電磁液冷緩速器影響因素仿真與分析

摘 要：針對電渦流緩速器的制動力矩會產(chǎn)生熱衰退，液力緩速器成本高、維護難等問題，提出了一種雙凸極構(gòu)造的電磁液冷緩速器。利用Maxwell 3D軟件對該緩速器模型進行了模擬仿真，分析了轉(zhuǎn)速、渦流密度、勵磁電流、氣隙間距、材料等因素對緩速器制動力矩的影響，為緩速器的設(shè)計優(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;制動力矩

0 引言

隨著汽車發(fā)動機功率的持續(xù)攀升，車輛行駛速度提高，汽車負重相應(yīng)增加，車輛在行駛中的慣性也隨之增大，導(dǎo)致制動負荷增加，加重了車輛制動系統(tǒng)的負擔[1]。若汽車的制動負荷都由制動系統(tǒng)承擔，系統(tǒng)長時間制動會造成制動轂和剎車片過熱，汽車制動性能快速下降。為此，本文提出了一種雙凸極電磁液冷緩速器，對其機械結(jié)構(gòu)、電磁參數(shù)進行仿真分析，采用Maxwell 3D仿真軟件分析緩速器的靜態(tài)與瞬態(tài)磁場以及產(chǎn)生的制動力矩，通過設(shè)定不同影響因素參數(shù)，模擬各因素對制動力矩產(chǎn)生的影響。

1 雙凸極電磁液冷緩速器機械構(gòu)造及工作原理

雙凸極電磁液冷緩速器的機械構(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]。

緩速器工作時勵磁線圈通電，轉(zhuǎn)子、定子及兩者間隙之間會構(gòu)成封閉的電磁回路。汽車傳動系統(tǒng)帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，形成切割磁感線運動，在定子內(nèi)表面會產(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。緩速器制動時，定子表面的渦流會產(chǎn)生熱量，熱量通過水道進行水冷散熱[4]，有效解決緩速器熱衰退嚴重的問題，為車輛提供持續(xù)穩(wěn)定的制動力矩。

2 等效磁路分析法

為了對緩速器磁場進行計算，需將磁場簡化為磁路，得到等效磁路模型[5]。磁場在轉(zhuǎn)子盤各個齒、氣隙、緩速器定子表層中形成，構(gòu)成一條完整的磁路。事實上，勵磁線圈產(chǎn)生的主磁通在經(jīng)過轉(zhuǎn)子、氣隙、定子時，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?，對主磁路影響很小，故漏磁可忽略不計[6]。

式中：p為緩速器制動功率;ωn為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度;BI為凸極上磁通密度被增強區(qū)域的磁感應(yīng)強度;BD為凸極上磁通密度被減弱區(qū)域的磁感應(yīng)強度;ΔhI為磁通密度被增強區(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為凸極對數(shù)。

從上式可以看出，緩速器的制動力矩與轉(zhuǎn)速、凸極頂部尺寸、磁感應(yīng)強度、集膚深度、定子內(nèi)表面半徑等有關(guān)，理論計算十分復(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)速對制動力矩的影響，可保持勵磁電流不變，通過改變轉(zhuǎn)速模擬轉(zhuǎn)速對制動力矩的影響。不同轉(zhuǎn)速下，制動力矩理論值與仿真值對比曲線如圖3所示，可看出在低轉(zhuǎn)速時，緩速器產(chǎn)生的制動力矩隨著轉(zhuǎn)速的提高而快速增長，但當轉(zhuǎn)速高于1 000 r/min時，制動力矩增長較為緩慢，達到更高轉(zhuǎn)速時，制動力矩甚至?xí)档?，這是因為隨轉(zhuǎn)速的提升，定子中的渦流產(chǎn)生的反磁動勢會增大，削弱了勵磁磁動勢。另外，在轉(zhuǎn)速提高的過程中，定子溫度隨著運行時間加長而升高，定子電導(dǎo)率降低，也會造成制動力矩的下降[7]。但緩速器在1 000～2 000 r/min時，制動力矩較為穩(wěn)定，能滿足車輛在持續(xù)下坡的情況下對制動力矩的要求。

3.2 ? ?勵磁電流

本文通過改變勵磁電流，觀察制動力矩與氣隙中某固定位置的平均磁密[8]。圖4呈現(xiàn)了不同勵磁電流下，氣隙的周向長度與軸向長度磁密的分布情況。周向氣隙磁密會在凸極過渡距離處發(fā)生畸變。勵磁電流為30 A時，渦流產(chǎn)生的反磁動勢對磁場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)，反磁動勢對磁場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，但當轉(zhuǎn)速到達一定程度時，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于緩速器尤為重要，對制動力矩的影響較大，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力矩比較曲線如圖6所示，當氣隙間距為0.6 mm時，制動力矩有較大提升，而1 mm的氣隙間距所對應(yīng)的制動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際運行工況，故可通過合理選擇氣隙間距來調(diào)節(jié)緩速器所產(chǎn)生的制動力矩的大小。

3.5 ? ?材料屬性

緩速器選材對制動力矩有著較大影響，故需對所選的材料屬性進行分析。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)率變化對制動力矩并沒有明顯影響，定子電導(dǎo)率的變化對制動力矩的影響較大。在電導(dǎo)率較低時，制動力矩隨電導(dǎo)率成正比增加;在電導(dǎo)率較高時，制動力矩隨電導(dǎo)率增長而緩慢升高。電渦流在定子表層的集膚深度會隨電導(dǎo)率的增加而變小，制動力矩逐漸趨于飽和。

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材料表面進行電鍍處理。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，分析鍍覆層材料對制動力矩的影響。不同材料的鍍覆層產(chǎn)生的制動力矩對比圖如圖7所示，在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，銅與鋁鍍覆層會顯著提高制動力矩的最大值，采用銅層比鋁層的效果更為明顯，但隨著轉(zhuǎn)速的升高，進入高轉(zhuǎn)速區(qū)域后，使用銅、鋁鍍層的緩速器制動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)具體運行工況，按需靈活運用在不同的使用環(huán)境中。

3.5.4 ? ?鍍覆層厚度

不同厚度的銅層產(chǎn)生的制動力矩對比圖如圖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，鍍覆銅層厚度大的緩速器會產(chǎn)生更大的制動力矩，但高轉(zhuǎn)速時，鍍覆銅層厚度小的緩速器會產(chǎn)生更大的制動力矩。故在實際運行中，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

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

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收稿日期：2020-08-13

作者簡介：嚴悅（1995—），男，江蘇鹽城人，碩士在讀，助理工程師，研究方向：機電控制。