自勵式液冷電磁緩速器的數(shù)值模擬與實驗研究*

張 凱,李德勝,尹汪雷,鄭 然

(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)

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2015123

自勵式液冷電磁緩速器的數(shù)值模擬與實驗研究*

張 凱,李德勝,尹汪雷,鄭 然

(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)

為克服傳統(tǒng)電渦流緩速器持續(xù)制動時制動轉(zhuǎn)矩?zé)崴ネ藝?yán)重的問題和節(jié)約能源，提出一種新型自勵式電磁液冷緩速器結(jié)構(gòu)。運(yùn)用有限元法分別對該緩速器電磁場和制動性能進(jìn)行分析，應(yīng)用有限體積法對緩速器瞬態(tài)流場-熱場進(jìn)行數(shù)值模擬。通過臺架試驗對緩速器特性進(jìn)行測試，結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好，制動轉(zhuǎn)矩可達(dá)1 600N·m，且在持續(xù)工作時制動轉(zhuǎn)矩?zé)崴ネ嗽?%以下，滿足車輛需求。

電磁緩速器；液冷；自勵式；數(shù)值模擬；實驗研究

前言

目前電渦流緩速器已經(jīng)成為一些重型車輛和客車的標(biāo)準(zhǔn)配置[1]。自勵式雙凸極電渦流液冷緩速器在節(jié)約能源和制動性能方面比其他的輔助制動裝置更有優(yōu)勢[2]。

日本澤藤電機(jī)株式會社[3-4]設(shè)計了一種自勵式電渦流緩速器，風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，制動轉(zhuǎn)矩不超過1 000N·m。文獻(xiàn)[5]中提出一種雙轉(zhuǎn)子盤式自勵式電渦流緩速器，可以實現(xiàn)自勵，但其質(zhì)量和體積大，制動轉(zhuǎn)矩衰退達(dá)到40%，不能勝任山區(qū)道路運(yùn)營的要求。

在理論研究方面，國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用有限元法對緩速器模型進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)渦流分析和瞬態(tài)溫度場與應(yīng)力場分析，取得了很好的效果。文獻(xiàn)[6]中采用A、φ-A法和庫倫規(guī)范建立和求解了列車制動時渦流分布模型，即把渦流場分為渦流區(qū)和非渦流區(qū)，分別對兩個區(qū)域進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]中運(yùn)用基于移動坐標(biāo)系的有限元法對緩速器三維瞬態(tài)渦流場進(jìn)行分析，并對緩速器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中應(yīng)用有限元法對軌道輔助制動系統(tǒng)做了深入研究，獲得了很好的計算效果。文獻(xiàn)[11]中對緩速器轉(zhuǎn)子的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，應(yīng)用有限元法對瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了分析，并討論了轉(zhuǎn)子鋼蠕變疲勞性能。文獻(xiàn)[12]中利用試驗數(shù)據(jù)擬合得到了緩速器制動轉(zhuǎn)矩-速度-電流之間的關(guān)系式，并利用該關(guān)系式對緩速器制動力矩進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[13]中利用電磁場有限元法對緩速器制動性能進(jìn)行了參數(shù)化分析，對以后緩速器制動特性分析有一定的指導(dǎo)意義。有些學(xué)者在內(nèi)表面渦流區(qū)鍍金屬層來分析渦流深度對制動特性影響。文獻(xiàn)[14]中在分析銅質(zhì)和鐵質(zhì)圓柱的制動特性時考慮了集膚效應(yīng)影響。文獻(xiàn)[15]中采用傅里葉變換法和有限元法對3mm厚旋轉(zhuǎn)鋁盤在磁場作用下的制動特性進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[16]中運(yùn)用有限元法進(jìn)行瞬態(tài)電磁場分析，運(yùn)用磁熱耦合方法對瞬態(tài)溫度場進(jìn)行分析，得出永磁水冷緩速器渦流場與溫度場的分布規(guī)律，取得了良好的制動性能。在磁場分析中大多數(shù)學(xué)者均忽略漏磁和不考慮磁路的磁滯損耗和雜散損耗的影響,忽略渦流場中位移電流和磁場的空間高次諧波。

為克服傳統(tǒng)電渦流緩速器熱衰退嚴(yán)重的問題和節(jié)約能源，本文中提出一種新型自勵式電磁液冷緩速器結(jié)構(gòu)，采用無電刷結(jié)構(gòu)和液冷散熱方式，該結(jié)構(gòu)簡單實用、可靠性好，解決了自勵緩速器持續(xù)工作時制動轉(zhuǎn)矩?zé)崴ネ藝?yán)重的問題，同時在持續(xù)制動時對汽車電源不造成沖擊，并且通過大量測試緩速器的制動特性和自然特性。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

新型自勵式電磁液冷緩速器由內(nèi)置水道的定子、線圈和轉(zhuǎn)子組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。線圈繞組固定在定子內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)子是H型齒狀轉(zhuǎn)盤，與主軸相連。永久磁鐵嵌在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)作為發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子。當(dāng)緩速器工作時，主軸拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電通過控制系統(tǒng)給緩速器線圈供電，提供勵磁電流。根據(jù)電磁感應(yīng)理論，緩速器轉(zhuǎn)子、定子之間的相對運(yùn)動使氣隙磁通密度發(fā)生周期性變化，在每個凸極處對應(yīng)的定子內(nèi)表面切割磁力線，產(chǎn)生交變磁場，并在定子內(nèi)側(cè)感生渦流電勢，從而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。渦流產(chǎn)生的熱由定子內(nèi)部的循環(huán)水帶走。

圖2為緩速器的磁路分布圖。其中，圖2(a)為緩速器工作狀態(tài)時的磁路分布，由圖可見，制動系統(tǒng)的磁路為軸向，而發(fā)電系統(tǒng)的磁路為周向，二者相互垂直，互不影響。圖2(b)為緩速器非工作狀態(tài)時的磁路分布，此時只有永久磁鐵產(chǎn)生的磁場，在進(jìn)行有限元分析時緩速器無制動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，說明發(fā)電機(jī)磁場對緩速器磁場不產(chǎn)生影響，樣機(jī)試驗也驗證了該磁路的合理性。

2 數(shù)值分析

通過對緩速器模型制動系統(tǒng)的磁場、溫度場、制動特性和發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量進(jìn)行分析，給出整個系統(tǒng)的理論分析結(jié)果。圖3為緩速器的1/12分析模型。轉(zhuǎn)子的凸極數(shù)為12，永久磁鐵為12塊，定子材料為低碳鋼，轉(zhuǎn)子材料為電工純鐵。仿真所使用的材料特性是當(dāng)溫度為100℃時所標(biāo)定的特性。

2.1 制動系統(tǒng)

為了便于制動系統(tǒng)的分析，做出以下假設(shè)：(1)忽略曲率及渦流場中位移電流；(2)忽略磁路中的磁滯損耗和雜散損耗；(3)忽略由溫度引起的材料特性的變化。

圖4為制動系統(tǒng)分析模型。在瞬態(tài)分析中，線圈中勵磁電流設(shè)為10～40A，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為250～1 500r/min，簡化的磁路圖如圖5所示。緩速器模型的主要幾何參數(shù)見表1。

表1 緩速器主要參數(shù)表

經(jīng)過簡化后磁路的總磁阻ΣR為

∑R=2(Rab+Rbc+Rcd+Rde+Rfa)

(1)

產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度B為

(2)

式中：B為磁場強(qiáng)度；F為磁動勢；S為截面面積。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，y處的感應(yīng)電場強(qiáng)度為

Ez=ωBy

(3)

電流密度Jz為

Jz=σEz=ωσB0y

(4)

由此可知，定子內(nèi)表面的電流密度與角頻率ω=2π/f和B有關(guān)。

由于集膚效應(yīng)，渦流主要集中產(chǎn)生在定子內(nèi)表面，集膚深度δ為

(5)

式中：μ為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率；ω為磁場變化的角頻率。

氣隙中磁場分布和磁場強(qiáng)度決定了制動轉(zhuǎn)矩的大小[17]，氣隙磁場的強(qiáng)度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、截面面積以及勵磁電流有關(guān)，采用有限元法分析氣隙磁場分布。圖6是緩速器制動系統(tǒng)模型的磁場分布,勵磁電流為26A，轉(zhuǎn)速為1 500r/min。分析結(jié)果說明，凸極處和定子截面(cd處)易出現(xiàn)飽和，設(shè)計時應(yīng)避免此處在未達(dá)到設(shè)計要求前發(fā)生飽和。分析結(jié)果同時顯示，氣隙磁通密度最大可達(dá)1.9T，滿足設(shè)計要求。

從式(4)可以看出，渦電流密度與磁場強(qiáng)度近似成正比關(guān)系，因此在瞬態(tài)仿真時須分析氣隙磁通密度的影響因素。圖7為當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000r/min時勵磁電流對氣隙磁通密度的影響曲線。由圖可見：當(dāng)勵磁電流小于10A時，勵磁電流和氣隙磁通密度呈線性關(guān)系，當(dāng)勵磁電流繼續(xù)增加時，氣隙磁通密度的增加變緩，且磁路趨于飽和；同時，制動轉(zhuǎn)矩變化趨勢與氣隙磁通密度相同，這也驗證了要獲得較大的制動轉(zhuǎn)矩，必須得到較大的氣隙磁通密度，但同時也要考慮空間條件的限制。

圖8(a)為靜態(tài)仿真時不同勵磁電流下氣隙磁通密度分布。由圖可見，氣隙磁通密度受到渦電流的影響，在凸極端面所對應(yīng)的氣隙平面的中間部分略有削弱，也說明此處渦流密度最大，當(dāng)電流為26A時達(dá)到最大值1.9T。

圖8(b)為不同速度時三維模型的氣隙磁通密度分布。由圖可見，氣隙磁通密度一邊減少，一邊略有增加。原因是隨著轉(zhuǎn)速升高，由于渦流增大，渦流磁動勢增大，導(dǎo)致氣隙磁通密度減小部分更明顯，平均氣隙磁通密度就減小。

當(dāng)勵磁電流為26A時緩速器磁路達(dá)到飽和狀態(tài)，勵磁電流從26A增加至40A時其飽和程度不斷增加，但是制動轉(zhuǎn)矩仍緩慢增加。圖9為勵磁電流分別為40和26A時，飽和程度對磁場和制動轉(zhuǎn)矩的影響。由圖可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(低于500r/min)，26和40A勵磁電流下的制動轉(zhuǎn)矩非常接近；隨著轉(zhuǎn)速的升高，渦電流密度增大，其反磁勢亦增加，此時，兩種勵磁電流下的制動轉(zhuǎn)矩區(qū)別明顯，說明渦電流反磁勢對于不同飽和程度的氣隙磁通密度的削弱程度不同。

2.2 溫度場分析

在溫度場分析中，熱源主要來自渦流損耗[18]，熱源的邊界條件為在集膚深度內(nèi)熱源強(qiáng)度，即生熱率：

Q=P/V

(6)

式中：P為制動功率；V為渦流等效集膚深度的體積。

引入k-ε湍流模型[19]，湍動能k和耗散率ε的方程分別為

(7)

(8)

分析定子中的固體域，其能量方程[20]為

?(ρh)/?t=·(λT′)+SE

(9)

式中：h為定子的焓；λ為定子的導(dǎo)熱率；T′為溫度；SE為內(nèi)熱源；為梯度函數(shù)。

由于緩速器定子對稱，所以建立了1/4模型，圖10為瞬態(tài)定子共軛傳熱數(shù)值分析模型和對稱邊界條件。圖11為制動時間為30s、制動功率為160kW、入口水的質(zhì)量流量為4.5kg/s時瞬態(tài)溫度分布，其定子內(nèi)壁面的最高溫度已達(dá)280℃。水道內(nèi)水溫達(dá)到90℃。約有90%的熱量是通過水道底部的傳導(dǎo)區(qū)域?qū)崃總鬟f給水，通過水散發(fā)出去。

2.3 發(fā)電系統(tǒng)

2.3.1 設(shè)計

發(fā)電機(jī)額定數(shù)據(jù)是按緩速器制動轉(zhuǎn)矩為1 600N·m時設(shè)定的，以下主要對發(fā)電機(jī)主要參數(shù)確定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和勵磁繞組的設(shè)計等進(jìn)行論述與探討。該永磁發(fā)電機(jī)利用緩速器內(nèi)部空間，其永久磁鐵安裝于緩速器轉(zhuǎn)子內(nèi)壁。主要額定數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 發(fā)電機(jī)額定數(shù)據(jù)表

由發(fā)電機(jī)額定參數(shù)，可以計算得到其額定相電壓Uφ=42V，額定相電流IN=30A，電機(jī)極對數(shù)pp=6。

發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)徑R2和鐵芯的長度l1與發(fā)電機(jī)的視在功率Sc、轉(zhuǎn)速nN和發(fā)電機(jī)利用系數(shù)C有關(guān)。可根據(jù)式(10)估算出R2和l1。

(10)

式中：發(fā)電機(jī)視在功率Sc=mEIN×10-3；考慮到電機(jī)的用銅量，選取合理的主要尺寸比λ=l1/τ值，τ為極距。

該發(fā)電機(jī)為緩速器提供電源，其工作狀態(tài)處于間斷且短期。綜合考慮發(fā)熱和用銅量等因素，根據(jù)式(11)對每串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑等進(jìn)行反復(fù)校正。

(11)

式中：m為永磁發(fā)電機(jī)相數(shù)；N為永磁發(fā)電機(jī)每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)；IN為永磁發(fā)電機(jī)電流；R2為永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑。

發(fā)電機(jī)繞組采用單層同心式繞法，轉(zhuǎn)子每極每相槽數(shù)q=1。q選定后根據(jù)式Z1=2pmq計算槽數(shù)。選擇β=1，并由式(12)～式(14)算得繞組節(jié)距y1、繞組短距系數(shù)Kp和繞組分布系數(shù)Kd。

(12)

(13)

(14)

(15)

得每槽導(dǎo)體數(shù)，然后選取適當(dāng)?shù)钠岚€，3根并繞。

再根據(jù)式(16)核算其繞組電流密度

(16)

式中：qa為單根導(dǎo)線截面積；Nt為導(dǎo)線總匝數(shù)。然后由AJ=Aja可得電機(jī)發(fā)熱參數(shù)，選擇漆包線的絕緣等級。

2.3.2 模型分析

由于永磁發(fā)電機(jī)磁力線在其內(nèi)部徑向閉合，因此采用二維瞬態(tài)數(shù)值模擬即可對其電磁場進(jìn)行準(zhǔn)確分析，占用計算機(jī)內(nèi)存較小、用時較短。對永磁發(fā)電機(jī)部分取模型的1/12進(jìn)行分析，邊界條件采用反對稱周期邊界。圖12為發(fā)電機(jī)數(shù)值模擬模型。

圖13(a)為永磁發(fā)電機(jī)數(shù)值模擬外部電路。由于永磁發(fā)電機(jī)的外部負(fù)載為緩速器線圈，其阻值為3Ω，因此在數(shù)值模擬外電路中負(fù)載簡化為3Ω電阻，模型設(shè)定轉(zhuǎn)速n=1 000r/min。圖13(b)和圖13(c)分別為發(fā)電機(jī)空載和負(fù)載時的磁通密度分布云圖。結(jié)果顯示發(fā)電機(jī)氣隙磁通密度為1.06T，驗證了在發(fā)電機(jī)主體設(shè)計中，各部分磁通密度在合理范圍之內(nèi)。

3 實驗研究

基于以上的分析結(jié)果，制作了緩速器樣機(jī)，如圖14所示。為測試緩速器制動特性、發(fā)電特性及自然特性，構(gòu)建了試驗平臺，如圖15所示。

3.1 制動特性

測試制動特性的目的是檢測緩速器持續(xù)制動的能力，以便于進(jìn)行分級控制。勵磁電流由外部電源提供。圖16為不同速度、不同電流下制動轉(zhuǎn)矩仿真和實測結(jié)果?？梢钥闯觯抡嬷蹬c實測值誤差在5%以內(nèi)，驗證了理論分析的正確性，而誤差來源為模型簡化、加工誤差和溫度上升的影響。制動轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)速為750r/min時基本達(dá)到穩(wěn)定值，之后，制動轉(zhuǎn)矩增加緩慢。

圖17為持續(xù)制動特性。它顯示了在持續(xù)制動一定時間時，溫度和電流的變化對制動轉(zhuǎn)矩的影響。圖17(a)為勵磁電流為30A時緩速器持續(xù)工作過程中溫度和制動轉(zhuǎn)矩隨時間而變化的曲線。緩速器持續(xù)工作10min后，制動轉(zhuǎn)矩下降了16.9%，溫度由27.5℃上升到68℃。圖17(b)為勵磁電流恒為10A時，溫度和制動轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線。可以看出，緩速器持續(xù)工作10min后，制動轉(zhuǎn)矩下降了4.7%，溫度由41℃上升到85℃。圖17(c)為恒溫(72℃)和恒定勵磁電流(10A)時，制動轉(zhuǎn)矩隨時間變化的曲線，可以看出，緩速器持續(xù)工作10min后，制動轉(zhuǎn)矩變化很小，僅下降了0.5%。上述結(jié)果表明，溫度和勵磁電流是影響緩速器制動轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵因素。

3.2 發(fā)電機(jī)特性

圖18為永磁發(fā)電機(jī)二維瞬態(tài)場計算結(jié)果和實測數(shù)據(jù)的對比，包括空載特性、負(fù)載特性和外特性?？梢钥闯?，空載特性的仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)非常吻合；而負(fù)載特性和外特性，仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的誤差稍大，但變化趨勢一致。在測試負(fù)載特性時，負(fù)載使用帶電感的3Ω電阻，和緩速器線圈相同。緩速器工作時須要發(fā)電機(jī)提供勵磁電流，最大為40A，結(jié)果表明設(shè)計滿足要求。

3.3 自然特性

緩速器自然特性是指緩速器勵磁電流由內(nèi)部發(fā)電機(jī)提供時的制動特性。其仿真和實測結(jié)果如圖19所示。由圖可見，制動轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，符合設(shè)計要求。實測值與仿真值基本一致，誤差在5%以內(nèi)。

3.4 溫度場分析

在轉(zhuǎn)速為1 000r/min和制動轉(zhuǎn)矩為1 600N·m的條件下測試溫度場的分布。結(jié)果顯示，定子內(nèi)壁溫度為255℃，水道中水溫為72℃，仿真數(shù)據(jù)與實測結(jié)果相差約8.6%。緩速器工作產(chǎn)生的熱量主要是從內(nèi)表面向內(nèi)部水道傳遞。緩速器制動轉(zhuǎn)矩受電流大小的影響，當(dāng)線圈通電時，線圈自身溫度升高，而制動時由于受定子熱輻射的影響，緩速器線圈溫度進(jìn)一步升高。

4 結(jié)論

(1) 分析發(fā)電系統(tǒng)和制動系統(tǒng)磁路結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有限元法對新型自勵式電磁液冷緩速器的發(fā)電系統(tǒng)和制動系統(tǒng)電磁場進(jìn)行分析，應(yīng)用有限體積法對緩速器瞬態(tài)流場-熱場進(jìn)行數(shù)值模擬，得出影響制動轉(zhuǎn)矩的影響因素。

(2) 利用緩速器試驗臺架，對緩速器制動特性、發(fā)電系統(tǒng)特性和自然特性進(jìn)行測試，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。

(3) 在持續(xù)工作時制動力矩?zé)崴ネ嗽?%以下，制動轉(zhuǎn)矩可達(dá)1 600N·m，滿足重型車輛的要求。該系統(tǒng)已通過實車試驗，效果良好。

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Numerical Simulation and Experimental Study onSelf-excited Liquid-cooled Electromagnetic Retarder

Zhang Kai, Li Desheng, Yin Wanglei & Zheng Ran

CollegeofMechanicalEngineeringandAppliedElectronicTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124

In order to overcome the problem of severe thermal decay of braking torque in sustained braking of conventional eddy current retarder and save energy, a novel structure of liquid-cooled self-excited electromagnetic retarder is proposed. The electromagnetic field and the braking performance of the retarder are analyzed with finite element method and numerical simulations on its transient flow field and thermal field are conducted by using finite volume method. The characteristics of the retarder are also measured on a test bench. The results show that the simulated results well agree with test data with a braking torque up to 1,600N·m and its thermal decay less than 5% in continuous braking condition, meeting the requirements of heavy vehicles.

electromagnetic retarder; liquid-cooled; self-excited; numerical simulation; experimental study

*國家自然科學(xué)基金(51277005)資助。

原稿收到日期為2013年9月12日，修改稿收到日期為2013年12月23日。