电涡流缓速器在现代汽车上的应用

电涡流缓速器在现代汽车上的应用

1涡流缓速器的应用随着车辆发动机功率和运营速度的增加，为了保证高速车辆的安全和舒适度，摩擦片式制动器的使用要求难以满足车辆的使用要求。同时频繁减速制动造成制动鼓过热而引起热衰退,制动鼓和制动衬片磨损严重等问题也严重地威胁到车辆运行的安全性。而在车辆上安装使用缓速器后,行车制动器较少使用,制动器的寿命大大延长,使汽车安全性和完好率显著提高。缓速器常见有两种类型:电涡流缓速器和液力缓速器。早在20世纪60年代法国等国家就开始汽车用缓速器的研究和应用开发工作。实践证明,电涡流缓速器在技术上是可行的,它是解决车辆(特别是大型客车及载货汽车)制动系统负荷过大问题的一种比较完美的方案。目前主要有法国的TELMA公司、西班牙的KLAM公司、德国的KLOFT、ZF和VOITH公司以及日本有关公司在生产电涡流缓速器和液力缓速器。现在欧、美、日等发达国家已经把缓速器作为标准件在多种级别的客车和中型、重型汽车上装用,作为现有汽车制动系统的必要补充装置。国内已有部分大客车上装用电涡流缓速器,但大都选装进口件。可以预见,国内电涡流缓速器也将会在客车和重型载货汽车上得到广泛应用。研制和开发电涡流缓速器在国内将有广阔的市场。2电铬缓速器的结构和工作原理2.1转子盘和转子轴电涡流缓速器是由定子、转子及固定架等部件组成(见图1)。电涡流缓速器定子上一般有8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的固定架上。8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,形成相互独立的4组磁极。转子通常由前、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,常选用电工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,使转子盘旋转时不会刮擦到定子。电涡流缓速器的定子一般是通过固定架安装于车架上(或变速器的后端外壳,或驱动桥的主减速器外壳上),两者呈刚性连接。2.2磁极、气隙和前后转子盘之间的磁通反应电涡流缓速器的工作原理是:利用电磁学原理把汽车行驶的动能转化为热能而散发掉,从而实现汽车的减速。当驾驶员接通缓速器的控制手柄开关(或踩下制动踏板)进行减速或制动时,电涡流缓速器的励磁线圈自动通以经调节的直流电流而励磁,产生的磁场在定子磁极、气隙和前后转子盘之间构成回路,如图2所示。磁极磁通量大小与励磁线圈匝数及所通过电流大小有关。这时在旋转的转子盘上,其内部无数个闭合导线所包围的面积内的磁通量发生变化,从而在转子盘内部产生无数涡旋状的感应电流,即涡电流(简称涡流)。以磁极的正上方为界,在转子盘内就会分别产生磁通正在减少或增加的两种涡流,其方向相反。一旦涡电流产生后,磁场就会对带电的转子盘产生转动阻力,阻力的方向可由弗莱明(Flemin)左手法则来判断。阻力的合力沿转子盘周向形成与其旋转方向相反的制动力矩,如图3所示。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,并通过转子盘上的叶片产生的强劲风力将热量迅速散发出去。3转子盘表面强度与电场强度的关系在电涡流缓速器中,当有磁势相对转子表面旋转时,在与磁力线垂直的转子表面及一定深度内,将感生电势,并产生涡流。如果不考虑涡流磁场的影响,则涡流在转子厚度方向均匀分布;相反,如果考虑涡流磁场的影响,则外加磁场与涡流磁场相叠加,从而使涡流沿转子厚度方向不均匀分布,即涡流由转子内表面向外逐渐减小,而且相位也发生变化。这就是通常所说的涡流的集肤效应。由于涡流集肤效应,涡流在实心转子中的透入深度通常是不大的,且透入深度随涡流频率的提高而减小。除涡流的集肤效应外,磁导率沿转子盘径向和轴向也发生变化,它同样也影响涡流的分布。为了研究涡流的集肤效应,首先必须研究转子盘中涡流的分布规律。假设:(1)转子盘中的涡流仅沿径向,且在整个转子盘半径方向上的电流密度相同;(2)忽略转子盘材料电导率的温度效应,认为电导率σ为常数;(3)忽略转子盘材料的磁滞效应,认为材料物质均匀且各向同性,其磁导率μ为常数;(4)穿过转子盘的磁通量按正弦波变化。按照上述假设确定沿转子盘轴向电流密度的分布规律时,选用直角坐标系,并使坐标系的z轴沿转子盘轴向,x轴沿转子盘径向,如图4所示。由麦克斯韦方程,可得到电流密度J、磁场强度H和电场强度E之间的关系ue065×H=J(1)ue065×E=-∂B/∂t=-μ(∂H/∂t)(2)J=σE(3)从所选坐标系与上述假设可知,磁场强度仅沿y轴方向变化,电场强度仅沿x轴方向变化。因此,沿坐标轴的磁场强度与电场强度分量的麦克斯韦方程式为ue065×Hy=-∂Hy/∂z(4)ue065×Ex=∂Ex/∂z(5)由式(5)和式(2),式(4)和式(1)分别得∂Ex/∂z=-μ(∂Hy/∂t)(6)∂Hy/∂z=-σEx(7)把随时间作正弦变化的电场强度分量与磁场强度分量写成复数形式得Ex=Emxejωt(8)Hy=Hmyej(ωt+φ)(9)式中φ是Ex与Hy间的相角差。将式(6)对z微分,得∂2Ex∂z2=-μ∂∂t(∂Ηy∂z)(10)将式(7)代入式(10),得∂2Ex∂z2=μσ∂Ex∂t(11)将式(7)对z微分,得∂2Ηy∂z2=-σ∂Ex∂z(12)将式(6)代入式(12),得∂2Ηy∂z2=μσ∂Ηy∂t(13)将式(8)代入式(11),式(9)代入式(13),分别得∂2Ex/∂z2=λ2Ex(14)∂2Hy/∂z2=λ2Hy(15)令μσωj=λ2常系数式(14)和式(15)的通解为Ex=A1e-λz+A2eλz(16)Hy=B1e-λz+B2eλz(17)由于转子盘厚度远大于涡流透入深度,所以反射波消失,则其解为Ex=A1e-λz(18)Hy=B1e-λz(19)常系数A1和B1由转子盘表面(z=0)处的边界条件求出。即在转子盘表面处电场强度E0,磁场强度H0。Ex=E0e-λz(20)Hy=H0e-λz(21)将式(20)代入式(3),得J=σ×E0e-λz=Jm0e-(1+j)zΔ+jωt(22)式中Δ=√2/(σμω)为涡流在盘中的平均等透入深度;ω是磁场变化的角频率,由下式确定。ω=2πNpn/60(23)式中Np为磁极对数,图3所示情况是Np=4;n为转子盘的转速。转子盘表面处电流密度振幅Jm0为Jm0=σBv=σBπn(r2-r1)/30(24)式中σ为转子盘的电导率,计算时对低碳钢取σ=0.6×107S·m-1;r1、r2分别为转子盘的内径和外径;v为转子盘转动线速度v=ωn(r2-r1);ωn为转子盘转动角速度。ωn=πn/30(25)由于产生的磁场在定子磁极、气隙和前后转子盘之间构成回路,而铁心和转子盘的磁导率远大于空气的磁导率,所以在计算磁路的磁阻时,忽略铁心和转子盘的磁阻,忽略漏磁的影响。由气隙的磁阻Rm0=δ/(μ0Sp);磁路的磁动势εm=NI;磁路的磁通量Φ=εm/(2Rm0),可求得磁通密度B为B=ΦSd=μ0d2ΝΙ8δ(r22-r21)(26)式中铁心的横截面积Sp=πd2/4,d为铁心直径;转子盘的面积Sd=π(r22-r21);真空的磁导率μ0=4π×10-7H/m;δ为气隙;N为一个励磁线圈的匝数,I为通电电流。由式(24)可见电流密度与磁通密度和转速的乘积成正比,现以某型号的电涡流缓速器为例,计算有关参数。该缓速器的技术参数如下:转子盘的外径r2=238mm;内径r1=140mm;厚度h=16mm;8个线圈,构成4组励磁,每个线圈的匝数N=350;铁心的直径d=87mm;气隙δ=1.4mm;励磁线圈的通电电流I=26.5A。计算结果如下:Rm0=187408.8H-1;εm=9275A·t;Φ=0.02475Wb;B=0.21T;当转速n=1000r/min时,电流密度Jm0=13A/mm2。4转子盘侧壁电涡流缓速器设垂直穿过转子盘的磁通密度为B,转子盘的旋转角速度为ωn。将转子盘看作为无数个长度为(r2-r1)且过圆心的钢杆组成。转子盘转动时,这些钢杆切割磁力线而产生电动势,于是在转子盘表面产生了涡电流,如图5所示。其中dl段上的电动势为dε=(v×B)dl转子盘由r1至r2的电动势为ε=∫r2r1dε=Bωn(r22-r21)/2(27)转子盘上dl段所产生的电磁力矩为dT=lBdidl由于定子线圈是用直流励磁,可以认为转子盘处在均匀磁场中旋转,在其径向所产生的电动势相等,在涡电流途径上所表现的电阻值也相等,在转子盘中的涡电流呈均匀分布,故有di=(Ie/2π)dθ式中Ie/2π为转子盘单位弧长涡电流。转子盘上dl段的电阻值dR=ρdl2πlΔ式中ρ为电阻率(ρ=1/σ)。转子盘由r1至r2的电阻为R=2∫r2r1ρ2πlΔdl=ρπΔlnr2r1(28)前后转子盘所产生的电磁力矩为T=2∫r2riBldl∫02πdi=BI(r22-r12)(29)用式(27)除以式(29)可得Tωn=2εI=2ε2/R(30)从式(30)可以看出机械功率Tωn恒等于转子盘电磁功率之和。机械能经电磁耦合转换成热能,再经转子盘散热片散发出去。电涡流缓速器是遵循能量守恒定律的。将式(27)、式(28)代入式(30),整理后可得Τ=πΔ(r22-r12)22ρlnr2r1B2ωn(31)把Δ=2/(σμω)、式(23)、式(25)、μ0=4π×10-7和式(26)代入式(31)有Τ=6π3d4Ν2Ι2480lnr2r1δ2nμrρΝΡ×10-10(32)式中μr是转子盘的相对磁导率,低碳钢通常可取100～500。电涡流缓速器的力矩与其结构参数r1、r2、d、δ有关;与材料的电阻率ρ和相对磁导率μr有关,且随着材料电阻率的增大和相对磁导率的增大,制动力矩减小。如果上述参数保持不变,则制动力矩与转速的1/2幂成正比。以上述型号的缓速器为例,忽略磁极间的相互影响,8个励磁线圈共同工作时的制动转矩为8T。为便于工程应用,编制了计算制动力矩的一个计算程序,分别输入缓速器的技术参数d、N、I、r2、r1、δ、ρ、μr和Np以及工况转速n,便可计算出缓速器所产生的制动力矩。计算结果见表1。为便于比较,表中同时列出了相应的试验数据。从表1可以看出,在低速时,理论计算制动力矩和试验值比较接近,而随着转速的升高(大于800r/min),即大于最大力矩转速时,理论计算力矩比试验数据偏大。这是因为在推导电涡流缓速器的制动力矩时,没有考虑涡流的去磁效应的影响。实际上,由于涡流的去磁效应或涡流的存在,使磁路的磁阻抗变大,迫使励磁磁通渗入转子盘的深度以及其数值均减小。即随着转速的提高,磁场变化角速度