分級式永磁緩速器的設計

何 仁，王 晶，王 亮

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

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分級式永磁緩速器的設計

何 仁，王 晶，王 亮

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

提出了永磁緩速器制動力矩分級的概念，設計了一種分級式永磁緩速器的結構方案。根據車輛布置要求，通過理論計算確定分級式永磁緩速器各個部件的結構參數；在完成結構參數設計的基礎上，運用Maxwell 3D電磁分析軟件，對設計的分級式永磁緩速器的各擋制動力矩進行仿真分析。研究表明：設計的永磁緩速器制動力矩分級效果明顯，符合設計要求。

車輛工程；永磁緩速器；制動力矩分級；設計；電磁分析

0 引 言

現代汽車技術的發展方向是安全、節能、環保、舒適。良好的制動性能是汽車安全行駛的重要保障。緩速器作為輔助制動裝置，可以克服傳統制動器長時間作用、制動效能下降所引起的安全隱患問題。目前國內商用汽車廠家較多地采用電渦流緩速器。

但是，現代汽車車載電器電子設備越來越多，對汽車的供電量也要求越來越大，電渦流緩速器工作會進一步加大對電池組容量的要求，這樣勢必會使得汽車增大發動機和發電機的容量，增加了燃油消耗[1]。另外，由于其體積大、質量大，影響它的使用范圍。永磁式緩速器是一種新型節能的輔助制動裝置，如圖1。它利用永久磁鐵代替電渦流緩速器中的線圈和鐵心而產生磁場，當轉子鼓轉動，切割磁力線，產生電渦流，而產生制動力矩，實現車輛制動的目的[2-3]。

圖1 永磁式緩速器工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of permanent magnet retarder

永磁式緩速器的特點為：安裝維護簡單，結構小，質量輕；連續使用不會產生過熱，能持續不斷地保持制動力的穩定性和持久性；在高速范圍內制動力不會降低，且傳動軸轉速越高，制動力越大[1，3-4]，因此具有很好的市場前景。以制動力矩為500 N·m的電渦流緩速器與永磁緩速器相比，電渦流緩速器的質量約為72 kg，永磁緩速器的質量約為32 kg，可見安裝永磁緩速器有助于實現車輛的輕量化。調查數據顯示，使用電渦流緩速器的運輸客車每年比未裝有電渦流緩速器的客車多花費1.5萬元左右的燃油費。由于永磁緩速器幾乎不消耗電力，因此裝有永磁緩速器的車輛每年能夠節省可觀的燃油費。

國內外研究發現，目前在永磁緩速器研究和應用過程中存在以下技術問題：傳統的永磁緩速器只有兩種工作狀態，即制動和非制動狀態，永磁緩速器的設計參數一旦確定，制動力矩的大小不能隨意調節，制動特性也將確定，駕駛者在車輛行駛時不能根據不同路面和車速情況提供相應的制動力矩[5]。同時，當駕駛員采用永磁緩速器進行制動時，車輛由運行狀態突然切入到一個較大的制動狀態，制動力矩由0直接變化到最大值，會產生一個較大的減速度，使駕駛員產生類似急剎車的不良制動感覺,制動不夠平和。

因此，筆者提出了永磁緩速器制動力矩分級這一概念，希望永磁緩速器可以像電渦流緩速器一樣將制動力矩分為多擋，讓駕駛者根據不同路面環境和車速情況選擇緩速器制動力矩輸出的大小。

1 分級式永磁緩速器的結構方案

1.1 分級式永磁緩速器的結構介紹

根據永磁緩速器的工作原理，輸出制動力矩的大小可以通過改變參加工作的磁極形狀、面積以及定子與轉子之間的氣隙厚度來調節。因此可設想，通過變化緩速器工作時的參與要素來實現制動力矩的分級，甚至是制動力矩的無級調節。

筆者所設計的分級式永磁緩速器結構如圖2、圖3。

圖2 分級式永磁緩速器結構示意Fig.2 Structure diagram of brake torque graded PMR

圖3 分級式永磁緩速器三維視圖Fig.3 3-D diagram of brake torque graded PMR

分級式永磁緩速器由定子、轉子鼓和旋轉驅動機構組成。轉子鼓通過法蘭連接與傳動軸固定在一起，隨著傳動軸轉動，并且把制動力傳遞給傳動軸。定子置于轉子鼓內部，定子鑄體是定子上各個部件的安裝基體，定子鑄體固定安裝在車架上。磁鐵外保持架位于轉子鼓的內側，固定在定子鑄體上，它由非磁性材料制成，沿其周向均勻嵌接由高導磁材料制成的極片。磁鐵外保持架內有兩排磁鐵，每排磁鐵選用16塊永久磁鐵，其磁極交替反向排列，各自固定在磁鐵支架上，固定磁鐵支架通過定位銷與磁鐵外保持架連接。活動磁鐵支架外側與齒條固接，活動磁鐵支架同固定在其上的活動磁鐵在外部電機的驅動與齒輪齒條嚙合作用下，可以在定子鑄體內沿圓周方向活動，改變與固定永久磁鐵的相對位置。

1.2 分級式永磁緩速器的工作原理

在0擋時，即不需要制動時，每塊活動磁鐵與相鄰固定磁鐵極性相反，由于磁鐵外保持架非磁性材料的阻隔，磁力線不經過轉子鼓，從而不產生制動力矩。需要制動時，電機通過齒輪齒條嚙合作用驅動與齒條剛性連接的活動磁鐵支架沿圓周方向旋轉一定角度。筆者設計的分級式永磁緩速器采用16塊永久磁鐵極性相反交替固定在磁鐵支架上，相鄰磁鐵成22.5°夾角，因此活動永久磁鐵在0檔狀態下，逐漸旋轉至22.5°的過程中，逐漸有磁力線穿過極片，經過轉子鼓，定子與轉子之間的氣隙磁感應強度逐漸增強，制動力矩逐漸增大。當活動磁鐵支架旋轉至22.5°時，每塊活動磁鐵與相鄰固定磁鐵極性相同，此時，磁力線全部經過轉子，制動力矩達到最大。因此通過控制脈沖個數改變電機的角位移量，從而控制活動磁鐵支架及固定在其上的活動磁鐵的旋轉角度，改變與固定永久磁鐵的相對位置，設置多個檔位，實現制動力矩的分級控制。

2 分級式永磁緩速器結構參數設計

根據分級式永磁緩速器制動性能要求以及裝車時的空間尺寸限制，下面對分級式永磁緩速器各個部件的結構參數設計情況加以說明。

2.1 最大制動力矩的確定

使用緩速制動裝置時，要求汽車在下坡時以穩定速度下坡。按UN-ECERl3法規所規定：汽車在6%或者7%的坡道上以30 km/h的平均速度行駛6 km所消耗的能量[6-7]：

W=mg×6×(0.07-0.01)

(1)

式中：W為緩速器吸收的能量，kJ；m為汽車滿載質量，kg；g為重力加速度，kg/m2；取道路坡度為7%，計入1%的滾動阻力。

則緩速器制動功率P可由式(2)計算：

(2)

式中：P為緩速器制動功率，kW；v為汽車行駛速度，km/h。

因此可得緩速器的制動力矩:

(3)

其中：

(4)

(5)

將式(4)、式(5)帶入式(3)得：

(6)

式中：T為緩速器制動力矩，N·m；ωn為轉子鼓轉動的角速度, rad/s；n為轉子鼓轉速,r/min；R為車輪直徑，m；i為主減速器傳動比。

根據式(6)，確定某一滿載質量為9 t的中型客車所裝永磁緩速器的最大制動力矩為600 N·m。

2.2 轉子鼓

轉子鼓是渦流產生的導體，同時也是輸出制動力矩的裝置，因此轉子鼓采用導磁、導電性能都良好，并且強度較高的金屬制成，一般選用12 CrMoV，其材料參數如表1。轉子鼓是法蘭盤與傳動軸連接在一起。根據底盤空間布置的尺寸限制，設計的轉子鼓外徑r1≤230 mm，轉子鼓的寬度lw≤110 mm 。

表1 轉子鼓材料參數

轉子鼓的尺寸參數可根據轉子鼓實心體部分的熱容量來確定。假設在制動過程中，轉子鼓處于絕熱狀態，則轉子鼓所具有的熱容量應滿足[6]：

(7)

(8)

式中：md轉子鼓實心部分的質量，kg；Cd為轉子鼓的比熱容，J/(kg·K)；δt為轉子鼓的許用溫升，K；ρ為轉子鼓的密度，kg/m3；r1為轉子鼓的外徑，m；r2為轉子鼓的內徑，m；lw為轉子鼓的寬度，m。

由式(7)、式(8)確定，轉子鼓的外徑r1=225 mm，內徑r2=205 mm，寬度lw=90 mm。

2.3 氣隙厚度

轉子鼓與定子之間相對轉動，必須要有一定的氣隙。氣隙越小，最大制動力矩越大，并且氣隙減小還可使得“臨界轉速”減小，從而使永磁式緩速器的最大制動力矩向低速方向移動。但是氣隙的大小還必須考慮機械加工、裝配公差和高速下機械可靠性，以及轉子鼓、定子受熱后的熱膨脹的影響，從這些角度講氣隙大些為好[8]。綜合考慮各種因素，分級式永磁緩速器定子與轉子鼓間的氣隙厚度為1 mm。

2.4 永磁體參數的確定

永磁體是一個至關重要的部件，其磁能大小可直接影響渦流效應，因此選用具有高磁能積、高矯頑力等特性的釹鐵硼稀土永磁體。在比較各種型號后選用牌號為NF38的永磁體，其矯頑力Hc為907 000 A/m，剩磁Br為1.25 T。

永久磁鐵的尺寸參數決定了永磁緩速器輸出的最大制動力大小。要確定合理的尺寸參數，合理、準確的渦流制動力矩數學模型起著至關重要的作用。筆者采用文獻[9]運用磁路法和渦流損耗原理推導的制動力矩計算公式。其考慮渦流去磁效應，先計算出氣隙中的磁感應強度B，再推導渦流制動力矩T模型。

根據制動力矩計算公式

(9)

T=πσar3B2ωn

從節省成本的角度出發，永久磁鐵的用量越小約好，由此設置目標條件：永磁體的總體積最小。得到優化目標方程：

采用MATLAB軟件進行優化得到,永久磁鐵的軸向長度取a=30 mm，周向長度取b=50 mm，高度h=8 mm。其尺寸結構如圖4。

圖4 永久磁鐵尺寸Fig.4 Size of a permanent magnet

2.5 極片參數的確定

由極片作用可知，極片不可以做成一個連續整體，對應于每對永久磁鐵相對獨立。因此需要將其沿其周向均勻嵌接在磁鐵外保持架上，同時，極片的周向長度應為一塊永久磁鐵的周向長度，極片的軸向尺寸應為兩塊永久磁鐵軸向長之和。

2.6 電機所需驅動功率計算

為控制制動狀態，電機驅動活動永久磁鐵做旋轉運動。而在旋轉的過程中，由于存在磁場，活動永久磁體在旋轉過程中會受到一定的阻力，根據該阻力就可以計算出電機的驅動功率。經過Ansoft仿真，以兩對永久磁鐵作為研究對象，在旋轉運動開始的瞬間，活動磁鐵受到阻力大小為6.05 N。根據結構參數設計可知，永久磁鐵距離轉動軸旋轉中心0.185 m，因此推動兩個極性相反的永久磁鐵所需要的力矩為6.05 N×0.185 m=1.12 N·m。得到驅動齒輪的電機所能提供的扭矩Te,要求Te≥8×1.12 =8.96 N·m。

在制動的過程中，制動的響應時間一般控制在0.1 s以內,也就是說在0.1 s之內活動磁鐵支架要旋轉22.5°。設計齒輪齒條之間的傳動比為10，則電機的轉速ne為6.25 r/s，則確定驅動電機所需要的最小驅動功率為：P=Te×2πne≈350 W。

3 性能仿真分析

在結構參數選定之后，采用Ansoft Maxwell 14.0進行仿真三維渦流場仿真。借助Ansoft Maxwell軟件建立緩速器模型并進行有限元分析[10]，可以準確地模擬分級式永磁緩速器的性能，為設計提供一定參考依據。

3.1 有限元模型的建立

由于分級式永磁緩速器結構復雜，且在制動力矩大小調節過程中，結構不對稱，因此選用三維瞬態磁場分析，并且本次三維瞬態仿真分析采用全模型。筆者建立了如圖5所示的分級式永磁緩速器的幾何模型，各部件的材料屬性如表2。

表2 相關材料參數

3.2 制動力矩特性分析

設計的永磁緩速器最大制動力矩約為600 N·m，制動力矩分為1、2、3三擋控制，3擋時，活動永久磁鐵和固定永久磁鐵的相對位置如圖5(c)，緩速器提供最大制動力矩。由于本產品采用了16對永久磁鐵，每對永久磁鐵互成22.5°的夾角，因此考慮將活動永久磁鐵在3擋的狀態下逆時針旋轉7°(2擋)和14°(1擋)后的制動力矩大小。

圖5 分級式永磁緩速器幾何模型Fig.5 Geometric model of brake torque graded PMF

使用Ansoft Maxwell軟件仿真永磁緩速器在三個擋位時不同轉速下輸出的制動力矩，仿真轉速分別取600，800，1 000，1 200，1 500，1 800 rad/s，計算一個周期T(T=60/n)內的制動力矩，取4/5T～T時間段內的制動力矩平均值作為輸出結果，得到1、2、3擋的制動力矩-轉速特性曲線。

圖6分別為1、2、3擋在轉速為1 000 rad/s下的磁感應分布。從磁場分析結果可以看出：和假設一致，當活動永久磁鐵從3擋的狀態下逆時針旋轉至2擋狀態，再至1擋狀態的過程中，轉子鼓表面的磁感應強度逐漸減小，因而渦流制動力矩也在減小。

圖6 1、2、3擋的磁場分布Fig.6 Magnetic field distribution of gear 1, 2 and 3

根據圖7的制動力矩-轉速特性曲線，可以得出：

1)分級式永磁緩速器在最高檔位即3擋狀態下，輸出的最大制動力矩約為600 N·m，滿足最大制動力矩的設計要求；

2)活動永久磁鐵在3擋的狀態下逆時針旋轉7°變為2擋后，制動力矩約減小為430 N·m，約為最大制動力矩的2/3；

3)在3擋的狀態下逆時針旋轉14°變為1擋后，制動力矩約減小為190 N·m，制動力矩約為最大制動力矩的1/3。

由此可知，筆者設計的永磁緩速器滿足設計要求，具有明顯的制動力矩分級效果。

圖7 1、2、3擋的制動力矩-轉速特性曲線Fig.7 Braking torque-speed characteristic curve of gear 1, 2 and 3

4 結 語

提出了一種分級式永磁緩速器的結構方案，通過理論計算確定了分級式永磁緩速器各個部件的結構參數。通過對活動永久磁鐵和固定永久磁鐵的三種不同相對位置下的永磁緩速器模型進行三維瞬態磁場分析，可以看出通過改變活動永久磁鐵和固定永久磁鐵的相對位置，能夠控制制動力矩的大小，證明了筆者提出的分級式永磁緩速器有明顯的制動力矩分級效果，為分級式永磁緩速器的設計提供了依據。

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Design of Graded Permanent Magnet Retarder

He Ren, Wang Jing, Wang Liang

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

A new concept that the brake torque of permanent magnet retarder can be divided and controlled in grades was introduced. Then the structure scheme of brake torque graded permanent magnet retarder was designed. The structural parameters of various parts of the graded permanent magnet retarder were determined by theoretical calculation, according to the vehicle installation requirements. The brake torque when the permanent magnet retarder was working under different working conditions was simulated by using Maxwell 3D analysis soft. The results show that the designed brake torque graded permanent magnet retarder complies with the design requirements, whose effect of grading of brake torque was obvious.

vehicle engineering; permanent magnet retarder; grading of brake torque; design; electromagnetic analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.31

2013-06-28；

2013-09-24

2011年江蘇省蘇北科技發展計劃項目(BC2011446)

何 仁(1962—)，男，江蘇南京人，教授，博士，主要從事汽車機電一體化及汽車現代設計方面的研究。E-mail:heren@mail.lys.edu.cn。

王 晶(1989—)，女，江蘇南京人，碩士研究生，主要從事汽車機電一體化技術方面的研究。E-mail: 446873208@qq.com。

U463.5

A

1674-0696(2015)05-155-05