顧曉丹 何仁

（江蘇大學(xué)）

轉(zhuǎn)筒自勵(lì)式電磁與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究*

顧曉丹 何仁

（江蘇大學(xué)）

分別從轉(zhuǎn)筒式電磁制動(dòng)器和永磁直流發(fā)電機(jī)兩個(gè)方面對(duì)轉(zhuǎn)筒自勵(lì)式電磁與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在電磁與摩擦制動(dòng)集成試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了制動(dòng)特性試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了發(fā)電機(jī)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用轉(zhuǎn)筒自勵(lì)式電磁與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)后，車輛制動(dòng)時(shí)間明顯縮短，其工作過(guò)程中的發(fā)電效率可達(dá)到540 W，提高了制動(dòng)安全性，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量再利用，減少了能源消耗。

1 前言

汽車制動(dòng)性能的好壞是保障汽車主動(dòng)安全性能的重要因素。傳統(tǒng)的汽車摩擦制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)存在很多缺陷，如長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)制動(dòng)情況下會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)熱衰退、制動(dòng)噪聲、制動(dòng)粉塵等。為有效避免傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)系統(tǒng)的弊端，本文設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)筒自勵(lì)式電磁與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)不僅可縮短制動(dòng)時(shí)間，還能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量再利用，進(jìn)而提高車輛的制動(dòng)安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2 轉(zhuǎn)筒式電磁制動(dòng)器的匹配設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)筒式電磁制動(dòng)器工作原理

轉(zhuǎn)筒式電磁制動(dòng)器的工作原理是利用動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的減速和制動(dòng)[1，2]。

轉(zhuǎn)筒式電磁制動(dòng)器的制動(dòng)力矩產(chǎn)生機(jī)理為：當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，在勵(lì)磁線圈中通入經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的直流電，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生如圖1中虛線所示的磁場(chǎng)回路；根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)筒表面會(huì)產(chǎn)生渦流；由楞次定律可知，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻礙轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)力，以此實(shí)現(xiàn)車輛減速或制動(dòng)。

2.2 電磁制動(dòng)力矩的理論推導(dǎo)

2.2.1 制動(dòng)功率推導(dǎo)

將磁極在轉(zhuǎn)筒上的投影近似看做矩形，如圖2所示。在轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，該區(qū)域中磁通量的變化可表示為：

式中，?為磁通量；B為轉(zhuǎn)筒與定子之間的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，原則上是勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與渦流的去磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)共同作用的結(jié)果；S極為磁極面積；ω為車輪角速度；t為制動(dòng)時(shí)間。

由電磁學(xué)原理可知，磁通變化時(shí)，1個(gè)磁極單元的電動(dòng)勢(shì)ε與電阻值dR分別為：

式中，ρ為轉(zhuǎn)筒的電阻率。

電磁制動(dòng)器中1個(gè)磁極單元產(chǎn)生的渦電流為：

另外，圖2中1個(gè)磁極單元的瞬時(shí)功率為：

圖2中整個(gè)磁極在轉(zhuǎn)筒上投影的瞬時(shí)功率為：

因此，整個(gè)磁極在轉(zhuǎn)筒上投影的制動(dòng)功率為：

為便于計(jì)算，忽略了制動(dòng)溫升、漏磁通等一系列因素對(duì)計(jì)算功率的影響，則功率pe修正為：

在轉(zhuǎn)筒上共有2Np個(gè)如圖2所示的矩形區(qū)域。若不考慮相鄰磁極之間的磁場(chǎng)干涉，電磁制動(dòng)器的電磁制動(dòng)功率Pb可表示為：

2.2.2 制動(dòng)力矩計(jì)算

因Pb=Tω可得：

式中，T為制動(dòng)力矩；u0為真空磁導(dǎo)率；N為單個(gè)線圈匝數(shù)；Ic為勵(lì)磁電流；l0為氣隙間距大?。籩為自然常數(shù)。

2.2.3 轉(zhuǎn)筒式電磁制動(dòng)器制動(dòng)力矩選取

本 文 基 于 UDDS（Urban Dynamometer Driving Schedule）循環(huán)工況，以滿足該工況下最大減速度對(duì)應(yīng)的制動(dòng)強(qiáng)度要求為基準(zhǔn)進(jìn)行集成制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。綜合考慮制動(dòng)效果、線圈匝數(shù)、電流大小以及轎車車輪處的安裝空間約束，將電磁制動(dòng)力矩的設(shè)計(jì)目標(biāo)值定為180 N·m。

2.3 電磁制動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 氣隙大小的確定

氣隙的存在會(huì)產(chǎn)生很大的磁阻，這將對(duì)電磁制動(dòng)力矩產(chǎn)生很大影響，因此，必須有效確定氣隙大小。從減小氣隙磁阻的角度出發(fā)，希望氣隙間距越小越好，但氣隙間距的選擇不可以忽略制造工藝誤差、裝配公差以及受熱膨脹等因素的影響。參考目前市場(chǎng)上緩速器的氣隙間距（0.76～1.70 mm）并綜合考慮各種因素，本文所設(shè)計(jì)電磁制動(dòng)器的氣隙間距l(xiāng)0取為1.5 mm。

2.3.2 轉(zhuǎn)筒材料的確定

轉(zhuǎn)筒材料的選擇對(duì)電磁制動(dòng)力矩有一定程度的影響，要使制動(dòng)力矩盡可能大，則B2/ρ應(yīng)最大。對(duì)于不同轉(zhuǎn)筒材料，制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω隨B2/ρ的變化情況見(jiàn)圖3。由于目前市內(nèi)交通狀況的限制，車輛行駛速度大多低于70 km/h，即ω大多小于65°/s。由圖3可看出，當(dāng)ω在0～60°/s范圍內(nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)筒采用銅材料能產(chǎn)生的制動(dòng)力矩最大，因此選擇銅材質(zhì)為轉(zhuǎn)筒材料更合適。

另外，從性價(jià)比出發(fā)，因銅的價(jià)格相對(duì)較高，可以考慮采用在低碳鋼表面鍍銅的方法。圖4為不同銅層厚度下電磁轉(zhuǎn)矩與電磁制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線[4]。從圖4可看出，當(dāng)鍍銅層厚度為1.00 mm時(shí)，在低速段（0～200°/s）內(nèi)，隨電磁制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速的加快，轉(zhuǎn)矩增加的幅度最大?？紤]到各種材料的價(jià)格偏差較大，應(yīng)盡可能選擇性價(jià)比最高的材料[5]，因此，本文所設(shè)計(jì)的電磁制動(dòng)器的轉(zhuǎn)筒材料選用低碳鋼表面鍍銅，銅層厚度為1.00 mm。

2.3.3 轉(zhuǎn)筒的內(nèi)半徑和軸向?qū)挾冗x取

通常情況下，電磁制動(dòng)器的磁軛采用扇形塊結(jié)構(gòu)形式，如圖5所示。

磁軛面積計(jì)算式為：

式中，a1為磁軛沿電磁制動(dòng)器轉(zhuǎn)筒的周向長(zhǎng)度，取a1= 54 mm；b1為磁軛沿電磁制動(dòng)器轉(zhuǎn)筒的軸向長(zhǎng)度，取b1= 40 mm。

轉(zhuǎn)筒的內(nèi)半徑r3與a1的幾何關(guān)系如圖6所示。

從圖6的幾何關(guān)系可得：

則

式中，θ為扇形磁軛的圓心角。

軸向?qū)挾萀axial和內(nèi)半徑r3決定了電磁制動(dòng)器的體積。若勵(lì)磁線圈數(shù)為8，則θ取為22.5°，本文所設(shè)計(jì)的電磁制動(dòng)器取Laxial=0.05 m，r3=0.138 m。

2.3.4 勵(lì)磁繞組選擇

電磁制動(dòng)器中每個(gè)勵(lì)磁線圈的匝數(shù)N為：

式中，Nz為徑向匝數(shù)；Ny為軸向匝數(shù)；H為線圈的骨架高度；h為磁軛高度；δ為線圈骨架厚度；d0為銅線線徑。

根據(jù)式（16）～式（18）可計(jì)算得到所設(shè)計(jì)的電磁制動(dòng)器中每個(gè)線圈繞組的匝數(shù)約為200匝。

3 永磁發(fā)電機(jī)的匹配設(shè)計(jì)

永磁體材料的體積可表示為[6]：

式中，PN為當(dāng)功率因數(shù)cosφ=0時(shí)發(fā)電機(jī)的視在功率；σ0為漏磁系數(shù)，取σ0=1.3；CF為磁勢(shì)系數(shù)，取CF= 1.1；ka為縱軸的點(diǎn)數(shù)反應(yīng)折算系數(shù)；kB為波形系數(shù)，取kB=1.11；為頻率；為空載時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，Br為剩磁感應(yīng)強(qiáng)度；為短路時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，Hc為磁場(chǎng)強(qiáng)度；ki為短路電流倍數(shù)，取ki=2。

電樞直徑Dm可表示為：

式中，Km為永磁體端面系數(shù)；λm為轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)細(xì)比；Lm為轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度。

由電磁學(xué)理論可知，永磁發(fā)電機(jī)定子繞組匝數(shù)的表達(dá)式[7，8]為：

式中，E0為發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)；kw為電樞繞組系數(shù)，取kw=0.92；φ0為通過(guò)定子繞組的有效磁通量；φδ為氣隙每極磁通量；α為極弧系數(shù)，取α=0.8；τ為發(fā)電機(jī)極距；D1為定子鐵芯內(nèi)徑；Lδ為氣隙的軸向計(jì)算長(zhǎng)度。

根據(jù)以上計(jì)算方法，得到所設(shè)計(jì)的永磁發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)為：電樞直徑為150 mm，線圈匝數(shù)為200匝，永磁體磁極寬度為21 mm，磁極對(duì)數(shù)為9。

4 轉(zhuǎn)筒自勵(lì)式電磁與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)試驗(yàn)研究

為研究所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)筒自勵(lì)式電磁與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)的實(shí)際制動(dòng)特性，以及驗(yàn)證制動(dòng)能量回收的可行性，對(duì)其進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架如圖7所示。GB12676—1999規(guī)定，M1類車輛的制動(dòng)試驗(yàn)必須在初始速度為80 km/h的工況下進(jìn)行[9]，因此，臺(tái)架試驗(yàn)中的制動(dòng)初始速度設(shè)置為80 km/h，轉(zhuǎn)換成車輪轉(zhuǎn)速約為700 r/min。

4.1 力矩特性試驗(yàn)

圖8為摩擦制動(dòng)器單獨(dú)工作時(shí)，摩擦制動(dòng)力矩與車輪轉(zhuǎn)速分別隨時(shí)間變化的試驗(yàn)曲線。由圖8可看出，在制動(dòng)開(kāi)始后的0～0.2 s內(nèi)，由于液壓管路中介質(zhì)傳遞的遲滯現(xiàn)象，摩擦制動(dòng)力矩增加較緩慢；在制動(dòng)開(kāi)始后的0.2～6 s內(nèi)，摩擦制動(dòng)力矩逐漸增大，并穩(wěn)定在600 N·m左右。車輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律為：在制動(dòng)開(kāi)始后的0～0.2 s內(nèi)，車輪轉(zhuǎn)速為720 r/min；在0.2～10.4 s內(nèi)，車輪轉(zhuǎn)速迅速減小至0，制動(dòng)效果顯著，所需制動(dòng)時(shí)間為10.4 s。

當(dāng)電磁制動(dòng)器單獨(dú)工作時(shí)，電磁制動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖9所示。由圖9可看出，在制動(dòng)開(kāi)始后，電磁制動(dòng)力矩迅速達(dá)到140 N·m；在制動(dòng)開(kāi)始后的0～10.8 s內(nèi)，電磁制動(dòng)力矩有緩慢變大的趨勢(shì)，最后達(dá)到最大值160 N·m。這是因?yàn)殡S轉(zhuǎn)速的減小，電磁制動(dòng)器“去磁效應(yīng)”的影響變?nèi)酰瑥亩鴮?dǎo)致力矩緩慢增大。在制動(dòng)開(kāi)始后的10.8～27 s內(nèi)，隨轉(zhuǎn)速的降低電磁制動(dòng)力矩開(kāi)始逐漸減小至0。車輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律為：制動(dòng)開(kāi)始后的0～10.8 s內(nèi)，車輪轉(zhuǎn)速呈快速下降趨勢(shì)；在10.8～27 s內(nèi)，隨電磁制動(dòng)力矩的減小車速下降速度趨于緩慢，并最終穩(wěn)定在160 r/min左右。其原因是，在160 r/min轉(zhuǎn)速下，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度與勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度剛好抵消，此時(shí)的制動(dòng)盤(pán)不受制動(dòng)力矩作用，所需制動(dòng)時(shí)間為27 s。

當(dāng)電磁制動(dòng)器與摩擦制動(dòng)器同時(shí)作用，且在電磁制動(dòng)器的勵(lì)磁線圈中通入20 A的勵(lì)磁電流時(shí)，混合制動(dòng)力矩、車輪轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖10。由圖10可看出，在制動(dòng)初始階段，混合制動(dòng)力矩值約為170 N·m，隨后呈緩慢增大趨勢(shì)，直到達(dá)到最大制動(dòng)力矩580 N·m后開(kāi)始趨于平緩。在該工況下，車輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律為：在力矩作用下車輪轉(zhuǎn)速呈緩慢減小趨勢(shì)，隨摩擦制動(dòng)力的增大，車輪轉(zhuǎn)速迅速減小至0，從開(kāi)始制動(dòng)到車輛完全停止所需要的時(shí)間為9 s。

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，摩擦制動(dòng)器在制動(dòng)初始階段響應(yīng)慢，很難在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大制動(dòng)效果，但是其力矩幾乎不受轉(zhuǎn)速影響；電磁制動(dòng)器響應(yīng)速度快，電磁制動(dòng)力矩能夠在極短的時(shí)間內(nèi)迅速增大，然而由前文所述電磁制動(dòng)工作原理可知，隨車速的降低電磁制動(dòng)力矩將迅速減小；在2種制動(dòng)器同時(shí)作用的情況下，制動(dòng)時(shí)間由原來(lái)的10.4 s縮短為8.8 s，制動(dòng)時(shí)間縮短了13.46%。

4.2 發(fā)電機(jī)性能試驗(yàn)

表1為試驗(yàn)中測(cè)得的永磁發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)。表中給出了在主軸轉(zhuǎn)速為0～700 r/min范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速每增加100 r/min所對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)輸出電壓和輸出電流，以及通過(guò)輸出電壓和輸出電流計(jì)算得到發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率。由表1可知，輸出電壓范圍為0～29.7 V，輸出電流范圍為0～18.3 A，永磁發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而增大，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到700 r/min（即車輛行駛速度約為80 km/h）時(shí)，永磁發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率達(dá)到最大值540 W。基于UDDS循環(huán)工況，車輛行駛速度大多情況下處于50 km/h左右，所對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率約為300～400 W。因此，所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)筒自勵(lì)式電磁與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)在使用的過(guò)程中能夠?qū)⒅苿?dòng)能量轉(zhuǎn)化成電能，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量的再利用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種轉(zhuǎn)筒自勵(lì)式電磁與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了制動(dòng)性能和發(fā)電機(jī)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用轉(zhuǎn)筒自勵(lì)式電磁與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)可以有效縮短制動(dòng)時(shí)間，大大提高汽車制動(dòng)安全性能。另外，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在使用過(guò)程中能夠?qū)⒅苿?dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量的再利用。

表1 永磁發(fā)電機(jī)性能參數(shù)

1 Hiroshi Fujimoto,Takeo Saito,Akio Tsumasaka,et a1Mo?tion Control and Road Condition Estimation of Electric Ve?hicles with Two In-Wheel Motors．Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Control Applications，2004.

2 何仁，丁福生，張圓圓.輪邊緩速器制動(dòng)力矩的計(jì)算方法.汽車技術(shù)，2008（10）：10～12．

3 Lee K，Park K．Modeling eddy currents with boundary con?ditions by using Coulomb’s law and the method of images．IEEE Trans.Magn,2002，38（2）：1333～1340.

4 蔡文.可拓學(xué)概述.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，1998，18（1）：76～84．

5 Anwar S,Stevenson RC.Torque Characteristics Analysis of an Eddy Current ElectricMachine for Automotive Braking Applications.Proceedings of the 2006 American Control Conference,2005,5:3996-4001.

6 張學(xué)義，曾慶良，史立偉.車輛用42 V可控整流穩(wěn)壓式稀土永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì).微電機(jī)，2011,44（5）：21～23.

7 唐任遠(yuǎn)．現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

8 劉景林，李鐘明.小型稀土永磁同步發(fā)電機(jī)分析及應(yīng)用.中小型電機(jī)，2001,28（5）：14～16．

9 GB12676—1999.汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法.2005.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年7月27日。

Design and Test of the Rotary and Self-excited Type Integrated System of Electromagnetic and Friction Brake

Gu Xiaodan,He Ren
（Jiangsu University）

In this paper,the rotary and self-excited type integrated system of electromagnetic and friction brake is designed in aspects of the rotary electromagnetic brake and the permanent magnet DC generator respectively.Brake property test is carried out to the prototype on the integrated test bench of electromagnetic and friction brake,what’s more, the generator performance test is also carried out.The results show that braking time is reduced obviously when adapting the integrated brake system and braking safety is improved.In addition,the generated power of the integrated system reaches 540 W,which can recycle braking energy and reduce energy consuming.

Rotary self excitation type，Electromagnetic brake，F(xiàn)riction braking，Integrated System

轉(zhuǎn)筒自勵(lì)式 電磁制動(dòng) 摩擦制動(dòng) 集成系統(tǒng)

U463.5

A

1000-3703（2015）09-0004-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：51275212。