转筒自励式电磁与摩擦制动集成系统设计与试验研究*

顾晓丹 何仁

（江苏大学）

转筒自励式电磁与摩擦制动集成系统设计与试验研究*

顾晓丹 何仁

（江苏大学）

分别从转筒式电磁制动器和永磁直流发电机两个方面对转筒自励式电磁与摩擦制动集成系统进行了设计，并在电磁与摩擦制动集成试验台架上对样机进行了制动特性试验，同时进行了发电机性能试验。试验结果表明，采用转筒自励式电磁与摩擦制动集成系统后，车辆制动时间明显缩短，其工作过程中的发电效率可达到540 W，提高了制动安全性，实现了制动能量再利用，减少了能源消耗。

1 前言

汽车制动性能的好坏是保障汽车主动安全性能的重要因素。传统的汽车摩擦制动器在制动时存在很多缺陷，如长时间持续制动情况下会产生制动热衰退、制动噪声、制动粉尘等。为有效避免传统摩擦制动系统的弊端，本文设计了一种转筒自励式电磁与摩擦制动集成系统，采用该系统不仅可缩短制动时间，还能实现制动能量再利用，进而提高车辆的制动安全性和经济性。

2 转筒式电磁制动器的匹配设计

2.1 转筒式电磁制动器工作原理

转筒式电磁制动器的工作原理是利用动能转变为热能的过程来实现汽车的减速和制动[1，2]。

转筒式电磁制动器的制动力矩产生机理为：当需要制动时，在励磁线圈中通入经过调节的直流电，此时会产生如图1中虚线所示的磁场回路；根据电磁感应定律，在磁场中运动的转筒表面会产生涡流；由楞次定律可知，此时会产生阻碍转筒转动的制动力，以此实现车辆减速或制动。

2.2 电磁制动力矩的理论推导

2.2.1 制动功率推导

将磁极在转筒上的投影近似看做矩形，如图2所示。在转筒旋转的过程中，该区域中磁通量的变化可表示为：

式中，ϕ为磁通量；B为转筒与定子之间的气隙磁感应强度，原则上是励磁线圈产生的磁场与涡流的去磁效应产生的磁场共同作用的结果；S极为磁极面积；ω为车轮角速度；t为制动时间。

由电磁学原理可知，磁通变化时，1个磁极单元的电动势ε与电阻值dR分别为：

式中，ρ为转筒的电阻率。

电磁制动器中1个磁极单元产生的涡电流为：

另外，图2中1个磁极单元的瞬时功率为：

图2中整个磁极在转筒上投影的瞬时功率为：

因此，整个磁极在转筒上投影的制动功率为：

为便于计算，忽略了制动温升、漏磁通等一系列因素对计算功率的影响，则功率pe修正为：

在转筒上共有2Np个如图2所示的矩形区域。若不考虑相邻磁极之间的磁场干涉，电磁制动器的电磁制动功率Pb可表示为：

2.2.2 制动力矩计算

因Pb=Tω可得：

式中，T为制动力矩；u0为真空磁导率；N为单个线圈匝数；Ic为励磁电流；l0为气隙间距大小；e为自然常数。

2.2.3 转筒式电磁制动器制动力矩选取

本 文 基 于 UDDS（Urban Dynamometer Driving Schedule）循环工况，以满足该工况下最大减速度对应的制动强度要求为基准进行集成制动系统的设计。综合考虑制动效果、线圈匝数、电流大小以及轿车车轮处的安装空间约束，将电磁制动力矩的设计目标值定为180 N·m。

2.3 电磁制动器结构参数设计

2.3.1 气隙大小的确定

气隙的存在会产生很大的磁阻，这将对电磁制动力矩产生很大影响，因此，必须有效确定气隙大小。从减小气隙磁阻的角度出发，希望气隙间距越小越好，但气隙间距的选择不可以忽略制造工艺误差、装配公差以及受热膨胀等因素的影响。参考目前市场上缓速器的气隙间距（0.76～1.70 mm）并综合考虑各种因素，本文所设计电磁制动器的气隙间距l0取为1.5 mm。

2.3.2 转筒材料的确定

转筒材料的选择对电磁制动力矩有一定程度的影响，要使制动力矩尽可能大，则B2/ρ应最大。对于不同转筒材料，制动盘转动角速度ω随B2/ρ的变化情况见图3。由于目前市内交通状况的限制，车辆行驶速度大多低于70 km/h，即ω大多小于65°/s。由图3可看出，当ω在0～60°/s范围内时，转筒采用铜材料能产生的制动力矩最大，因此选择铜材质为转筒材料更合适。

另外，从性价比出发，因铜的价格相对较高，可以考虑采用在低碳钢表面镀铜的方法。图4为不同铜层厚度下电磁转矩与电磁制动盘转速的关系曲线[4]。从图4可看出，当镀铜层厚度为1.00 mm时，在低速段（0～200°/s）内，随电磁制动盘转速的加快，转矩增加的幅度最大。考虑到各种材料的价格偏差较大，应尽可能选择性价比最高的材料[5]，因此，本文所设计的电磁制动器的转筒材料选用低碳钢表面镀铜，铜层厚度为1.00 mm。

2.3.3 转筒的内半径和轴向宽度选取

通常情况下，电磁制动器的磁轭采用扇形块结构形式，如图5所示。

磁轭面积计算式为：

式中，a1为磁轭沿电磁制动器转筒的周向长度，取a1= 54 mm；b1为磁轭沿电磁制动器转筒的轴向长度，取b1= 40 mm。

转筒的内半径r3与a1的几何关系如图6所示。

从图6的几何关系可得：

则

式中，θ为扇形磁轭的圆心角。

轴向宽度Laxial和内半径r3决定了电磁制动器的体积。若励磁线圈数为8，则θ取为22.5°，本文所设计的电磁制动器取Laxial=0.05 m，r3=0.138 m。

2.3.4 励磁绕组选择

电磁制动器中每个励磁线圈的匝数N为：

式中，Nz为径向匝数；Ny为轴向匝数；H为线圈的骨架高度；h为磁轭高度；δ为线圈骨架厚度；d0为铜线线径。

根据式（16）～式（18）可计算得到所设计的电磁制动器中每个线圈绕组的匝数约为200匝。

3 永磁发电机的匹配设计

永磁体材料的体积可表示为[6]：

式中，PN为当功率因数cosφ=0时发电机的视在功率；σ0为漏磁系数，取σ0=1.3；CF为磁势系数，取CF= 1.1；ka为纵轴的点数反应折算系数；kB为波形系数，取kB=1.11；为频率；为空载时的磁感应强度，Br为剩磁感应强度；为短路时的磁场强度，Hc为磁场强度；ki为短路电流倍数，取ki=2。

电枢直径Dm可表示为：

式中，Km为永磁体端面系数；λm为转子的长细比；Lm为转子长度。

由电磁学理论可知，永磁发电机定子绕组匝数的表达式[7，8]为：

式中，E0为发电机空载电动势；kw为电枢绕组系数，取kw=0.92；φ0为通过定子绕组的有效磁通量；φδ为气隙每极磁通量；α为极弧系数，取α=0.8；τ为发电机极距；D1为定子铁芯内径；Lδ为气隙的轴向计算长度。

根据以上计算方法，得到所设计的永磁发电机的主要参数为：电枢直径为150 mm，线圈匝数为200匝，永磁体磁极宽度为21 mm，磁极对数为9。

4 转筒自励式电磁与摩擦制动集成系统试验研究

为研究所设计的转筒自励式电磁与摩擦制动集成系统的实际制动特性，以及验证制动能量回收的可行性，对其进行了台架试验，试验台架如图7所示。GB12676—1999规定，M1类车辆的制动试验必须在初始速度为80 km/h的工况下进行[9]，因此，台架试验中的制动初始速度设置为80 km/h，转换成车轮转速约为700 r/min。

4.1 力矩特性试验

图8为摩擦制动器单独工作时，摩擦制动力矩与车轮转速分别随时间变化的试验曲线。由图8可看出，在制动开始后的0～0.2 s内，由于液压管路中介质传递的迟滞现象，摩擦制动力矩增加较缓慢；在制动开始后的0.2～6 s内，摩擦制动力矩逐渐增大，并稳定在600 N·m左右。车轮转速的变化规律为：在制动开始后的0～0.2 s内，车轮转速为720 r/min；在0.2～10.4 s内，车轮转速迅速减小至0，制动效果显著，所需制动时间为10.4 s。

当电磁制动器单独工作时，电磁制动力矩和转速与时间的关系曲线如图9所示。由图9可看出，在制动开始后，电磁制动力矩迅速达到140 N·m；在制动开始后的0～10.8 s内，电磁制动力矩有缓慢变大的趋势，最后达到最大值160 N·m。这是因为随转速的减小，电磁制动器“去磁效应”的影响变弱，从而导致力矩缓慢增大。在制动开始后的10.8～27 s内，随转速的降低电磁制动力矩开始逐渐减小至0。车轮转速的变化规律为：制动开始后的0～10.8 s内，车轮转速呈快速下降趋势；在10.8～27 s内，随电磁制动力矩的减小车速下降速度趋于缓慢，并最终稳定在160 r/min左右。其原因是，在160 r/min转速下，涡流产生的磁场强度与励磁线圈产生的磁场强度刚好抵消，此时的制动盘不受制动力矩作用，所需制动时间为27 s。

当电磁制动器与摩擦制动器同时作用，且在电磁制动器的励磁线圈中通入20 A的励磁电流时，混合制动力矩、车轮转速与时间的关系曲线见图10。由图10可看出，在制动初始阶段，混合制动力矩值约为170 N·m，随后呈缓慢增大趋势，直到达到最大制动力矩580 N·m后开始趋于平缓。在该工况下，车轮转速的变化规律为：在力矩作用下车轮转速呈缓慢减小趋势，随摩擦制动力的增大，车轮转速迅速减小至0，从开始制动到车辆完全停止所需要的时间为9 s。

由上述试验数据可知，摩擦制动器在制动初始阶段响应慢，很难在短时间内达到最大制动效果，但是其力矩几乎不受转速影响；电磁制动器响应速度快，电磁制动力矩能够在极短的时间内迅速增大，然而由前文所述电磁制动工作原理可知，随车速的降低电磁制动力矩将迅速减小；在2种制动器同时作用的情况下，制动时间由原来的10.4 s缩短为8.8 s，制动时间缩短了13.46%。

4.2 发电机性能试验

表1为试验中测得的永磁发电机的性能参数。表中给出了在主轴转速为0～700 r/min范围内，转速每增加100 r/min所对应的发电机输出电压和输出电流，以及通过输出电压和输出电流计算得到发电机的发电功率。由表1可知，输出电压范围为0～29.7 V，输出电流范围为0～18.3 A，永磁发电机的发电功率随主轴转速的增加而增大，当主轴转速达到700 r/min（即车辆行驶速度约为80 km/h）时，永磁发电机的发电功率达到最大值540 W。基于UDDS循环工况，车辆行驶速度大多情况下处于50 km/h左右，所对应的发电功率约为300～400 W。因此，所设计的转筒自励式电磁与摩擦制动集成系统在使用的过程中能够将制动能量转化成电能，实现了制动能量的再利用。

5 结束语

本文提出了一种转筒自励式电磁与摩擦制动集成系统，对其结构参数进行了设计，同时对该系统进行了制动性能和发电机性能试验。试验结果表明，采用转筒自励式电磁与摩擦制动集成系统可以有效缩短制动时间，大大提高汽车制动安全性能。另外，所设计的系统在使用过程中能够将制动能量转化为电能，实现了制动能量的再利用。

表1 永磁发电机性能参数

1 Hiroshi Fujimoto,Takeo Saito,Akio Tsumasaka,et a1Mo⁃tion Control and Road Condition Estimation of Electric Ve⁃hicles with Two In-Wheel Motors．Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Control Applications，2004.

2 何仁，丁福生，张圆圆.轮边缓速器制动力矩的计算方法.汽车技术，2008（10）：10～12．

3 Lee K，Park K．Modeling eddy currents with boundary con⁃ditions by using Coulomb’s law and the method of images．IEEE Trans.Magn,2002，38（2）：1333～1340.

4 蔡文.可拓学概述.系统工程理论与实践，1998，18（1）：76～84．

5 Anwar S,Stevenson RC.Torque Characteristics Analysis of an Eddy Current ElectricMachine for Automotive Braking Applications.Proceedings of the 2006 American Control Conference,2005,5:3996-4001.

6 张学义，曾庆良，史立伟.车辆用42 V可控整流稳压式稀土永磁发电机的设计.微电机，2011,44（5）：21～23.

7 唐任远．现代永磁电机理论与设计．北京：机械工业出版社，2000．

8 刘景林，李钟明.小型稀土永磁同步发电机分析及应用.中小型电机，2001,28（5）：14～16．

9 GB12676—1999.汽车制动系统结构、性能和试验方法.2005.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2015年7月27日。

Design and Test of the Rotary and Self-excited Type Integrated System of Electromagnetic and Friction Brake

Gu Xiaodan,He Ren
（Jiangsu University）

In this paper,the rotary and self-excited type integrated system of electromagnetic and friction brake is designed in aspects of the rotary electromagnetic brake and the permanent magnet DC generator respectively.Brake property test is carried out to the prototype on the integrated test bench of electromagnetic and friction brake,what’s more, the generator performance test is also carried out.The results show that braking time is reduced obviously when adapting the integrated brake system and braking safety is improved.In addition,the generated power of the integrated system reaches 540 W,which can recycle braking energy and reduce energy consuming.

Rotary self excitation type，Electromagnetic brake，Friction braking，Integrated System

转筒自励式 电磁制动 摩擦制动 集成系统

U463.5

A

1000-3703（2015）09-0004-05

国家自然科学基金项目，项目批准号：51275212。