电磁液冷缓速器影响因素仿真与分析

摘 要：针对电涡流缓速器的制动力矩会产生热衰退，液力缓速器成本高、维护难等问题，提出了一种双凸极构造的电磁液冷缓速器。利用Maxwell 3D软件对该缓速器模型进行了模拟仿真，分析了转速、涡流密度、励磁电流、气隙间距、材料等因素对缓速器制动力矩的影响，为缓速器的设计优化提供参考。

关键词：双凸极电磁液冷缓速器;Maxwell 3D;模拟仿真;制动力矩

0 引言

随着汽车发动机功率的持续攀升，车辆行驶速度提高，汽车负重相应增加，车辆在行驶中的惯性也随之增大，导致制动负荷增加，加重了车辆制动系统的负担[1]。若汽车的制动负荷都由制动系统承担，系统长时间制动会造成制动毂和刹车片过热，汽车制动性能快速下降。为此，本文提出了一种双凸极电磁液冷缓速器，对其机械结构、电磁参数进行仿真分析，采用Maxwell 3D仿真软件分析缓速器的静态与瞬态磁场以及产生的制动力矩，通过设定不同影响因素参数，模拟各因素对制动力矩产生的影响。

1 双凸极电磁液冷缓速器机械构造及工作原理

双凸极电磁液冷缓速器的机械构造如图1所示。缓速器包括两片转子、定子、线圈、水道等。定子中有供水流通的通道，工作时定子内壁吸收的内能由循环的水吸收并散发出去[2]。

缓速器工作时励磁线圈通电，转子、定子及两者间隙之间会构成封闭的电磁回路。汽车传动系统带动转子旋转，形成切割磁感线运动，在定子内表面会产生电涡流，涡流产生与转子旋转方向相反的力矩[3]，力矩传递至汽车转轴，起到降低车速的作用。缓速器制动时，定子表面的涡流会产生热量，热量通过水道进行水冷散热[4]，有效解决缓速器热衰退严重的问题，为车辆提供持续稳定的制动力矩。

2 等效磁路分析法

为了对缓速器磁场进行计算，需将磁场简化为磁路，得到等效磁路模型[5]。磁场在转子盘各个齿、气隙、缓速器定子表层中形成，构成一条完整的磁路。事实上，励磁线圈产生的主磁通在经过转子、气隙、定子时，还存在少量的漏磁，在周边空气中也构成了闭合回路。空气的磁阻非常大，对主磁路影响很小，故漏磁可忽略不计[6]。

式中：p为缓速器制动功率;ωn为转子旋转角速度;BI为凸极上磁通密度被增强区域的磁感应强度;BD为凸极上磁通密度被减弱区域的磁感应强度;ΔhI为磁通密度被增强区域的涡流集肤深度;ΔhD为磁通密度被减弱区域的涡流集肤深度;Rs为定子内表面半径;n为缓速器转速;Np为凸极对数。

从上式可以看出，缓速器的制动力矩与转速、凸极顶部尺寸、磁感应强度、集肤深度、定子内表面半径等有关，理论计算十分复杂。

3 有限元仿真与分析

本文利用Maxwell 3D软件建立1/12的几何模型进行仿真分析，缓速器模型效果如图2所示。

3.1    转速

为了研究转速对制动力矩的影响，可保持励磁电流不变，通过改变转速模拟转速对制动力矩的影响。不同转速下，制动力矩理论值与仿真值对比曲线如图3所示，可看出在低转速时，缓速器产生的制动力矩随着转速的提高而快速增长，但当转速高于1 000 r/min时，制动力矩增长较为缓慢，达到更高转速时，制动力矩甚至会降低，这是因为随转速的提升，定子中的涡流产生的反磁动势会增大，削弱了励磁磁动势。另外，在转速提高的过程中，定子温度随着运行时间加长而升高，定子电导率降低，也会造成制动力矩的下降[7]。但缓速器在1 000～2 000 r/min时，制动力矩较为稳定，能满足车辆在持续下坡的情况下对制动力矩的要求。

3.2    励磁电流

本文通过改变励磁电流，观察制动力矩与气隙中某固定位置的平均磁密[8]。图4呈现了不同励磁电流下，气隙的周向长度与轴向长度磁密的分布情况。周向气隙磁密会在凸极过渡距离处发生畸变。励磁电流为30 A时，涡流产生的反磁动势对磁场的削弱效果较为明显。轴向气隙磁密在脱离双凸极的距离内，反磁动势对磁场的削弱效果更为显著。

3.3    涡流密度

图5是在不同转速（500 r/min、1 500 r/min、2 500 r/min）下，定子内表面的涡流密度分布情况，可发现涡流密度随着转速的提升而增大，但当转速到达一定程度时，定子内部涡流密度趋向饱和，涡流密度增加程度减缓[9]。

3.4    气隙间距

转、定子之间的气隙间距对于缓速器尤为重要，对制动力矩的影响较大，气隙间距应保证控制在0.76～1.50 mm[10]。不同气隙间距的制动力矩比较曲线如图6所示，当气隙间距为0.6 mm时，制动力矩有较大提升，而1 mm的气隙间距所对应的制动力矩则提升幅度较小。但气隙间距不仅要满足最佳的电气结构参数要求，还需要考虑加工、高速以及高温膨胀等实际运行工况，故可通过合理选择气隙间距来调节缓速器所产生的制动力矩的大小。

3.5    材料属性

缓速器选材对制动力矩有着较大影响，故需对所选的材料属性进行分析。材料属性主要指电导率、定子材料、镀覆层材料和厚度等。

3.5.1    电导率

转子的电导率变化对制动力矩并没有明显影响，定子电导率的变化对制动力矩的影响较大。在电导率较低时，制动力矩随电导率成正比增加;在电导率较高时，制动力矩随电导率增长而缓慢升高。电涡流在定子表层的集肤深度会随电导率的增加而变小，制动力矩逐渐趋于饱和。

3.5.2    定子材料

铝、铜和电工纯铁常被作为缓速器制作的备选材料，故选择这些金属作为定子材料。從模拟仿真的结果看，铝和铜材料在集肤深度上的表现优于铁，但在气隙磁密的表现与铁有着较为明显的差距，导致两者的制动力矩比铁小很多。结合上述结果可知，非磁性且电导率较高的金属材料能够显著降低集肤效应对模型的影响。因此，通过在定子近气隙表面镀覆一层非磁性且电导率较高的金属材料可以提高缓速器的制动力矩。

3.5.3    镀覆层材料

缓速器定子内表面的镀覆层指的是对材料表面进行电镀处理。镀覆层添加了高电导率且非磁性材料，电涡流绝大部分会集中在镀覆层中。本文通过在定子内表面分别镀覆0.5 mm的铜层与铝层，分析镀覆层材料对制动力矩的影响。不同材料的鍍覆层产生的制动力矩对比图如图7所示，在低转速区域，铜与铝镀覆层会显著提高制动力矩的最大值，采用铜层比铝层的效果更为明显，但随着转速的升高，进入高转速区域后，使用铜、铝镀层的缓速器制动力矩相比使用电工纯铁而言，下降速率更快，铜层比铝层下降更为显著。所以镀覆层材料可根据具体运行工况，按需灵活运用在不同的使用环境中。

3.5.4    镀覆层厚度

不同厚度的铜层产生的制动力矩对比图如图8所示，镀覆铜层的厚度分别为0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm、1 mm，在低转速时，镀覆铜层厚度大的缓速器会产生更大的制动力矩，但高转速时，镀覆铜层厚度小的缓速器会产生更大的制动力矩。故在实际运行中，可根据整车行驶常用转速来选择镀覆铜层的厚度。

4 结语

本文通过对电磁液冷缓速器进行数值模拟仿真分析，得出了转速、励磁电流、涡流密度、气隙间距及材料属性等因素对缓速器制动力矩的影响规律，从而为缓速器的设计优化提供参考。

[参考文献]

[1] 罗松林.基于Maxwell 3D的电涡流缓速器理论研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[2] 刘道春.缓速器的发展与未来[J].汽车与配件，2010（8）：74-77.

[3] 何建清.车用电涡流缓速器的设计方法及其性能分析[D].镇江：江苏大学，2004.

[4] 张孟锋，强中伟.液力缓速器制动力矩影响因素研究[J].汽车实用技术，2016（12）：101-103.

[5] 吴兵波.电涡流缓速器的理论研究和设计开发[D].北京：北京工业大学，2004.

[6] LIU W Y ，LI H ，ZHANG G X ，et al.双凸极构造的电磁液冷缓速器制动力矩的数值模拟[J].软件学报，2001，12（10）：1510-1515.

[7] 李德胜，尹汪雷，张凯.电磁液冷缓速器制动力矩影响参数[J].北京工业大学学报，2014，40（6）：831-836.

[8] 张凯，李德胜，杜肖，等.双凸极构造的电磁液冷缓速器制动力矩的数值模拟[J].北京工业大学学报，2014，40（9）：1288-1293.

[9] 何建清，何仁，衣丰艳.车用电涡流缓速器的设计方法[C]//中国汽车工程学会2003学术年会论文集（上册），2003：257-265.

[10] 李德胜，王伟杰，张泽男，等.外转子构造的电磁液冷缓速器制动性能[J].北京工业大学学报，2015，41（11）：1652-1657.

收稿日期：2020-08-13

作者简介：严悦（1995—），男，江苏盐城人，硕士在读，助理工程师，研究方向：机电控制。