葉樂(lè)志，劉玉朋，李德勝

(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

前言

隨著我國(guó)道路交通狀況的改善和車(chē)輛通行能力的提高,重載貨車(chē)高速、超載、持續(xù)制動(dòng)發(fā)熱等問(wèn)題嚴(yán)重威脅著行車(chē)安全,因此,除車(chē)輛本身主制動(dòng)系統(tǒng)外,加裝輔助制動(dòng)裝置已成為交通安全的迫切需要[1-2]。永磁緩速器是一種基于永磁體渦流制動(dòng)原理的無(wú)摩擦輔助制動(dòng)裝置,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕和基本不消耗電能等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的推廣應(yīng)用前景[3-4]。

永磁緩速器將車(chē)輛的動(dòng)能或勢(shì)能轉(zhuǎn)換為熱能,工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱能引起緩速器渦流盤(pán)溫度急劇升高,最高可達(dá)500℃以上。渦流盤(pán)高溫一方面會(huì)帶來(lái)緩速器制動(dòng)力矩衰退、永磁體易失磁等問(wèn)題,另一方面會(huì)引起材料電磁特性特別是電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的非線性變化,對(duì)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)模型等理論計(jì)算帶來(lái)較大誤差。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)渦流制動(dòng)裝置的電磁場(chǎng)建模、溫度場(chǎng)建模、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行了深入研究[5-10]。盡管少數(shù)研究者認(rèn)識(shí)到溫度對(duì)永磁緩速器制動(dòng)性能的影響不可忽略,并進(jìn)行了耦合計(jì)算[11-13],但采用雙向耦合方法對(duì)緩速器電-磁-熱-流等多物理場(chǎng)耦合計(jì)算的研究較少。

本文中提出一種制動(dòng)力矩可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的永磁緩速器,建立緩速器電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)模型,分析電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布,得到制動(dòng)特性曲線。提出一種磁-熱雙向耦合方法建立緩速器磁-熱耦合分析模型,研究考慮溫度影響的緩速器制動(dòng)力矩特性,并試制緩速器樣機(jī),進(jìn)行了試驗(yàn)研究。該項(xiàng)研究為緩速器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持,可用于解決永磁緩速器長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)產(chǎn)生高溫導(dǎo)致制動(dòng)力矩衰退和永磁體失磁等問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 永磁緩速器結(jié)構(gòu)示意圖

本文中提出一種新型盤(pán)式永磁緩速器,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由2個(gè)永磁盤(pán)、2個(gè)渦流盤(pán)和1個(gè)力矩調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成,永磁盤(pán)包括永磁體、保護(hù)盤(pán)和磁軛,永磁體采用釹鐵硼材料,以N,S極交替放置通過(guò)保護(hù)盤(pán)固定在磁軛上(為清晰表示,圖中保護(hù)盤(pán)作透明處理)。渦流盤(pán)位于永磁盤(pán)兩側(cè),通過(guò)法蘭與車(chē)輛傳動(dòng)軸和變速器輸出軸相連接,其上設(shè)有散熱風(fēng)道,采用強(qiáng)制風(fēng)冷方式進(jìn)行散熱。當(dāng)渦流盤(pán)靠近永磁盤(pán)時(shí),永磁體、磁軛、渦流盤(pán)和兩盤(pán)之間的氣隙形成閉合磁路,渦流盤(pán)隨輸出軸旋轉(zhuǎn)時(shí)切割永磁體產(chǎn)生的磁力線,感應(yīng)渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)相互作用,從而產(chǎn)生制動(dòng)力矩；當(dāng)渦流盤(pán)遠(yuǎn)離永磁盤(pán)時(shí),制動(dòng)減小直至解除。制動(dòng)力矩調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由氣缸和球頭連桿組成,氣缸固定在車(chē)架上,球頭連桿與磁軛相連接,基于杠桿原理,通過(guò)控制氣缸的軸向運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)氣隙大小,改變氣隙磁阻和感應(yīng)渦流磁場(chǎng)強(qiáng)度,從而實(shí)現(xiàn)緩速器的開(kāi)關(guān)和對(duì)制動(dòng)力矩進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

2 電磁場(chǎng)數(shù)值分析

2.1 電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

在永磁緩速器電磁場(chǎng)模型中,忽略渦流盤(pán)中的位移電流,麥克斯韋方程組可表示為

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度,A/m；J為電流密度,A/m2；E為電場(chǎng)強(qiáng)度,V/m；B為磁通密度,T。

對(duì)于包含運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體的渦流問(wèn)題,其場(chǎng)域及邊界如圖2所示。設(shè)定三維渦流場(chǎng)的求解區(qū)域Ω,包括Ω1和Ω2,其中Ω1為渦流區(qū)域,不含源電流,Ω2為非渦流區(qū)域；Γ12為Ω1和Ω2的內(nèi)部交界面；Ω的外邊界有ΓB和ΓH兩種定義,在ΓB上給定磁感應(yīng)強(qiáng)度的法向分量,在ΓH上給定磁場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量。

圖2 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體渦流場(chǎng)域及邊界

為提高電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的效率,引入磁矢勢(shì)A和標(biāo)量電位 φ,則 Ω1和 Ω2區(qū)域的控制方程[14]分別為

式中：ν為磁阻率(磁導(dǎo)率μ的倒數(shù)),m/H；σ為渦流盤(pán)電導(dǎo)率,S/m；v為渦流盤(pán)運(yùn)動(dòng)速度,m/s。根據(jù)以上方程可分別求解磁通密度B和電流密度J。

2.2 電磁場(chǎng)數(shù)值模型

永磁緩速器在工作時(shí),永磁體使旋轉(zhuǎn)的渦流盤(pán)內(nèi)表面感應(yīng)產(chǎn)生渦流,而渦流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生增強(qiáng)或減弱的影響,因此氣隙磁場(chǎng)由永磁體磁動(dòng)勢(shì)和渦流磁動(dòng)勢(shì)的合成磁動(dòng)勢(shì)所決定。利用展開(kāi)方法對(duì)永磁緩速器進(jìn)行建模分析,渦流計(jì)算模型如圖3所示。各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖3 緩速器渦流計(jì)算模型

表1 緩速器模型結(jié)構(gòu)參數(shù)表 mm

圖4 電磁場(chǎng)計(jì)算模型及1/20網(wǎng)格劃分模型

根據(jù)表1中的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立緩速器的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型,對(duì)渦流盤(pán)上的散熱風(fēng)道進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,三維模型如圖4(a)所示。因保護(hù)盤(pán)不導(dǎo)磁,故在圖3、表1和圖4中皆予略去。由于模型具有周期性,為縮小計(jì)算區(qū)域和縮短計(jì)算時(shí)間,設(shè)置反對(duì)稱(chēng)周期對(duì)稱(chēng)條件,取周期旋轉(zhuǎn)角ψ為18°,即采用整體模型的1/20進(jìn)行求解,其3D網(wǎng)格模型如圖4(b)所示?？紤]到渦流的趨膚效應(yīng),在渦流盤(pán)上設(shè)置邊界層網(wǎng)格,對(duì)其表面與邊沿處生成的高度各向異性網(wǎng)格進(jìn)行控制,層數(shù)為3層,如圖4(c)所示,厚度為渦流等效趨膚深度Δ,其計(jì)算公式為

式中：μ為渦流盤(pán)的磁導(dǎo)率,H/m；ω為渦流盤(pán)的旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s。

建立三維模型、賦予材料特性、劃分網(wǎng)格和設(shè)置邊界條件后,對(duì)電磁場(chǎng)數(shù)值模型進(jìn)行求解。下面對(duì)緩速器不同轉(zhuǎn)速和不同氣隙條件下的電磁場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算,研究緩速器的氣隙磁通密度、感應(yīng)渦流密度和制動(dòng)力矩。轉(zhuǎn)速n＝1500r/min時(shí)不同氣隙下的氣隙磁通密度分布如圖5所示。從圖中可看出,緩速器靜止時(shí)永磁體對(duì)應(yīng)位置的氣隙磁通密度均勻分布,而工作時(shí)渦流盤(pán)進(jìn)入永磁體一側(cè)的氣隙磁通密度被減弱,另一側(cè)卻略有增強(qiáng),總氣隙磁通密度被渦流磁動(dòng)勢(shì)減弱。隨著氣隙δ的減小,氣隙磁通密度不斷增大,且由于渦流磁動(dòng)勢(shì)增大,導(dǎo)致氣隙磁通密度減弱的部分更為明顯。

圖5 不同氣隙時(shí)氣隙磁通密度分布

由感應(yīng)渦流密度J可得緩速器的損耗功率為

式中：V為渦流盤(pán)體積,m3；ρe為渦流盤(pán)電阻率,Ω·m。

轉(zhuǎn)速為1 500r/min時(shí)不同氣隙下的渦流盤(pán)中感應(yīng)渦流密度分布如圖6所示,渦流集中在永磁體寬度方向邊線對(duì)應(yīng)的渦流盤(pán)部分,隨著氣隙的增大,渦流密度變得越來(lái)越小,則損耗功率隨之變小。

緩速器制動(dòng)力矩T與渦流盤(pán)損耗功率P的關(guān)系為

圖6 不同氣隙時(shí)感應(yīng)渦流密度分布圖

由圖6、式(5)和式(6)可知,隨著氣隙的增加,同一轉(zhuǎn)速下渦流盤(pán)中的感應(yīng)渦流密度和損耗功率越來(lái)越小,制動(dòng)力矩也隨之減小,當(dāng)δ＝40mm時(shí)最大制動(dòng)力矩約10N·m,該值為永磁緩速器的殘余力矩。不考慮溫度影響時(shí),不同氣隙下緩速器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的仿真曲線如圖7所示。由圖可見(jiàn),同一氣隙下,隨著轉(zhuǎn)速提高,氣隙平均磁通密度不斷減小,進(jìn)而渦流感應(yīng)磁通密度也減小,制動(dòng)力矩逐漸達(dá)到飽和值。

圖7 不同氣隙時(shí)制動(dòng)力矩仿真曲線

渦流盤(pán)與永磁盤(pán)之間的吸力會(huì)影響力矩調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作。不同氣隙時(shí)緩速器渦流盤(pán)與永磁盤(pán)之間的吸力隨轉(zhuǎn)速變化的曲線如圖8所示。由圖可見(jiàn)：同一氣隙下,隨著轉(zhuǎn)速的增加,感應(yīng)渦流密度逐漸增大,渦流盤(pán)感應(yīng)磁場(chǎng)削弱永磁磁場(chǎng),吸力逐漸減小；同一轉(zhuǎn)速下,吸力隨著氣隙的增大而減小。

3 溫度場(chǎng)數(shù)值分析

圖8 不同氣隙時(shí)吸力隨轉(zhuǎn)速變化曲線

永磁緩速器是利用渦流制動(dòng)原理將汽車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為渦流盤(pán)的熱能,并通過(guò)風(fēng)冷強(qiáng)制對(duì)流進(jìn)行散熱。一方面,制動(dòng)所產(chǎn)生的大量熱能使渦流盤(pán)溫度急劇升高,使渦流盤(pán)材料的電磁特性發(fā)生改變,降低了緩速器的制動(dòng)性能；另一方面,渦流盤(pán)中的熱量通過(guò)氣隙傳遞到永磁盤(pán),使永磁體溫度升高,一旦超過(guò)釹鐵硼材料的工作溫度,永磁體將發(fā)生不可逆失磁。因此,有必要對(duì)永磁緩速器的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

3.1 溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

緩速器工作時(shí)產(chǎn)生的熱能通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種傳遞方式散發(fā)出去。風(fēng)冷型緩速器主要利用渦流盤(pán)上的散熱裝置進(jìn)行熱傳導(dǎo)和強(qiáng)制對(duì)流換熱,其中一部分熱量通過(guò)熱對(duì)流和熱輻射的方式傳遞到永磁盤(pán)中,引起永磁體溫度升高。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型,做了以下假設(shè)：(1)各部件為各向同性導(dǎo)熱介質(zhì)；(2)部件的接觸部分為緊密接觸,不考慮接觸表面的熱阻；(3)環(huán)境流體為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的干燥空氣,且溫度保持不變。

考慮到渦流制動(dòng)的趨膚效應(yīng),將渦流盤(pán)虛擬劃分為內(nèi)熱源區(qū)和非內(nèi)熱源區(qū),假設(shè)熱量均布于內(nèi)熱源區(qū),即渦流等效趨膚深度Δ內(nèi)。根據(jù)以上分析,利用周向展開(kāi)方法建立如圖9所示的數(shù)學(xué)模型。

圖9 緩速器溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

渦流盤(pán)內(nèi)部和各接觸部件之間基本上以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行熱量傳遞,其基本方程為

式中：Qc為傳導(dǎo)的熱流量,W；λ為熱導(dǎo)率,W/(m·℃)；A為熱傳導(dǎo)面積,m2；Δtm為熱傳導(dǎo)平均溫差,℃；δ為熱傳導(dǎo)距離,m。

各部件與環(huán)境空氣之間主要以熱對(duì)流和熱輻射的方式進(jìn)行熱量傳遞,其基本方程為

式中：Qd為熱傳導(dǎo)的熱量,J；A為傳熱面積,m2；ε為表面發(fā)射率；Cs為黑體輻射常數(shù)；hc為對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·℃)；Tw和Tf分別為表面溫度和環(huán)境空氣溫度,℃。

緩速器溫度場(chǎng)的分布是電磁場(chǎng)和流場(chǎng)共同作用的結(jié)果,利用等效散熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式難以精確計(jì)算溫度場(chǎng)分布,因此本文中通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算得到散熱系數(shù)的精確解,且風(fēng)冷式緩速器工作時(shí)渦流盤(pán)溫升較高,應(yīng)采用導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射耦合的方式對(duì)溫度場(chǎng)分布進(jìn)行修正,故引入離散坐標(biāo)輻射模型,進(jìn)而求解得到溫度場(chǎng)的具體分布。引入k-ε湍流模型,流體湍動(dòng)動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε的方程[15]分別為

式中：ρ為流體密度,kg/m3；t為時(shí)間,s；ui為時(shí)均速度,m/s；xi和 xj為速度矢量分量,m/s；μ為速度矢量,m/s；Gk為湍流產(chǎn)生率；μt為湍流黏性系數(shù),μt＝和 Cε2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk和 σε分別為 k和ε的普朗特?cái)?shù)。

3.2 溫度場(chǎng)數(shù)值模型

建立包含渦流盤(pán)、永磁體、保護(hù)盤(pán)、磁軛、散熱裝置和環(huán)境流體在內(nèi)的緩速器溫度場(chǎng)仿真模型,如圖10(a)所示。設(shè)置環(huán)境流體為動(dòng)域和靜域兩個(gè)區(qū)域,由于模型具有周期性,取1/20進(jìn)行計(jì)算,其網(wǎng)格劃分模型如圖10(b)所示。

本模型涉及旋轉(zhuǎn)流動(dòng),可采用RNG k-ε湍流模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算,模型中各部件材料的熱物理性質(zhì)如表2所示。

將電磁場(chǎng)中計(jì)算得到的渦流損耗作為熱源,生熱率公式為

圖10 溫度場(chǎng)計(jì)算模型和1/20網(wǎng)格劃分模型

表2 各部件的熱物理性質(zhì)

由數(shù)值模擬緩速器在環(huán)境溫度30℃、氣隙9mm和轉(zhuǎn)速750r/min下持續(xù)制動(dòng)時(shí)瞬態(tài)溫度場(chǎng),得到第12min時(shí)緩速器各部件溫度分布,如圖11所示。由圖可見(jiàn)：渦流盤(pán)最高溫度位于軸向氣隙內(nèi)側(cè)達(dá)450℃,徑向外側(cè)溫度空氣流速較大,因此溫度低于徑向內(nèi)側(cè)；熱量通過(guò)對(duì)流和輻射傳遞到永磁體和保護(hù)盤(pán)上,溫度徑向分布趨勢(shì)與渦流盤(pán)一致,但整體溫差較小,永磁體最高溫度為54℃,未超過(guò)釹鐵硼50M的最高工作溫度(tw＝100℃)。

圖11 緩速器各部件溫度分布云圖

圖12 為氣隙δ＝9mm時(shí)渦流盤(pán)內(nèi)熱源區(qū)平均溫度和不同氣隙時(shí)永磁體溫度隨時(shí)間變化曲線。假設(shè)車(chē)輛在0-12min內(nèi)緩速器持續(xù)制動(dòng),第12min時(shí)停止制動(dòng),12-40min內(nèi)渦流盤(pán)隨傳動(dòng)軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)散熱。由圖可知：(1)δ＝9mm時(shí)渦流盤(pán)內(nèi)熱源區(qū)平均溫度在3min時(shí)已達(dá)到270℃,之后上升減緩,12min時(shí)達(dá)到432℃,停止制動(dòng)后溫度基本呈直線趨勢(shì)下降,40min時(shí)為111℃,永磁體溫度上升先緩后快,這是因?yàn)殡S渦流盤(pán)溫度的升高,熱量對(duì)流和輻射加速,12min時(shí)達(dá)到54℃,停止制動(dòng)后由于對(duì)流和輻射的存在溫度仍略有升高,20min后溫度開(kāi)始緩慢下降,40min時(shí)溫度為46℃；(2)隨著氣隙的減小,永磁體溫度越來(lái)越高且上升速度增大,δ＝6mm時(shí)永磁體溫度在12min升至83℃；δ＝3mm時(shí)永磁體溫度在7.5min開(kāi)始超過(guò) tw＝100℃,在 12min溫度高達(dá)154℃,永磁體將出現(xiàn)不可逆失磁。由于在δ＝3～6mm之間未做進(jìn)一步的細(xì)化仿真,無(wú)法斷言,故為保險(xiǎn)起見(jiàn),緩速器持續(xù)制動(dòng)12min時(shí)建議氣隙應(yīng)不小于6mm。

圖12 永磁體和渦流盤(pán)溫度隨時(shí)間變化曲線

4 磁-熱耦合數(shù)值分析

4.1 磁-熱耦合數(shù)學(xué)模型

緩速器多場(chǎng)耦合模型可由相應(yīng)物理場(chǎng)的基本方程及其界面約束關(guān)系導(dǎo)出,數(shù)學(xué)模型可通過(guò)分析場(chǎng)間物理量的作用關(guān)系得出,本文中主要研究緩速器的磁-熱耦合場(chǎng),其數(shù)學(xué)描述為

式中：T,V和φ為溫度場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的主自由度,即溫度陣、電勢(shì)陣和標(biāo)量磁勢(shì)陣；Q,I和φf(shuō)為已知的各場(chǎng)載荷陣,即熱載荷陣(包括節(jié)點(diǎn)熱流率、熱生成率等)、節(jié)點(diǎn)電流載荷陣和磁場(chǎng)載荷陣(包括場(chǎng)源磁通量、節(jié)點(diǎn)磁通量等)；Ct為比熱系數(shù)陣；Kt為傳導(dǎo)和對(duì)流系數(shù)陣；KV為電導(dǎo)率系數(shù)陣；Km為標(biāo)量磁勢(shì)系數(shù)陣。

從矩陣方程可知,磁-熱耦合是子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)或結(jié)構(gòu)模塊集成形成的耦合,其建模和求解方法為根據(jù)各場(chǎng)基本方程建立數(shù)學(xué)模型后利用數(shù)值方法進(jìn)行求解。

4.2 磁-熱耦合數(shù)值模型

為計(jì)算得到緩速器更準(zhǔn)確的制動(dòng)力矩特性曲線,本文中采用雙向耦合法建立磁-熱耦合數(shù)值模型,包括電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)等多物理場(chǎng),利用數(shù)值模擬的方法對(duì)各物理場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算,其計(jì)算流程如圖13所示。

圖13 耦合計(jì)算流程圖

耦合計(jì)算流程說(shuō)明如下。

(1)分別建立緩速器的電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)有限元模型,設(shè)置初始溫度,計(jì)算渦流制動(dòng)損耗功率,并將其作為熱源計(jì)算溫度場(chǎng),得到更新溫度后渦流盤(pán)材料的電導(dǎo)率σ和磁導(dǎo)率μ,以此為影響因子重新計(jì)算電磁場(chǎng),經(jīng)多次迭代,溫度誤差小于k后,停止計(jì)算。

(2)電磁場(chǎng)計(jì)算中,由初始化參數(shù)計(jì)算主磁通密度,得到渦流密度和渦流感應(yīng)磁通密度,進(jìn)而得到合成氣隙磁通密度,迭代過(guò)程中考慮渦流盤(pán)材料磁導(dǎo)率μ的非線性(即B-H曲線)和溫度的影響。圖14為永磁體釹鐵硼50M隨溫度變化的B-H曲線。

(3)渦流盤(pán)材料電導(dǎo)率σ與其電阻的關(guān)系為

圖14 永磁體釹鐵硼50M的B-H曲線

電阻隨溫度呈線性變化,計(jì)算公式為

式中：R和R0分別為溫度t和t0時(shí)的電阻值,Ω；α為電阻溫度系數(shù)。

(4)溫度場(chǎng)計(jì)算中,固體與流體之間通過(guò)對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)3種方式進(jìn)行換熱,迭代計(jì)算至溫度收斂為止。

5 試驗(yàn)研究

5.1 緩速器試驗(yàn)平臺(tái)

永磁緩速器臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)如圖15和圖16所示,它主要由拖動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成,包括拖動(dòng)電機(jī)、離合器、汽車(chē)變速器、永磁緩速器、高精度轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器(包括熱電偶式和紅外非接觸式)和特斯拉計(jì)等,滿(mǎn)足對(duì)不同試驗(yàn)?zāi)K的試驗(yàn)要求。為分析緩速器的制動(dòng)力矩特性、溫升特性和持續(xù)制動(dòng)特性,試制了不同材料渦流盤(pán)、不同散熱結(jié)構(gòu)的多個(gè)永磁緩速器樣機(jī),并利用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器和特斯拉計(jì)等儀器采集試驗(yàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、制動(dòng)力矩、溫度和磁通密度等參數(shù)。

圖15 緩速器臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

5.2 制動(dòng)力矩特性試驗(yàn)

圖16 緩速器臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)

加工渦流盤(pán)材料為20CrMo、風(fēng)道式散熱結(jié)構(gòu)的緩速器樣機(jī),對(duì)氣隙從35到3mm選取樣點(diǎn)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),記錄轉(zhuǎn)速為750r/min時(shí)持續(xù)工作的制動(dòng)力矩曲線,如圖17所示。從圖中可以看出：溫度對(duì)制動(dòng)力矩影響很大,未考慮溫度的仿真值和試驗(yàn)值的最大誤差為38%；而考慮溫度影響的雙向耦合法,制動(dòng)力矩計(jì)算更接近試驗(yàn)值；但雙向耦合值仍存在一定誤差,最大為8.6%,誤差可能來(lái)源于耦合仿真模型中沒(méi)有考慮永磁體由于高溫產(chǎn)生的部分失磁,以及模型的簡(jiǎn)化,因?yàn)閷?shí)際制動(dòng)試驗(yàn)中永磁體釹鐵硼50M的溫度曾超過(guò)tw＝100℃；隨著氣隙的增大,渦流盤(pán)中的溫升逐漸減小,兩種仿真值與試驗(yàn)值的誤差也隨之減小。

圖17 制動(dòng)力矩仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為考察永磁體失磁情況,對(duì)緩速器進(jìn)行持續(xù)制動(dòng)12min試驗(yàn),試驗(yàn)后測(cè)得永磁體溫度高達(dá)150℃,已經(jīng)導(dǎo)致失磁。在同一室溫(30℃)下測(cè)得試驗(yàn)前后的氣隙磁通密度如表3所示?？梢钥闯?試驗(yàn)后永磁體由于溫升出現(xiàn)了部分不可逆的失磁,氣隙磁通密度下降10.3%。

表3 _試驗(yàn)前后氣隙磁通密度對(duì)比表

5.3 渦流盤(pán)材料對(duì)制動(dòng)力矩影響試驗(yàn)

渦流盤(pán)是緩速器磁路的主要組成部分,其材料對(duì)制動(dòng)力矩有很大影響。選取紫銅T1、黃銅H62和碳鋼20CrMo等3種材料試制渦流盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn),3種材料的電導(dǎo)率依次減小,如表4所示。

表4 渦流盤(pán)不同材料電導(dǎo)率

為考察渦流盤(pán)材料屬性對(duì)制動(dòng)力矩影響,試驗(yàn)中先將轉(zhuǎn)速提升到測(cè)試值,然后迅速將緩速器置于最大擋位即氣隙為3mm,讀取最大制動(dòng)力矩作為冷態(tài)制動(dòng)力矩,3種材料渦流盤(pán)的緩速器冷態(tài)時(shí)制動(dòng)力矩隨轉(zhuǎn)速變化的曲線如圖18所示。從圖中可以看出：渦流盤(pán)采用T1和H62高電導(dǎo)率的材料時(shí)制動(dòng)力矩分別在轉(zhuǎn)速為150和400r/min時(shí)達(dá)到最大值,隨后逐漸減小,這是因?yàn)殡妼?dǎo)率高的材料在低轉(zhuǎn)速時(shí)可產(chǎn)生更強(qiáng)渦流,但隨轉(zhuǎn)速增大,渦流感應(yīng)磁場(chǎng)削弱永磁磁場(chǎng),造成制動(dòng)力矩迅速下降；采用20CrMo材料時(shí)制動(dòng)力矩在轉(zhuǎn)速為1 000r/min時(shí)為1 790N·m,之后上升平緩,最大制動(dòng)力矩達(dá)到2 080N·m,比采用T1和H62材料時(shí)略大。

圖18 不同渦流盤(pán)材料冷態(tài)時(shí)制動(dòng)力矩曲線

重載貨車(chē)在60km/h行駛速度時(shí)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速約為1 500r/min,要使車(chē)輛在1 000r/min時(shí)獲得較大的制動(dòng)力矩,渦流盤(pán)應(yīng)選用導(dǎo)磁性能好、剩磁少和易于加工的合金鋼或碳鋼材料；而應(yīng)用在渦流傳動(dòng)或調(diào)速技術(shù)方面,選用電導(dǎo)率高的銅材料可在低滑差轉(zhuǎn)速時(shí)獲得最高的傳動(dòng)力矩。

5.4 持續(xù)制動(dòng)溫升特性試驗(yàn)

綜合考慮緩速器的散熱效果、制造成本和安裝使用等因素,提出風(fēng)道式和翅片式兩種結(jié)構(gòu)的渦流盤(pán)散熱裝置,對(duì)兩種散熱裝置進(jìn)行相同條件下的試驗(yàn),試驗(yàn)條件為：750r/min轉(zhuǎn)速、9mm氣隙和持續(xù)制動(dòng)12min。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖19和圖20所示。從圖中可以看出：(1)采用翅片式散熱結(jié)構(gòu)時(shí),渦流盤(pán)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度在8min后趨于平穩(wěn),溫度達(dá)到260℃,永磁盤(pán)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度在12min時(shí)上升至60℃,制動(dòng)力矩下降32%,可見(jiàn)溫度對(duì)制動(dòng)力矩的影響非常大,故分析緩速器制動(dòng)特性時(shí)必須采用磁熱耦合計(jì)算方法；(2)渦流盤(pán)和永磁盤(pán)的溫度仿真值與試驗(yàn)值吻合較好,最大誤差為9.5%,這可能來(lái)源于溫度測(cè)量；(3)采用翅片式散熱裝置的緩速器制動(dòng)力矩較大,溫升較低,即翅片式散熱裝置的散熱效果優(yōu)于風(fēng)道式。

圖19 翅片式散熱裝置溫度-時(shí)間特性曲線

圖20 風(fēng)道式散熱結(jié)構(gòu)溫度-時(shí)間特性曲線

6 結(jié)論

(1)提出一種制動(dòng)力矩可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的永磁緩速器,采用磁-熱雙向耦合法建立了緩速器多物理場(chǎng)模型。所試制的永磁緩速器最大制動(dòng)力矩為2 460N·m,最小制動(dòng)力矩為10N·m。

(2)持續(xù)制動(dòng)時(shí)溫升對(duì)緩速器性能影響很大,未考慮溫度的仿真值和試驗(yàn)值的最大誤差為38%；而考慮溫度影響的雙向耦合法計(jì)算誤差最大為8.6%,誤差的產(chǎn)生可能來(lái)源于耦合仿真模型中沒(méi)有考慮永磁體由于高溫產(chǎn)生的部分失磁。

(3)隨著氣隙的減小,永磁體溫度越高且上升快,工作氣隙δ＝3mm時(shí)永磁體溫度在7.5min開(kāi)始超過(guò)tw＝100℃,在12min溫度高達(dá)154℃,永磁體將出現(xiàn)不可逆失磁,緩速器持續(xù)制動(dòng)12min時(shí)氣隙不能小于6mm。

(4)渦流盤(pán)采用低碳鋼材料時(shí),制動(dòng)力矩在轉(zhuǎn)速為1 000r/min時(shí)達(dá)到較大值且仍在緩慢上升,而選用電導(dǎo)率高的銅材料可在低轉(zhuǎn)速時(shí)獲得最高的傳動(dòng)力矩,緩速器采用翅片式散熱裝置制動(dòng)性能優(yōu)于風(fēng)道式。