車用轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究

1、車用轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究何仁,湯沛一、轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速結(jié)構(gòu) 普通電渦流緩速器采用盤式結(jié)構(gòu)，體積、質(zhì)量較大，安裝后對(duì)原有傳動(dòng)系統(tǒng)影響較大1。為了克服上.述缺點(diǎn)，開發(fā)了轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器，其轉(zhuǎn)子采用圓筒 式結(jié)構(gòu)，整體質(zhì)量輕，約為盤式電渦流緩速器的1/3；外形尺寸小，便于拆裝，匹配方便；其產(chǎn)生的制動(dòng)力矩可達(dá)到1400Nm，完全可以滿足中小型客車的需 要。轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器通常由轉(zhuǎn)子總成、線圈總成、定子總成和磁芯等組成，如圖1所示。二、轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器制動(dòng)分析模型（一）轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器工作原理 電渦流緩速器是利用電磁學(xué)原理把車輛行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能散發(fā)掉，從而實(shí)現(xiàn)減速和制動(dòng)作用的裝置2

2、，3。當(dāng)駕駛員接通緩速器的控制手柄（或踩下制動(dòng) 踏板）開關(guān)進(jìn)行減速或制動(dòng)時(shí)，經(jīng)調(diào)節(jié)的直流電流自動(dòng)通過(guò)轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器的勵(lì)磁繞組，產(chǎn)生的磁場(chǎng)在定子磁極、氣隙和轉(zhuǎn)筒之間構(gòu)成回路，如圖2所示。磁極 磁通量的大小與勵(lì)磁繞組的匝數(shù)以及所通過(guò)的電流強(qiáng)度有關(guān)。在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒上，其內(nèi)部閉合導(dǎo)線所包圍面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，從而在轉(zhuǎn)筒內(nèi)部產(chǎn)生渦旋狀的感應(yīng) 電流，即渦電流。以磁極的正上方為界，在轉(zhuǎn)筒內(nèi)分別產(chǎn)生方向相反的兩種渦電流。渦電流產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)對(duì)帶電轉(zhuǎn)筒產(chǎn)生阻止其轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力（即產(chǎn)生制動(dòng)力），阻 力的方向可由弗萊明（Flemin）左手法則來(lái)判斷。阻力的合力沿轉(zhuǎn)筒周向形成與其旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)力矩。渦電流在具有

3、一定電阻的轉(zhuǎn)筒內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生 熱效應(yīng)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)熱。車輛行駛的動(dòng)能通過(guò)感應(yīng)電流轉(zhuǎn)化為熱能，并通過(guò)轉(zhuǎn)筒上葉片的旋轉(zhuǎn)將其散發(fā)出去。（二）轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器的能量平衡利用轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器對(duì)車輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，除去車輛行駛的空氣阻力損失和傳動(dòng)系摩擦損失及輪胎損耗外，車輛制動(dòng)減少的機(jī)械能將全部轉(zhuǎn)化至轉(zhuǎn)筒上，以熱量形式散發(fā)在周圍空氣中，即有：（E+V）-Q0（1）式中，（E+V）為車輛機(jī)械能變化量，J；Q為制動(dòng)開始后的總散熱量，J。轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器在制動(dòng)過(guò)程中所消耗的能量與車輛機(jī)械能變化量相等，即：式中，P為緩速器瞬時(shí)功率，W。瞬時(shí)功率4為：式中：為氣隙的磁軛面積，m2；h為電渦流有效透人深度，m；B為

4、氣隙磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；為磁場(chǎng)變化角速度，rad/s；為轉(zhuǎn)筒電阻率，·m。（三）轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器制動(dòng)力矩計(jì)算由式（3）可得如下有效制動(dòng)功率：式中，T為緩速器制動(dòng)力矩，N·m；N為磁極對(duì)數(shù)，取4；n為轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s，n=/N。三、轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器設(shè)計(jì)實(shí)例（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)磁芯、線圈各8只；磁心直徑為76mm，線圈為246匝；勵(lì)磁總電流為104A。轉(zhuǎn)筒外徑為430mm，內(nèi)徑為405mm，軸向?qū)挾葹?70mm。磁軛與轉(zhuǎn)筒之間的氣隙為1.4mm。轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器定子上有8個(gè)高導(dǎo)磁材料制成的磁芯，呈圓周分布，均勻地安裝在高強(qiáng)度的固定架上。8個(gè)勵(lì)磁繞組套于磁芯上，共同

5、構(gòu)成磁極。圓周上相對(duì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組串聯(lián)或并聯(lián)成一組磁極，相鄰兩個(gè)磁極均為N、S相間，形成相互獨(dú)立的4組磁極。設(shè)計(jì)實(shí)例見(jiàn)圖3。轉(zhuǎn)筒一般選用電工純鐵或低碳鋼等材料制造，通常鑄有散熱葉片。轉(zhuǎn)筒通過(guò)連接凸緣與傳動(dòng)軸相連，并隨傳動(dòng)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)筒和定子磁極間保持有極小的、均勻的氣隙，以使轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)刮擦到定子上。（二）制動(dòng)特性計(jì)算將轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器的設(shè)計(jì)參數(shù)代入計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn)，緩速器的制動(dòng)力矩隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，達(dá)到最大制動(dòng)力矩后隨著轉(zhuǎn)速的增加而下降；而制動(dòng)功率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。四、轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器的控制 電渦流緩速器多采用電流繼電器分級(jí)控制，所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩分級(jí)不連續(xù)。本

6、文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器采用無(wú)級(jí)控制方法，運(yùn)用PWM電路取代電流繼電器對(duì) 各勵(lì)磁線圈同時(shí)供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈繞組電流的連續(xù)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)緩速器制動(dòng)力矩的控制。緩速器采用無(wú)級(jí)控制的目的是：通過(guò)控制電流大小使得其.產(chǎn)生的制動(dòng) 力矩連續(xù)變化，以更好地適應(yīng)車輛制動(dòng)技術(shù)的要求；保持穩(wěn)定的汽車速度；阻止緩速器過(guò)熱。轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器控 制包括腳控和手控兩種方式。緩速器的制動(dòng)力矩與工作電流、行駛速度密切相關(guān)，司以調(diào)節(jié)工作電流的大小得到不同的制動(dòng)力矩，滿足不同情況下汽車制動(dòng)的要求。 為方便操作，設(shè)定控制器腳控和手控兩種操作不可同時(shí)工作，控制手柄需要駕駛員另行操作。為盡量減少駕駛員注意力分散，將操作過(guò)程簡(jiǎn)化，將

7、工作電流由小到大 尸等間距分成6個(gè)控制擋位，根據(jù)汽車行駛狀況，由駕駛員自主選擇合適的電流進(jìn)行制動(dòng)。腳控開關(guān)由制動(dòng)氣壓控制，工作電流設(shè)置為隨制動(dòng)氣壓線性變化。當(dāng)駕駛 員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，緩速器自動(dòng)起作用，根據(jù)制動(dòng)踏板的行程，腳控開關(guān)上壓力傳感器的制動(dòng)壓力不斷增大，則工作電流隨之連續(xù)變化。在行車制動(dòng)器起作用前，線 圈的勵(lì)磁電流達(dá)到最大值。五、試驗(yàn)研究在完成額定制動(dòng)力矩1400N·m的轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器樣機(jī)制造工作后，進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。根據(jù)電渦流緩速器的測(cè)試項(xiàng)目要求，測(cè)試了力矩、轉(zhuǎn)速、溫度和電流等物理參數(shù)。在試驗(yàn)中還需要測(cè)試轉(zhuǎn)筒的溫升情況，由于轉(zhuǎn)筒是旋轉(zhuǎn)件，不能采用接觸式溫度測(cè)量傳感器，需選用

8、非接觸式紅外線測(cè)溫傳感器。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量要求，選用了美國(guó)Raytek公司生產(chǎn)的在線式Theimaleit T系列LT型紅一外測(cè)溫儀，其主要技術(shù)指標(biāo)為：溫度測(cè)量范圍-20870，光學(xué)分辨率（D:S）33:1，光譜響應(yīng)814m，響應(yīng)時(shí)間370ms，測(cè)量精度±1。轉(zhuǎn)速和力矩的測(cè)量選用湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司生產(chǎn)的JC3A型相位差型力矩、轉(zhuǎn)速傳感器，其測(cè)量最大力矩為5000N·m，使用轉(zhuǎn)速范圍03000r/min。 試驗(yàn)環(huán)境溫度為20，電壓26V。從圖4所示的緩速器轉(zhuǎn)筒的溫度-時(shí)間特性中可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器實(shí)施制動(dòng)時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)筒溫度開始幾乎無(wú)變 化，隨后以平緩直線上升，在制動(dòng)時(shí)間內(nèi)最高溫度值為195.7，這說(shuō)明溫升控制在合理范圍內(nèi)，可保證制動(dòng)性能的穩(wěn)定性。 圖5為制動(dòng)力矩-時(shí)間特性曲線，圖6為制動(dòng)力矩-轉(zhuǎn)速特性曲線。從圖6中可見(jiàn)，制動(dòng)力矩在轉(zhuǎn)速（8001000）r/min左右達(dá)到最大，最大值為 l418.4N·m，可滿足設(shè)計(jì)要求；在制動(dòng)初始階段，制動(dòng)力矩隨著轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速的提高而迅速增加；在持續(xù)制動(dòng)階段，制動(dòng)力矩變化不大；隨著制動(dòng)時(shí)間增加，轉(zhuǎn) 筒溫度進(jìn)一步增加，制動(dòng)力矩下降顯著。表2為轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器制動(dòng)力矩試驗(yàn)值與計(jì)算值。由表2可知，制動(dòng)力矩試驗(yàn)值與計(jì)算值誤差很小，最大誤差為3.4。六、結(jié)束語(yǔ)所設(shè)計(jì)車用轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器符合性