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，為緩速器的設計優化提供參考。

關鍵詞：雙凸極電磁液冷緩速器;Maxwell 3D;模擬仿真;制動力矩

0 引言

隨著汽車發動機功率的持續攀升，車輛行駛速度提高，汽車負重相應增加，車輛在行駛中的慣性也隨之增大，導致制動負荷增加，加重了車輛制動系統的負擔[1]。若汽車的制動負荷都由制動系統承擔，系統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，對其機械結構、電磁參數進行仿真分析，采用Maxwell 3D仿真軟件分析緩速器的靜態與瞬態磁場以及產生的制動力矩，通過設定不同影響因素參數，模擬各因素對制動力矩產生的影響。

1 雙凸極電磁液冷緩速器機械構造及工作原理

雙凸極電磁液冷緩速器的機械構造如圖1所示。緩速器包括兩片轉子、定子、線圈、水道等。定子中有供水流通的通道，工作時定子內壁吸收的內能由循環的水吸收并散發出去[2]。

緩速器工作時勵磁線圈通電，轉子、定子及兩者間隙之間會構成封閉的電磁回路。汽車傳動系統帶動轉子旋轉，形成切割磁感線運動，在定子內表面會產生電渦流，渦流產生與轉子旋轉方向相反的力矩[3]，力矩傳遞至汽車轉軸，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，為車輛提供持續穩定的制動力矩。

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]。磁場在轉子盤各個齒、氣隙、緩速器定子表層中形成，構成一條完整的磁路。事實上，勵磁線圈產生的主磁通在經過轉子、氣隙、定子時，還存在少量的漏磁，在周邊空氣中也構成了閉合回路。空氣的磁阻非常大，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為轉子旋轉角速度;BI為凸極上磁通密度被增強區域的磁感應強度;BD為凸極上磁通密度被減弱區域的磁感應強度;ΔhI為磁通密度被增強區域的渦流集膚深度;ΔhD為磁通密度被減弱區域的渦流集膚深度;Rs為定子內表面半徑;n為緩速器轉速;Np為凸極對數。

從上式可以看出，緩速器的制動力矩與轉速、凸極頂部尺寸、磁感應強度、集膚深度、定子內表面半徑等有關，理論計算十分復雜。

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 ? ?轉速

為了研究轉速對制動力矩的影響，可保持勵磁電流不變，通過改變轉速模擬轉速對制動力矩的影響。不同轉速下，制動力矩理論值與仿真值對比曲線如圖3所示，可看出在低轉速時，緩速器產生的制動力矩隨著轉速的提高而快速增長，但當轉速高于1 000 r/min時，制動力矩增長較為緩慢，達到更高轉速時，制動力矩甚至會降低，這是因為隨轉速的提升，定子中的渦流產生的反磁動勢會增大，削弱了勵磁磁動勢。另外，在轉速提高的過程中，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，制動力矩較為穩定，能滿足車輛在持續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生畸變。勵磁電流為30 A時，渦流產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，反磁動勢對磁場的削弱效果更為顯著。

3.3 ? ?渦流密度

圖5是在不同轉速（500 r/min、1 500 r/min、2 500 r/min）下，定子內表面的渦流密度分布情況，可發現渦流密度隨著轉速的提升而增大，但當轉速到達一定程度時，定子內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、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構參數要求，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節緩速器所產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率、定子材料、鍍覆層材料和厚度等。

3.5.1 ? ?電導率

轉子的電導率變化對制動力矩并沒有明顯影響，定子電導率的變化對制動力矩的影響較大。在電導率較低時，制動力矩隨電導率成正比增加;在電導率較高時，制動力矩隨電導率增長而緩慢升高。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。從模擬仿真的結果看，鋁和銅材料在集膚深度上的表現優于鐵，但在氣隙磁密的表現與鐵有著較為明顯的差距，導致兩者的制動力矩比鐵小很多。結合上述結果可知，非磁性且電導率較高的金屬材料能夠顯著降低集膚效應對模型的影響。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生的制動力矩對比圖如圖7所示，在低轉速區域，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，但隨著轉速的升高，進入高轉速區域后，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具體運行工況，按需靈活運用在不同的使用環境中。

3.5.4 ? ?鍍覆層厚度

不同厚度的銅層產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，在低轉速時，鍍覆銅層厚度大的緩速器會產生更大的制動力矩，但高轉速時，鍍覆銅層厚度小的緩速器會產生更大的制動力矩。故在實際運行中，可根據整車行駛常用轉速來選擇鍍覆銅層的厚度。

4 結語

本文通過對電磁液冷緩速器進行數值模擬仿真分析，得出了轉速、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律，從而為緩速器的設計優化提供參考。

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[9] 何建清，何仁，衣豐艷.車用電渦流緩速器的設計方法[C]//中國汽車工程學會2003學術年會論文集（上冊），2003：257-265.

[10] 李德勝，王偉杰，張澤男，等.外轉子構造的電磁液冷緩速器制動性能[J].北京工業大學學報，2015，41（11）：1652-1657.

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。