车用电涡流缓速器的设计方法
110汽车工程(增刊)2003年10月(SAE—C2003T336)
车用电涡流缓速器的设计方法
何建清何仁衣丰艳
江苏大学
I摘要】本文在简要介绍了电涡流缓速器的结构工作原理,理论推导出电涡流缓速器的制动功率和制动力矩公
式,以此公式计算出的制动功率和制动力矩曲线与试验测定的曲线基本~致。同时提出了电涡流缓速器的设计方法,工程实践表明,此设计方法能有效地指导电涡流缓速器的开发工作。
关键词:电涡流缓速器制动功率制动力矩设计方法
Des蜘MethodofEddyCwemRetarderUsinginAutomobile
HeJianqing,HeRen,YiFengyan
0idngS“University
【AbstractlAfterbrienyiIl仃oducingthes仇lctureandworkingprincipleofeddy
forcalculatmgitsbrakepowerandbraketorqueisderiVedcurrentretarder,thefomulamrou曲tlleoretical
fordeductioni11thisp印er.And缸lefomulaistestifiedtoberightbytest.Tlleideaa11dfomulades函andcalculationisalsogiVen.Itisshown
廿1att11edesignmethodisVe巧use向1toresearch锄ddeVelopmenteddy
brakepowercurrentretardermrou曲application.1‘:eywords:eddycurrentretarderbraketorquedesignmethod
l引言
电涡流缓速器是利用电磁学原理把汽车行驶的动能转化为热能而散发掉,从而实现减速和制动(即起到缓速)作用的装置。它在汽车辅助制动中的效果显著:①能够减少车轮制动器热衰退,制动跑偏,轮胎过热爆胎现象的发生,提高了汽车的行驶安全性;②能提高汽车下长坡的平均行驶速度和增强驾驶员下长坡时安全感;③可延长制动衬片使用寿命,减少制动器的维修保养工作量,从而使得装有缓速器的汽车具有良好的使用经济性;④可减少驾驶员的工作疲劳度,制动过程柔和、平稳,提高了车辆的乘座舒适性;⑤显著减少制动时噪声和粉尘污染,提高汽车环保性。
目前欧美日等发达国家汽车界已经将缓速器作为各种级别的客车,中型和重型载重汽车上的标准配置,以作为现有汽车制动系统的必要补充装置。国内目前部分高档客车也开始装用进口电涡流缓速器。随着汽车技术的进步,可以预见未来几年内,电涡流缓速器不仅在国内各类客车上,而且在国内重型载重车上也必将得到广泛的应用。
出于对市场的保护,国外各缓速器厂商都不公开电涡流缓速器的关键技术,也未见有关于电涡流缓速器设计方法的文献。本文在简要介绍电涡流缓速器的结构工作原理的基础上,理论推导出电涡流缓速器的制动功率和制动力矩的计算公式,提出电涡流缓速器的设计计算方法,为国内研究开发具有自主知识产权的车用电涡流缓速器提供了理论方法的支持。
2电涡流缓速器的结构和基本工作原理
2003年10月(SAE—C2003T336)汽车工程(增刊)
电涡流缓速器的结构是由机械装置和电控装置两部分组成。而电涡流缓速器的机械装置部分是由定子、转子及固定架等部件组成(如图1所示)。
豳:l幽j
闯!i
1一转子盘2一铁心3一磁轭4一励磁绕组
5一转子轴6一轴承7一固定架8一气隙9一接线柱
图1电涡流缓速器结构示意图
电涡流缓速器制动力矩的产生过程为:当驾驶员接通缓速器的控制手柄(或踩下制动踏板)开关进行减速或制动时,电涡流缓速器的励磁线圈通以经调节的直流电流而励磁,产生的磁场在定子磁极、气隙和前后转子盘之间构成回路,如图2所示。这时在旋转的转子盘上,其内部无数个闭合导线所包围的面积内的磁通量就发生变化(或者说其内部无数个闭合导线就切割励磁线圈所产生的磁力线),从而在转子盘内部产生无数涡旋状的感应电流,即涡电流(简称涡流)。一旦涡电流产生后,磁场就会对带电的转子盘产生阻止其转动的阻力,阻力的合力沿转子盘周向形成与其旋转方向相反的制动力矩。
3制动功率和制动力矩的理论推导
为了明确电涡流缓速器的制动功率(或制动力矩)与各设计参数的关系,使设计计算分析具有一定的精度,本文采用了先解析分析作理论推导,再通过试验相验证的方法。
3.1制动功率的理论推导
从能量转换角度讲,电涡流缓速器的工作过程是在电磁铁励磁的作用下,通过在转子盘上产生涡流进而引起涡流耗损,将制动或减速时的机械能转化为热能,再散发到空气中。因此,从分析转子盘的涡流耗损,可以得到缓速器制动时的功率。
在分析电涡流缓速器制动功率的过程中,作如下简化和假定:①电磁绕组产生的磁通只分布在直径为d的磁轭圆形面积内,不考虑其漏磁情况;②前后转子盘简化为两块环状的金属盘;⑧各导磁材料的相对磁导率∥,为常数,且不考虑磁路的磁饱和以及磁滞耗损的影响。
●o
图2电涡流缓速器的磁场示图图3计算模型示意图
如图2所示,在转子盘上与磁极相对应的圆形区域I,其磁通量为函=Bsp,式中&为磁极的磁轭面积,也就是气隙的作用面积;励磁电磁铁和转子盘问气隙磁场的磁感应强度B应是电磁铁励磁和涡流去磁的共同作用的结果。这个圆形区域在转子盘旋转过程中,其磁通量是不断变化的,从图示位置(I专IIjIII)来看,其变化过程是:痧专O专一痧专0一痧,可以认为其是按函=BSpcos耐变化的。
n2汽车工程(增刊)2003年10月(SAE—C2003T336)
将上述圆形区域I视为若干个半径,.大小不同的,宽度为办,厚度为△^的金属圆环(如图3所示)构成的,通过此环的磁通为
痧=砑2Bcos耐
式中国——磁通量,啪;
占——气隙磁场的磁感应强度,T;
国——磁场变化角速度,rad/s。
磁场变化角速度一2州p行彩=————o
60(2)
式中Ⅳp——磁极对数,图2所示情况是Ⅳp=4;
圹一转子盘的转速,r/min。
因磁通变化而在环上产生的感生电动势占为
占:一塑:刀2B国sin耐山
圆环的电阻
式中(3)犯p毒
Z=——2.(4)p——转子盘的电阻率,Q・m。圆环上的电流f(即转子盘上的涡流)为占
衄(5)
2p
其瞬时功率为
如:£:竺!垒:竺:!垫:竺,.,d,1
在整个直径为d的圆盘上的瞬时功率p=肛型篙塑=学
。积(6)2p(7)其中
有效功翠为d2矗p2A1(8)
胪专加=毪芋
功率即等于涡流耗损的功率㈤在前后两个转子盘上这样圆形区域为2×8=16个,忽略磁极间的相互影响,则电涡流缓速器的制动
川6胪型竺(10)
114汽车工程(增刊)2003年10月(SAE-C2003T336)由于转子盘、磁轭和铁心都是用相对导磁率很高的铁磁质材料制成,因而它们的磁阻相对于气隙所产生的磁阻来说很小,可忽略不计。故磁路中的总磁阻为
R。≈2R。。={2,
gob'p(14)
2.4气隙磁场中的磁感应强度
由于转子盘中产生的涡电流很大,这些涡电流同时也会产生磁场,而且总是对磁极所产生的磁场有削弱作用,即去磁效应。要准确计算涡流磁效应非常困难,故在工程计算中通常将涡流折算到励磁绕组上作简化计算。也就是说由于涡流存在,磁路中的磁动势不再是西。,而是比或小的一个值瓯。即有
式中西’=痧一痧一脚一所一e(15)吼——一个磁极励磁绕组的磁动势,A;
西。——涡流产生的等效磁动势,A。
其中痧。=M(16)
式中Ⅳ——一个励磁线圈绕组的匝数;
,——线圈绕组中的电流,A。
其中
式中驴。=keI。(17)屯——折算系数,通常取k。=2;
L——所计算区域涡流的有效值,A。
根据式(5),可求得直径为a,的圆形区域内的瞬时涡流之:—AhBco—sincot晕胁:垒墨生竺堕竺。
2p由4zp
圆形区域内的涡流有效值
,。=忑1t。=下~[-2AhSpB(O
引簧.诗冲嘭瘴%l夺隼.锌一兽刮t兰::垒!::}】唑一
图4磁蹯不蒽图(18)酝了—匐舔]
根据图4c,并由式(5)可求得磁路中磁通量
国:Bs。:鉴:坠二生P(19)
R。R。
将式(14)、(16)、(17)和(18)代入式(19),可求得励磁绕组与涡流共同作用的气隙磁场中的磁感应强度为
B:
1璺型Q丝(20)
2003年10月(SAE-C2003T336)汽车工程(增刊)“5
根据P=砌。,由式(10)可得
丁:丝坐!堡垒
式中(21)卜制动力矩,Ⅳ・聊。
其中”等
国。——转子盘的旋转角速度,r删s。
d仞氕p式中由些坚盟:o和(2)式,可以推导到制动力矩最大时的转速——临界转速即。为
l
%2硒西露
最大制动力矩乙。为920刀∥;z,,(22)elvisResponseinSideImpactChengXiusheng,XiangJinqianl,LiuZhonghua
JilinUniversity,ShanghaiJiaoTongUniversity。
IAbstract】Onthebasisofmultibody,such
multibodybased
model
4.1sledtestinsideimpactinintroducedtoresearchsomeproblemsinthedissertation.Usingtllissoftwaretosetup3Dnumericalmodelof乙=警aVictimSimulationsoftwareasMADYMOsoftware(23)is4电涡流缓速器的设计计算selectedfromdatabasesofⅣ队DYMO缓速器的最大功率的确定onWayneStateUniversity,includingaBIOSIDsideimpactdummysoftware,aHeidelberg—typeseatmodel,somesledsurrounding
电涡流缓速器最大功率是其转速的函数,即随着转速增加而增大。缓速器所能达到的最大功率应根据汽车所能达到的最高车速和其后轴最大附着条件来确定。
当汽车达到最大车速时,其传动轴转速即为缓速器的最大转速,z。。的关系式为
”。。。萤。墓蓁粪萋r霎譬|
蓁羹霪一——荐墨霪薹蓁静t萋奏茎茎i
塞——囊薹蒂萋囊翼荔t
116汽车工程(增刊)2003年10月(SAE—C2003T336)
G——汽车重力,N;
三——汽车轴距,m;
厶——汽车质心至前轴中心线的距离,m;
办。——汽车质心高度,m;
g——重力加速度,9.80m/s2;
票——汽车减速度,设计时可取汽车所能获得最大减速度畋来计算,m/s2;m9
够——汽车所在路面附着系数,一般混泥土或沥青路面为0.7~0.9,设计时取0.7即可。
即所以设计的电涡流缓速器制动功率尸应满足
P≤‰=艺2・圪一/3.6
式中(26)‰——缓速器的最大功率,w。
转子盘与定子之间相对转动,故必须要有一定的气隙,它是电涡流缓速器一个非常重要的结构参数。4.2气隙由于空气的相对磁导率约为l,所以即使很小气隙所产生的磁阻也非常大。从减小磁阻角度讲气隙越小越好,这样在励磁绕组上所需的励磁磁动势、励磁功率均可小些,而且励磁绕组的耗铜量也可较少。除此之外,气隙减小还可使得“临界转速”减小,从而使电涡流缓速器的最大制动力矩向低速方向移动,而且最大制动力矩也随之增大。但气隙的确定还必须考虑机加工、装配公差和高速下机械可靠性,以及转子、定子受热后的热膨胀的影响,从这些角度讲气隙大些为好。故需要考虑各因素综合而定,不同结构型式电涡流缓速器气隙一般在0.76~1.70m之间。一般是缓速器结构体积越大,气隙也越大。
4.3磁感应强度的确定
为使缓速器性能可靠,磁感应强度工作点的选择偏低为好,以使缓速器制动功率富有裕量,根据转子盘所用材料的磁化曲线来确定占值。对低碳钢,通常在设计初始时B可取为1.1~1.7T(最终值由其磁饱和程度确定)。
4.4气隙作用面积
在已知转速刀,气隙,。,转子盘的磁场感应强度B后,由式(10)可求得气隙的作用面积(即磁轭的面积)。
fl
图5转子盘的内外半径
4.5转子盘的结构参数
4.5.1转子盘的内半径和外半径
实际中电涡流缓速器磁轭一般是一个面积为S。(即气隙的作用面积)的扇形块(如图5中阴影部分),通常转子盘的内外半径与磁轭的扇形内外半径是相当的。
由几何关系式有沪r焉胁=警(27)
118汽车工程(增刊)2003年10月(SAE-C2003T336)
根据本文提出的设计和计算方法,编制成计算程序后,我们实际设计了一种型号的电涡流缓速器,其有关参数如下:最大制动功率325kw(试验值),最大制动力矩瓦。。为1531N・m(试验值),临界转速,?。约为520r/min(试验值);,,=1.4mm;s。=10652mm2;乙=191mm,‘=140mm,玛=238nun,h_16mm,聊:=32蚝;吼=10500A。
图6、图7是此型号的电涡流缓速器制动功率和制动力矩计算值和试验值的对比曲线。从中可以看到采用本文提出设计计算方法具有相当的精度,完全可以应用于工程实践。
侍动轴转速n,(r/吐n)侍瑚★●●速n,b肺n)誊一一f
图6制动功率计算值和试验值的对比图7制动力矩计算值和试验值的对比
6结束语
电涡流缓速器是利用电磁学原理把行驶汽车的动能转化为热能而散发掉,从而实现汽车的减速和制动的制动装置,其具有结构简单,制动力矩大,响应时间短,制动力大小可调,易实现自动控制,可靠性高等优点,可以预见将在国内中高级客车、重型载重车和牵引车上得到广泛应用。
本文采用理论推导,试验验证相结合的办法获得电涡流缓速器的制动功率公式,对电涡流缓速器设计给出了较详细的思路过程,并对各主要设计参数的确定给出了计算公式。通过我们开发电涡流缓速器实践的检验,本文提出的设计计算方法能有效地指导电涡流缓速器的开发工作。
参考文献
l
2何建清,何仁,衣丰艳.汽车用电涡流缓速器的工作原理及其使用效果[J].轻型汽车技术,2002.1l:17.24王楚,李椿,周乐柱.电磁学[M].北京:北京大学出版社,2000
冯慈璋,马西奎.工程电磁场导论[M].北京:高等教育出版社,2000
LouisH.cadwell.Ma印etic34d锄pillg:AmlysisonaeddycIlrrentbral(eusingallair仃ack[J].Am.J.Phys.1996,64(7):917-923
5
6
7D.Schieber.BrakiIlgtorqueonm诅tiIlgsheetins诅tionafymagneticfield[J].Pmc.IEE,1974,V01.121(2):117-121龚绍文.磁路及带铁心电路[M].北京:高等教育出版社,1985余志生.汽车理论(第2版)[M].北京:机械工业出版社,1990:67.87