水冷式永磁缓速器的设计与性能

1、水冷式永磁缓速器的设计与性能摘要：本文提出了一种新型永磁缓速器（PMR）结构，采用水冷方式提高常规永磁缓速器对重型车辆的制动性能。考虑到基于温度变化的永磁材料磁化特性和导热系数，建立这种水冷式新型永磁缓速器的有限元模型。本文采用磁-热耦合的方法研究了缓速器的涡流场和温度场，并在试验台上测试了减速器的性能。测试结果显示有限元分析计算出温度和制动力矩与测量结果基本一致。这种水冷式永磁缓速器能保持较低的工作温度。在连续工作的条件下，其与风冷式永磁缓速器相比，制动力矩变化不大。1. 介绍在大型车辆制动方面广泛应用的辅助制动系统主要有：电涡流缓速器，液压缓速器，永磁缓速器。通过在踩下刹车之前大大消耗车辆

2、的动能，缓速装置可以大大提高车辆的安全性能。永磁缓速器的优势则在于其节能环保。但是由于传统的永磁缓速器无法提供足够的制动力矩，其只用于装备较小的重型车辆。永磁缓速器工作时会产生涡流和热量远远大于可以通过风冷对流对其消散，故在几分钟内转子温度会迅速上升。其会使永磁材料发生退磁现象，从而会大大减小了制动力矩。本文会提出一种新型的能有效提高制动力矩的永磁缓速器。我们用水冷代替风冷散热方式。考虑到基于温度变化的永磁材料磁化特性和导热系数，我们先建立这种水冷式新型永磁缓速器的有限元模型，并采用磁-热耦合的方法研究了缓速器的涡流损耗和温度场分布。最终，我们会对缓速器磁场瞬时分析和对一个制动力矩为1500N

3、.M的缓速器模型的温度场分析，并对俩模型进行数据对比分析。2. 设计常规的风冷式永磁缓速器如图1（a）所示，它是由内定子、外转子和固定在定子上的永磁铁组成。转子由于汽车轴的驱动而旋转并切割永磁铁的磁场线，从而在外转子上产生涡电流。涡电流的变化引起感应磁场，从而产生制动力矩。图1（b）展示的是一种新型的永磁缓速器。其中，永磁铁是内转子的一部分，在外定子上会引起涡电流。在外定子上，会集成一个水冷却环形通道。当重型车辆装备这种新型减速器时，将要改变其冷却系统的管道的连接方式。一种可能的方式如图2所示。减速器与发动机冷却系统串联。当冷却液的温度超过指定值时，自动调温阀打开调节温度，发动机将在这样的周期

4、工作。而冷却系统将通过其中液体冷却剂（水与防冻液的混合）的循环已减少减速器和发动机的热量。3. 有限元分析方法3.1减速器电磁场分析在磁场分析中，主要应用A-基本方程（A表示矢量磁势，为标量电位）其中J0是传导电流密度，和分别是磁导率和电导率。图3为水冷式永磁减速器电磁场有限元分析模型。其中，永磁体极数是20。虑到永磁减速器结构的对称性，取永磁调速器模型的 1/40 来分析，同时需要考虑到二维模型对称面和周期性边界条件。减速器三维模型电磁场分析和网格的划分他、如图4所示。其中内转子和永磁铁以恒定的从300到3000转/分（参考车速）速度旋转。但为方便的进行有限元分析，设置FGHI面积为移动部件

5、。内转子和外定子材料均为低碳钢。在瞬态分析中。只考虑外定子中的涡电流，而忽略永磁体内的。假设永磁铁被平行磁化，其剩余磁感应强度是1.23T。3.2 热场分析如图5所示，热场分析的区域主要为外定子上。根据能量守恒定律，带有内热源固体的热传导方程如下：其中，t为温度，为质量密度，c为固体热容量。为导体定子的内部的导热系数，为热源的热流密度。这是瞬态热传导方程在直角坐标系中一般的微分形式，C，和均取决于温度。由于趋肤效应，涡流主要流动在外定子内表面。为此，我们定义有效渗透深度。根据电磁场分析的结果，边界上的热传导方程为：其中T是制动力矩，是角速度，v是涡流层的体积，和L是定子的宽度。有效穿透深度由以

6、下公式给出：其中，其中是磁导率，是导电率。对于水冷式永磁减速器热场分析，边界条件可以由典型的对流和辐射给出。其中，TW是定子温度，TF是水温，h是定子和流体之间的对流热传递系数。辐射热小到可以忽略，并且涡流损耗通过强制对流被传递到冷却水中。其中，Qc的是涡流损耗和A是定子的内环区域面积。分析该永磁减速器温度场分布，关键是要计算其强制冷却时对流热传导系数h。对流热传导系数由下式8-10定义。其中，Nu是努塞尔数，Pr为普朗特数，Re是雷诺数，为运动粘度系数，de是水通道的等效直径，u是水的流速。C，n和m分别由热试验确定的常数。参数Pr，Nu，Re，U，和h是由水在基准温度的性质来决定的。3.3

7、耦合场分析在磁 - 热耦合分析方法中，所述热分析是基于磁场分析的结果运行，并且热分析结果将影响磁场分析。在该方法中，分析是通过温度和磁场强度大小的相互影响而同时进行，从而在磁场分析和热分析间交替运行。在每次磁场分析运行中，都需考虑其结果对热分析的影响，反之亦然。该耦合方法的流程图如图6所示。4. 对一个制动力矩为1500N.M的永磁缓速器的计算与实验4.1电磁场分析我们对一个制动力矩为1500N.M的永磁缓速器模型进行三维非线性瞬态磁场有限元分析。表I和II为模型主要几何参数和分析模型的材料性能，图7,8为外定子温度与其电导率和相对磁导率的关系。为了简化模型，我们取整个区域的1/40模型并以四

8、面体和六面体为单元划分22852个节点的进行有限元分析。图9为在稳定状态下减速器的磁通密度分布。磁通密度分析的目的是分析磁铁中的磁饱和。如图所示磁饱和的最可能的位置是在定子的周期性边界处。图10为从A-B的磁通密度大小曲线。图11为不同的转速下的涡电流分布。随着速度的增加，涡电流密度大小也相应的增加。内定子表面的涡流分布是不均匀的，其最大涡流密度在定子靠近永磁铁的那一边缘。定子横截面最大涡流等势线分布如图12所示。4.2热场分析为了减少分析时间和存储空间，我们在x-z平面内创建2维轴对称有限元分析模型，并将平面模型以四边形单元划分为有2880节点的网格。冷却液的物理性质如表3所示，图13,14

9、为外定子的比热容和导热率与温度的关系曲线，图15为当转速为500转/每分时，定子的温度分布图。我们可以看出，在水冷通道与定子涡流区域间有较大的温度差。4.3实验为了测试装置的缓速性能，我们搭建实验台测量其制动力矩和温度。图16 为其测试实验系统，这两种结构的主要尺寸基本上是相同的。所测试的缓速器直径和长度分别是520和236毫米，转子和磁体的材料分别是低碳钢（20CrMo）和烧结的Nd-Fe-B（N38SH）。其中，永磁减速器由驱动马达（功率400kw）驱动，并在电机与减速器间置一扭距计。图17（a）为水冷式缓速器测试图。冷却系统主要由水泵，散热器，以及水管组成。我们把防冻剂注入管道作为冷却水

10、，防冻剂的流速为约2升/秒。防冻剂可以防止缓速器生锈。两个热电偶温度传感器分别设置在冷却水通道的入口和出口。两个气缸通过轴向推动或拉动转子以改变定子和的永磁铁的啮合面积，从而调整制动力矩。所以，调整制动力矩变的很简单。装备在方向盘下的闸门开关用来实现气缸的位置控制。图17（b）为风冷式缓速器测试图。其温度是由红外辐射温度计测量，并在减速器一端连接离合器。其中离合器也由气缸控制，这样的风冷式缓速器不能调节制动力矩的大小。图18为水冷式缓速器在500转/分时的有限元计算温度与实验测量值的比较。可以看出其温度值在100内基本稳定。且最高和最低温度分别约为170度和40度。虽然该计算值和测量值之间存在误差，当趋势基本一致。制动转矩的计算是一个复杂的问题。尽管我们使用磁-热耦合方法，但影响计算的精度的因素很多。其中主要因为冷却水的物理性会随温度变化而变化。为使仿真数据和测试数据保持一致，我们修改了的冷却水的特征数。图19示为计算及测量的制动转矩之间的比较。可以看出修改后的计算值与实测值基本一致。图20为水冷式缓速器和风冷式缓速器在1500转/分时的性能比较。测试结果表明，该水冷式缓速器可以在4分钟达到温度平衡，并维持温度低于100度。可以看出，风冷式缓速器在3分钟时温度升至约500度后，其制动转矩以50或更快速度减小。5. 结论 本