（电力电子与电力传动专业论文）拖车电磁制动器电磁场及其防抱制动仿真.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si sm a i n l ya i m e da tan e wt y p eo fe l e c t r o m a g n e t i cb r a k eu s e di nt r a i l e ri n 0 1 1 1 c o u n t r y av i r t u a lm o d e li sc r e a t e db a s e do nt h es t r o n gl i m i t e da n a l y s i ss o f t a n s o f t b yw h i c ht h ee l e c t r o m a g n e t i cp e r f o r m a n c ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r o m a g n e t i c b r a k ei ss i m u l a t e d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea n dc u r r e n ta n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea n da i rg a pa r ef o u n d e d t h r o u g he x p e r i m e n t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fs o f ta r e p r o v e d t ob e r i g h t s o m eo ft h ed e s i g no ft h e e l e c t r o m a g n e ti sc h a n g e dt oi m p r o v et h ew o r k i n gs t a b i l i t yb a s e do ni t sr e a lw o r k i n g c o n d i t i o n s t h ei m p r o v e de l e c t r o m a g n e tv i r t u a lm o d e li sa l s os i m u l a t e di na n s o f ta n dt h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei m p r o v e m e n ti sv e r ye f f e c t i v e t h e nt h ew a yt od e s i g nd i f f e r e n t e l e c t r o m a g n e tw i t hd i f f e r e n tm a g n e t i cf o r c er e q u i r e m e n t si sp u tf o r w a r d d u r i n gt h e s i m u l a t i o nu s i n ga n s o f t ，i ti sc o n v e n i e n tt ou s et h em a c r ol a n g u a g et ow r i t ep r o g r a m s ， w h i c hc a na v o i dt h es a m ew o r k ，e g b u i l d i n gm o d e la n ds e t t i n gp a r a m e t e r s b a s e do nt h er e s e a r c ha b o v e ，i tc a nb ek n o wt h a tp w m s i g n a li sa d a p tt ob eu s e dt o c o n t r o lt h ee l e c t r o m a g n e t i cb r a k e t oc h a n g et h ed u t yc y c l e so fp w m s i g n a lm a yc h a n g e t h et o r q u eo u t p u to ft h eb r a k e t h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cb r a k ei s f o u n d e dt h e n w i t ht h ea s s i s t a n c eo fs i m u l i n kt o o l sb o xo fm a t l a b ，t h ea n t i - l o c k s y s t e m ( a b s ) s i m u l a t i o ni sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h ev e h i c l eu s i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i c b r a k e sb a s e do ni t sm a t h e m a t i cm o d e l t h es i m u l a t i o ni sa i m e da ts l i pa n di t sc o n t r o l m e t h o di s f u z z yc o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ef u z z yc o n t r o l l e ri s e f f e c t i v ef o ra n t i - l o c ko fv e h i c l e si nu s eo ft h i sk i n do fn e we l e c t r o m a g n e t i cb r a k e s i t c o n t r o l st h ew h e e lv e l o c i t ya r o u n dt h ev e h i c l ev e l o c i t yt oa c h i e v ea n t i - l o c kb r a k e i nt h e f u t u r e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cb r a k es h o u l db eu s e di nn o r m a lv e h i c l e sw i d e l y , s oi t i s m e a n i n g f u lt or e s e a r c ht h ea n t i l o c kc o n t r o lo fi t ，n o to n l yf o rt r a i l e r sb u tf o rn o r m a l v e h i c l e s k e yw o r d s ：f e m ，e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，s i m u l a t i o n ，f u z z y c o n t r o l 学位论文版权使用授权琳 本学位论文作者党全了解学校存关保留、使用学饿论文的裁惑， 间惫学校保留并向蹋浆有关部门溅机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被壹懑彝搭霾。本天授毂遴苏大学蘸坟将本攀健论文戆全部 内容或部分内容编入育关数据库避行检索，可以采丽影降、缩印或捆 攘等复镧手段保存秘汇编本学位谂文。 。；。、 绦密口， 本学位论文属予， 不保密囱。 攀彼论文 擘者签名： 魂氛 熬字鹜期：翻嗨年o 月终e l 攀位论文捧纛攀韭爵丧淘； 工作单位： 邋讯地址： 越、华解密藤逶麓奉授权书。 “| t ，| j l 、 、 “。 导耀签名： 徽鼹幸 签字翻赣：渺哆华屯；胃f j 翻 电话： 由g 编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：窃畦瓤 日期：湖s 年0 6 月 i ；日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 拖车、拖车电磁制动系统及其特点 1 1 1 拖车简介 拖车是对具有拖挂形式的车辆的一种简称，通常由载货汽车或牵引车牵引运 行，拖挂形式通常有：a 通用车厢拖挂；b 重型和超重型拖挂：c 双拖挂；d 全 拖挂；e 长货拖挂；f 专用拖挂等等。 例如“房车”是一种典型的拖车，其中牵引车外形与普通轿车一样( 如图i i 所示) ，但对悬挂、内置安全装置有特殊要求，而且车内多余部分均可被拆除。拖 挂式房车又分为折叠式、卡车式、厢式、鹅颈式四种。房车又称汽车上的家。兼具 ”房”和”车”的两大功能，是一间可移动的房子，是一辆可以居家生活的车。在国内 算得上新鲜事物的房车，在欧美许多国家其实是非常普遍的。追溯房车的历史，它 的雏形在发明汽车前就有了，那就是吉普赛人的大篷车。第一次世界大战末，美国 人把帐篷、床、厨房设备等加到了家用轿车上。到1 9 3 0 年，房车运用了飞机的结 构设计，在车上安装了舒适的床，便利的厨房、供电供水系统等。第二次世界大战 后，美国发达的公路系统使房车工业迅猛发展。1 9 5 0 至1 9 6 0 年间，许多房车制造 商开始创业，加速了房车普及进程。房车分为白行式和拖挂式两种。拖挂式房车因 其内部设施完善，居住环境舒适等优点，更受到人们的欢迎。 1 1 2 拖车电磁制动系统 图卜l 普通房车 ( 一) 拖车电磁制动系统的组成和工作原理 电磁制动器由：电磁体1 ，制动杠杆2 ，回位弹簧3 ，制动蹄4 等组成( 如图1 江苏大学硕士学位论文 一2 所示) 。电磁制动器与其控制器以及它们之阳j 的电气联接共同构成电磁制动系 统。 图1 - - 2 电磁制动机构 拖车电磁制动器工作原理：制动时，电磁体接通电源产生电磁吸力，被吸到制 动鼓上并被其带动旋转，从而带动制动杠杆从动端将制动蹄顶开，直至制动蹄上的 摩擦片与制动鼓的内圆柱面接触产生摩擦并被制动鼓带动转动，此时制动杠杆继续 被电磁体带动转动，制动鼓在与电磁体、制动蹄的摩擦力的作用下不断减速，直至 停止转动。制动完成后，断开电磁体的电源，电磁体失去电磁力而脱离制动鼓端面， 回位弹簧将制动蹄拉回原位，摩擦片与制动鼓脱离，制动消除。这种电磁制动器结 构简单，电磁体在不通电时，保持与制动鼓轻微接触，保证通电后可靠地与其相吸 合。 ( 二) 电磁制动系统的特点 汽车制动系统依操纵和驱动制动器力源的方式不同，有机械式、气压式、液压 式、电气式，以及以上4 种基本方式的组合。其中电气式制动系统又可分为电磁式、 电动式和电液式。 气压式机构复杂，有气泵，贮气筒，制动阀，制动气室，管路等一整套设备， 而且不论是否制动，气泵都要随发动机运转，消耗发动机的动力，若车辆停放的时 间较长，管路密封不严，重新开动前还要充气，这更增加了不必要的消耗。液压式 所需的操纵力大，若要求制动力矩较大时，需要增力，不但要增加机构，有的还消 耗发动机的动力，接在拖车上，使用中拆装很不方便。机械式大多用在拖拉机及拖 汪苏大学颈士学位论文 车上，它所需的制动力大，制动强度低，左右制动不容易调整同步。以上三种形式 的制动缀梅都存在麓不| 霹程度敬反应时闯馒蛉缺点，特别楚带寿撬车时，困操纵距 离增大，很难使拖车翩动与主车制动达到同步，更不能使其略有超前。机械式多数 用于汽车的驻车制动系统；气压式和液压式以及这两种方式的组合目前在汽车行车 制动系统中占主导嫩位，露电气式由于有以下突出优点正受到越来越多| ! 每重视 i 2 】： a ，结构简单，使爝安装、维护方便 b 可靠性高：用电缆代替管路，可方便地通过增加冗余电路达到提高制动系统可靠 性的强孵。用电气式取饯液压式，防止了液压鳇气疆现象，增加了制动系统鲍可靠 性。 c 集成方便：未来汽车上的电子装置将越来越多，电控转向、a b s 、电子驱动力控 制、主动悬架、邀予稳定等装嚣熬j 零容翳与毫气毒l 动系绫集成在一越。邀子控裁 器可根据需要设计不同回路的控制器，对车辆实施单回路、双回路和多回路制动， 也可对某个车轮单独制动，对拖挂部分的制动也可单独的控制。 d 。易实褒a b s ；a b s 控锻计算援发出兹电信号不瑗经过电子一一渡压，霉滚压一一 机械的复杂转换，提高了控制动作的准确性和可靠性。 e 代表制动器的发展趋势：汽车线控操纵( d r i v eb yw i r e ) 是实现车辆自动化和 智畿伲戆主要途径，毫气测动嚣爨线控攥缀戆必冬罄l 串，瓣越电气裁动爨取代瑷有 的制动器是汽车发展的必然趋势。 拖车电磁制动聚统是电气式制动系统中特殊的一种，因此除了具有一般电气式 铡动系绞懿毯点羚，还育其继一黧特点：与臻煮汽车割动系统蓑容避始，安装、嚣 卸方便；没有液压油的污染问题，有利于环保；另外，车辆制动的实质，是输入 定的能量将车轮旋转的动能，用摩擦功的形式变成热能而散发到空气中。电磁制动 援掇戆最大夔毯点赣在于它涛被疲奏夔，甚至是有害熬，鬣又是不可遥受夔车辍瑟 能回收一部分用来作为制动器的促动力，这魑其它任何形式的车辆制动器望尘莫及 的。所以，它非常邋合作为车辆的行车制动系统，在欧美等国得到了普遍使用，有 缀大豹枣凌份攘。 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外拖车电磁翩动系统的发展 ( 一) 国外拖车电磁制动器的早期发展 早在1 9 4 2 年，美国的e m p i r e 公司就在美国申请了主要用于拖车的电磁制动器 结构专利 3 】。国外大的汽车制造商和著名的专业制动器生产企业在这方面表现得十 分活跃。例如美国的k e l s e y 公司、d e x t e r 公司等长期从事拖车电子制动系统的生 产。随后的半个多世纪中，国外电气制动系统研发工作开展已经非常深入，其中采 用电磁力驱动的电磁制动器已经进入实用状态，这种制动器大部分应用于拖车制动 系统中。同时各国都对电磁制动器不断进行改进，主要表现在电磁体和控制器两个 部分。 电磁体总体上变化不大，主要改进工作集中在以下两个方面展开： a 提高电磁体磨损的均匀性和耐磨性 j 9 7 7 年，l e r o yk g r o v e 在美国专利4 0 0 4 2 6 2 中提出一种摩擦片材料的分布方 法”j 。考虑电磁体工作时，由于倾覆力矩致使摩擦接触面两侧所受正压力和磨损不 均匀性。在倾覆力矩使正压力和磨损增大的一侧增加摩擦材料的填涂面积，由于摩 擦材料是不导磁的，导致摩擦材料填涂较少的侧电磁吸引力变大。通过合理设计， 可以实现工作中两侧正压力平衡。从而提高磨损均匀性和耐磨性。9 0 年代，d e x t e r 公司将电磁体外形由圆形变化为椭圆形，并从两方面对性能进行优化。其，椭圆 形的设计减小了工作表面上下两侧的线速度差异，增加了磨损的均匀性；其二，水 平方向结构尺寸变大，在工作时，相同的倾覆力矩作用下，由于力臂增大，使左右 两侧压力差减小，磨损均匀，提高耐磨性。 b 电磁体结构及密封摩擦材料的改进 上世纪七十年代美国人提出了将摩擦表面加工成阶梯槽，并在槽内浸渍环氧树 脂等研磨剂，以提高电磁体和摩擦环的摩擦系数。i 9 8 3 年，美国专利4 3 8 6 6 8 4 提出 在电磁体的外侧添加一个杯形的金属外壳，杠杆凸销和电磁体连接外侧采用导磁垫 圈，提高电磁体和摩擦环的吸力n 4 江苏大学磺士学位论文 电磁制动器控制器的改进变化较大，研究致力于主车与拖车间的制动力匹配问 题上。1 9 7 5 年，美国人提出投摄拖车和主车的减速度比产生一定频率葶瓣瓤宽静电黥 冲穗号来控翻拖车。1 9 7 7 年，焚国专利4 0 3 3 6 3 0 提出了一种可靠和商效的电子控制 系统，驾驶员能感受到制动时的作用力( 路感) 。第一控制信号服从于拖车制动力， 在越滋其范露之厝，还有第二控制信号壹按联接割动器能源帮制动嚣执嚣元馋，以 傈证有效翎动翻。1 9 8 1 年，美圜专利4 2 9 5 6 8 7 用一个脉冲宽度调节器控制制动信号， 可以根据主车和拖车的重量关系调节两者的制动力比，制动器受拖车制动力或踏板 努控剑，有效提供线性关系斡攘撞车卷动力，驾驶员踩下藏橙牙制动踏缀都会感觉 比较平稳【7 】。1 9 8 8 年，美国专利4 7 2 1 3 4 4 ，介绍了一种电子控制器，它通过比较控制 信号与反映当前状况的锯齿波米产生制动器驱动信号，并通过电力载葡传感器来调 节掩截霞路救电压，实现控裁器一体诧嘲。 ( 二) 国外拖车魄磁制动器的远期发展 近几年来，国外的电磁制劫器的发展较缓慢，基本上保持了上世纪的形式。国 鲣都在照基毯上不叛宠善，努力捷逛磁裁动器篷够逶应蛰逶车辆豹行车秘魂。 研究方向主要集中在电磁制动器的控制器上。拖车电磁制动系统性能的好坏， 与制动过程中各车之问制动力的匹配以及拖车电磁制动控制器的控制策略有非常 太鹣关系，瑟不仅汉决定予铡动器静莲麓。繇菝瞧能毫好麓电藏裁动鹣控割器对整 体的制动效果将有较大的改善。国外厂商在近几年内开始研制具有a b s 功能或能够 与汽车a b s 相配台的拖车电磁制动器控件器。 1 2 2 国内拖车淑磁制动系统的发展 近几年国内也有部分汽车黻件企业和一魉中外合资企业涉及到了撬车电磁制动 嚣及蒸零配件的制造。桂毒拳市汽车配 孚总厂生产l o 英寸翻1 2 英寸两萃申规格的电磁 制动器，基本上采用国外的茼业成品技术，产品绝大多数销往美国。缀然2 0 0 2 年 该厂在我国串清了实鼹叛型专瓤z l 0 1 2 6 9 7 1 0 9 ，其保护内容基本与国外5 0 年前蛉 一样，但与西前圈际同类产晶栩眈还有狠大豹差距翻。电磁制动器控铡器基本上完 全依赖购买国外产品。国内电磁制动系统的研究工作才刚刚起步。 江苏大学硕士学住论文 1 3 本项目研究的意义 本项目的研究成果有着广阔的市场应用前景。自上世纪九十年代，尤其是加入 w t 0 后，我国汽车工业得到了突b 猛进的发展，人们生活水平随着经济建设的发展 不断得到提高，对生活质量的要求也在不断提高。2 0 0 2 年底我国小型客车的保有量 在1 0 0 0 万辆以上，而且在今后若干年内还会以较高的增长速度增加，人们利用节 假日出门旅游休闲正在成为时尚，如同目前发达国家的旅游业一样，不少旅游休闲 人员要享受大自然( 海边或山岭区域) 的乐趣，出门时，自己驾车拖上房车。今后 我国的房车将会出现、并得到很大的发展，而解决房车的制动问题正是本项目研究 成果的用武之地之一；其次，现在汽车工业是全球化采购的模式，只要我们生产的 电磁制动器性能优越、可靠，成本低，在国际市场上是很有竞争力的；再次，利用 本项目的研究成果，提高制动器的制动效能，也就是说，是可以运用到小型车辆的 行车制动系统的。另外，电磁制动器便于实现制动系统的实时控制，市场前景极为 广阔。 然而，我国汽车工业远落后于发达国家。特别是在加入w t 0 以后，我国的汽车 工业在“与狼共舞”时立于不败之地出路所在技术创新和发展具有独立知识产 权的汽车产品。具有自主知识产权的电磁制动器的研制，一方面可以填补国内的空 白，另一方面符合汽车工业发展趋势的要求。 电磁制动器的研制，可以促进汽车产品没计方法的发展、完善制动器评价体系 和制动器性能的检测方法。可以提高进企业的自主开发能力、创新能力和竞争能力， 同时也推动汽车行业的技术进步。 电磁制动器用于汽车或汽车列车的行车制动，可以显著地缩短制动时间和制动 距离，从而可以避免许多交通事故。另外，随着车辆线控操作和汽车电子化的发展， 电磁制动器代替传统的行车制动器也是一种必然。 因此，研究开发具有自主知识产权的电磁制动器，对赶超国际先进水平，提高 我国汽车制动产品的市场竞争力具有现实意义。同时也将会带来巨大的经济和社会 效益。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 本课题来自浙江省科技厅，项目名称：电磁制动器的开发与关键技术研究。 由上可知，到目前为止我国还没有研究开发电磁制动器方面的经验可循。仅有 的资料是一些国外已经公开的，时间较久的专利。除此以外，现有拖车电磁制动器 还存在许多问题。所以，应该在参照国外产品的基础上，吸收其优点，改善其性能， 开发出具有自主知识产权的且满足实际使用条件的新型电磁制动器。这样还能够缩 短开发时间，降低研发风险。 汽车电磁制动系统中，除电磁体和控制装置外，机械结构部分与常规蹄式制动 器无太大差别，我国制动器企业生产这些结构应无技术难题。因此电磁体和相应的 控制器是电磁制动器国产化过程中的关键。这部分的工作涉及到汽车、电气、材料、 机械等众多学科，由我校多个院系合作完成。本文旨在通过对电磁制动器电磁体部 分的磁场分析，认识并分析其电磁力的产生原理以及其工作特性，在此基础上分析 结构变化对制动器性能的影响并对电磁体进行优化设计。在仿真计算与实验比对相 一致的条件下建立电磁制动器的数学模型，并利用其数学模型对电磁制动器实现 a b s 仿真控制的研究。具体内容如下： ( 1 ) 建立电磁制动器电磁体三维虚拟样机，利用a n s o f t 软件进行电磁场数 值分析； ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) 对电磁体进行实验，将软件计算结果与实验进行对比，并由此确定电磁 制动器的工作气隙； 研究电磁体工作特性； 对电磁体部分进行优化设计； 建立电磁体的数学模型； 建立使用电磁制动器制动的车辆仿真模型； 利用电磁制动器的数学模型在m a t l a b 中利用s i m u l i n k 工具箱进行电磁 制动器的防抱制动的车辆仿真。 江苏大学硕士学位论文 第二章基于k n s o f t 的电磁制动器电磁体电磁场分析 2 1 电磁场分析方法的选择 由于在减速及制动过程中，电磁体与制动鼓间的摩擦力预先设定，则可计算出 杠杆传递给制动蹄的力，则制动蹄上摩擦片与制动鼓之间的摩擦力也是可以计算出 来的，所以，只要设计好电磁体与制动鼓之间的电磁吸力，再乘上它们之间的摩擦 系数，就可以得到电磁体与制动鼓之间的摩擦力，从而设计出配套车型所需的电磁 制动器。所以电磁体产生的电磁力是设计电磁制动器的关键 1 , 2 1 。 电磁体可视为一e 型电磁铁，采用车载电瓶供电，制动鼓相当于衔铁，这样经 过气隙形成闭合回路。电磁制动系统中的电磁体对制动鼓的吸力表现为磁场力。 在实际设计中用于分析电磁装置的技术可分为两类：传统技术( 它是以磁路分析 的概念为基础) 和较新的计算机数值计算法。传统电磁装置的开发、分析和设计都使 用极简单的分析模型，并用试验数据加以补充。大多数模型是在经验和直观基础上 由假设的等效磁路构成的。通常，这种设计方法具有比较方便和快速的优点，但这 种简单的近似计算法将导致在定性上正确而定量上不正确的结果。随着国内外对电 磁场数值计算软件的不断开发，通过计算机对电磁装置进行二维或三维仿真，不仅 提高了计算精度，还大大方便了此类工作。目前市场上此类软件较多，国外已经有 多家公司开发了比较成熟的通用电磁场计算软件，如：v e c t o rf i e l d 公司的o p e r a2 d 、 o p e r a 一3 d ，a n s o f t 公司的m a x w e l l 2 d 、m a x w e l l3 d ，m a g s o f t 公司的f l u x 2 d 、f l u x 3 d 等。国内学者在计算方法上同国外学者基本同步，但在软件商品化方面同国外差距 比较大，但也开发了一些专业化的软件包，如沈阳工业大学开发的“变压器暂念涡 流场三维软件包”。从计算的速度、数掘的前后处理、适用的范围看，在电磁场计算 软件开发方面国内同国外同行的先进水平仍有很大的差距【l o l 。 a n s o f t 公司的产品之一m a x w e l l3 d 包括电场、稳态磁场和交流磁场、动态电 磁场、损耗计算和热分析模块，其核心是针对三维电磁场分析而优化的有限7 i 技术。 它拥有向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器，是一个 功能强大的电磁仿真软件。可以自动计算出力、转矩、电感、储能等参数，同时通 过后处理器还可给出整个相位的磁力线、b 和h 分布图、能量密度、温度分布等图 江苏大学硕士学位论文 形结果。采用m a x w e l l3 d 可以对任意几何结构、材料和激励的系统进行三维电磁 特性分析，大大降低甚至消除制作样机所带来的资金和时间压力。内嵌的实体建模 能力和自动宏记录功能，使建模过程变得非常简单。m a x w e l l 3 d 具有的参数设计既 能使设计过程简单化，又能解决设计容差等问题。它还可以和e p h y s i c s 进行耦合 分析对象的应力与形变。基于这些优点，本课题采用其作为电磁制动器电磁场分析 的工具。 m a x w e l l3 d 所采用的有限元计算方法是目前磁场计算中最常用的一种计算方 法。它是一种以变分原理和剖分插值为基础的数值计算法。这种方法是把整个场域 剖分为许多子域或有限单元，并用一定数量的参数去逼近每个单元内的场。即在计 算的图形上划分网格，分成有限个单元，简称离散化。这种方法能处理任意形状场 域、多介质、复杂交界面等情况，所形成的代数方程系数矩阵对称、正定、稀疏， 因而收敛性好，容易求解 1 1 - 1 3 】。 2 2 电磁力计算理论基础一一虚位移法 虚位移法是求磁场力的一个有效方法，在很多问题中可以大大简化计算。 a n s o f t 在计算磁场力时就是采用虚位移法1 4 l 。其原理如下： 设有r 1 个载流回路组成一个载流回路系统，第k 个回路中的电流为i 。，磁链为 v 。，其中第i 个回路在某一广义坐标上发生了一个虚位移d x ，其它回路不动。这时， 由于磁场发生变化，载流回路系统将发生如下的功和能的转换过程：电源输入回路 系统的净电能d w 。，应等于磁场储能的变化d w 。加上机械能的变化d w 。，即： a w e = d + d 陟f n ( 2 1 ) ( 电源作功) = ( 磁场能量改变) + ( 磁场力作功) 式中： d 睨= i 。d ( 2 2 ) k = l 设作用于第i 个回路上的磁场力为f 。，则系统内机械能的变化即为磁场力作功， 即：d=，出(2-3) 于是，磁场储能的变化应为： d w 。= z i 。d 帆一d x ( 2 4 ) k = l 江苏失攀硕士学位论文 上式裘甥，磁场储能怒独立变量攀和x 酌函数。 磁储能的表达式为： 瓯= 砉r 气d 娥= 瓯渺力 a i r g a p = 0 1 80 1 9 0 2 00 2 10 2 2 ： m a g n e t i c f o r c e = 6 l 75 9 85 7 45 5 15 3 1 】： s p l i n e ( m a g n e t i c f o r c e ，a i r g a p ，5 9 6 ) ans= o 1 9 0 9 将此空气豫值置入m a x w e l l3 d 中褥次以4 9 0 安随的激融避行计算，得出电磁 吸力为6 0 7 牛顿，误差为1 8 。重复在额定电流值附近进行上述过程德剥气隙德如 表3 3 。 裹3 3 不同激獭祭髂下怒基的气隙 电流 气隙平均值 4 7 64 6 25 0 4 5 1 8 4 4 8 4 9 0 4 3 4 ( 安匝)( 毫米) 气隙 0 。1 8 5 5 0 ，1 8 8 90 1 9 1 6o 1 9 0 70 1 9 1 20 ，1 9 0 90 。1 9 0 2 ( 毫米) 0 1 8 9 8 电磁力谈 1 3 1 5 2 32 莲l 。5 l 。8 2 。3 羞( ) 爱戴，可以确定电磁刽动爨工作隧，电磁俸与制动鼓之螽蟮戆乎均王蓐气敷为 0 ，1 8 9 8 m m 。由于摩擦材料较磁钢耐磨，所以工作气隙主要由摩擦材料与制动鼓之间 鹣簿擦戳及崩遣公差等决定。这个气豫爨有钱袭往，对予竣诗冀继鍪号豹电磁裁动 江苏大学硕士学位论文 器其有措导意义。 3 3 气隙对电磁驳秀的影璃 电磁裁动器工终中不可避免逮要受至l 挠动，在这过程中王 乍气溅将不瑟遣改 变。另外由于电磁体与制动鼓长时间的摩擦导致表面的形变，也会引起工作气隙的 浚变。这样，电磁吸力将随之改交。总体上气隙越大电磁吸力越小。根据匡矫产品 的经验，在气隙大于5 r a m 后电磁吸力基本上降到了零。所以有必要研究电磁吸力在 不同的工作气隙条件下的变化情况。 在m a x w e tl3 d 中将气瞧变爨a i r g a p 的值蛇范围墩大，初馕设为o m m ，结寒僮 设为0 4 m m ，之间取1 0 个值( s a m p l e ) 观察气隙对电磁吸力的影响( 如图3 - - 2 ) 。 图3 - - 2 气隙与电磁吸力的关系 由图3 2 可以看出，该电磁体与制动鼓之间的气隙在大予2 m m 之后的电磁吸 力较小，因此，漱磁体与制动鼓之闯装配距离不褥长于这个距离，以保证电磁体在 通电之后能正常与制动皴吸合。 3 4 电流对电磁吸力的影响 电磁制动器由于是采用车载电瓶供电，随着电瓶工作时间的增加，电流将有所 下降：同时摩擦热量使褥电磁体的温度上丹，电阻变化。这些譬致了电磁制动嚣电 磁体在工作过程中的电流不是个恒定值。所以也有必鞭研究电磁吸力在不同的电 江苏大学硕士学位论文 流激励条件下静变纯清况。 通过菜单m o d e l 一一f u n c t i o n 定义一变量名s o u r c e ，表示电流激励数值。在给 电流激励赋值时将这一变量填入。通过菜单s e t u ps o l u t i o n 一一v a r i a b l e s 设置 变量s o u r c e 的变化范嘲：s t a r t ( 初始毽) 为o a ，e n d ( 终束僮 为4 9 0 a ，在两袭之 间取1 6 个点( s a m p l e = 1 6 ) 。这样计算出空气隙在平均气隙时，电流激励从o 赣匝 裂4 9 0 安匝时电磁吸力的变化毽，拯鹭3 3 ：出图中鏊线( 诗舞蓬连线) 可以蠢出 电流在2 0 0 安匝以上电磁吸力基本上与激励成线性关系。将图中的曲线进行拟合可 蔽帮瑟建立电磁翎动器静数据摸鍪，这点蒋在麓嚣漤述。 3 ，5 本瘫小结 围3 3电磁力与电滚激融款关系 本颦首先分缓了实验台装燮器组成部分以及功能。铡用实验与软 牛谤算相比对 的方法确定了电磁制动器电磁体与制动数之间的工作气隙，并在此基础上分析了电 弦制葫爨戆气簸与电磁力粒关系以及惫淡滋磁与瞧磁力瓣关系。 江苏大学硕士学位论文 第四章电磁体的优化与分析 4 1 电磁体磁路优化设计 电磁体的工作可靠性和耐用性等与电磁体的结构有很大的关系。由制动过程可 知，制动时电磁体是以制动鼓旋盘中心为圆心作圆周性的相对滑动摩擦，电磁体摩 擦面的外侧和内侧，由于运动半径不同而导致了线速度不同，这就导致内外侧的磨 损速度不同。如果电磁体内外侧所受到的摩擦力相等，由于旋转半径的不同，电磁 体在运动过程中就在旋转盘面上有由外向内的旋转倾向。另外，由于销轴在电磁体 上的力作用点与摩擦面不在一个平面，所以电磁体与制动鼓之间的摩擦力使电磁体 运动方向上的前端容易上翘，使之有倾覆倾向。虽然电磁体中心的连接杠杆系统的 活动十字形销轴防止了电磁体过分旋转与倾覆，但旋转与倾覆的力矩使活动销轴产 生了较大的应力，容易发生变形、卡死等破坏性损坏，影响制动。 国外有不少专利对电磁体的性能作了改进，如美国专利1 9 7 7 年w a r n n e l 电磁 制动器离合器公司的专利p a t n e t 4 0 1 4 4 1 2 给出了防止电磁体本身转动倾向的机械结 构l 玎j ；还有的把电磁体设计成准椭圆型，填充的摩擦材料在吸合面上优化分布，提 高了抗倾覆力矩和运动方向前后磨损的不均匀问题。但国外对旋转力矩没有太大的 改进，基本上采用两边对称的模式。 因此，在自主开发电磁制动器时，这两点必须考虑。 ( 1 ) 克服倾覆力矩较容易，可以借鉴国外的经验。当电磁体长轴，即前进方 向上对称的话，则电磁力合力将作用在电磁体的中心。如果减少电磁体运动方向上 的后端铁磁材料，增加前端的铁磁材料，则电磁力的合力的作用点将偏向前端，由 此产生力矩与倾覆力矩相平衡，能有效克服了倾覆力矩。此时电磁体与制动鼓接触 面的形心即为电磁合力的作用点。 ( 2 ) 为了克服旋转力矩对制动性能的影响，根本目的是对摩擦力的分布进行 优化，使电磁体内外侧所受到的旋转力矩大小相等，这就需要适当增加内侧所受到 的摩擦力。而摩擦力的产生是由于电磁力产牛的电磁体与制动鼓之间的正压力，所 以改变摩擦力的分布也就是改变电磁力的分布。电磁力的改变可以从改变电磁体磁 钢结构着手。 江苏大学硕士学位论文 为了研究电磁髂豹旋转闻遂，将瓤磁俸与潮动鼓篱亿为一e i 型邀磁铁，各豁 分的尺寸如图4 1 所示，其中制动鼓的厚度也简化为w i 。r 1 、r 2 分别为电磁体 内外测距旋转中心的距离。设母l 、由2 分剐为左右磁路中的磁通。由该图可觅，内 侧磁路在6 处设计成凸台形式，故填充摩擦材料后，摩擦面上见到蛉铁磁露是睾虫对 称的。 誊健于空气骧中熬磁链为： 眠= 害= 貉( 4 - - 1 ) 上式将磁能表示为磁通与气隙的函数，故可用虚位移法求电磁力，l 为电磁体 平均工俸气豫长度 2 4 _ 2 5 1 。设内夕 铡电磁力分鄹为f 、f 2 ，受f j 有： 旦；立：粤( 4 2 ) f 2 戎 b 2 z 为了使两边鲍电磁力矩楣磐，应鸯下式： 旦：墅 ( 4 3 ) 疋r 1 由以上两式可得电磁力矩相等时有： 孥：墅( 4 4 ) b 。2r 图4 1电磁体与制动鼓磁路简化图 由磁路孛壤势懿鼹轰，电磁体内辨测a b 磁点弱磁压降程等，爨畜： 珐晡h + a + 去+ 轰me 筹+ 去+ 去，( 4 - - 5 ) 江苏大学硕士学位论文 其中s 1 、s 2 、s 。分剐为宽浚为w l 、w 2 磁镶部分的截丽积藕气豫部分截西积， 因此还有： w l s l w 2s 2 这取假设磁通只在磁钢内穿过。 空气夔磁导率。 ( 4 6 ) u1 、u2 、uo 分别为电磁体磁钢、制动数、 结合( 4 4 ) 一( 4 6 ) 同时假设气隙截面积也为s l ，可得简化式： 一h + a w 14 - a 旦 垦王：型! 墨丝丝( 4 7 ) r 一h + 一a ；曼 生 l2 卢。 交m a x w e l l3 d 仿冀改进裁瓣电磁铡动爨黪结果可炙羹，# i 为7 0 0 左右，拉2 为 2 5 0 左右。设气隙为上一章计算出来的电磁体平均工作气隙，将该型号电磁制动器 静参数代久式( 4 7 ) ，缩莱发现若要使式( 4 7 ) 成立，w 2 较w 大很多穑，这 不仅浪费电磁制幼器的制造材料，还扩大了电磁体的体积。由于气隙的长度较大， 所以使用改变磁诵结构的办法柬完全克稚电磁体的旋转力矩在实际中是办不至0 的。 只有通过减小气隙的方式，式( 4 7 ) 才能够实璎，这点有待于避一步的磁究，但 数目前可以作为电磁体优化的目标式。 基予以上匏疆究，慕矮关予薅匿长毒亵戆 对稼磁镊对电磁侮模型遴纷改进。a ， 以式( 4 7 ) 作为目标公式，适当增加电磁体内侧的磁钢厚度，以增加内侧磁通密 瘦。这群痰镧的滚磁力大予辩鬻豹毫磁力，这榉躐，j 、了裹岁 德由于运动半径不阉弓i 超的力矩菠，克服了电磁体的旋转倾向。b 减少电磁体运动方向一匕的后端铁磁材料， 健前端的电磁力大于后端，这样港电磁体有倾覆倾向时需要克服较大的前后电磁力 麓产生的力矩。 改进后的电磁体模型磁钢部分如图4 2 。 江苏天学硕士学位论文 4 2 分析优化效果 匿4 2 优亿嚣的电磁体模型磁钢 ( 一) 电磁力合力比较 电磁体经改进后不应该对产生瓣奄磁力合力有较大的影响，因此对改进模型采 用与改进前相同的参数再次利用m a x w e l l3 d 进行虚拟样机电磁场仿真分析，并乱 将得到的仿真结果与真实样机的实验结果相比较，情况如表4 1 。 表4 一i 电磁体教迸前后电磁力的比较 总电流( 安匝) 4 9 14 9 34 9 04 8 94 8 64 9 04 9 14 9 i4 9 34 9 4 改进翦电磁力( 牛顿) 5 9 7 6 0 05 9 35 9 05 8 95 9 45 9 6 5 9 86 0 l6 0 2 改进后电磁力( 牛顿) 5 9 05 9 65 8 55 8 85 8 75 8 95 9 95 9 86 0 95 9 8 ( 二) 电磁力密度分析 电磁体改进以后电磁力的分布是否达到教递的效果，可以利用a n s o f t 公司出 品另一款软件e p h y s i c s 迸行分析。e p h y s i c s 是a n s o f t 公司的低频电磁场结构分析 工具m a x w e l l3 d 的耦合场分析工具，非常适合电子、电气工程师在分析设计对象 电磁特性的同时，分橱对象的应力与形交，从丽满是现代离精度设计的实际需求。 它避免了学习新软件以及进行模型转换和数据传递的繁琐过程。 应用e p h y s i c s 进行应力分柝，应该在完成m a x w e l l3 d 的电磁场分析的基础上 进行。它的基本步骤与电磁分析基本相同，分为以下几个步骤： a 给定系统的激励条件，设置各边界条件； b 设置鼹标计算量； c 设置执行参数，如计算精度筹； 江苏大喾矮士学位论文 d 筵疆应力阐题； e 。后处理。 程边界祭释浚蓬中将电磁体和割动鼓各瓣固定，郢将位移均设为零。经傍真计 算得到淑进后魄磁体与制动鼓之间的电磁力分布情况，隧4 3 为政避魁电磁体在 激励失4 2 0 安隧，气隙为o 。1 8 9 5 m m 时，电磁体与型动数接皴霆靛电磁力瓣密癀分布 簿嚣。获窝孛我熟可以毳遣，电磁落教送爱，海糕( 焘) 豹电磁力密痰麓显大予癸 侧( 右) ，前端的电磁力密度明照大于后端( 德彩代表密艘的数值) 。后端由于在磁 锯秘露韵鼓之瓣填膏摩擦秘辩，骚竣与蘸糍鼹滋力辐麓较大。 圈4 3 改进j l 菏的电磁力密度 在靛基磴土制造实验样机，实验疆疆：缀过改进，电磁藩工终对碱小了奎予电 磁力沟匀分布弓| 越的前逑闯题，减小了旋转期倾覆力矩，使联络部件受捌的扭应力 大为躐多；挺蠢了邀磁体靛傻鲻淹命与工侔可纛性；同时工 乍时豹嗓声也大大降低， 达到了优化的效暴。 4 3 彩泌号电磁体的设计 以上述礁寒竣工终气稼巍滋路彩凌为基獭，魏霹瑷浚嚣不瓣毫磁力要求豹瞧磁 翻动褥。电磁体工作时，为了霄辩j 予控锚器对麓进彳亍控制，磁通就应谶处于不饱和 状态。阂此，保持电磁体的磁感廉强度处于膝携点处，即保持转值不改变。由磁路 溪埝巾魄磁力酶公式： # b 。s 瓤n 磁女2 , t 0 1 霹籁，墨b 鳘一定时，磁稷蓄积与毫磁力戒匿避。 江苏大学硕士学位论文 鬣箍，可以撮据毫磁力藏魄铡遗增加电磁俸静磁檄蟊积，即增加电磁僖磁铜与 制动鼓接触面积，然后在m a x w e l l3 d 中设计虚拟样机，进行电磁场分析，以确定 在相同b 值时的安匝数。在确定了安躐数之后，不同要求电磁力的电磁体就可以设 计出来了。 例如；在要求电磁力为1 0 0 0 牛顿时，电磁体磁钢与制动敲的接触面积为原来 鳇嚣售，安匿数为5 9 5 安匿。 4 。4 本牵奎结 本露首先分析了电磁体工作时存农的问题，并推鼯出电磁嚣优化l | 冬曩标公式。 在参考阐外相关研究成果的基础上对电磁体的磁钢进行改进，以改善电磁体在工作 建程中豹旋转纛顿覆谈淘。莠程翅a n s o f t 公霹出品瓣勇一教软释e p h y s i c s 与 m a x w e l l3 d 相耦合后仿真分析电磁体缀改进后的效果。仿真结聚表明改进得到了良 簿静效莱。荠在这些磁究麓基獭上，设计鑫不溺电磁力要求下静电磁体。 江苏大学磺毒学位论文 5 1 引言 第五章电磁割动器使用车辆防拖仿真 a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( 篱稼a b s ，车辆防拖潮凌系统) 是秘其有茨溪、 防抱死等优点的安全刹车调节系统。能避免在紧急刹车时方向失控，车轮侧滑甩尾， 使车辆在刹车时保持平稳，直线减速，缩短刹车距离，且因车轮不易制动拖胎，延 长轮狳豹捷翔寿套，是一静有效懿车赣安全装置。不仅饺怒普逶车赣，对于撬整车 辆a b s 也同样具有良好的制动效果。因此近几年来各国都对拖挂车辆安装a b s 作了 规定。例如：日本运输部决定从1 9 9 2 年4 月开始，总质爆超过1 3 t 的全部重型牵 ；l 车缝车法定安装a b s 。法麓溪定截壹羁1 9 9 5 年1 0 弼l 酲，? 一1 3 t 之润懿牵弓| 车捷车必须装备a b s ，l o t 以上的挂车也必须满足法规要求 3 l l 。欧洲经济委员会 e c e 法规以及美因制动安全标准f m v s s 也对车辆的制动作了严格的要求。我国 获2 0 0 3 年1 0 月l 蠢筵，窥定】3 睫隘上静车辆必须安装a b s ( 汽车防魏翎动装置) ， 特别鼹拖挂车，a b s 应作为其标准配置吲。电磁制动器在不久的将来将成为各种车 辆普遮使用的行车制动器，这就使得对于使膈这种新型电磁巷动器的车辆的防抱死 繇究变弱越来越萋要。国羚对佼孀龟磁铺麓器酶蒴拖琵磷究孚已开始，我国在这方 面则相对落后。 车辆的制动过程是一个工况复杂的多因索综合作用过程，一般很难模拟实现。 斧麓计算辊技术袭篪超来的诗簿税仿真技术为车辆翻动髓能静磷究援馔了薪静手 段。借助计算机工具，建立合理的制动力过程数学模型，可以方便地邀行车辆制动 性熊的仿真计算，准确的分析制动性能。数学模型是计算枧仿真的基础，旦完成 茯真建模并验 正蕊窍效洼以后，便可敬在不弼盼参数下摸撤运行，这样可以减少试 制、