摘 要：針對(duì)電渦流緩速器的制動(dòng)力矩會(huì)產(chǎn)生熱衰退，液力緩速器成本高、維護(hù)難等問題，提出了一種雙凸極構(gòu)造的電磁液冷緩速器。利用Maxwell 3D軟件對(duì)該緩速器模型進(jìn)行了模擬仿真，分析了轉(zhuǎn)速、渦流密度、勵(lì)磁電流、氣隙間距、材料等因素對(duì)緩速器制動(dòng)力矩的影響，為緩速器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：雙凸極電磁液冷緩速器;Maxwell 3D;模擬仿真;制動(dòng)力矩

0 引言

隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率的持續(xù)攀升，車輛行駛速度提高，汽車負(fù)重相應(yīng)增加，車輛在行駛中的慣性也隨之增大，導(dǎo)致制動(dòng)負(fù)荷增加，加重了車輛制動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)[1]。若汽車的制動(dòng)負(fù)荷都由制動(dòng)系統(tǒng)承擔(dān)，系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)會(huì)造成制動(dòng)轂和剎車片過熱，汽車制動(dòng)性能快速下降。為此，本文提出了一種雙凸極電磁液冷緩速器，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)、電磁參數(shù)進(jìn)行仿真分析，采用Maxwell 3D仿真軟件分析緩速器的靜態(tài)與瞬態(tài)磁場(chǎng)以及產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，通過設(shè)定不同影響因素參數(shù)，模擬各因素對(duì)制動(dòng)力矩產(chǎn)生的影響。

1 雙凸極電磁液冷緩速器機(jī)械構(gòu)造及工作原理

雙凸極電磁液冷緩速器的機(jī)械構(gòu)造如圖1所示。緩速器包括兩片轉(zhuǎn)子、定子、線圈、水道等。定子中有供水流通的通道，工作時(shí)定子內(nèi)壁吸收的內(nèi)能由循環(huán)的水吸收并散發(fā)出去[2]。

緩速器工作時(shí)勵(lì)磁線圈通電，轉(zhuǎn)子、定子及兩者間隙之間會(huì)構(gòu)成封閉的電磁回路。汽車傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，形成切割磁感線運(yùn)動(dòng)，在定子內(nèi)表面會(huì)產(chǎn)生電渦流，渦流產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的力矩[3]，力矩傳遞至汽車轉(zhuǎn)軸，起到降低車速的作用。緩速器制動(dòng)時(shí)，定子表面的渦流會(huì)產(chǎn)生熱量，熱量通過水道進(jìn)行水冷散熱[4]，有效解決緩速器熱衰退嚴(yán)重的問題，為車輛提供持續(xù)穩(wěn)定的制動(dòng)力矩。

2 等效磁路分析法

為了對(duì)緩速器磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，需將磁場(chǎng)簡(jiǎn)化為磁路，得到等效磁路模型[5]。磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子盤各個(gè)齒、氣隙、緩速器定子表層中形成，構(gòu)成一條完整的磁路。事實(shí)上，勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的主磁通在經(jīng)過轉(zhuǎn)子、氣隙、定子時(shí)，還存在少量的漏磁，在周邊空氣中也構(gòu)成了閉合回路?？諝獾拇抛璺浅４?，對(duì)主磁路影響很小，故漏磁可忽略不計(jì)[6]。

式中：p為緩速器制動(dòng)功率;ωn為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度;BI為凸極上磁通密度被增強(qiáng)區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度;BD為凸極上磁通密度被減弱區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度;ΔhI為磁通密度被增強(qiáng)區(qū)域的渦流集膚深度;ΔhD為磁通密度被減弱區(qū)域的渦流集膚深度;Rs為定子內(nèi)表面半徑;n為緩速器轉(zhuǎn)速;Np為凸極對(duì)數(shù)。

從上式可以看出，緩速器的制動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)速、凸極頂部尺寸、磁感應(yīng)強(qiáng)度、集膚深度、定子內(nèi)表面半徑等有關(guān)，理論計(jì)算十分復(fù)雜。

3 有限元仿真與分析

本文利用Maxwell 3D軟件建立1/12的幾何模型進(jìn)行仿真分析，緩速器模型效果如圖2所示。

3.1 ? ?轉(zhuǎn)速

為了研究轉(zhuǎn)速對(duì)制動(dòng)力矩的影響，可保持勵(lì)磁電流不變，通過改變轉(zhuǎn)速模擬轉(zhuǎn)速對(duì)制動(dòng)力矩的影響。不同轉(zhuǎn)速下，制動(dòng)力矩理論值與仿真值對(duì)比曲線如圖3所示，可看出在低轉(zhuǎn)速時(shí)，緩速器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩隨著轉(zhuǎn)速的提高而快速增長(zhǎng)，但當(dāng)轉(zhuǎn)速高于1 000 r/min時(shí)，制動(dòng)力矩增長(zhǎng)較為緩慢，達(dá)到更高轉(zhuǎn)速時(shí)，制動(dòng)力矩甚至?xí)档停@是因?yàn)殡S轉(zhuǎn)速的提升，定子中的渦流產(chǎn)生的反磁動(dòng)勢(shì)會(huì)增大，削弱了勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。另外，在轉(zhuǎn)速提高的過程中，定子溫度隨著運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng)而升高，定子電導(dǎo)率降低，也會(huì)造成制動(dòng)力矩的下降[7]。但緩速器在1 000～2 000 r/min時(shí)，制動(dòng)力矩較為穩(wěn)定，能滿足車輛在持續(xù)下坡的情況下對(duì)制動(dòng)力矩的要求。

3.2 ? ?勵(lì)磁電流

本文通過改變勵(lì)磁電流，觀察制動(dòng)力矩與氣隙中某固定位置的平均磁密[8]。圖4呈現(xiàn)了不同勵(lì)磁電流下，氣隙的周向長(zhǎng)度與軸向長(zhǎng)度磁密的分布情況。周向氣隙磁密會(huì)在凸極過渡距離處發(fā)生畸變。勵(lì)磁電流為30 A時(shí)，渦流產(chǎn)生的反磁動(dòng)勢(shì)對(duì)磁場(chǎng)的削弱效果較為明顯。軸向氣隙磁密在脫離雙凸極的距離內(nèi)，反磁動(dòng)勢(shì)對(duì)磁場(chǎng)的削弱效果更為顯著。

3.3 ? ?渦流密度

圖5是在不同轉(zhuǎn)速（500 r/min、1 500 r/min、2 500 r/min）下，定子內(nèi)表面的渦流密度分布情況，可發(fā)現(xiàn)渦流密度隨著轉(zhuǎn)速的提升而增大，但當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)一定程度時(shí)，定子內(nèi)部渦流密度趨向飽和，渦流密度增加程度減緩[9]。

3.4 ? ?氣隙間距

轉(zhuǎn)、定子之間的氣隙間距對(duì)于緩速器尤為重要，對(duì)制動(dòng)力矩的影響較大，氣隙間距應(yīng)保證控制在0.76～1.50 mm[10]。不同氣隙間距的制動(dòng)力矩比較曲線如圖6所示，當(dāng)氣隙間距為0.6 mm時(shí)，制動(dòng)力矩有較大提升，而1 mm的氣隙間距所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力矩則提升幅度較小。但氣隙間距不僅要滿足最佳的電氣結(jié)構(gòu)參數(shù)要求，還需要考慮加工、高速以及高溫膨脹等實(shí)際運(yùn)行工況，故可通過合理選擇氣隙間距來調(diào)節(jié)緩速器所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩的大小。

3.5 ? ?材料屬性

緩速器選材對(duì)制動(dòng)力矩有著較大影響，故需對(duì)所選的材料屬性進(jìn)行分析。材料屬性主要指電導(dǎo)率、定子材料、鍍覆層材料和厚度等。

3.5.1 ? ?電導(dǎo)率

轉(zhuǎn)子的電導(dǎo)率變化對(duì)制動(dòng)力矩并沒有明顯影響，定子電導(dǎo)率的變化對(duì)制動(dòng)力矩的影響較大。在電導(dǎo)率較低時(shí)，制動(dòng)力矩隨電導(dǎo)率成正比增加;在電導(dǎo)率較高時(shí)，制動(dòng)力矩隨電導(dǎo)率增長(zhǎng)而緩慢升高。電渦流在定子表層的集膚深度會(huì)隨電導(dǎo)率的增加而變小，制動(dòng)力矩逐漸趨于飽和。

3.5.2 ? ?定子材料

鋁、銅和電工純鐵常被作為緩速器制作的備選材料，故選擇這些金屬作為定子材料。從模擬仿真的結(jié)果看，鋁和銅材料在集膚深度上的表現(xiàn)優(yōu)于鐵，但在氣隙磁密的表現(xiàn)與鐵有著較為明顯的差距，導(dǎo)致兩者的制動(dòng)力矩比鐵小很多。結(jié)合上述結(jié)果可知，非磁性且電導(dǎo)率較高的金屬材料能夠顯著降低集膚效應(yīng)對(duì)模型的影響。因此，通過在定子近氣隙表面鍍覆一層非磁性且電導(dǎo)率較高的金屬材料可以提高緩速器的制動(dòng)力矩。

3.5.3 ? ?鍍覆層材料

緩速器定子內(nèi)表面的鍍覆層指的是對(duì)材料表面進(jìn)行電鍍處理。鍍覆層添加了高電導(dǎo)率且非磁性材料，電渦流絕大部分會(huì)集中在鍍覆層中。本文通過在定子內(nèi)表面分別鍍覆0.5 mm的銅層與鋁層，分析鍍覆層材料對(duì)制動(dòng)力矩的影響。不同材料的鍍覆層產(chǎn)生的制動(dòng)力矩對(duì)比圖如圖7所示，在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，銅與鋁鍍覆層會(huì)顯著提高制動(dòng)力矩的最大值，采用銅層比鋁層的效果更為明顯，但隨著轉(zhuǎn)速的升高，進(jìn)入高轉(zhuǎn)速區(qū)域后，使用銅、鋁鍍層的緩速器制動(dòng)力矩相比使用電工純鐵而言，下降速率更快，銅層比鋁層下降更為顯著。所以鍍覆層材料可根據(jù)具體運(yùn)行工況，按需靈活運(yùn)用在不同的使用環(huán)境中。

3.5.4 ? ?鍍覆層厚度

不同厚度的銅層產(chǎn)生的制動(dòng)力矩對(duì)比圖如圖8所示，鍍覆銅層的厚度分別為0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm、1 mm，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，鍍覆銅層厚度大的緩速器會(huì)產(chǎn)生更大的制動(dòng)力矩，但高轉(zhuǎn)速時(shí)，鍍覆銅層厚度小的緩速器會(huì)產(chǎn)生更大的制動(dòng)力矩。故在實(shí)際運(yùn)行中，可根據(jù)整車行駛常用轉(zhuǎn)速來選擇鍍覆銅層的厚度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)電磁液冷緩速器進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析，得出了轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流、渦流密度、氣隙間距及材料屬性等因素對(duì)緩速器制動(dòng)力矩的影響規(guī)律，從而為緩速器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

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收稿日期：2020-08-13

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)悅（1995—），男，江蘇鹽城人，碩士在讀，助理工程師，研究方向：機(jī)電控制。