電渦流緩速器散熱結構對照分析

廖云飛　劉金

摘 要：本文以電渦流緩速器制動功率、電渦流相關分布以及溫度場基本理論為依據，從氣流散熱的角度對某型電渦流緩速器進行結構變更設計，建立了電渦流緩速器散熱結構系統的有限元模型。其間對現有緩速器及其對照型數字樣機進行熱力學數值分析，得到了緩速器溫度場的分布情況，以期優化緩速器散熱系統結構。

關鍵詞：電渦流緩速器;散熱系統;結構設計;數值分析

中圖分類號：U463.53 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）20-0038-03

Contrastive Analysis of Heat Dissipation Structure of Eddy Current Retarder

LIAO Yunfei1 LIU Jin2

（1. School of Intelligent Manufacturing Technology， Chongqing Industry Polytechnic College，Chongqing 404100;2. Shenzhen Terca Technology Co.， Ltd.， Shenzhen Guangdong 518000）

Abstract： Based on the basic theory of braking power， eddy current correlation distribution and temperature field of eddy current retarder， this paper designed a structure change of eddy current retarder from the point of view of airflow heat dissipation， and established a finite element model of the radiation structure system of eddy current retarder.In the meantime， the thermodynamic numerical analysis of the existing retarder and its comparative digital prototype was carried out， and the distribution of the temperature field of the retarder was obtained， in order to optimize the structure of the retarder heat dissipation system.

Keywords： eddy current retarde;heat dissipation system;structural design;numerical analysis

汽車摩擦制動的原理在于動能和熱能的轉換[1]。若大質量的車輛在制動過程中進行連續或者頻繁的制動，則制動器的溫度會隨著車輛速度的降低而急劇升高[2]。制動器溫度的升高，會導致剎車蹄片和剎車制動鼓之間的摩擦系數降低，進而使車輛的制動性能迅速衰退甚至失效[3]。對于諸如公交車或載重汽車等大質量車輛而言，僅僅依靠常規摩擦制動器并不能完全滿足其制動性的要求[4]。為解決這一問題，大質量車輛常常配置了除摩擦制動以外的輔助制動裝置。緩速器的作用在于使車輛在減速或下坡過程中盡量減少主制動器的使用次數，保證主制動器的制動性能[5]。

1 某型電渦流緩速器的工作原理

車輛緩速器有電渦流緩速器、液力緩速器等不同的形式。電渦流緩速器的工作原理在于通過電磁場的作用，將車輛行駛的動能轉化為熱能，如圖1所示。

在車輛制動過程中，駕駛員通過控制器發出制動指令后，電渦流緩速器接通電源，線圈通電產生磁場，該磁場在定子鐵芯、氣隙和前后轉盤之間形成如圖2所示的回路[6]。

通電線圈磁場強度與線圈匝數和通電電流的乘積成正比。當緩速器轉盤旋轉時，線圈產生的磁力線受到內部閉合回路磁力線的切割，進而產生渦狀感應電流，即電渦流。在磁極正對方向的兩側，轉盤內存在磁通量增加和減少產生的2種電渦流，其方向相反。在感應電渦流的作用下，帶電轉盤的旋轉運動會受到線圈磁場的阻礙，從而達到制動的效果，如圖3所示。該阻力的方向可由Fleming左手法則進行判斷。同時，電渦流在轉盤的內部流動也會由于熱效應而導致轉子發熱。這一過程使車輛行駛的動能通過感應電流轉化為熱能，并通過轉盤上的葉片借助風力散發出去[6]。

2 電渦流緩速器的對照設計

緩速器制動時，汽車的動能轉化為電渦流的電能，電流的熱效應會使轉子發熱，并能通過轉盤上的葉片產生強勁的風力將熱量散發出去。因此，在電渦流緩速器設計中，以力學理論和方法、電磁場理論和磁路方法為基礎，結合優化方法，人們可以得到緩速器的結構參數、電磁參數以及幾何模型。為提升緩速器的散熱效率，本文對某型電渦流緩速器進行了對照設計。變更前的緩速器為參考型緩速器，變更后的為對照型緩速器。參考型及對照型緩速器轉盤示意圖如圖4和圖5所示。

本研究主要在以下兩個方面進行了改進。一是改變了轉盤葉片的形狀，將參考型采用的漸開線葉片改為圓弧形葉片，以減少進氣阻力，增加進風量。二是增大轉盤邊緣重合角度，以改善邊緣出風口處的氣流形狀。

3 有限元模型

如圖6所示，轉盤幾何模型包括兩部分。一是熱源，即厚盤（貼近磁軛），二是散熱盤，包括散熱肋片、薄盤和連接輻條。散熱肋片數量為：參考型24片，對照型16片。

4 邊界條件

熱生成率為11.6×106W/m2。進出口邊界均為開放性邊界。關于絕熱壁面邊界，厚盤貼近磁軛的面和連接突緣的壁面為絕熱條件。內部交界面采用GGI的連接方式。關于材料，流體部分為理想氣體（可壓縮），固體部分為鋼，其表面發射率為0.8，漫射分數為1.0。

5 改進前后的電渦流緩速器散熱系統的熱力學數值分析對比

圖7顯示了計算得到的轉盤表面溫度分布，圖8顯示了工作狀態的三維流場情況。

參考型轉盤的最高工作溫度為917℃，而對照型最高溫度為1 021℃。在凸緣面上，參考型的最高溫度為368℃，而對照型為345℃，凸緣面上的最高溫度較參考型的要低23℃。由于該數值分析較實際工況更理想，忽略了壁面上的輻射散熱，故計算出的溫度比實際溫度略高。此外，為了進行對比分析，參考型緩速器和對照型緩速器設定了相同的熱源發熱率，而對照型的散熱片數量僅有參考型的2/3，固體內部傳導熱流量較少，這些因素都導致對照型緩速器轉盤具有更高的最高溫度。

6 結論

本文對某型電渦流緩速器的轉盤結構與其變更設計后的對照型轉盤進行了熱力學數值分析和對比，結果發現：參考型轉盤與對照型轉盤穩態工作溫度最高值分別為917℃和1 021℃，對照型轉盤最高溫度值比參考型高104℃;而對照型轉盤沿周向溫度分布是比參考型轉盤均勻的，沒有局部高溫的情況;對照型轉盤散熱肋片前緣在800 r/min工況下，通道內的空氣溫度整體較低，有利于對流換熱，只是在散熱肋片尾緣附近迎風側存在速度較低區，可進行優化流場設計方面的改進。

參考文獻：

[1]何仁，胡東海，張端軍.汽車電磁制動技術的研究與進展[J].汽車安全與節能學報，2013（3）：202-214.

[2]薛剛，胡立偉，孫亞南，等.模擬長下坡連續制動的中型貨車鼓式剎車系統溫度閾值分析[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2015（5）：1069-1072.

[3]Hartman J.Effects of Velocity，Temperature and Rainfall on the Friction Coefficient of Pneumatic Tyres and Bitumen Roads[D].Melbourne：RMIT University，2014.

[4]Liu C Y，Jiang K J，Zhang Y.Design and Use of an Eddy Current Retarder in an Automobile[J].International Journal of Automotive Technology，2011（4）：611-616.

[5]劉增崗，張炳榮，李京.汽車緩速器的發展和法規探討[J].城市車輛，2006（2）：51-53.

[6]劉金.一種電渦流緩速器散熱系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.