吳 飛

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)工程系，廣西 南寧530023)

目前，農(nóng)用車(chē)輛多采用氣壓或者液壓為主的制動(dòng)系統(tǒng)，這些制動(dòng)系統(tǒng)在很大程度上能確保農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)輛行駛的安全性．然而農(nóng)用車(chē)輛所工作的地點(diǎn)多在田間，出現(xiàn)涉水涉沙的路況較為常見(jiàn)，一旦這些路況持續(xù)出現(xiàn)在農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)輛行駛途中，將會(huì)因其制動(dòng)失效而存在極大的安全隱患．為此，如何解決農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)接觸失效已成為農(nóng)業(yè)工程的一大問(wèn)題．文獻(xiàn)［1－3］中不難發(fā)現(xiàn)，公路運(yùn)輸車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)所存在問(wèn)題與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)輛相似．目前，較多客車(chē)生產(chǎn)企業(yè)已將電渦流緩速器作為其標(biāo)配部件之一．

考慮到農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)實(shí)際工作情況復(fù)雜，若其制動(dòng)系統(tǒng)采用電磁式制動(dòng)裝置，則漏磁的存在使其磁通密度分布不規(guī)則，同時(shí)也會(huì)影響電磁制動(dòng)力矩的大小和方向，導(dǎo)磁材料的非線性、電磁式制動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程中存在的磁飽和問(wèn)題以及退磁效應(yīng)都給裝置設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難，為此，利用Ansoft Maxwell2D/3D 軟件建立電磁式制動(dòng)系統(tǒng)模型并進(jìn)行磁場(chǎng)分析，可以準(zhǔn)確地模擬農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)電磁式制動(dòng)系統(tǒng)的性能，為設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù)．

1 農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)電磁式制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

1．1 設(shè)計(jì)原理

如圖1 所示，為農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)電磁式制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該制動(dòng)系統(tǒng)由雙轉(zhuǎn)子電磁制動(dòng)盤(pán)以及夾在電磁制動(dòng)盤(pán)中間的電磁線圈、電磁鐵芯組成．工作過(guò)程中，以制動(dòng)盤(pán)作為電磁式制動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子，線圈產(chǎn)生的磁通經(jīng)鐵芯、磁軛、氣隙、制動(dòng)盤(pán)、相鄰線圈的磁軛、氣隙、鐵芯形成回路，制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生制動(dòng)力矩．本設(shè)計(jì)中，將線圈個(gè)數(shù)設(shè)為6 個(gè)，均布在雙轉(zhuǎn)子電磁制動(dòng)盤(pán)上，每個(gè)線圈匝數(shù)均設(shè)為1 000 匝．

圖1 電磁式制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．1 The chart of electromagnetic brake system

2 農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)電磁式制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)麥克斯韋方程和洛倫定律，電磁方程組可寫(xiě)為［4－6］:

其中:D 表示單位磁通密度;ρf表示電荷密度，B 表示磁感應(yīng)強(qiáng)度，E 表示電場(chǎng)強(qiáng)度，H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度，J表示電流密度，μ0表示真空磁導(dǎo)率． F 表示洛倫力，q表示電荷，v表示制動(dòng)盤(pán)上某點(diǎn)電荷的運(yùn)動(dòng)速度． 根據(jù)麥克斯韋方程，經(jīng)整理后的麥克斯韋線性方程可表述為:

其中:ε0表示真空介電常數(shù)，d表示制動(dòng)盤(pán)厚度． 根據(jù)式(9)，電流密度J可寫(xiě)為:

將?分別乘在式(7)等式兩邊，為此式(1)可寫(xiě)為:

結(jié)合式(11)和式(12)，

考慮到磁通密度所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力會(huì)再次施加在制動(dòng)盤(pán)上，為此制動(dòng)盤(pán)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)加上外界磁感應(yīng)強(qiáng)度B0．因此，總的磁感應(yīng)強(qiáng)度用B+B0來(lái)表示，式(14)可表為:

考慮到電流密度J和電場(chǎng)都存在x和y方向，上述方程可改寫(xiě)為:

其中:f表示常系數(shù)，且f=μ0ε0，G表示常系數(shù)，且G=μ0σd，vx和vy為制動(dòng)盤(pán)上某點(diǎn)在x和y方向的速度．式(11)可寫(xiě)為:

考慮到磁通密度同樣存在x和y方向，因此式(17)可變?yōu)?

其中:Jx表示x方向上的電流密度，Jy表示y方向上的電流密度．J=Jx+Jy，且

考慮到感應(yīng)電流密度及感應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，從積分的角度可得到農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)輛電磁式制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)盤(pán)上的電磁制動(dòng)力矩Tb為:

其中:Tb表示電磁式制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)盤(pán)上的電磁制動(dòng)力矩，a表示電磁鐵芯的長(zhǎng)度，b表示電磁鐵芯的寬度，rab表示電磁鐵芯投影在制動(dòng)盤(pán)中心點(diǎn)距制動(dòng)盤(pán)中心點(diǎn)的距離，Ji表示感應(yīng)電流密度，Bi表示感應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度．

3 磁場(chǎng)分析

Ansoft Maxwell 2D/3D 軟件是由Ansoft 公司生產(chǎn)的一款非常優(yōu)秀的電磁分析軟件．該軟件可進(jìn)行電磁場(chǎng)理論、數(shù)值分析、計(jì)算方法、電渦流計(jì)算及溫度場(chǎng)計(jì)算方面的仿真研究．由于設(shè)計(jì)者對(duì)性能與體積設(shè)計(jì)封裝的希望，因而對(duì)于先進(jìn)且便于使用的數(shù)字場(chǎng)仿真技術(shù)的需求量增加．在工程人員所關(guān)心的實(shí)用性及數(shù)字化功能方面，Maxwell 的產(chǎn)品遙遙領(lǐng)先其他的一流公司，其中MAXWELL 2D 可用于工業(yè)應(yīng)用中的電磁元件，如傳感器、調(diào)節(jié)器、電動(dòng)機(jī)、變壓器，以及其他工業(yè)控制系統(tǒng)比以往任何時(shí)候都使用得更加廣泛．

為了更好地分析、觀察電磁式制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)盤(pán)上所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁力線分布情況，選擇采用Ansoft Maxwell2D 10．0 版本二維軟件．

通過(guò)【Setup Materials】命令訪問(wèn)材料管理器．進(jìn)入材料管理器后，作如下指定:

1)指定電磁制動(dòng)器線圈的材料屬性為銅(copper);

2)指定制動(dòng)盤(pán)的材料屬性為銅(copper);

3)指定電磁制動(dòng)器線圈磁極屬性為NdFe35;

4)背景設(shè)為氣球邊界．

圖2 所示為網(wǎng)格化后的電磁式制動(dòng)系統(tǒng)圖，為了便于觀察與分析，在網(wǎng)格化過(guò)程中，將需要重點(diǎn)分析區(qū)域(雙轉(zhuǎn)子電磁制動(dòng)盤(pán))劃分得更密．

圖3 所示為電磁式制動(dòng)系統(tǒng)磁力線分布圖，磁力線密度越大的地方表明該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大．

圖2 網(wǎng)格化后的電磁式制動(dòng)系統(tǒng)圖Fig．2 The meshed chart of electromagnetic brake system

圖3 磁力線分布圖Fig．3 Force line distribution map

圖4 所示為磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖，在求解過(guò)程中，設(shè)置每個(gè)線圈的通電電流為20 A，每個(gè)線圈匝數(shù)為1 000匝．由圖4 可見(jiàn)，雙轉(zhuǎn)子制動(dòng)盤(pán)上出現(xiàn)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的地方位于制動(dòng)盤(pán)的中部，約為2．6 t，制動(dòng)盤(pán)兩端的磁感應(yīng)強(qiáng)度最小，這與磁力線在中部密度最大有關(guān)．

圖5 所示為后處理得到的制動(dòng)盤(pán)受力結(jié)果圖． 通過(guò)后處理結(jié)果可知，雙轉(zhuǎn)子制動(dòng)盤(pán)所受x方向合力為120．742N，所受y 方向合力為6049．9 N．由于y 方向的力能阻礙制動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，為此其值越大，則說(shuō)明制動(dòng)效果越明顯．假設(shè)電磁鐵芯投影在制動(dòng)盤(pán)中心點(diǎn)距制動(dòng)盤(pán)中心點(diǎn)的距離rab為40 mm，則電磁式制動(dòng)系統(tǒng)能產(chǎn)生的制動(dòng)力矩Tb為242 N．m，對(duì)于總重量在2～3 t 的農(nóng)用車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，能起到有效的輔助制動(dòng)作用．

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖Fig．4 Distribution of electromagnetic flux density map

圖5 后處理得到的制動(dòng)盤(pán)受力力結(jié)果Fig．5 Disc brake force results after processing

圖6 為后處理得到的力隨時(shí)間變化圖，由圖6 可見(jiàn)，電磁式制動(dòng)系統(tǒng)能持續(xù)提供恒定的電磁制動(dòng)力，從而確保了車(chē)輛的有效、可靠制動(dòng)．

圖6 后處理得到的力隨時(shí)間變化圖Fig．6 Variation chart between force and time after processing

4 結(jié)論

農(nóng)用車(chē)輛所工作的地點(diǎn)多在田間，出現(xiàn)涉水涉沙的路況較為常見(jiàn)，一旦這些路況持續(xù)出現(xiàn)在農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)輛行駛途中，將會(huì)因其制動(dòng)失效而存在極大的安全隱患． 為此，將傳統(tǒng)的氣壓式或液壓式的農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)改裝為電磁式制動(dòng)系統(tǒng)將是可行的方法，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出制動(dòng)力矩公式，并利用Ansoft Maxwell 2D/3D 軟件對(duì)其進(jìn)行磁場(chǎng)分析，最終得到切合實(shí)際的結(jié)果和結(jié)論．

［1］ 黃榕清，李剛營(yíng)，胡宏． 液力緩速器和電渦流緩速器［J］．機(jī)電工程技術(shù)，2005(10):82－85，106．

［2］ 時(shí)軍，過(guò)學(xué)迅．車(chē)用液力減速制動(dòng)器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］．車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)，2001(4):52－57．

［3］ 劉存香．汽車(chē)電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)控制技術(shù)及性能研究［D］．鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2012．

［4］ 何仁，丁福生．輪邊緩速器制動(dòng)力矩的計(jì)算方法［J］．汽車(chē)技術(shù)，2008(10):10－12．

［5］ 何仁，趙萬(wàn)忠，牛潤(rùn)新．車(chē)用永磁式緩速器制動(dòng)力矩的計(jì)算方法［J］．交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2006(4):66－69．

［6］ Karakoc K，Edward J，Park Afzal Suleman．Improved braking torque generation capacity of an eddy current brake with time varying magnetic field:A numerical study［J］．Finite Elements in Analysis and Design，2012，59 (1):66－75．