度變化的特性，這樣就使得磁場的變化速度變慢，這和阻尼力總是阻礙相對運動產生的目標是類似的。因此可以借助二者的相同特性在阻尼器中產生阻尼力。由上面的式子可以直接得到，電磁感應產生的力與磁場的感應強度B的變化率成正比，其和需要的阻尼力的特性也相同。

電磁阻尼器做好后，線圈的長度L是固定值，從而線圈的電阻R即是固定值，阻尼器的結構決定了線圈在磁場中的有效面積也是不變的，因此磁感應強度B是唯一的可控變量。由于汽車自身的結構特性，大多數情況下主要沿Z的軸線方向振動，因此做一個假設，在空間中磁感應強度B只與Z向有關，則有

將其代入上式得：

由于速度是位移的一階導數，由v=z˙

從上式分析得，阻尼系數C是僅僅與磁感應強度B有關的變量。因為特定的電磁阻尼器，其電阻是一個常量，長度L也是個常量（感應線圈的匝數一定），空間有效磁場面積S的改變可忽略。

4 結論

本論文對電磁阻尼器減振的工作原理進行了分析說明，該減振器具有無粘著力限制，部件之間無機械接觸，能量消耗小，不易磨損，對環境污染較輕等優點。應用磁荷模型和分子電流模型，利用數值積分以及響應面思想，擬合出磁場強度B在空間的解析表達式，確定了阻尼系數C，得出的阻尼參數的應用范圍較廣，具有較好的理論價值和應用前景。

[1]方寧,鄭松林,丁志東.發動機用新型超導電磁減振器研究[J].上海理工大學學報, 2003(25),4.

[2]王燕芳,羅玲.電磁阻尼器氣隙磁通密度對力矩特性的影響[J]. 設計與分析,2010,7.

[3]龍振新,馬國新.車輛懸掛系統電磁阻尼器的研究[J].車輛與動力技術,2006,3.

[4]徐傳波,王開文.變阻尼電磁阻尼器的結構設計計算及應用分析[J].機械設計與制造,2010,6.

[5]朱坤,鄒向陽,王曉天.新型電磁阻尼器性能初步研究[J]. 世界地震工程,2009,25(4).

[6]王有林,劉景林.電磁阻尼器設計研究 [J]. 西北工業大學學報,2006,24(3)：358-361.

[7]湯雙清,陳習坤,唐波.永磁體空間磁場的分析計算及其在永磁磁力軸承中的應用[J].大學物理,2005,25(3).

[8]鄒向陽,王曉天等.電磁阻尼器性能參數試驗研究[J].長春工程學院學報(自然科學版).2007,8(2).

[9]黃偉,呂偉軍.基于永磁體的磁力減振器的應用研究[J]. 湖南理工學院學報（自然科學版）.2004,17(1).