电涡流缓速器散热结构对照分析

廖云飞　刘金

摘 要：本文以电涡流缓速器制动功率、电涡流相关分布以及温度场基本理论为依据，从气流散热的角度对某型电涡流缓速器进行结构变更设计，建立了电涡流缓速器散热结构系统的有限元模型。其间对现有缓速器及其对照型数字样机进行热力学数值分析，得到了缓速器温度场的分布情况，以期优化缓速器散热系统结构。

关键词：电涡流缓速器;散热系统;结构设计;数值分析

中图分类号：U463.53 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）20-0038-03

Contrastive Analysis of Heat Dissipation Structure of Eddy Current Retarder

LIAO Yunfei1 LIU Jin2

（1. School of Intelligent Manufacturing Technology， Chongqing Industry Polytechnic College，Chongqing 404100;2. Shenzhen Terca Technology Co.， Ltd.， Shenzhen Guangdong 518000）

Abstract： Based on the basic theory of braking power， eddy current correlation distribution and temperature field of eddy current retarder， this paper designed a structure change of eddy current retarder from the point of view of airflow heat dissipation， and established a finite element model of the radiation structure system of eddy current retarder.In the meantime， the thermodynamic numerical analysis of the existing retarder and its comparative digital prototype was carried out， and the distribution of the temperature field of the retarder was obtained， in order to optimize the structure of the retarder heat dissipation system.

Keywords： eddy current retarde;heat dissipation system;structural design;numerical analysis

汽車摩擦制动的原理在于动能和热能的转换[1]。若大质量的车辆在制动过程中进行连续或者频繁的制动，则制动器的温度会随着车辆速度的降低而急剧升高[2]。制动器温度的升高，会导致刹车蹄片和刹车制动鼓之间的摩擦系数降低，进而使车辆的制动性能迅速衰退甚至失效[3]。对于诸如公交车或载重汽车等大质量车辆而言，仅仅依靠常规摩擦制动器并不能完全满足其制动性的要求[4]。为解决这一问题，大质量车辆常常配置了除摩擦制动以外的辅助制动装置。缓速器的作用在于使车辆在减速或下坡过程中尽量减少主制动器的使用次数，保证主制动器的制动性能[5]。

1 某型电涡流缓速器的工作原理

车辆缓速器有电涡流缓速器、液力缓速器等不同的形式。电涡流缓速器的工作原理在于通过电磁场的作用，将车辆行驶的动能转化为热能，如图1所示。

在车辆制动过程中，驾驶员通过控制器发出制动指令后，电涡流缓速器接通电源，线圈通电产生磁场，该磁场在定子铁芯、气隙和前后转盘之间形成如图2所示的回路[6]。

通电线圈磁场强度与线圈匝数和通电电流的乘积成正比。当缓速器转盘旋转时，线圈产生的磁力线受到内部闭合回路磁力线的切割，进而产生涡状感应电流，即电涡流。在磁极正对方向的两侧，转盘内存在磁通量增加和减少产生的2种电涡流，其方向相反。在感应电涡流的作用下，带电转盘的旋转运动会受到线圈磁场的阻碍，从而达到制动的效果，如图3所示。该阻力的方向可由Fleming左手法则进行判断。同时，电涡流在转盘的内部流动也会由于热效应而导致转子发热。这一过程使车辆行驶的动能通过感应电流转化为热能，并通过转盘上的叶片借助风力散发出去[6]。

2 电涡流缓速器的对照设计

缓速器制动时，汽车的动能转化为电涡流的电能，电流的热效应会使转子发热，并能通过转盘上的叶片产生强劲的风力将热量散发出去。因此，在电涡流缓速器设计中，以力学理论和方法、电磁场理论和磁路方法为基础，结合优化方法，人们可以得到缓速器的结构参数、电磁参数以及几何模型。为提升缓速器的散热效率，本文对某型电涡流缓速器进行了对照设计。变更前的缓速器为参考型缓速器，变更后的为对照型缓速器。参考型及对照型缓速器转盘示意图如图4和图5所示。

本研究主要在以下两个方面进行了改进。一是改变了转盘叶片的形状，将参考型采用的渐开线叶片改为圆弧形叶片，以减少进气阻力，增加进风量。二是增大转盘边缘重合角度，以改善边缘出风口处的气流形状。

3 有限元模型

如图6所示，转盘几何模型包括两部分。一是热源，即厚盘（贴近磁轭），二是散热盘，包括散热肋片、薄盘和连接辐条。散热肋片数量为：参考型24片，对照型16片。

4 边界条件

热生成率为11.6×106W/m2。进出口边界均为开放性边界。关于绝热壁面边界，厚盘贴近磁轭的面和连接突缘的壁面为绝热条件。内部交界面采用GGI的连接方式。关于材料，流体部分为理想气体（可压缩），固体部分为钢，其表面发射率为0.8，漫射分数为1.0。

5 改进前后的电涡流缓速器散热系统的热力学数值分析对比

图7显示了计算得到的转盘表面温度分布，图8显示了工作状态的三维流场情况。

参考型转盘的最高工作温度为917℃，而对照型最高温度为1 021℃。在凸缘面上，参考型的最高温度为368℃，而对照型为345℃，凸缘面上的最高温度较参考型的要低23℃。由于该数值分析较实际工况更理想，忽略了壁面上的辐射散热，故计算出的温度比实际温度略高。此外，为了进行对比分析，参考型缓速器和对照型缓速器设定了相同的热源发热率，而对照型的散热片数量仅有参考型的2/3，固体内部传导热流量较少，这些因素都导致对照型缓速器转盘具有更高的最高温度。

6 结论

本文对某型电涡流缓速器的转盘结构与其变更设计后的对照型转盘进行了热力学数值分析和对比，结果发现：参考型转盘与对照型转盘稳态工作温度最高值分别为917℃和1 021℃，对照型转盘最高温度值比参考型高104℃;而对照型转盘沿周向温度分布是比参考型转盘均匀的，没有局部高温的情况;对照型转盘散热肋片前缘在800 r/min工况下，通道内的空气温度整体较低，有利于对流换热，只是在散热肋片尾缘附近迎风侧存在速度较低区，可进行优化流场设计方面的改进。

参考文献：

[1]何仁，胡东海，张端军.汽车电磁制动技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2013（3）：202-214.

[2]薛刚，胡立伟，孙亚南，等.模拟长下坡连续制动的中型货车鼓式刹车系统温度阈值分析[J].武汉理工大學学报（交通科学与工程版），2015（5）：1069-1072.

[3]Hartman J.Effects of Velocity，Temperature and Rainfall on the Friction Coefficient of Pneumatic Tyres and Bitumen Roads[D].Melbourne：RMIT University，2014.

[4]Liu C Y，Jiang K J，Zhang Y.Design and Use of an Eddy Current Retarder in an Automobile[J].International Journal of Automotive Technology，2011（4）：611-616.

[5]刘增岗，张炳荣，李京.汽车缓速器的发展和法规探讨[J].城市车辆，2006（2）：51-53.

[6]刘金.一种电涡流缓速器散热系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.