车用电涡流缓速器设计及仿真分析

1、xx大学本科学生毕业设计（论文）车用电涡流缓速器设计及仿真分析学 生：xx学 号：xx指导教师：xx 专 业：xxxx大学xx学院二O xx年xx月Graduation Design(Thesis) of xx UniversityElectrical design and simulation analysis of eddy current retarder for vehicleUndergraduate: xxSupervisor: Prof. xx Major: xx College of xxxx Universityxx 20 xx摘 要汽车辅助制动器电涡流速器作为较为理想的一种

2、缓速方式，具有制动非接触，响应速度快、经济环保、安装维护方便等特点，能减少刹车磨损而导致的粉尘污染和刹车噪音污染，减少汽车的运行成本，提高用户的经济效益;它对保障汽车安全行驶所起的作用日益突出，正越来越多的得到应用。合理选配电涡流缓速器不仅能够减少对车辆传动系的影响，也会进一步提高车辆的使用性能。本文介绍了汽车辅助制动器电涡流缓速器的机械结构及工作原理，在前人工作的基础上，对某一型号的车用电涡流缓速器进行了结构参数的计算，并在此结构参数为基础，设计了电涡流缓速器的物理模型，利用有限元分析软件对电涡流缓速器的二维磁场进行了仿真分析，分析了其电磁场磁通密度、涡流矢量以及电磁转矩的变化规律。 通过对

3、电涡流缓速器的三维电磁场的有限元分析，以及扭转振动、制动稳定性等方面的研究，得出了一些有益的结论，具有一定的实际、理论参考价值和较好的工程应用前景。关键词:电涡流，缓速器，磁场分析，运动学仿真xx大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACT ABSTRACTThis article introduced the automobile assistance brake一一 As an ideal style of deceleration for bus, bus electromagnetic brake has manytraits, such as work without contac

4、t, fast response, economic and environmentfriendly, easy to installation and daily maintenance. It can reduce power and noisepollution which produced in the processing of braking, reduce vehicle driving costs,improve economic benefits of customers and play an important role in the driving afety incr

5、easingly. Therefore lots of large or medium-sized passenger cars haveequipped bus electromagnetic brakes. Matching bus electromagnetic brake properlycan not only reduce the influence to vehicle transmission drivelines but also enhancethe performance of vehicles.This article established the calculati

6、on model of eddy current retarder.And By using Maxwell software,This article also established the simulation model of eddy current retarder. Simultaneously acts according to the hypothesis concrete parameter,carried on the simulation to the model.analyzed the performance of the vehicle deceleration

7、which use eddy current retarder.And understand the brake situation of a car used eddy current retarder.This article has established quite complete theory system of eddy current retarde. provide an important basis for the design and manufacture.Key words: Eddy current，retarder，finite element analysis

8、，kinematic simulationxx大学本科学生毕业设计（论文） 绪论目录第一章绪论71.1引言71.2辅助制动器概述【1.2】81.2.1汽车辅助制动装置的作用与工作原理101.3电涡流缓速器研究的意义11第二章电涡流缓速器132.1电涡流缓速器结构及工作原理【2】132.1.1电涡流缓速器的机械装置部分132.1.2电涡流缓速器的控制装置部分142.1.3电涡流缓速器的工作原理152.2电涡流缓速器的使用效果162.2.1提高了汽车的安全性162.2.2提高了坡道行驶时的平均速度172.2.3提高了汽车使用经济性172.3电涡流缓速器的发展趋势182.4本章小节18第三章电涡流缓

9、速器计算模型及结构参数的确定203.1引言203.2结构参数的确定203.3本章小节23第四章 电涡流缓速器三维电磁场瞬态仿真234.1Maxwell软件简介244.2.基于Maxwell的电涡流缓速器电磁场仿真模型244.2.1仿真模型的建立244.2.2边界条件和激励的确定274.2.3定义求解参数284.2.4仿真分析和后处理314.3电涡流缓速器电磁转矩和磁通密度分析与比较314.4本章小结35第五章 总结36致谢37参考文献38第一章绪论1.1引言 近年来由于电控技术和装置在汽车上的大量使用，如电子控制燃油喷射发动机的应用，在极大地减少排污和节省燃油的同时，还增大了发动机的输出功率，

10、大马力、大载客量、大吨位的汽车不断涌现，尤其是舒适高速、大载客量的豪华大巴己是人们出行的首选。但是我国绝大多数汽车上使用的制动器，还仅仅是安装在车轮上的机械式摩擦制动器，其结构基本上仍保留传统方式，制动性能也没有根本改进和提高。随着机动车的驱动功率、车速及载荷的增加，现有的车轮制动器己不能满足车辆的制动需求。车轮制动器的缺点是在车辆制动频繁以及下坡时长时间制动都会产生制动器过热现象，导致制动效能降低，甚至制动失效。尤其是下坡时潜伏的不安全因素，直接危及行车安全。而且制动蹄片使用周期短，需要频繁停车更换蹄片，由此导致运营成本增加的问题。尽管盘式制动器己逐渐取代鼓式制动器，但仍不能从根本上解决问题

11、。尤其是频繁制动的城市公交大巴和长年行驶在山区的载货汽车、长途大型客车上，普遍存在制动器摩擦片使用寿命短，由于车轮轮毅发烫产生的热衰退致使制动性能下降，以及轮胎易分层造成早期爆裂的弊病，严重者有时甚至危及乘客和财产的安全。 电涡流缓速器是解决运输车辆制动力不足的完善方案，它是独立的，可以不须使用主制动器就能减缓车辆行驶速度，增强车辆的安全性，是使车辆减速的一套辅助制动系统。 由于缓速器采用电磁涡流工作原理，没有摩擦，因此不会出现磨损现象配合优良的电子控制配件使用，必能获取更好的防抱死防滑效能。根据调查，制动摩擦片的寿命取决于车辆的使用工况及驾驶员的驾驶习惯，我国大中型客车缓速器使用调查结果显示

12、:安装了缓速器的客车制动摩擦片寿命比未装缓速器的客车制动蹄片寿命延长4/7倍。因此可以说道路运输卡车安装缓速器可以缩短制动摩擦片的更换周期，减少制动器的维修次数，同时可以降低维修费用、减少车辆损坏。同时可以提高驾驶的安全性和舒适感，减少驾驶员的疲劳、提高工作效率、减少急刹车、使驾驶员更顺畅。 在欧洲，客车安装缓速器己有30多年的历史，大客车使用己极为普遍，技术也相对成熟，产品更新换代迅速。而在我国，近几年部分高档大客车才开始安装使用缓速器，并且大多是进口产品，只有极少部分使用的是国内开发研制的新产品。 1954年7月17日，法国立宪会议曾在部长会议上，首次提出了车辆使用缓速器的必要性的有关提案

13、，规定所有载重量超过8吨、并经常需要在难行的道路上行驶的车辆需加装缓速器。此案与1956年6月27日达成了对缓速器及其性能的严格规定。 1972年3月10日，法国交通法令规定所有自重超过11吨，装载易爆易燃货物的车辆需要安装缓速器。1981年3月24日的法令也强制要求所有在难行路上行驶、载客量超过4t的车辆也要装上缓速器。 1971年欧洲共同体根据当时德国实施的法令，首次提出了载重量超过10吨、载客量超过8人的车辆的制动器的持久力测试规范和基本要求，同时制定了有关法令。此测试分为与缓速器相关的测试II(载货)及依据EEC/7I /320原则的测试IIaC载客)。同时该法令也要求测试车辆在坡道上

14、行驶的技术检测数据。 为适应市场需要，国内客车企业都在努力提高车辆的安全性，客车安装电涡流缓速器就是提高客车安全性的重要手段之一。2004年7月1日我国开始执行的交通部最新发布的营运客车类型划分级等级评定标准中规定，高二级以上的客车必须安装制动缓速装置。 缓速器作为一种辅助刹车系统的先进技术应用于道路运输车辆，并且可与在全球深受信赖的ABS(制动防抱)系统兼容。其诸多优点证明，缓速器今后将成为长途客车和公交车上必备的安全装置【1】。1.2辅助制动器概述【1.2】 为保证汽车的安全行驶，车辆上必须装备行车制动器。一般情况下，将摩擦制动作为车辆的主制动方式。摩擦制动是依靠于车轮上的制动蹄块对车轮的

15、摩擦力矩来实现制动的，它是应用最广泛的一种制动方式，在许多车辆、机床和其他设备上都有应用。摩擦制动的工作原理非常简单、制动时，使车轮的制动蹄张开，压迫并摩擦车轮上的轮毅，从而起到使车辆减速或制动的目的。这种制动方式结构比较简单，制动时比较灵敏，但使用一段时间后，其可靠性降低较大，尤其不适合车辆在特殊路况下和下长坡道路时的长时间行驶。此时，制动摩擦产生的能量很大，又不能得到及时有效地散发，在这种情况下，产生的大量热量将使车轮的制动蹄块和制动轮毅温度升高、甚至烧毁，从而导致制动蹄块摩擦系数降低或使制动失效。这对行驶中的车辆是十分有害和危险的，并能酿成重大事故。 由于汽车技术的迅速发展和道路条件的不

16、断改善，汽车的行驶速度普遍提高;同时一些商用汽车的大型化发展，其最大总质量也不同程度的增加，从而增加了车辆的惯性。另一方面，随着汽车保有量的急剧增加，道路行车密度日益增大，导致交通事故不断发生，已引起公众对道路交通安全的密切关注。这些因素对汽车制动装置的提出了更加苛刻的要求。 高速、超载、频繁制动、制动过热、制动效能降低同样在威胁着道路运输重型商用汽车的行车安全。尤其严重的是超载，许多驾驶员采用了向制动器喷水或在高速公路停车场的专用制动冷却水中冷却制动器，从而达到提高制动器效能的目的。当前，由于制动失灵引起的交通事故越来越频繁，传统制动方式的局限性也越来越明显。 对整车质量较大的商用汽车而言，

17、虽然制动防抱系统ABS、电子制动系统EBS等先进技术的采用大大提高了制动系统的可靠性，但制动器的温度过高和制动片的磨损仍然是困扰汽车制动系统的两大问题，前者严重影响了汽车制动效能同时加速了制动器磨损，后者带来了使用成本的增加。因此，在大型商用车上采用辅助制动系统己是不可缺少、并成为一种技术发展趋势。 随着汽车工业的技术进步，汽车发动机功率逐年增加，现代汽车发动机功率己经比过去增加了23倍。汽车性能的改善提高和道路条件的日趋完善，汽车行驶速度大幅度提高，这就意味在同样的制动条件、同样的时间内，现代汽车的制动器要产生更多的热量，要承受多的热负荷。然而现在的车辆制动器虽经多方面改进，如加宽制动鼓和摩

18、擦片的尺寸，改变摩擦片材料配方，鼓式制动改为盘式制动等，但都无法从根本上解决问题。因为受空间尺寸的限制，现有车轮制动器的散热能力始终是有限的，其制动性能最多仅比原来提高1.2倍。频繁或长时间制动后，温升过高不可避免，面临的现实是现代汽车的安全性能没有提升，反而大大降低了。 随着现代汽车运行速度越来越快，汽车的制动负荷也越来越大，特别是在频繁停车的市内公共汽车上和山区行驶的汽车上，制动负荷过大的问题更加突出。若这些制动负荷全部由行车制动系统来承担，就会造成制动鼓和制动摩擦片过热，从而造成制动效能下降，甚至制动能力完全消失，这是汽车的安全要求所不能允许的。另外，行车制动系统的负荷过重，也使制动摩擦

19、片和制动的使用寿命大大缩短，使汽车的使用成本上升，维修工作量加大。为解决该问题，必须在汽车上加装辅助制动系统。 主要行驶于矿山或山区公路上的汽车经常要下长坡。为不使汽车在本身重力作用下不断加速到危险程度，应当对汽车进行持续制动，将由势能转化成的那一部分动能再转化成热能散逸掉，从而使汽车速度稳定在某个安全值。此外，经常在行车密度很高，交通情况复杂的城市街道上行驶的汽车(如市内公共汽车)，为避免交通事故，需要进行频繁的不同强度的制动。在这些情况下，单靠行车制动系是难以完成这样的制动任务的，因为制动器长时间频繁工作不仅会使得其温度大大增高，还会使制动器发生热衰退，以致制动效能衰退甚至完全失效。若采用

20、辅助制动系统，则能避免这种情况发生。辅助制动系统能够降低车速或保持车速稳定，但不能将车辆紧急制停。辅助制动系中用以产生制动力矩对车辆起缓速作用的部件称为缓速器。故在这种行驶条件下运行的汽车，往往有必要增设辅助制动系统。 近年来，国内商用汽车重型化、高档化趋势明显，越来越多的高尖端科技将逐渐应用于现代公路交通，而缓速器作为一种辅助制动装置的先进技术应用于道路运输汽车，并且可与在全球深受信赖的ABS(制动防抱系统)兼容，其诸多优点证明，缓速器今后将成为长途客车,公交客车和重型卡车上必备的安全装置。1.2.1汽车辅助制动装置的作用与工作原理 汽车在山区道路上下坡行驶时，制动系统将汽车的势能转化为动能

21、然后转化为了热能。而主制动系统的特性是在短时间内可以产生很大的制动功率，但随着时间的增长，由于产生的热能不能及时传递给周围环境，使得制动器的温度不断升高，制动器产生热衰退，制动功率不断下降，所以它不满足山区公路上连续下坡行驶时的制动要求。这样，就造成了汽车连续下坡行驶时，主制动器很可能失去或部分失去制动效能，使得交通事故发生的频率高于其他道路。 实际上，汽车连续下坡时的制动减速工作可由辅助制动装置来承担。这是由于它与主制动系统相比较虽然在短时间可以吸收的功率比较小，但是它吸收的功率在很长的时间内可保持不变(或基本不变)，而汽车连续下坡时虽然需要的制动功率与紧急制动相比很小，但是在整个下坡过程中

22、，都需要这样的大功率，辅助制动系统可以满足这样的要求。所以在国外，辅助制动系统作为与主动制动系统相互独立的制动系统己得到充分的重视。例如，在德国道路交通法规中规定，客车总重在5.5吨以上，载货汽车总重在9吨以上必须加装持续制动装置(Dauerbremse )，或称为第三制动装置(Drittebremse )。而在中国，长期以来依靠驾驶员经常给主制动轮毅浇水，实施强行冷却，来满足汽车连续下长坡时的制动要求。这种方法一方面可靠性不高，另一方面冬季行驶时水流到地面上结冰会直接影响到后续车辆的安全性。 辅助制动装置的作用是在不使用或少使用行车制动器的情况下，使车辆行驶速度降下来或保持稳定，但不能将车辆

23、紧急制停，这种作用称为缓速作用。辅助制动装置，可以不使用主制动器就能减缓车辆行驶速度，增强车辆的安全性，其作用原理与传统制动方式不同，又延长传动系和制动系寿命的功效。在辅助制动装置中用以产生制动力矩并且对车辆起到缓速作用的部件称为缓速器。现代车用缓速器主要有液力缓速器和电涡流缓速器等，两种缓速器虽然结构形式、安装方式和工作原理不同，但两者的作用结果是相似的，都是为了辅助制动而减缓车速，增进制动器及相关零部件的性能。随着新的自动控制装置面世，使用缓速器已成为新的技术趋势。缓速器所具备的瞬间快速反应作用能更好发挥效力。 电涡流缓速器是一种无接触制动方式，通过转子高速转动与电磁作用，吸收车辆制动能量

24、，达到减速的目的。缓速器可以加强制动器系统，不需要使用主制动器就能减缓车辆行驶速度。由于电涡流缓速器采用电磁涡流原理，没有摩擦，因此不会出现磨损现象。配合优良的电子控制，能够获取更好的防抱死、防滑效能。根据调查，制动摩擦片的寿命取决于车辆的使用工况和驾驶员的驾驶习惯，国内大中型客车缓速器的使用调查显示:安装缓速器的客车制动摩擦片寿命要比未装缓速器的客车制动蹄片寿命延长47倍。公路运输车辆安装缓速器可以缩短制动摩擦片的更换周期，减少制动器的维修次数，同时可以降低维修费用，还可以提高驾驶的安全性和舒适感，减少驾驶员的疲劳、提高工作效率、减少急刹车、使得驾驶更顺畅。1.3电涡流缓速器研究的意义 近年

25、来，我国的汽车工业处在高速发展期。可以预见，在未来的若干年内汽车的数量会以很高的速度增加。随着人们对汽车安全性和舒适性的要求越来越高，安装缓速器的汽车的品种和数量也必将是越来越多的。电涡流缓速器的市场需求是巨大的。 目前，我国的高档客车，如上海申沃客车、郑州宇通客车、东风日产客车底盘、厦门金龙等，几乎都己安装了进口的电涡流缓速器。主要是法国泰乐马、西班牙的弗雷纳萨和日本的日野牌电涡流缓速器。其中，法国泰乐马是当今世界上历史最悠久、规模最大的电涡流缓速器生产和供应商。进口电涡流缓速器的质量比较稳定。但价格相对较高。国产的只有深圳特尔佳缓速器，虽然价格较进口的产品低，但无论是质量、性能和稳定性，还

26、是产品规格品种都还与进口电涡流缓速器存在较大的差距。 加强研究，迅速提高汽车用电涡流缓速器的设计与制造能力，掌握具有自主知识产权的电涡流缓速器的关键技术，对全面替代进口产品，促进我国民族汽车工业的发展具有重要的意义。 我们以机械与汽车工程学院新型机电传动研究所为依托，长期从事与电磁机械相关的究工作，具有很好的工作积累和研究基础。我们有能力在汽车用电涡流缓速器的关键技术研究上取得成果。 总体上讲，电涡流缓速器在我国研制、生产和应用尚处于起步阶段。现代汽车的驱动功率、车速以及载荷的增加使得车轮制动器的负荷进一步加大，而且人们越来越注重汽车的安全性、使用经济性、舒适性和环保性，所以电涡流缓速器的作用

27、在国内汽车界开始受到重视。2002年6月1日交通部已颁布实施中华人民共和国交通行业标准JT/T325-2002营运客车类型划分及等级评定，该标准规定中型客车中高二级，大型客车中高一级、高二级和高三级客车都必须装备缓速器。建设部2002年10月1日公布执行的CJ/T 162-2002城市客车分等级技术要求与配置)也规定超二级、超一级、高级的市区和城郊城市客车规定必须装备缓速器。因此，大型客车、货车装备缓速器己经成为大势所趋，即使达不到高二级的客车，也把缓速器列为选装件。可以预计电涡流缓速器必将在国内拥有广阔的市场应用前景。 随着我国汽车工业的蓬勃发展，市场对电涡流缓速器的装车需求也急剧增加，国内

28、已有许多大、中型豪华客车，如上海申沃、郑州宇通、东风日产、厦门金龙、苏州金龙等客车装了电涡流缓速器，大多选装法国泰乐马和西班牙的弗瑞纳萨电涡流缓速器。国内众多企业和部分科研单位看到电涡流缓速器潜在市场，积极从事电涡流缓速器的研究和开发。目前国内的电涡流缓速器的生产和研制厂商有:深圳的特尔佳科技有限公司、浙江嵘州市艇湖汽车零部件厂、无锡三生科技有限公司、江苏超力电器有限公司、扬州洪泉实业公司、扬州华露机电有限公司、济南中国重型汽车集团发动机和长安大学等一些科研院所也在进行相关产品开发及其关键技术的研究工作，并已经取得一定科研成果。总体上讲，电涡流缓速器在我国研制、生产和应用尚处在起步阶段。 现有

29、的电涡流缓速器多采用继电器分级控制，这样所产生的制动力矩是分级阶梯状不连续的。其发展方向是采用无级调节技术，即通过电子控制装置调节激磁线圈中的电流大小来控制磁场的产生，从而使得所产生的制动力矩连续变化，以更好适应车辆制动要求。xx大学本科学生毕业设计（论文） 电涡流缓速器第二章电涡流缓速器2.1电涡流缓速器结构及工作原理【2】电涡流缓速器的结构是由机械装置和电控装置两部分组成。电涡流缓速器的机械装置部分是由定子、转子及固定架等部件组成。2.1.1电涡流缓速器的机械装置部分电涡流缓速器的机械装置部分的结构，如图所示:电涡流缓速器定子上一般有八个高导磁材料制成的铁心，呈圆周分布，均匀地安装在高强度

30、的固定架上。八个励磁线圈套于铁心上，共同构成磁极。圆周上相对两个励磁线圈串联或并联成一组磁极，并且相邻两个磁极均为N,S相间，这样就形成相互独立的四组磁极。转子通常由前转子盘、后转子盘和转子轴构成。前后转子盘均为圆环状，一般用导磁性能高且剩磁率低的铁磁材料制成，实际生产中常选用电磁纯铁或低碳钢等材料。为了及时将涡流产生的热量散发掉，通常转子盘上铸有散热叶片和通风气道。转子通过连接凸缘与传动轴相连，并随传动轴自由转动。前后转子盘和定子磁极间保持有极小的均匀的气隙，以使转子盘旋转时不会刮擦到定子上。从减小磁阻角度讲气隙越小越好，但气隙的测定还必须考虑机加工的公差和转子、定子受热后的热膨胀的影响，一

31、般0.76-2.70范围内变动。图2.1电涡流缓速器结构示意图2.1.2电涡流缓速器的控制装置部分 电涡流缓速器的电控装置部分主要由电涡流缓速器指示器、驱动控制器、电涡流励磁线圈、车速信号传感器、制动压力信号传感器等装置组成13,19 图2.2电涡流缓速器控制线路图2.1.3电涡流缓速器的工作原理电涡流缓速器工作原理是:工作时向励磁线圈通直流电流，在定子、气隙、转子盘之间构成回路，如图2.3所示。当转子盘运动时会引起磁通量变化，从而在转子盘上产生电涡流，旋转的转子盘上的电流回路切割定子产生的磁力线而产生电磁力，其方向可通过弗莱明(Flemin )左手法则来判断，其方向与转子旋转的方向相反，电磁

32、力的合力沿转子盘周向形一个与转子旋转方向相反的制动力矩。同时涡流在具有一定电阻的转子盘内部流动时，会产生热效应而导致转子盘发热，这样车辆行驶的动能就通过感应电流转化为热能，并通过转子盘将热量散发掉，从而实现汽车的减速和缓速图2.3电涡流缓速器的磁场图2.4电涡流缓速器制动力矩产生示意图2.2电涡流缓速器的使用效果2.2.1提高了汽车的安全性 传统的车轮制动器，由于在安装调整过程不可能把左右车轮的制动衬片与制动鼓(盘)间的间隙调完全一样，加之制动衬片的磨损也不均匀，这样常常造成因左右轮制动力大小不一而发生制动跑偏现象。而电涡流缓速器的制动力矩是作用在传动系上的，不会产生左右车轮制动力分配不均的问

33、题，因此可显著减少汽车制动时跑偏现象的发生。 由于频繁制动，传统的车轮制动器的制动鼓(盘)内部温升可达5006000C多度，轮处的胎肩也常高达2000C，这极易造成轮胎因过热而爆胎。而使用缓速器后，制动鼓(盘)的温度都不会太高，这样由于制动器温度过高而发生爆胎造成的交通事故几乎可以避免。 因为电涡流缓速器是在原有的制动系统上另外加装的辅助装置，这样即使制动系统突然失效，汽车仍有制动减速能力。这也相当于给车辆多增加了一套应急制动装置，从而增大了车辆的行车安全系数。另外，安装缓速器后驾驶员更容易控制车间距与行驶速度，这对高速行驶的汽车的安全性也大有益处。 表2.1在山路上下长坡后制动器前制动盘的温

34、度变化情况缓速器所在档位初始时前制动盘温度（）踩制动板的次数（使用车轮制动）试验后制动盘温度（）左右左右不用减速器373539241244档443715120130档383524445档4438044522.2.2提高了坡道行驶时的平均速度 随着道路条件的改善，人们也希望汽车在行驶过程中具有更高的平均车速，如果要求汽车在6%的坡道上以60km /h速度行驶6km时，单靠发动机制动或者使用车轮制动器很难满足要求，由于高档位的发动机制动和排气制动效果比低档位的差，因此单靠变速器档位控制车速只能使汽车低速行驶。一般使用排气制动的汽车挂高档时，在超过4%的坡道上就不能形成稳定的行驶车速，不得不靠脚制动

35、减速。而缓速器本身不存在与变速器档位关联的制动动力变化，因此下坡时利用缓行器可以维持较高的车速行驶。另外，安装缓速器后增强了驾驶员下长坡时安全感，不必担心因车速高而制动减速后造成制动器过热，因此这也一定程度上可提高车辆下长坡时的平均速度。通过对大型汽车上使用缓速器后的效果调查表明:坡道上的稳定行车速度可以提高一倍，山区高速公路上的平均速度可由60kmlh提高到70kmlho2.2.3提高了汽车使用经济性表2.2所示是在深圳特区第223路和第208路公共汽车线路上，对安装电涡流缓速器和末安装电涡流缓速器的车辆制动衬片千公里磨损量平均值的比较。223路未安装电涡流缓速器的车辆制动衬片平均磨损量比安

36、装了的高达5-8倍，208路为6-9倍。这充分说明使用缓速器后，由于用车轮制动的次数大幅度减少，从而制动衬片的磨损量也显著减少。 表2.2制动衬片磨损量的比较 千公里平均磨损（mm）左前轮右前轮左后轮右后轮安装缓速器车辆0.0930.0880.0690.105未安装缓速器车辆0.5640.6150.6180.652未安装磨损值/安装磨损值6.067.009.036.24 通常使用电涡流缓速器后，制动蹄片总成的寿命可延长4 8倍。另外由于轮胎温升降低，轮胎的热粘滞抱死现象也极少发生，据统计因此轮胎使用寿命可以延长20%。这样，平常调整制动器和更换制动蹄总成等的维修成本大幅度下降。进而由于维修和保

37、养时间的缩短，汽车营运时间延长，以及平均行驶车速提高，故运输效率可以提高。据在深圳部分公交车上安装使用电涡流缓速器实际运用表明:使用缓速器后，平均每辆车一年可节省人工保养费用3400 4000元;制动衬片寿命能够至少延长四倍;另外由于维修工作量所占用工时的减少，每辆公交车一年可增加营运时间至少三个工作日，从而可增加营运收入2600 3600元。因此对广大用户来说，安装电涡流缓速器的费用支出完全可以从减少车轮制动器日常维护和维修成本上得到补偿。2.3电涡流缓速器的发展趋势 (1)轻量化 (2)集成化 (3)使用永久磁铁励磁 (4)电子控制 2.4本章小节本章首先介绍了电涡流缓速器的工作原理，并对

38、电涡流缓速器的机械结构和电控装置进行了论述，还介绍了其性能特点、使用效果和发展趋势。xx大学本科学生毕业设计（论文） 电涡流缓速器计算模型及结构参数第三章电涡流缓速器计算模型及结构参数的确定3.1引言 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，电涡流缓速器的工作环境涉及到电磁场、热场的复杂环境，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

39、素的复杂性，一些参数不能精确获得，都提出了修正系数。下面介绍一下国内外的关于制动力矩的计算方法，本章在总结前人模型的基础上，提出自己的一些看法，并以某型号中型客车为例，设计适合其的电涡流缓速器。3.2结构参数的确定 设计电涡流缓速器结构参数时，首先选择材料，主要是用于转子盘和铁心，选择的是高磁导率和低电阻率的材料低碳钢。另外铁心选择四对八个的常规结构。(一)缓速器最大功率的确定3 设计电涡流缓速器的结构参数时，首先确定其工作时的制动功率P小于等于汽车在最大车速Vmax时的极限制动功率Pmax。而汽车的最大车速时的极限制动功率由汽车的最大附着力凡和车速Amax确定1.式中，。其中G为汽车重力，N

40、; L为汽车轴距，m; a为汽车为质心至前轴中心线的距离，m;hg为汽车质心高度，m; g为重力加速度，m/s2;du/dt为汽车减速度，m/s2; 为路面附着系数。电涡流缓速器所产生的制动功率为:(二)气隙的确定4气隙的确定可以参考Telma的指标，如下表:最大制动力矩N.m90013001500190025003300总质量Kg119129149170208255气隙mm1.31.31.41.41.61.6(三)磁路中软磁体工作点的选取 软磁体材料相对磁导率较高，磁阻较小，当外界磁路消失后磁性会自行消除。软磁体工作点可根据软磁材料的磁化曲线来确定，各软磁体工作点选择偏低为好。低碳钢其磁饱和

41、时磁感应强度为2.8T，通常在设计初始工作点选取范围B=1.1 -1. 7Ta5(四)气隙作用面积(五)转子盘结构参数6 1、转子盘内、外径 缓速器磁辘是一个面积为Sp的扇形块。由此确定内径； 外径2、转子盘厚度 由前后转子盘的许用热量要大于汽车最大释放的热量可推出转子盘厚度为:(六)定子铁心截面的确定7已知缓速器最大制动力矩时转速n,制动功率P，转子盘的磁感应强度B后，求 定子铁芯的截面积为:式中D1-铁芯的直径。(七)励磁绕组8 1、励磁绕组的磁动势:式中N一励磁绕组的匝数;Ic一励磁电流。 2、励磁绕组参数的确定励磁绕组的轴向截面积为:式中，b一励磁绕组的径向宽度，单位mm ; H-励磁

42、绕组的轴向长度也即铁芯的高度，单位mm; j-电流密度，一般取3-8A/mm2; Kc一填充系数，圆导线一般取0.25-0.65 现以江淮客车生产的HK6892K1中型客车为例，设计适合其的电涡流缓速器，此类型车最大车速I20km/h，满载车重10吨，结构设计不是很复杂，主要包括两个转子盘，定子及其上面的励磁线圈，连接两个转子盘用的法兰盘，花键轴及轴承。利用以上关系式可以确定电涡流缓速器的主要结构参数为:转子盘厚度h=I0mm，铁芯直径(线圈内径)D1=I20mm，铁芯高度H=I80mm，线圈外径D2=I52mm，另外气隙的大小根据工作条件选择，本文选公1.4mm.xx大学本科学生毕业设计（论

43、文） 电涡流缓速器的三维电磁场瞬态仿真3.3本章小节本章以仿真曲线为依据，采用了比较符合现实制动情况的模型，在此理论的基础上，对某一型号的车用电涡流缓速器进行了设计，确定了其结构尺寸。为后面章节的仿真研究提供结构参数依据。 第四章 电涡流缓速器三维电磁场瞬态仿真 电磁场方程组的求解，分为解析求解和数值求解两大类，对于复杂模型，往往很难获得模型的解析解。随着计算机技术的高速发展，数值求解电磁场方程组成为可能，并逐渐深入到工业生产各个领域。有限元法就是一种常用的数值方法。4.1Maxwell软件简介当今电磁元件在工业中的应用比以往任何时候都更加广泛，对先进易用的数字仿真技术的需求也显著增长。Ans

44、oft公司是全球最大的提供以电磁技术为核心的专业电子设计自动化(EDA)软件供应商。Maxwell 2D/3D是ANSOFT公司开发的建立在电磁计算基础上的电磁场领域进行有限元分析的专用软件。Maxwell 2D是二维电磁场有限元分析软件，具有高性能矩阵求解器和多CPU处理能力，能提供高速的求解速度。Maxwell 3D则是三维电磁和温度场的有限元分析软件，包含Maxwell 2D所有的功能模块，如电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析模块参数化分析以及优化功能，另外新增加了3D应力场分析模块。它能分析电磁装置的静态、稳态、瞬态、等工况的特性，其包含自上而下执行的用户界面、自适应网格剖分、用

45、户定义材料库的等技术33。Maxwell领先的基于物理原型的解决方案能够快速精确地仿真和验证设计方案，电磁场、电路和系统全集成化的设计环境能够在系统设计时精确考虑细节的电磁场效应，从而确保系统性能，降低设计风险，推进创新，洞察设计内核，获得长期竞争优势。4.2.基于Maxwell的电涡流缓速器电磁场仿真模型 Maxwell 3D瞬态运动求解器是基于T,f2法求解涉及运动的电磁问题的。求解时通过设定Band来分开模型中静止物体和运动物体。Band内的物体可以运动，Band外的物体静止，Band内的物体可以有多个指定为同一种运动40。4.2.1仿真模型的建立 (1)建立几何模型。 针对电磁缓速器的

46、结构对称的特点、计算机运算能力的限制以及Maxwe113D软件本身的功能限制，本文以本课题组研制的电涡流缓速器 Data转子盘内径r1(m)转子盘外径r2(m)磁极直径d(m)极靴Ldisc(m)气隙(m)磁极长度Lcore(m)匝数N磁极对数NpValues0.090.1780.070.0160.00120.0883504 图4-1电涡流缓速器三维几何模型及基本参数为例建模。如图4-1所示，轴向从电磁缓速器定子支架的对称面剖分，径向以一个铁芯磁极为边界截取的二分之一模型，分析知道，对无电流区的磁场使用标量位，由于其位差与路径有关，将产生位的多值性，出现多连域问题。在这种情况下，应将多连域的导

47、体区的“洞”纳入导体区，因此假设转子盘Rotor为表面光滑的圆盘，圆盘中心通过旋转轴与定子支架联为一体。 在图4一l中，模型由线圈Coil、磁极Pole、极靴Poleshoe、旋转轴Shaft、shaft1以及转子盘Rotor组成，气隙dummy通过设定区域材料属性为真空实现。 (2)指定材料属性 访问材料管理器，从全局材料库中指定线圈Coil的材料为copper，Band、Background、Dummy以及Statics的材料属性为vacuum。定义铁芯磁极的材料属性为电工纯铁DT4，材料库中没有该材料，需另外生成。DT4是非线性的，即材料的相对磁导率不是常数，必须根据BH曲线加以定义。图

48、4-2电工纯铁的B-H磁化曲线 如图4-2所示，输入DT4的B-H数据后，软件会自动将输入数据点拟和为曲线形式，可以看出，铁磁材料的磁导率产即曲线的斜率是不断变化的，在H较低时，声增大至最大值，然后随着H的增大而逐渐减小，因此从利用材料的角度，设计磁通密度的范围一般在未饱和与刚刚饱和之间，铁磁材料一般取1.4T。定义电导率为935xl06S/m，同样，定义转子盘Rotor的材料属性为非线性材料铸钢ZG45，图4-3是铸钢的BH曲线;旋转轴Shaft，.Shaft1的材料属性为非线性材料一合金钢40Cr，电导率为6 x 106 S/m。图4-3铸钢的B-H磁化曲线4.2.2边界条件和激励的确定

49、由于是瞬态分析，建立电源电流随时间变化的分段线性曲线，并指定为线圈的电流变量为pulse A。 图4-4绕组电流随时间变化曲线 该变量使用data_A分段线性曲线和常量外推法，是时间的函数，在0.2ms时间内，电流从OA逐步上升到26.5A并达到稳定。即定义 Pulse A=pwlx(T,constant,dataset A) 根据设定的线圈coil生成绕组winding。Maxwell 3D软件提供匹配边界，以模拟周期变化的平面，一个平面上的磁场强度场与另一个平面上的磁场强度相匹配，这种边界可以对装置的最小的区域进行模拟，从而大大减少了求解需要的计算资源，提高了计算的准确性。 本文考虑到计算

50、机运行能力和电涡流缓速器的对称性，使用了匹配边界。匹配边界由主边界Master和从边界Slave组成。根据分析推导，跨越物体之间分界面的磁通密度B磁场强度H的切线分量是连续的;对于所有物体外边界，磁场H切，磁场强度的法向分量为零，因此应用Maxwell默认边界条件。4.2.3定义求解参数进入求解器设置(Solve Setup )，使用了主、从边界，设定对称因子(Symehy Multiplier)为2和求解时间步长。 (1)网格生成网格剖分是关键的步骤，它不仅决定了有限元法解决问题的能力，也决定了计算精度。软件的前处理程序主要是网格自动剖分模块。网格自动剖分程序是通用软件的基础。铁磁材料由于存

51、在集肤效应，因此在转子盘处，外加磁场与涡流磁场相叠加，从而使涡流沿转子盘深度方向不均匀分布，涡流密度振幅沿转子盘深度按指数规律衰减，同时相位也发生变化，涡流密度公式为。 式中，Je为转子盘表面处的涡流电流密度振幅。一为等效透入深度。涡流主要分布存在浅透入深度问题，通常透入深度随涡流频率的增高而减小，其等效透入深度为:通过对转子盘工作时等效透入深度的计算，可以发现，实心铁磁材料中电磁场的透入深度很浅。对在不同的饱和程度下，普通碳钢的集肤深度大约仅在1-2mm范围内。也就是说，转子盘中的涡流集中在转子盘表面的浅层。因此在对电涡流缓速器的电磁场进行有限元分析时，对涡流区能否进行合理的剖分直接关系到仿

52、真结果的准确性，为了得到较精确的计算结果，单元的大小与单元的疏密分布要合理，合理的网格可以在网格自动剖分程序所生成的初步网格基础上，由网格细分环节来得到。本文在剖分时充分使用了Maxwell软件所拥有的自适应网格剖分技术，图4-6所示为转子盘Rotor和旋转轴Shaft的网格划分。首先在等效透入深度范围内对转子盘添加划分点，以提高划分点周围区域的网格密度，然后再进行划分和精细划分(Mesh Refinement ) 图4-6磁极的网格划分图4-6 铁芯线圈的网格划分图4-6转子盘的网格划分 (2)定义运动求解选项软件能够根据选定模型部分进行电磁力与电磁力矩的计算，可以求解洛仑兹力和虚位移法两种

53、。在一般条件下，两者的误差很小，但是在饱含铁区的模型中，用洛仑兹力求解会有很大的误差，因此本文选用虚位移法计算转子盘Rotor和旋转轴Shaft组合体所受的电磁转矩。Maxwell 3D的虚位移法是使物体的外边界三角单元产生一个虚形变，这样力的计算只需要一个有限元解。电流i保持常数由于是分析电磁场瞬态问题，所以需要定义待求场量的初始值。定义运动开始瞬间，转子盘Rotor旋转初始角度eo二0，to二0时，转子盘初始转速按下式换算:式中，屹一车辆制动时的速度(): io一所安装车辆的主减速比;N一电磁缓速器的磁极对数;r一所安装车辆的车轮半径(m)经过换算，设定电磁缓速器初始转速n0=600rpm

54、。本文根据动能相当原理将汽车飞轮、变速器、主减速器、车轮以及汽车平移质量M等转换为与电磁缓速器同速旋转条件下的当量转动惯量等量。例如对于汽车平移质量的当量转动惯量为 根据计算结果，设定转子盘转动惯量为4.2.4仿真分析和后处理经过以上模型的建立、边界设定、激励源的定义、网格划分以及运动求解选项的设定，可以对模型进行仿真处理，进入求解器Solve，进行求解，然后可以进入Maxwell 3D的后处理器分析场解。4.3电涡流缓速器电磁转矩和磁通密度分析与比较一本文根据以上内容进行仿真建模、仿真运算，求解了电磁缓速器的电磁场分布，其中图(4-7 )一(4-9 )是0.001s-0.004时，转子盘涡流沿透入深度分布的变化，从图中可以看出转子盘涡流密度矢量不仅随时间不断变化，其幅值沿透入深度也逐渐衰减，在转子Rotor表面，涡流密度最大值为1.39E+007A/m2，深度为5