硕士论文-汽车永磁缓速器的优化设计研究.pdf

北京工业大学 硕士学位论文 汽车永磁缓速器的优化设计研究 姓名：叶乐志 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：李德胜 20080501 摘要 摘要 在对永磁缓速器的研发中，难以跳出现有机械结构的框架：一体式结构不便 于反复对结构参数试验，难以达到优化目的；没有成熟的理论指导永磁缓速器的 设计，这些都制约着永磁缓速器的自主开发。本文将独立式永磁缓速器用磁头、 电磁场数值模拟分析和磁吸力试验研究应用于永磁缓速器开发中，为永磁缓速器 的创新设计开拓了一条新路。 本文通过结合永磁缓速器磁路本身特点和电涡流缓速器设计理论，提出一种 永磁缓速器制动力矩计算公式。利用该公式分析影响缓速器制动力矩的结构参 数，并由此提出了一种新型永磁缓速器用定子磁头。该磁头可与现有电涡流缓速 器兼容使用，且单个磁头就能进行制动力矩性能测试，节约了设计和试验成本。 针对独立式磁头结构特点，结合制动力矩公式和小气隙磁吸力公式，得出在 比例力矩点前磁吸力与制动力矩成正比的结论，并在试验中得到证明。利用工程 电磁场有限元分析软件得到磁头结构尺寸与磁头对转子磁吸力的关系，揭示了尺 寸参数对缓速器性能的影响，为优化磁头结构尺寸提供了有效方法。 为设计出工程实用化的永磁缓速器，研究了四种缓速器磁路方案和两种分级 控制方案并进行了试验，在尽可能获得大的制动力矩前提下，设计出了一种满足 可控性、可靠性及加工工艺等技术要求的磁铁活塞运动式永磁缓速器磁头。通过 对缓速器耦合场瞬态仿真研究，得到可视化的磁场和涡流分布，由此对缓速器转 子材料特性进行了改进，并在理论上证明了这种改进能较大地提高缓速器的制动 力矩。借助工程电磁场分析软件对定子磁头的结构尺寸进行参数化设计，为永磁 缓速器C A D 系列化设计提供了一种新思路。通过对整机的台架试验，得到了永 磁缓速器的制动力矩特性曲线及温度特性曲线。 关键词永磁缓速器；辅助制动；电磁场仿真；磁路设计 A b s t r a c t A b s t r a c t I nt h ed e v e l o p m e n to fp e r m a n e n tm a g n e tr e t a r d e r , t h e r ea r es o m ep r o b l e m s ：i ti s d i f f i c u l tt oe S c a p et h ee x i s t i n gm e c h a n i c a ls t r u c t u r ef l a m e ，t h es t a t o ri si n c o n v e n i e n t t ot e s ts t r u c t u r a lp a r a m e t e rr e p e a t e d l yb e c a u s eo fi t si n t e g r a t i v ec o n s t r u c t i o n , a n d t h e r ei ss t i l ln oe s t a b l i s h e dt h e o r yt oi n s t r u c tt h ed e s i g no fp e r m a n e n tm a g n e tr e t a r d e r T h e s ep r o b l e m sw i l ll i m i tt h ei n d e p e n d e n ti n n o v a t i o no fr e t a r d e r I nt h i st h e s i s 。 i n d e p e n d e n tm a g n e t i ce q u i p m e n t s ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o na n a l y s i s a n dt h et e s tr e s e a r c ho fm a g n e t i ca t t r a c t i o nf o r c ea r ec o m b i n e dt oe s t a b l i s han e wr o a d f o r t h ei n n o v a t i v ed e s i g no fp e r m a n e n tm a g n e tr e t a r d e r I nt h et h e s i s ，t h eb r a k i n gt o r q u ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fp e r m a n e n tm a g n e t r e t a r d e ri so b t a i n e db yc o m b i n i n gt h ed e s i g nt h e o r yo fe d d yc u r r e n tr e t a r d e ra n d m a g n e t i c c i r c u i t c h a r a c t e r i s t i c B ya n a l y z i n g t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e rw h i c h i n f l u e n c e sb r a k i n gt o r q u e ，w em a k en o v e li n d e p e n d e n tm a g n e t i ce q u i p m e n t su s e di n p e r m a n e n tm a g n e tr e t a r d e r T h e u S em e t h o d so ft h i s m a g n e t i ce q u i p m e n t s i s c o m p a t i b l e 、析me x i s t i n ge d d yc u r r e n tr e t a r d e r , a n dt h eb r a k i n gt o r q u ep e r f o r m a n c eo f s i n g l em a g n e t i ce q u i p m e n tc a n b et e s t e d S oi tc a ng a v et h ec o s to fd e s i g na n dt e s t A i m i n ga tt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i co fi n d e p e n d e n tm a g n e t i ce q u i p m e n t , t h e c o n c l u s i o nt h a tm a g n e t i ca t t r a c t i o nf o r c ei sd i r e c tp r o p o r t i o nt ot h eb m k i n gt o r q u e b e f o r ep r o p o r t i o nt o r q u ep o i n ti s a p p r o v e db yt e s t , c o m b i n i n gb r a k i n gt o r q u e c a l c u l a t i o nf o r m u l aa n ds m a l lg a pm a g n e t i ca t t r a c t i o nf o r c ef o r m u l a T h er e l a t i o n s h i p o fs t r u c t u r a ld i m e n s i o na n dm a g n e t i ca t t r a c t i o nf o r c eC a nb eg a i n e db yu s i n g e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s o t l w a r e I tC a nf u l l yr e v e a lt h e i n f l u e n c i n gf a c t o ro fb r a k i n gt o r q u ep e r f o r m a n c e ，a n dp r o v i d ev a l i d i t ym e t h o df o r o p t i m i z i n gs t r u c t u r a ld i m e n s i o n o ft h em a g n e t i ce q u i p m e n t I no r d e rt od e s i g ne n g i n e e r i n gp r a c t i c a lp e r m a n e n tm a g n e tr e t a r d e r , w es t u d ya n d t e s tf o u rk i n d so fm a g n e t i cc i r c u i tp r o j e c t sa n dt w ok i n d so fc o n t r o l l i n gp r o j e c t s W e i n v e n tac o n t r o l l a b l e ，r e l i a b l ea n dh a v i n gg o o d m a c h i n i n gp r o c e s sm a g n e t i c e q u i p m e n tw h o s em a g n e tm o f i n gl i k ep i s t o n W ec a nv i s u a l i z et h ed i s t r i b u t i o no f m a g n e t i cf i e l da n de d d yc u r r e n tf i e l db yt r a n s i e n ts i m u l a t i o nr e s e a r c ho fc o u p l e d f i e l d s I ti san e wt h o u g h tf o rt h es e r i a l i z a t i o n sd e s i g no fr e t a r d e rt h a tu t i l i z i n g e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d a n a l y s i s s o f t w a r et od e s i g nt h e p a r a m e t e r i z e d s t r u c t u r a l d i m e n s i o no fm a g n e t i ce q u i p m e n t K e y w o r d sp e r m a n e n tm a g n e tr e t a r d e r ；a u x i l i a r yb r a l 【i n ge q u i p m e n t ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s ；m a g n e t i cc i r c u i td e s i g n U 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期： 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期：塑：兰：三 第1 口结论 第1 章绪论 汽车辅助制动是当代兴起的汽车高效制动的一项新理论、新技术，对汽车工 业进步起到r 有力的推动作用。从2 0 世纪9 0 年代开始，中国进入了公路建设快 速发展的时期特别是近十年高速公路的陕述发展和公路质量的提高，使汽车在 变通运输中所占的比例不断提高。汽车的远行速度越来越高，汽车的制动负荷也 越来越大，特别是市内频繁停车的公交车，咀及行驶于矿山或山| x 公路上的汽车， 制动负荷过大的问题更加突出。在这种情况F ，单靠行车制动系来完成连续长时 删的制动任务会导致制动器温度小断升高，并发生热衰退，以至制动效能衰退甚 罕完仝失效，使得变通事故的发生频率高于其他道路。利用辅助制动技术，能够 避免制动鼓过热情况的发生，保持车辆K 时间的住安全速度范围内行驶“。 1 1 汽车辅助制动技术 1l1 汽车辅助制动装置 高速公路和驰l f 运行的汽车不仅耍其肯高动力陀、高舒适陆的特点，而且尤 j # 篮具有极高的安全性，这使得辅助制动技术运埘而生。辅助制动技术是在车辆 制动之前消耗部分行驶动能，增加行车制动系的制动效能，稳定行午制动系统的 制功哪兄有效提高车辆行驶的安全性能。同时，它还可有敏延长传动系统和制 动系统包括轮胎的寿命，较夫地降低车辆的使用成本，也可以降低刹车带来的环 境噪音“；需要提的是，缓速器j l 是种车辆辅助减速装置，小足个停午 装置，它不能用来替代土制动系统刹车。从圈l 一】可看出使圩j 辅助制动装置后 卞辆刹车距离叫硅缩短。 三薏吣 图1l 辅助制动装置刹4 一效果 F i g I IT h ee f f e c to f a u x i l i a r yb r a k i n ge q u i p m e n t I 界L 许多国家的交通法规已将辅助制动装置列为车辆的必备配臀，如德国 的交通法规规定：总质最在55 t 以上的客车和9t 以上的载重汽车，必须装有辅 助制动装置。瑞L 交通法规规定：超过35 t 的牵引车和总质量8t 以上的载重车 北京I n 大学I 学硬学位论女 必须安装辅助制动系统。 2 0 0 2 年来我国出台多部关于缓速器的法律法规，如交通行业标准 J T T 3 2 5 2 0 0 2 营运客车类型划分搜等级评定，要求中型客车中高二级，大型 客车中高一级、高二级和高三级客车等必须安装缓速器，以及行业产品标准 C J T 1 6 2 2 0 0 2 城市客车分等级技术要求与配置要求超二级、超级、高级 的市区和城郊城市客车必须安装缓速器。2 0 0 6 年出台的行、产品标准 C J T 2 3 0 2 0 0 6 城市客车缓速制动性能要求与试验方法，规范了缓速器生产标 准，对缓速器的市场推广有重要意义。2 0 0 7 年我国电涡流缓速器销量选3 万余 台法规搜市场的推动使缓速器销量傈持了良好的增长趋势。 汽车辅助制动装置也称缓速器，按其工作方式分丰要有以下四种形式：发动 机缓速器、电涡流缓速器、液力缓速器、永磁缓速嚣。 ( 1 ) 发动机缓速器。对行驶中的发动机停l r 供给燃料，使之变成消耗汽车 动能从而对汽车进行缓速的空气压缩机。其优点为与发动机集成一体从而体积 小、质萤轻；可提供人小不同的制动力矩：基本不需耗能。缺点为只适台部分柴 油机，月对发动机的政动较火，结构复杂，故具有很大局限性。“1 。 ( 2 ) 电涡流缓速器。电涡流缓速器是目前使用最为广泛的一种汽车辅助制 动装置“”，它通过在传动系统中间设置转动的圆盘和固定的电磁线圈，利用线 圈产生磁场从而在转子盘中产生反向力矩使车辆缓速，通常有盘式构造和转鼓式 两种构造。电涡流缓速器是目前使用最广的辅助制动系统。其优点是制动力矩范 围广( 3 0 0 3 0 0 0 N m ) 、无摩擦、低速制动效果良好、响应速度快等。缺点是体 积较大，质量较重，制动时消耗1 乜流大，高速时制动力矩会明显下降。而日电磁 线幽工作时发热量高，战存在安全隐患，制动力矩也随温度 升衰减较快，并有 明显的磁热疲劳效应。图卜2 国内外厂家生产的电涡流缓速器产品。 圈1 2 U 涡流缓速器产品 F i gI - 2 T h ep r o d u c to f e d d y c u 丌e n fr e t a r d e r ( 3 ) 液力缓速器。通常与变速箱一体化设计，依靠缓速器内部流动的液体 使转子叶轮产生阻力矩使汽车缓述。优点是无摩擦，寿命长；制动过程噪声小 第1 章绪论 Ii,m,鼍 等。缺点为结构和控制系统过于复杂、低速制动效果差。动作响应时间较长、影 响发动机冷却系统的工作状态、造价较高口儿8 儿9 1 。 ( 4 ) 永磁缓速器。永磁缓速器利用高能永久磁铁来代替电涡流缓速器中的 线圈及磁芯来产生涡流制动力，工作原理与电涡流缓速器类似。日本五十铃住 友公司在上世纪九十年代开发出使用永磁铁励磁的电涡流缓速器即永磁缓速器。 目前国外有德国的M a y a 公司、美国的O g t t r a 工业公司、日本的M u r a k a m i 公司 和五十铃住有等几家公司有产品。国内尚没有永磁缓速器产品问世，在广州合 资生产的五十铃客车上使用了日本原装的永磁缓速器n n 订H 刁，图1 3 给出了两种 永磁缓速器结构图。 a )b ) 图1 - 3 日本两种永磁缓速器结构图 F i g 1 - 3T w os t r u c t u r e so fJ a p a n sp e r m a n e n tm a g n e tr e t a r d e r 图1 - 4 是几种常见缓速器的安装位置图，表1 - 1 为四种主要汽车缓速器的性 能对比。 北京工业大学工学硕士学位论文 图1 - 4 常见缓速器安装位置图 F i g 1 - 4T h ei n s t a l l a t i o np o s i t i o no fc o m m o nr e t a r d e r s 表1 1 主要汽车缓速器的性能对比 T a b l e I 1P e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no f m a i nr e t a r d e rf o rv e h i c l e s 缓速器种类优点缺点 与发动机集成一体从而只适合部分柴油机，且对 体积小、质量轻：可提供发动机的改动较大，结构 发动机缓速器 大小不同的制动力矩；基复杂，故使用具有很大局 本不需耗能。限性。 制动力矩范围广；低速制体积较大，质量较重：制 动效果良好；响应速度动时消耗电流大、电磁线 电涡流缓速器 快；非接触制动。 圈发热量高，制动力矩随 温度上升衰减较为严重。 无摩擦，寿命长；制动过 结构和控制系统复杂、低 程噪声小。速制动效果差；动作响应 液力缓速器 时间较长：影响发动机冷 却系统的工作状态；造价 较高。 可实现大幅度的轻量化、响应速度较电涡流缓速 小型化；不消耗电能；磁器稍慢；现有的永磁缓速 头自身使用不发热；能连器制动力矩不能分档；与 永磁缓速器续不断保持制动力稳定同等体积的电涡流缓速 性和持久性；速度越高制器相比，制动力矩偏小； 动力矩越大；非接触制控制较复杂。 动，免维护。 第1 章绪论 1 1 2 永磁涡流制动技术 永磁缓速器的工作原理是永磁涡流制动。永磁涡流制动是2 0 世纪9 0 年初 期由日本率先开始研究的一项新型的辅助制动技术，最早应用在铁路机车车辆制 动装置上。永磁涡流制动装置是集机械学、力学、控制学、电磁学、精密加工技 术和材料科学于一体的最具代表性的机电一体化产品1 1 3 儿1 。传统制动方式，如鼓 式制动、盘形制动、闸瓦制动、电阻制动以及再生制动等都属摩擦制动或粘着制 动。永磁涡流制动与传统的摩擦制动相比，成功地摆脱了环境变化对制动性能的 影响，使得操作和维护非常简单。在当今能源和环境问题日益突出的背景下，随 着稀土永磁材料研究不断深入，永磁涡流制动具有极大的优势，并已逐渐成为应 用研究的主流。 永磁涡流制动原理如图1 5 所示，在旋转的金属板附近，放置一个永久磁铁， 由于永久磁铁的磁场作用，按弗莱明( F l e m i n g ) 定则，在这个金属板上产生涡 电流，与此同时产生一个与金属板旋转方向相反的制动力。从能量的观点来看， 永磁涡流制动的实质是利用法拉第电磁感应原理把运动物体的动能转化为电能， 电能最终转化为热能散发掉，从而使运动物体减速或制动。 I b 永久磁铁 l ! 歹。、”、 ： 二二 L 丫J 图1 5 水磁涡流制动原理 F i g 1 5T h ep r i n c i p l eo fp e r m a n e n tm a g n e te d d y c u r r e n tb r a k i n g 利用这个原理，将旋转体做出圆筒形，将永久磁铁极性交错均布于环状支架 的外圆上，它们即为不旋转的固定体。当制动时，由于汽缸推力，将永久磁铁推 向转筒的内侧，这时永久磁铁在转筒内形成磁回路，当转筒旋转时，转筒的内圆 面就产生了涡电流，与此同时转筒就受到一个与旋转方向相反的制动力，制动时 的磁回路如图卜6 所示。 北京T 业大学工学硕十学位论文 极片 转筒 a )b ) 图l _ 6 制动时的磁回路 F i g 1 - 6M a g n e t i cc i r c u i to fb r a k i n g 当非制动时，由于汽缸的推力将永久磁铁推出，与转筒内侧脱离，这时永久 磁铁与隔离套之间形成磁回路。由于转筒的磁力回路已断开，所以制动力被解除， 由于磁力是在隔离套内迂回，所以磁力线不会向外泄露，如图1 7 所示。 磁力线方向 永久磁铁 a )b ) 图l - 7 非制动时的磁回路 F i g 1 - 7M a g n e t i cc i r c u i to fn o n b r a k i n g 1 1 3 国内外永磁缓速器的发展现状 2 0 世纪6 0 年代电涡流缓速器研制成功，经过4 0 多年的发展，技术已经非 常的成熟n5 1 ，在客车和载重货车得到广泛的应用。鉴于电涡流缓速器存在的缺 点，日本在上世纪8 0 年代末，率先开始了永磁式缓速器的研究和开发。2 0 世纪 9 0 年代初，日本首次研制成功了一种使用钕铁硼永磁体，不需电力来源，重量轻、 简洁紧密、易安装的具有革命性的涡流缓速器n 町n 训。随后几年，日本学者和企业 围绕“轻质、紧凑”的特点又研制了一系列新的永磁缓速器n8 1 ，其主要结构可归 纳为三种，即磁铁轴向滑动式【2 0 1 、磁铁保持架周向转动式2 1 1 和磁铁周向转动 式翻捌。 目前国际上，生产永磁式缓速器的厂商有：德国的M a y a 公司、美国的O g u r a 工业公司、日本的M u r a k a m i 公司和五十铃住友( I S U Z U S U M I T O M O ) 等。调 研发现，国内有部分汽车厂家装用永磁式缓速器产品，如广州五十铃客车有限公 第1 章绪论 司的G A L A 客车、沈阳飞日野汽车制造有限公司的S F Q 6 1 2 5 客车和苏州金龙客 车有限公司的金龙客车。但它是选装日本五十铃住友公司的进口件，目前国内 还没有厂商生产永磁式缓速器。可以预见，研制和开发永磁式缓速器在国内将有 广阔的市场。 国内申请的相关专利较少，2 0 0 5 年3 月江苏大学何仁教授等人申请了一种 可分级控制的永磁式缓速器口钔，它是在磁铁周向转动式永磁缓速器结构基础上进 行改进的，主要在定子上再增加了一列永久磁铁来达到可分级和漏磁少的目的。 2 0 0 5 年1 2 月扬州市洪泉实业有限公司设计了一种永磁缓速器汹1 ，它是在日本泽 藤公司制造的永磁缓速器基础上进行了一些机械结构上的改进，磁路和控制方式 没有改变。 永磁缓速器理论研究方面。日本冈山大学的M u r a m a t s u 等运用移动坐标系对 永磁缓速器进行了3 D 直流稳态涡流分析汹M 圳。N a t s u m e d a 等将有限元同 R o s e n b r o c k s 方法用于永磁式缓速器的三维优化设计啪驯。E n o k i z o i i o 等在永磁 缓速器设计中运用有限元方法和“迎流”插值函数，为永磁体和磁轭的结构设计 提供了很好的帮助啪1 。N o g u c h i 等基于3 D 有限元方法的瞬态热传递、弹塑性蠕 变与热应力分析结果以及转子钢蠕变疲劳性能，利用应变范围划分方法和蠕变一 疲劳损伤定律对永磁缓速器转子的蠕变一疲劳寿命进行预测【3 。美国德克萨斯 州农工大学的G a y 等分析了客车制动性能要求，运用解析法和数值仿真设计了 一种将永磁涡流制动作为基本制动，而摩擦制动仅在高速或低速时作为辅助制动 的无接触联合制动，并分析了这种无接触联合制动应用在传统汽车和混合动力汽 车上的效果和影响口2 3 3 l 。G a y 在永磁式缓速器2 D 分析模型的基础上，利用3 D 有限元方法对影响永式磁缓速器力矩一速度曲线的参数进行了深入的分析，尽管 这种方法受当前有限元分析技术和永磁材料非线性影响有一定的局限性，但优化 结果还是基本能满足要求1 。 与日本、美国等发达国家相比，永磁式缓速器在国内的研究还处于刚刚起步 的阶段，从事永磁式缓速器研究的科研单位和高校不多。国内江苏大学何仁教授 领导的课题组对永磁缓速器作了很多研究工作，他们重点集中在缓速器制动力矩 计算【3 5 1 ，转子温度分析m M 伸3 ，热一磁耦合场分析，以及永磁缓速器台架试验方 法及其性能评价指标等方面m 1 。 由上可以看出，永磁缓速器与电涡流缓速器的研究相比较，应用和研发方面 都处于起步阶段。国内研究大多属于理论上分析国外已有产品，没有对结构提出 实质性优化。尽管永磁缓速器与电涡流缓速器相比较有许多优点，但是现有的永 磁缓速器还存在以下一些不足点，致使其尚未在国内外获得大量推广使用。这些 共同的问题包括：1 ) 与电涡流缓速器相比较，同等体积情况下的制动力矩明显 偏小，有些构造还存在明显漏磁力矩( 缓速器不工作时存在的残余力矩) ；2 ) 构 北京T 业大学丁学硕七学位论文 造比较复杂，性能价格比不高；3 ) 已有的永磁缓速器一般不能根据路况或车速 分档调整制动力矩，使用上有所不便；4 ) 永磁缓速器尚未有完整的设计规范。 1 2 永磁缓速器自主开发中亟需解决的问题 永磁缓速器产品发展缓慢，不仅和现有永磁缓速器机械结构有关，而且也受 永磁制动理论的发展制约。由前可以看出，国内研究基本没跳出传统永磁缓速器 机械结构的框架，这对缓速器技术的发展起了瓶颈制约的作用。目前对永磁缓速 器的制动力矩性能分析的模型都是建立在日本现有永磁缓速器产品结构上的，如 果能根据一般的磁路定律及M a x w e l l 电磁理论，建立永磁缓速器设计理论，指导 缓速器的结构设计，为永磁缓速器的自主研制奠定坚实的基础。 1 2 1 永磁缓速器制动力矩影响因素分析 制动力矩是评价永磁缓速器性能的基本指标，对影响制动力矩的结构参数进 行优化是当前研究的热点，同时也是难点。进行永磁缓速器的自主开发，首先要 弄清缓速器制动力矩影响因素。 缓速器系统主要包括定子和转子部件。国内外专家对永磁缓速器的改进做了 大量工作，其主要是对定子结构进行了优化。从最初的磁铁轴向滑动式到磁铁保 持架周向转动式，最后到磁铁周向转动式，显示出缓速器发展轨迹都是围绕定子 结构的。定子磁头作为永磁缓速器系统的核心部件，其结构及结构参数是影响永 磁缓速器制动力矩的最重要因素。定子磁头是提供制动磁源的装置，气隙磁场强 度是衡量磁头性能的重要标志。 转子材料和结构是影响制动力矩的另一重要因素。转子材料的磁导率和电导 率对制动力矩影响较大，是重点分析对象；转子厚度影响整个磁系统回路磁阻， 此处设计关键是防止磁饱和；转子散热叶片设计影响整个缓速器性能。这些影响 因素的系统分析对缓速器优化设计非常关键。 1 2 2 永磁缓速器创新及优化设计 国内在永磁缓速器研发方面处于起步阶段，大多属于理论上分析国外已有产 品，结构上没有实质性突破，国外永磁缓速器最新关键技术处于保密阶段。所以 加大、加快对永磁缓速器创新开发，对提高我国汽车零部件生产企业自主创新能 力具有十分积极的意义。 高校研究缓速器大多试验条件差，缓速器试验需要3 0 0 K w 以上的电机，在 一般高校没有这样试验条件。即便对于有条件的工厂，每次优化试验都做一整套 装置是费时费力的，设计能利用实验室现有条件达到试验目的的小实验，对于整 个缓速器的研发工作有巨大推动作用。 永磁缓速器技术还没有广泛应用，加快对永磁缓速器的研究和开发，对提高 我国汽车零部件生产企业自主创新能力具有十分积极的意义。汽车永磁缓速器的 第1 章绪论 研究重点是缓速器的定子部分，特别是磁路控制机构的设计，它决定着整个缓速 器的制动性能，设计新型高效的定子磁头是永磁缓速器自主开发的重点。北京工 业大学机电技术研究所首次提出一种磁铁独立工作，制动效率高，控制简单的新 型汽车永磁缓速器用磁头H 0 儿虬1 ，该研究成果拥有完全的自主知识产权，具有工程 实用化的潜力。 1 2 3 缓速器耦合场数值模拟分析 永磁缓速器工作时有多个物理场相互作用，永久磁铁提供磁源( 磁场) ，转 子运动切割磁力线产生涡流( 电场) ，涡流在转子中消耗，产生制动力矩( 应力 场) ，并使转子温度升高( 温度场) 。这四个物理场相互影响耦合，影响缓速器动 态制动性能。 因此对永磁缓速器耦合场进行数值模拟计算和可视化分析，可解决长期制约 缓速器发展的理论问题，而且可以据此进行缓速器定子和转子结构的优化，为设 计高性能永磁缓速器提供了有效方法。 1 3 本论文的研究思路和研究内容 永磁缓速器作为一种新型的行车制动安全辅助系统，有着其它缓速器无法比 拟的优点，随着技术的创新和成熟，将逐渐取代其它缓速器成为国内外缓速器市 场的主流产品。因此，开发和研制具有自主知识产权且性能优良的缓速器，对于 打破国外产品的垄断地位和增强国产汽车技术意义重大。 永磁缓速器的研究涉及到许多复杂理论和试验研究，本论文从“路和场”两 方面对永磁缓速器进行分析，并对其复杂的多场耦合问题进行初步的研究。通过 工程仿真和实验相结合的方式，对永磁缓速器进行优化设计，最后研制出永磁缓 速器试验样机，并进行多方面的性能试验，提出下一步改进措施，为永磁缓速器 的工程实用化打下坚实的基础。 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 永磁缓速器磁头设计及理论研究。本文通过结合永磁缓速器磁路计算 和电涡流缓速器设计理论，提出一种永磁缓速器制动力矩计算公式。利用该公式 分析了影响缓速器制动力矩的结构参数，并由此提出了一种新型永磁缓速器用定 子磁头。利用磁路定律和数值模拟优化方法对原理磁头进行了优化设计，得出一 套优化原理磁头的方法，为整机设计打下理论基础。 ( 2 ) 永磁缓速器的优化设计。在原理磁头理论研究及仿真研究的基础上， 研究了四种缓速器磁路方案和两种分级控制方案并进行了试验，在尽可能获得大 的制动力矩前提下，设计出了种满足可控性、可靠性及加工工艺等技术要求的 磁铁活塞运动式永磁缓速器磁头。通过耦合场数值仿真研究，对缓速器转子材料 特性进行了改进，并在理论上证明了这种改进能较大地提高缓速器的制动力矩。 北京T 业大学工学硕士学位论文 置鼍量皇| 一 I 置毫置| 置鲁皇| 置皇置| 置量 ( 3 ) 永磁缓速器台架试验研究。借助工程电磁场分析软件对定子磁头的主 要结构尺寸进行参数化设计，得到了定子磁头优化结构参数。通过对试验样机的 台架试验，得到永磁缓速器的制动力矩特性曲线及温度特性曲线。最后对试验数 据进行分析，提出了今后设计中需要改进的措施。 第2 章永磁缓速器磁头设计及理论研究 第2 章永磁缓速器磁头设计及理论研究 永磁缓速器工程实用化道路崎岖且漫长，是因为其技术研发工作存在很多困 难，如：控制部件结构复杂，设计上不便于反复试验；机械设计及加工难度大， 研发和试验成本高：工作时制动磁效率低，制动力矩小：电磁场状态的可视化研 究难度大；没有成熟设计理论指导。这些困难导致永磁缓速器的研发进度缓慢， 难以取得突破性进展。 本文将已成熟的电涡流缓速器设计理论应用于永磁缓速器的开发中，结合永 磁缓速器磁路特点，创新地提出一种新型永磁缓速器用原理磁头的设计思想，在 应用磁路定律进行基本尺寸参数设计的基础上，应用电磁场有限元分析的方法对 各参数精确求解，设计出一种便于反复试验，制动效率高，控制简单，机械加工 要求较低的汽车永磁缓速器。 2 1 永磁缓速器结构及工作原理 随着人们对汽车制动安全的口益关注，缓速器作为一种辅助制动系统开始得 到越来越广泛的应用。目前技术比较成熟，适合装车的缓速器主要有：电涡流缓 速器、液力缓速器和永磁缓速器。电涡流缓速器工作时存在耗能高、发热量大、 体积质量大以及大量用铜等缺点，不符合节能环保要求；液力缓速器也有体积和 质量较大的缺点，同时它的制动响应也较慢，而且制动力的大小对车速非常的敏 感。 永磁缓速器是近年发展起来的一种新型节能和环保辅助制动装置，由于它利 用永久磁铁进行励磁，消除和减小了上述两种辅助制动装置的缺点。与其他缓速 器相比，永磁缓速器具有一下显著优点：可实现大幅度的轻量化、小型化：几乎 不消耗电力，节约能源；连续使用自身不会产生过热，能持续不断保持制动力的 稳定性和持久性；永磁所产生的强烈反抗磁场具有硬特性；保养简单，只需定期 检查空气气隙即可。 2 1 1 典型永磁缓速器结构 典型的永磁缓速器包括两个部分：转子和定子。永磁缓速器的结构按转子的 形状分为鼓式和盘式两种类型，盘式永磁铁缓速器的结构和普通电涡流缓速器基 本相似，目前出现的结构多为鼓式，其结构按解除制动的运动部件和运动方向可 分为：磁铁轴向滑动式、磁铁保持架周向转动式和磁铁周向转动式。 ( 1 ) 磁铁轴向滑动式。这种结构的缓速器如图2 1 所示。永久磁铁安装在 磁铁支架上，这些磁铁的极性交替反向排列，即当一块磁铁的N 极对着转子鼓 的内壁，则相邻磁铁的S 极对着转子数内壁。磁铁支架可在磁铁保持架内作轴向 运动。缓速器产生制动时，通过操纵机构( 气缸) 把磁铁支架连同固定在它上面的 永久磁铁一起移到磁铁保持架的右面，如图中所示的实线永久磁铁。在磁铁支架 北京下业大学T 学硕十论文 和相邻永久磁铁以及转子鼓的内壁之间形成磁路，当转子转动时，在转子鼓内产 生电涡流，从而产生制动力。 图2 - 1 磁铁轴向运动式永磁缓速器 F i g 2 1T h e r e t a r d e ro fa x i a lm o v i n gp e r m a n e n tm a g n e t s 解除制动时，通过气缸推动磁铁支架到图3 所示的虚线位置。从而使磁铁离 开转子鼓，两者之间的磁场断开。此时，转子鼓中无电涡流，也就不产生制动力。 ( 2 ) 磁铁保持架周向转动式。磁铁保持架周向转动式的结构原理如图2 2 所 示。在这种结构中，永久磁铁磁极交互排列，固定在磁铁支架上。磁铁支架安装 在固定元件上( 图中未标明) 。磁铁保持架在一定范围内沿传动轴转动。磁铁保持 架中有铁磁性材料部分和非磁性材料部分，两者交替排列。缓速器制动时，磁铁 保持架旋转到铁磁性材料对应着永久磁铁，从而在相邻永久磁铁、相邻铁磁性材 料以及转子鼓中形成磁路。当转子转动时，转子鼓内产生电涡流，从而产生制动 力。 a ) ” 图2 2 单排磁铁周向转动式缓速器结构原理图 F i g 2 2T h er e t a r d e ro fs i n g l er o wc i r c u m f e r e n t i a lr o t a t i o np e r m a n e n tm a g n e t s 第2 章永磁缓速器磁头设计及珲论研究 解除制动时，磁铁保持架旋转到非铁磁性材料对应着永久磁铁时，由于铁磁 性材料部分比相邻永久磁铁间距长，从而在相邻永久磁铁、铁磁性材料以及磁铁 支架间形成磁路，而不经过转子鼓；并且由于非磁性材料的阻磁作用，穿过转子 鼓的磁力线很少，从而使制动解除。 ( 3 ) 磁铁周向转动式。这种结构的缓速器如图2 3 曲所示，磁铁保持架内 有两排磁铁，每排磁铁其磁极交替反向排列，各自固定在磁铁支架上。磁铁保持 架是一个中空的圆环，与传动轴同轴，如图2 3b ) 所示。固定磁铁支架通过螺钉 与保持架连接。活动磁铁支架连同固定在其上面的磁铁通过轴承可在保持架内沿 圆周方向运动。即活动磁铁相对固定磁铁转动。磁铁正上方对应的部分保持架的 材料铁磁性的( 如低碳钢) ，其他部分是非磁性材料( 如铝) 。 a )b ) 图2 - 3 磁铁周向转动式永磁缓速器 F i g 2 3T h er e t a r d e ro fc i r c u m f e r e n t i a lr o t a t i o np e r m a n e n tm a g n e t s 制动时，活动磁铁支架活动磁铁在气缸活塞作用下转动到图2 - 4a ) 所示位置。 此时，每块活动磁铁与相邻固定磁铁的极性相同，相邻两块磁铁相当于一块。在 相邻永久磁铁、磁铁支架、磁铁保持架的铁磁性材料部分以及转子鼓内壁产生闭 合磁路。磁场回路如图2 - 4b ) 图所示。当转子转动时，在转子鼓内产生电涡流， 从而产生制动。 铁 b J 图2 - 4 制动时固定和活动磁铁的局部视图 F i g 2 4T h ep a r t i a lv i e wo ff i x e da n dm o v i n gm a g n e t sO Nb r a k i n g 解除制动时，活动磁铁支架在气缸活塞作用下转动到图2 5a ) 图所示位置。 北京工业大学工学硕士论文 此时，每块活动磁铁与相邻固定磁铁的极性相反。磁场回路由于保持架非磁性材 料的阻断，不经过转子鼓，其磁力线回路为：相邻永久磁铁、保持架的铁磁性材 料部分和磁铁支架，其回路如图2 5b ) 图所示。 a J ” 图2 5 制动解除时固定和活动磁铁的局部视图 F i g 2 5T h ep a r t i a lv i e wo ff i x e da n dm o v i n gm a g n e t so nb r a k i n g 2 1 2 永磁缓速器工作原理 永磁缓速器就是利用永磁涡流制动原理对车辆进行辅助制动的，即利用磁场 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。 永磁缓速器制动力矩产生的过程是t 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，汽缸( 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、转子和磁轭之间构成回路，如 图2 - 6 所示。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 转子 永久磁铁 磁铁装掎架 磁力线 图2 - 6 永磁缓速器的磁场 F i g 2 - 6M a g n e t i cf i e l do fp e r m a n e n tm a g n e tr e t a r d e r 的转子上，其内部无数个闭合导线所包围的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就切割永久磁铁所产生的磁力线) ，从而在转子内部产生 第2 章水磁缓速器磁头设计及理论研冗 皇_ _ H I i i l , 皇曾目鲁皇詈量鼍葛_ 重皇晕置皇鲁置喜舅皇_ 无数涡旋状的感应电流，即涡电流( 简称涡流) 。以磁极的正下方为界，在转子 内就会分别产生磁通正在减少和磁通正在增加的两种涡流，其方向相反。一旦涡 电流产生后，磁场就会对带电的转子产生阻止其转动的阻力( 即产生制动力) ， 阻力的方向可由弗莱明( F l e m i n ) 左手法则来判断，如图2 - 7 所示。同时涡流在 具有一定电阻的转子内部流动时，会产生热效应而导致转子发热。这样，车辆的 动能就通过感应电流转化成热能，并通过转子上的叶片产生的强劲风力将热量迅 速散发出去。 旋转方向 萋 I 1 J 1 垂 l ，k 、 岔： i f - I ) F 卜一； P ：I ：巴：奄 篷二，j ；碍夏。l f i Il I 制动力矩一1 图2 7 永磁缓速器的制动力矩 F i g 2 7T o r q u eo fp e r m a n e n tm a g n e tr e t a r d e r 2 2 永磁缓速器设计理论 永磁缓速器系统不仅具备能量转移功能，又是一个磁场电场转化系统，因此 在永磁缓速器数学模型中的主要理论问题应包括：电磁场数学模型、制动力矩的 数学模型、瞬态涡流场的数学模型、温度场的数学模型，以及缓速器定子和转子 盘所受力( 或应力) 的数学模型。这些数学模型是永磁缓速器设计理论的重要组 成部分，本节重点讨论永磁缓速器的静态电磁场数学模型。 2 2 1 永磁缓速器磁路计算 在电涡流缓速器的设计计算中，制动力矩的计算是最重要的工作，电涡流缓 速器虽然机械结构不是很复杂，但是，电涡流缓速器涉及到电磁场、温度场以及 应力场的复杂多耦合场作用，制动力矩的计算受到诸多因素的影响。目前，国内 有人提出了计算制动力矩的方法，大都建立在数学推导基础上，对模型进行了诸 多简化。国外的文献也有关于电涡流缓速器制动力矩的计算论述，而在对制动力 矩的计算是更注重数学推导与试验相结合，但由于电涡流缓速器影响因素的复杂 性，一些参数不能精确获得，都提出了修正系数H 2 儿1 。 从能量转换角度讲，电涡流缓速器的工作过程是在电磁铁励磁的作用下， 通过在转子盘上产生涡流进而引起涡流耗损，将制动或减速时的机械能转化为热 能，再散发到空气中。因此，从分析转子盘的涡流耗损，可以得到缓速器制动时 北京工业大学工学硕十论文 的功率。在分析电涡流缓速器制动功率的过程中，作如下简化和假定： ( 1 ) 电磁绕组产生的磁通只分布在磁轭圆形面积内，不考虑其