摘 要:为了优化永磁式缓速器的结构参数和提高永磁式缓速器的制动性能,应用复矢量磁位方法,分析了缓速器内部的磁位分布,计算了转子鼓中的涡流损耗,推导了永磁式缓速器的制动力矩计算公式,以反映永磁式缓速器制动力矩与各设计参数之间的相互关系。复矢量计算方法的计算结果与缓速器台架试验结果比较和分析表明,试验值与理论值吻合较好,最大误差不大于6%,采用复矢量磁位计算方法计算永磁式缓速器制动力矩具有很好的逼近效果。关键词:车辆工程;永磁式缓速器;制动力矩;计算方法
0 引 言
车用电涡流缓速器产品目前在国内客车行业已经得到一定的应用,采用永久磁铁进行励磁的永磁式缓速器可以消除或减小车用电涡流缓速器的缺点[1-4]。与其他形式缓速器相比,永磁式缓速器具有以下优点:可实现大幅度的轻量化、小型化;几乎不消耗电力(仅电磁阀耗电);连续使用时自身不会产生过热,能持续保持制动力的稳定性和持久性;在高速范围内制动力不会降低,且传动轴转速越高,制动力越大;保养简单,只需定期检查空气间隙即可[5-10]。永磁式缓速器的这些优点使其具有良好的发展前景[3]。本文运用复矢量磁位推导了永磁式缓速器的制动力矩计算公式,以反映永磁式缓速器制动力矩与各设计参数的相互关系,可用于指导永磁式缓速器的产品开发和改进设计。
1 永磁式缓速器结构形式
永磁式缓速器包括两部分:转子和定子。永磁式缓速器的结构按转子的形状分为鼓式和盘式两种类型。盘式永磁式缓速器的结构和普通电涡流缓速器基本相似,这种结构存在体积大,难以控制等缺点,下面只对鼓式永久磁铁缓速器磁铁周向转动式的结构进行分析。这种结构的缓速器结构见图1,磁铁保持架内有两排磁铁,每排磁铁磁极交替反向排列,各自固定在磁铁支架上。2 永磁式缓速器工作原理
图2、3分别为永磁式缓速器磁场与制动力矩产生原理。永磁式缓速器工作原理为:利用电磁场原理把汽车行驶的动能转化为热能而散发掉,从而实现汽车的减速和制动。永磁式缓速器制动力矩的产生过程是:当驾驶员接通缓速器的控制手柄(或踩下制动踏板)开关,进行减速或制动时,气缸(或液压缸)通过推动活塞使永久磁铁进入工作位置,产生的磁场在定子磁极、气隙、转子鼓和环行支架之间构成回路,见图2,磁极磁通量的大小与永久磁铁本身的材料和大小有关;这时在旋转的转子鼓上,其内部无数个闭合导线所包围面积内的磁通量就发生变化(或者说其内部无数个闭合导线切割励磁绕组产生磁力线),从而在转子鼓内部产生无数涡旋状的感应电流,即涡电流(简称涡流);一旦涡电流产生,磁场就会对带电的转子鼓产生阻止其转动的阻力(即制动力),阻力的方向可由弗莱明(Flemin)左手法则来判断,阻力的合力沿转子鼓周向形成与其旋转方向相反的制动力矩,见图3;同时涡流在具有一定电阻的转子鼓内部流动时,会产生热效应而导致转子发热,这样,车辆行驶的动能就通过感应电流转化为热能,并通过转子鼓上的叶片产生的风力将热量迅速散发出去。
4 实例分析
1200N·m永磁式缓速器结构参数如下:转子鼓的外径r2为222mm;内径r1为212mm;厚度δ为10mm;气隙ge为1.4mm,外界环境温度为293K,转子鼓材料为电工纯铁,其物性参数见表1;考虑强制散热,复合表面对流换热系数取较大值为220W·(m2·K)-1。
本次试验是在课题组研制的缓速器综合性能试验台进行的,见图6,主要测试永磁缓速器的制动力矩与转子转速的关系,根据试验曲线可以确定速度变化过程中的最大制动力矩。试验方法为:启动电机,使转子转速达到2000r·min-1,断开电机,接通电磁换向阀,使缓速器动作,直至转子转速为0。试验中记录制动力矩、转子转速、定子温度和转子温度等内容。制动前转子温度必须是室温。试验结果见图7,作为比较,图中还给出了运用复矢量磁位方法计算的制动力矩与转速之间的关系曲线。由图7可知,复矢量磁位计算方法与试验数据都能够较好地吻合,最大误差不超过6%,因此,此计算方法可以用于计算永磁式缓速器制动力矩及性能分析,从而指导缓速器的设计和改进。 由图7可知,试验曲线在1200r·min-1时达到临界转速,制动转矩达到最大值为1200N·m;在低速时,理论计算制动力矩略小于试验值,转速为0时制动力矩试验值不为0,这是由于漏磁的缘故;而随着转速升高到150r·min-1左右时,理论计算力矩比试验数据要偏大,这是因为涡流的去磁效应或涡流的存在,使磁路的磁阻抗变大,迫使励磁磁通渗入转子鼓的深度以及其数值均减小,另一方面随着转速的提高,磁场变化角速度越大,涡流的去磁效应影响越大,磁通密度将急剧减小,从而造成制动力矩减小,此外,由于转速的增加,温度也随之上升,从而对磁化率、磁导率等造成影响。