汽车电涡流缓速器的设计与计算

汽车电涡流缓速器的设计与计算关绍文雷雨成姚久永（上海同济同捷科技股份有限公司）（同济大学）（上海同济同捷科技股份有限公司）【摘要】分析国内汽车电涡流缓速器开发现状，提出先进的设计手段是自主开发的保障。设定设计输入状态，再经过理论分析推导符合制动转矩的确定缓速器结构尺寸参数的公式，全面考虑设计步骤、因素，是设计开发电涡流缓速器的基本条件。主题词：设计计算缓速器结构尺寸参数DesignandcomputationforAutomotiveElectricEddyCurrentRetarder概述电涡流缓速器的性能特点、结构与工作原理参见相关文献。 本刊2004年第4期李春明的文章《汽车电涡流缓速器的使用与维修》。目前，国内只有屈指可数的几家公司在代理或开发电涡流缓速器产品，仅有少量投入试用；而其中，1：1照搬国外产品是主流做法。因涉及到知识产权纠纷和不能从根本上掌握电涡流缓速器的设计机理与设计手段，国内电涡流缓速器自主开发雷声大雨点小，举步艰难，制约了国内电涡流缓速器技术进步和市场拓展。设计步骤与方法我们利用全数字化设计技术进行产品开发设计，采用并行工程缩短开发周期，具有高性能、低开发成本和制造成本、快节奏的设计风格。理论计算 基于知识的理论与经验相结合的推导计算，确定部件的结构尺寸，形成数模参数特征。全三维设计 利用三维数字化设计平台，在确定了大体结构后即可建立三维数字化模型，它将空间结构尺寸、装配关系直观的展现出来，进行可视化虚拟装配设计。并可实现设计数模直接用于控制数控机床进行数控加工——加工模具或工装卡具，即CAD/CAM一体化。仿真分析 设计三维数模与分析仿真数模同步一致，可进行结构部件应力分析与散热风速分析，即CAD/CAE一体化。优化设计 采用三维精确装配检查及工艺分析，并利用CAE分析结果进一步优化三维数模，使之趋于理想化，即CAD/DFA/DFM一体化。并行工程 基于全三维设计的并行流程和并行开发设计，有效缩短开发时间。快速升级 设计数据、三维、两维及工艺数据全相关全参数化，可进行过程更改和新产品快速升级开发。理论分析与计算3.1性能标准因国内目前尚没有出台相关标准，暂参照执行法国泰乐玛缓速器公司现执行的欧洲TapeIIA辅助制动标准，内容为表述：5吨以上的汽车，在7%的坡路上，从0速度开始，以无动力（空档）、不使用主制动滑行，经过6km距离后时速不超过30km/h。3.2设计基本输入参数及设定性能1） 适用车辆最大总质量：m（t）；2） 设定适用发动机功率范围：P0（kW）；3） 设定适用缓速坡度：推荐9%（国家公路工程技术标准：W级公路在特殊的山岭重丘区最大坡度）；4） 设定理想缓行速度：v,w30km/h；5） 设定适用车型轮胎滚动半径：r（m）；6） 设定适用车型后桥速比：i；

7） 设定适用车型工作电压：U,（V）；8） 设定主体外形尺寸；9） 设定极限温升：Wt（°C）；10） 设定冷却方式：叶轮式转子空气冷却。3.3制动需求转矩的计算Gh=mv22+fSG重力，=mg，N；m-质量!，kg；g-重力加速度，m/s2；9.8v—速度，m/s；h—高度，m；S一仃程，m；tgah=—^Sina=ShSf-——作用力，N；（轮边制动摩擦力）f=m(gSinv2a— 2S再根据轮胎滚动半径和主减速比、传动效率n，即可求出此时需要的制动转矩M=f-rf/i（N・m）M即传动轴需承担制动扭矩，上述推导中没有考虑风及地面磨擦阻力等对制动有利的因素，设计中应再取1.1的保证系数。实际上，在上面的计算中，我们已经间接确定了一个很重要的性能指标一制动减速度a=g•sin«=9.8-*0.09=0.882m/s2，即0.09g，因取用了1.1倍的保证系数，故制动减速度可达到1m/s2。同样可得到在最大转速下的最大制动功率：P=9藉（kW）；3.4电涡流缓速器的定性与转矩公式推导电涡流缓速器的工作原理与能耗制动状态下的鼠笼异步电动机工作原理相同，其制动力矩的大小都取决于转子中的能量损耗，包括涡流损耗和磁滞损耗；不同之处是：转子（电枢）的材料及磁极形状不同，同时，在转速变化时，电涡流缓速器转子中感生电流（涡流）渗透深度也不同，其中的磁场强度和导磁系数也是变化的。转子半径上对应于磁极有效长度的单位体积导体，随着转动一一视为匀速转动，从N极过渡到S极，再过渡到N极，依次往复，可以看作是：转子静止状态下正弦交变磁场透过气隙周期性地穿过导体，在导体中产生涡流、产生热能，这正是电热感应炉（近于工频电炉）熔化铁水的原理；亦可认为：在定子的交替磁极与转子间形成的气隙中构成静态正弦交变磁场，供单位体积导体的转子导体去切割，进而形成涡流，消耗能量并阻碍转子的转动。以上过程将在转子上产生感应电势：BLDE=n2B——磁感应强度L一转子等效长度D——转子等效直径n——传动轴转速在此感应电势作用下，转子中出现涡流，涡流循环的路径如图2、图3所示：

图2图3图2图3涡流值为:式中B——磁感应强度；l——转子等效长度；D——转子等效直径；n——传动轴转速；Zp——个磁极下的等效阻抗。涡流与磁极的磁场相互作用力为：F_BlI此力方向是沿转子的切线方向，由此产生的力矩为：u广D_ B212D2PmM_F••Pm_ n2 4Zp式中Pm——极对数。正是这一力矩，反方向制约着转子的原始转动力；不难看出，这一制动力矩产生的前提是转子的主动旋转，即当转子转速为零时，制动转矩亦为零!在实现制动时这种感应涡流损耗就等于缓速器转子轴的输入功率（认为制动能耗全部转化为涡流热能），即:T=PoT——制动力矩（N-m）P——涡流损耗（W）① 转子的角速度利用电机理论计算推导，可得出下列转矩公式:M=kD21&BgHsin以

式中 Hm——空气隙磁场强度振幅值，安/厘米；M 一定转速下的转矩，N•mD 转子等效直径，mm；4 转子等效长度，mm；气一一空气隙中磁通密度平均值，T；R——转子材料的导磁率，马/安•厘米；a〃一一极孤系数，为磁极面平均宽度与极距之比;P——极对数；Hm由转子材料的磁化特性确定，与转子转速、工作温度下的电阻系数、边缘效应有关。即力矩与基本几何尺寸的关系：1.16McD2l= 5BHs"ap.JD——转子有效直径，cml5——转子有效宽度Hm——沿转子表面的场强:际Hm=0.153sin—ap际Hm=0.153sin—ap\2 )B5Dn x10-4&PPm［厘米、厘米）（n——主轴转速；Pm——极对数；p——电阻率；&——转子端部效应系数，1.5〜1.7；ap= 极弧系数，0.6〜0.7；bp为磁极宽度，T= ）t 2PmMc——制动转矩，N•mB5——气隙磁密，104T。进一步推导得：M=17X10-M=17X10-9DA(Iwnsin2式中Iwn空气隙磁势一次谐波振幅值，等于1.65B式中Iwn1mA^——沿转子电磁波传播方向导磁率变化的计算系数，其值为1.3〜1.4；a——极间距离，其值应为气隙长度的10〜20倍。由于-一0,并根据经验数值，可简化推导计算公式：DM=KD1P5B2-10-io式中：D、L、＜5——分别为电涡流缓速器的转子有效直径、转子有效长度及气隙长度，cm；Mm——最大制动转矩，10N・m；p 极对数；Bm一气隙磁通密度一次谐波振幅值，104T；K——匹配系数；以上公式经采用几种电涡流缓速器产品规格、尺寸验证符合要求。3.5缓速器主要结构尺寸的确定3.5.1转子等效直径及等效长度的确定3.5.2空气间隙的选取3.5.3气隙磁通密度的选择3.5.4磁极对数的选择3.5.5转子厚度的确定3.5.6定子铁芯截面的确定3.6磁路计算当激磁绕组中通过电流，在缓速器的主体构件中就建立了磁场，为了简化物理现象及电磁计算，在电机中把磁场分为主磁场及漏磁场。磁路计算的目的在于确定产生主磁场所必需的磁化力或励磁磁动势（下简称磁势），并进而计算励磁电流。通过计算还可以校核缓速器各部分磁通密度选得是否合适。根据电工原理，磁路磁阻计算公式为：n1Rm=——RS

Rm——磁路磁阻（1/亨）L 磁路长度（cm）S——磁路截面积（cm2）n——导磁系数（亨/厘米）磁路计算所依据的基本原理：仿照电动机设计的扇形分段，将缓速器沿半径剖面展开，截取相邻一对磁极（背对背视为一极），过磁极中心孤面展开，得到缓速器磁路如图4：图中：图中：1——-定子基座2——定子铁心3——磁靴4——-转子5——气隙6线圈所有的分段展开图都是相同的，因此要确定建立磁场所必需的磁势，只要计算一个分段图范围内的磁场就足够了。根据全电流定律，磁场强度沿闭合回路的线积分等于该回路所包围的全电流，计算从略。实际取磁势AT略大于按恒定磁通对称分支磁路计算的结果。3.7励磁电路的计算根据感应电势E确定每极气隙磁通；计算磁路各部分的磁压降，其总和便是每极所需的磁势，计算励磁电流。励磁电流魅=^0f0 NfNf——励磁绕组每极匝设定定子线圈工作温度为80°C，选用电磁线的材质，计算出此时的电阻率计算步骤如下：3.7.1线圈工作电压的确定3.7.2绕组平均匝长的确定3.7.3绕组导线截面的确定3.7.4选用标准导线3.7.5计算绕组电流3.7.6计算绕组匝数3.7.7线圈绕组与骨架校核3.7.8绕组电阻、电流、激磁功率校核磁性材料与散热结构的考虑电涡流缓速器的材料比较特殊，要求高导磁率、低矫顽力，低电阻率、耐高温抗氧化、耐腐蚀等，同时要考虑机械强度，因此以选用低碳合金钢为宜。由于电涡流缓速器是吸收机械功率并将其转化为热能的装置，因此散热结构是必要的考虑因素，可参照离心风机叶轮的形式设计。控制方式与控制思想缓速器可以选择手控、脚控、手脚并控等操纵方式，脚控又可以是单独踏板（与手控等效但应自动复位），或是与主制动器结合，一旦脚制动踏板踏下，即产生双重制动效果，但要求缓速器先于主制动起作用。控制器一般有继电器式和电子式两种，继电器式多分为四段控制，电子式则可以分为更多档，还可实现制动力平滑上升、延时起控、恒速控制、与其它电子控制系统通讯等功能（本公司开发）。低车速时缓速器作用已很小，应自动退出工作状态，以减少用电损耗；具有ABS的车辆应建立与电涡流缓速器的制约关系，在ABS发挥作用时令缓速器退出工作状态（即使低速功能已起作用）；缓速器是一种制动方式，所以当投入使用时制动灯应亮，并有工作指示灯。6结论以理论知识为基础，以先进的三维数字化设计技术为手段，通过三维数字化设计和仿真分析与优化设计，我们掌握了设计开发电涡流缓速器的有效手段，就可以得到结构优化、性能最佳的设计产品，并且拥