轎車電磁制動器耗能特性的研究*

胡東海,何 仁

(江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013)

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2015237

轎車電磁制動器耗能特性的研究*

胡東海,何 仁

(江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013)

建立了電磁制動器的耗能數學模型，并經臺架實驗驗證。在此基礎上，分析結構參數和運行參數對電磁制動器耗能特性的影響。結果表明，電磁制動器結構設計參數對耗能功率影響比較復雜，電磁制動器最佳設計參數求解實際上是多變量和約束條件下的優化問題；電磁制動器耗能功率隨汽車行駛速度變化曲線存在“低耗能功率區”，故在設計電磁制動器時，應使耗能功率曲線的“低耗能功率區”盡量包含典型城市行駛工況的汽車制動初始速度區間。

汽車工程；電磁制動器；耗能特性；設計參數；行駛工況

前言

目前，摩擦制動是公路交通運輸工具的主要制動方式。摩擦制動雖然具有效率高的優點，但也存在噪聲、有害粉塵污染和持續制動下的熱衰退等問題[1]。電磁制動作為非接觸式制動，具有無摩擦、無噪聲、控制簡單和制動平穩等優點，作為輔助制動裝置已經應用于商用汽車[2]和高速列車[3]。同時，有關學者一直致力于電磁制動器在乘用車上的應用研究。文獻[4]中提出了電磁制動器的磁感應強度和制動轉矩的計算方法。文獻[5]中設計并制作了微縮電磁制動器模型并在此模型上對電磁制動系統進行試驗研究。文獻[6]中研究了用于乘用車的電磁制動器，通過試驗研究電磁制動器的轉速力矩特性，將試驗數據擬合成制動轉矩與轉速的表達式。文獻[7]中探索了電磁制動器在汽車橫擺穩定性方面的應用，通過控制電磁制動器制動轉矩的大小使汽車在制動時不會偏離原路徑行駛。文獻[8]中研究了乘用車電磁制動器的結構參數對制動轉矩的影響規律，建立優化數學模型得到了集成制動器的最佳結構參數。文獻[9]中建立了基于單輪模型的電磁制動與摩擦制動集成系統的模型，提出采用模糊控制理論控制線圈中通電電流的方法，并在Simulink軟件中進行了仿真研究。

電磁制動器在工作時須要消耗車載電源的電能，進而增加車輛的燃料消耗。對于乘用車而言，消耗電能的多少直接影響電磁制動器的使用性能，因此研究乘用車電磁制動器耗能特性顯得十分必要。本文中在建立乘用車電磁制動器耗能數學模型基礎上，研究設計參數(如銅導線線徑、氣隙長度、線圈骨架尺寸)和運行參數(勵磁線圈溫度、制動盤溫度、汽車行駛工況)對轎車電磁制動器耗能特性的影響。

1 電磁制動器耗能數學模型的建立與實驗驗證

1.1 電磁制動器耗能數學模型

假設電磁制動器固定支架上固定有4Np個勵磁線圈，相對放置的2個勵磁線圈串聯成1個勵磁繞組，勵磁繞組之間相互并聯，則電磁制動器消耗的電功率為

P=4NpI2R0

(1)

式中：Np為磁極對數；R0為單個勵磁線圈的電阻，Ω；I為勵磁電流，A。

為無級調節電磁制動器的制動轉矩，利用直流斬波器改變電磁制動器與電壓源的導通時間，控制施加在勵磁繞組兩端的等效電壓，使電磁制動器輸出控制器需求的制動轉矩。假設在制動過程中控制器要求電磁制動器輸出制動轉矩為T[11]，則

(2)

根據式(1)推導得出需要的勵磁電流為

(3)

勵磁線圈電阻與銅導線線徑、線圈骨架尺寸(線圈骨架外徑、線圈骨架長度、鐵芯直徑、線圈骨架厚度)和銅導線的電阻率有關，單個勵磁線圈的電阻[12]為

(4)

其中：L=b×[a(d+2δ)π+a(a-1)πd0]

則勵磁線圈匝數為

N=ab

(5)

考慮到受溫升影響，式(2)～式(4)中出現的制動盤電阻率、相對磁導率和銅導線電阻率均是溫度的線性擬合函數：

(6)

式中：ρ0為常溫下制動盤的電阻率,Ω·m；a1為制動盤電阻率的溫度系數,1/K；μ1為常溫下制動盤的磁導率，H/m；a2為制動盤磁導率的溫度系數，1/K；ρ2為常溫下銅導線的電阻率,Ω·m；a3為銅導線電阻率的溫度系數，1/K。

聯合式(1)～式(6)，電磁制動器耗能功率與銅導線線徑、電阻率、氣隙長度、線圈骨架尺寸、制動盤電阻率和相對磁導率、制動盤角速度及需求制動轉矩直接相關。其中銅導線線徑、氣隙長度和線圈骨架尺寸為電磁制動器設計參數；銅導線電阻率、制動盤電阻率和相對磁導率分別受勵磁線圈溫度、制動盤溫度的影響，且制動盤角速度和需求制動轉矩與汽車行駛工況有關，而勵磁線圈溫度、制動盤溫度和汽車行駛工況為電磁制動器運行參數。

1.2 實驗驗證

圖1為電磁與摩擦集成制動系統硬件在環平臺。由圖1(a)可見，該硬件在環平臺由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分包括集成制動器、傳感器、驅動設備、電源、數據采集卡和計算機等，如圖1(b)所示；軟件部分包括集成制動器仿真模型與LabVIEW控制和數據采集程序[12]。

乘用車電磁制動器主要設計目標：當汽車在交通擁擠的城市道路上行駛時，能夠滿足大部分駕駛員制動需求，顯著地減少摩擦制動器的使用次數，減少制動襯片磨損產生的有害粉塵顆粒和尖銳的制動噪聲。

江蘇省汽車工程重點實驗室基于某型轎車(車輪垂直載荷420kg、車輪半徑0.33m)設計電磁制動器原理樣機，具體結構參數如下：氣隙長度lg=1mm，銅導線線徑d0=1.8mm，線圈骨架寬度H=58mm，線圈骨架外徑D=86mm，鐵芯直徑d=54mm，線圈骨架厚度δ=2mm，制動盤中心半徑r1=120mm。電磁制動器耗能功率理論計算和實驗曲線比較如圖2所示，在不同制動強度下，電磁制動器消耗電能功率的理論計算值與實驗值基本吻合，表明電磁制動器耗能數學模型的有效性和正確性。

2 結構設計參數對電磁制動器耗能特性影響

2.1 氣隙長度

根據式(3)得到勵磁電流隨著氣隙長度的增加而變大，但是仍要考察氣隙長度變化對乘用車電磁制動器耗能特性的影響程度[8]。圖3為氣隙長度對耗能功率的影響。可以看出，氣隙長度從0.7mm增加到1.4mm，耗能功率增加了1倍左右，考慮到基數的不同，可認為氣隙長度對耗能功率影響很大。因此在設計過程中，在工藝允許的情況下盡量減小氣隙長度有益于降低電磁制動器的耗電量；而在電磁制動器制造與裝配中，精確保證氣隙長度也顯得十分重要[13]。

2.2 銅導線線徑

圖4為銅導線線徑對耗能功率的影響。可以看出，銅導線線徑對耗能功率的影響不是簡單的線性關系，當銅導線線徑從1.5mm變化到2.3mm的過程中，耗能功率對于銅導線線徑變化呈不規律震蕩，但幅度不大。結合式(4)和式(5)，銅導線線徑直接影響勵磁線圈的電阻和匝數；但由于數量級差距大，受線圈骨架尺寸的限制銅導線線徑的影響被壓制，所以對耗能功率的影響曲線顯示出小幅度震蕩。在電磁制動器的設計之初，可先擱置銅導線線徑的選擇，待設計完成后以耗能功率最小校核銅導線線徑。同時，隨著銅導線線徑的增大，勵磁線圈需要的電流也不斷變大，在設計銅導線線徑時應充分考慮最大電流密度的約束條件[11]。

2.3 線圈骨架寬度和外徑

結合式(4)和式(5)，線圈骨架寬度和外徑對耗能功率的影響特性相同，線圈骨架寬度和外徑增大均導致勵磁線圈匝數和勵磁線圈電阻變大；而勵磁線圈匝數與勵磁電流大小成反比，勵磁線圈電阻與勵磁電流大小成正比；因此，線圈骨架寬度和外徑對耗能功率的影響不很明確。圖5為線圈骨架寬度對耗能功率的影響。可以看出，線圈骨架寬度和外徑與耗能功率成反比，表明勵磁線圈匝數的影響占主要方面；變化曲線成分段階梯狀是由于利用取整函數fix(x)計算線圈徑向匝數和軸向匝數。同時，受乘用車車輪部位空間的限制，線圈骨架寬度和外徑的增加要滿足相應的空間尺寸約束。

2.4 鐵芯直徑

聯合式(1)～式(5)，與線圈骨架寬度和外徑相反，鐵芯直徑變大導致勵磁線圈匝數和勵磁線圈電阻變小，但鐵芯直徑增加會造成渦流作用區域面積的變大。考慮到渦流作用區域面積與勵磁電流大小成反比，鐵芯直徑在50～57mm之間的耗能功率增長緩慢，而當鐵芯直徑大于57mm后耗能功率迅速增加，如圖6所示。這表明鐵芯直徑在50～57mm之間時，渦流作用區域面積變大對耗能功率的減小有積極作用，而鐵芯直徑大于57mm后，勵磁線圈匝數和勵磁線圈電阻的消極影響占主導地位。在設計過程中，鐵芯直徑的降低會受到磁路飽和約束條件的限制。

3 運行參數對電磁制動器耗能特性的影響

3.1 銅導線和制動盤溫度

圖7為制動盤溫度對耗能功率的影響。可以看出，當銅導線的溫度從20℃升高到80℃，電磁制動器的耗能功率增加了100W，而制動盤的溫度從20℃升高到400℃，電磁制動器的耗能功率也增加了約100W。考慮到制動盤為通風散熱盤，其溫度穩定性好，相比而言制動盤溫升對電磁制動器耗能功率的影響較小；因此在設計過程中，應著重考慮勵磁線圈通風散熱的問題，校核勵磁線圈溫升。

3.2 汽車行駛工況

圖8為汽車行駛速度對耗能功率的影響。可以看出，不同制動強度下電磁制動器耗能功率隨汽車行駛速度曲線變化趨勢相同。耗能功率在低速區較大，隨著汽車行駛速度的變大而逐漸變小，在50km/h時達到最小值；當汽車行駛速度大于50km/h時，耗能功率與汽車行駛速度成正比。由于汽車行駛速度小于10km/h的耗能功率明顯大于50km/h的耗能功率，在這種情況下應停止使用電磁制動器。聯合式(1)和式(3)，得到耗能功率與駕駛員制動強度呈線性關系。

圖9為兩種典型汽車城市行駛工況，其中，圖9(a)為ECE-EUDC工況，其平均制動強度為0.079，最大制動強度為0.139；而圖9(b)為UDDS工況，平均制動強度為0.058，最大制動強度為0.148；兩種典型汽車城市行駛工況的平均行駛速度都為32km/h左右。由圖8可知，電磁制動器的耗能功率存在“低耗能功率區”，其對應的汽車行駛速度為30～80km/h，電磁制動器在這一速度區間內制動消耗電能小。由圖8和圖9可知，典型汽車城市行駛工況顯示的汽車制動初始速度區間為20～40km/h，落在原理樣機耗能功率曲線“低耗能功率區”的概率較小，使電磁制動器原理樣機消耗電能大；故應優化電磁制動器的設計參數，使其耗能功率曲線的“低耗能功率區”盡量包含典型城市行駛工況的汽車制動初始速度區間。

4 結論

(1) 減小氣隙長度、增加線圈骨架寬度和外徑均可減小電磁制動器的耗能功率，但是這3種降低耗能功率的措施受到制造工藝和車輪尺寸空間的限制；銅導線線徑對耗能功率的影響呈小幅度震蕩，故應在結構設計完成后以耗能功率最小校核銅導線線徑。

(2) 考慮到電磁制動器設計參數對耗能功率影響的復雜性，電磁制動器最佳設計參數求解問題為多變量和約束條件下的優化問題。

(3) 電磁制動器耗能功率隨汽車行駛速度變化曲線存在“低耗能功率區”，故應在設計電磁制動器時，使“低耗能功率區”盡量包含典型城市行駛工況的汽車制動初始速度區間。

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A Research on the Energy Consumption Characteristics of Car Electromagnetic Brake

Hu Donghai & He Ren

SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013

An energy consumption mathematical model of electromagnetic brake is established and verified by bench test. Based on the model, the effects of structural and operating parameters on the energy consumption characteristics of electromagnetic brake are analyzed. The results show that the effects of the structural parameters of electromagnetic brake on its consumed power are complex, and the solving of optimal design parameters of electromagnetic brake is actually a multivariable optimization problem with constraints. There exists a“low consumed power zone” on the consumed power of electromagnetic brake vs vehicle speed curve, thus electromagnetic brake should be so designed that the “low consumed power zone” will cover the initial braking speed range in typical urban driving cycle.

automotive engineering; electromagnetic brake; energy consumption characteristics; design parameters; driving cycle

*國家自然科學基金(51275212)、江蘇高校優勢學科建設工程項目和江蘇省2014年度普通高校研究生科研創新計劃項目(KYLX_1025)資助。

原稿收到日期為2014年5月8日，修改稿收到日期為2014年7月1日。