电磁制动装置.doc

几种电磁制动方式的探讨

——物理学习汇报小论文

机0505 何竞择
40540132

关键字：场作用 能量守恒 楞次定律

论文摘要：
1、现有的机动车刹车系统有：毂磨损严重、机构复杂、热废排等问题
2、滑移率控制在10%--20%之间，可以使汽车达到最佳制动效果。
3、作用原理：使用电磁场的相互作用，使机械能转化为电能
4、本设计优势
5、需改进部分

作为一名机械专业的学生，我很高兴能够把物理电磁学中所学到的知识用于我的学科相关领域中来，完成我的物理小论文。本文中所涉及的物理概念及理论包含：能量守恒定律，楞次定律，磁介质划分原理，磁场分布原理，经典力学；并在方案提出过程中，应用了机械设计基础理论。

经调查，在本方案提出前，现有的机动车刹车系统有：简单机械制动器、真空助力制动器、液压助力制动器、防抱死制动系统ABS等四种。各种制动方式均使用机械摩擦，会不可避免的产生刹车毂磨损严重，长距离刹车失灵等问题（由于长距离摩擦，产生大量热量无法消散，金属材料不同程度变性，变形导致刹车失灵），且液压传动装置机构复杂易发生故障；采用以上各制动方式，全部动能直接转化为不可利用的热废排。作者认为，使用电磁原理刹车可以有效消除以上缺陷。

方案一:

滑移率控制在10%--20%之间，可以使汽车达到最佳制动效果。当轮胎被抱死时，滑移率为100%，此时轮胎无法提供足够的侧向力和纵向力，影响加速和制动性能以及车辆自身的稳定性， ABS 可以较好的解决这些问题。ABS设计思想的实质，间断点刹式，本方案沿用这一思想，同时，利用电磁刹车的天然优势——磁场的不均匀变化，完成间歇的刹车动作。且可以使用电子电路进行逻辑控制，较机械的间断刹车有很大优势。
方案设计图纸：

何竞择40540132

作用原理：
两端部件为固定永磁体部分，中部为两侧各高五厘米，半径3厘米，螺线管柱的圆盘。共18X2=36个。线圈圆盘与车轮主轴直接连接，同车轮一同旋转。通过电刷机构将导线控制端引出，控制端常态悬空，刹车装置不启动。
当进行刹车时，控制端选择接通，可单独控制接通螺线管的数量。线圈与永磁体的相对运动使机械能向电能转化。将理论值预设如下：
m汽车质量，K所使用的制动螺线管数量，n每个螺线管上的线圈圈数，B螺线管内平均磁场强度，ro螺线管材料电阻率，d导线直径， L每螺线管上所使用导线长度，R导线总电阻。S螺线管截面积，p=36为永磁体数量，v0起始刹车速度，s刹车开始后形势的距离。
其中，现有永磁材料在安装距离内，周围平均磁场强度可以达到0.06T；螺线管长5厘米，当d=0.0005m时，可足以保证系统稳定性单层可绕100圈，30层厚（含散热层）不超过0.015m，可以保障安装尺寸；以普通轿车为例，车重1.6吨，按照普遍评价标准对照72麦时的刹车距离（本装置在高速时，优势更加突出）。
其他参数计算如下：

由电阻率计算公式得： R=ro*n*L/(d/2)^2=ro*K*n*0.03/(d/2)^2<=100o

磁能推导公式： W=Uz^2/R Uz=K*U=d(fi)/dt d(fi)= P*B*S*n*s
Uz= K*P*B*S*n*v

由能量守恒可得： E0=m*v^2/2 W=(K*P*B*S*n*v)^2/R E1=E0-W*dt
下一时刻的速度可得：v=sqrt(2*E1/m)

考虑以m=1600kg;n=3000;B=0.06T;R=100o;S=0.003m^2;P=36;v0=72km/h为例，现有顶级刹车装置制动距离超过35米，本装置的极限制动能时（K=18），由于积分式不易求解，得出各个过程计算量较大。这里使用matlab工具，取dt=0.0001，编辑模拟程序：

t=0;dt=0.0001;
k=18;m=1600;v=20;n=3000;B=0.06;R=100;S=0.003;P=36;v0=v;s=0;
while v>1
t=t+dt;
E0=m*v^2/2; W=(k*P*B*S*n*v)^2/R; E1=E0-W*dt;
s=dt*v+s;
v=sqrt(2*E1/m);
if (v>v0-0.01)&(v<v0+0.01)
v0=v0-1;
v0
t
s
end
end

何竞择 40540132
程序执行结果 ,有下表：
V m/s
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
T s
e-004
0.084
0.173
0.267
0.368
0.474
0.588
0.711
0.843
0.987
S m
0.0020
1.638
3.292
4.945
6.598
8.253
9.906
11.560
13.213
14.867
V m/s
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
T s
1.1447
1.318
1.513
1.7338
1.988
2.289
2.657
3.131
3.799
4.937
S m
16.522
18.175
19.829
21.482
23.136
24.790
26.444
28.097
29.751
31.405

由表中可以看出速度减至0.01m/s（由于“if (v>v0-0.01)&(v<v0+0.01)”判据误差）时，刹车距离约31米，不含车载行驶过程中所受其他阻力，理论计算值远优于目前刹车时备（此时，限制刹车性能的部件主要为轮胎性能）。
设计优点：
由于，利用场的相互作用，刹车机构可做到无磨损，可长时间连续使用；机械结构简单，可使车重明显减轻；由于磁场的不均匀变化，制动力近似为正弦函数，自然具有点刹效果，刹车过程中车辆仍具有良好的控制性能；将机械能首先转化为电能，为能源回收提供可能（电压幅值变化较大，回收仍存在一定难度）；使用电磁原理，更贴近电子控制趋势；体积较小，可作为传统机械刹车的补充方案。
诚然，本设计中也存在一些不足：如，永磁材料紧密排列时，磁场相互影响较明显，尤其会减小磁场影响范围，单独作用时B可平均达到0.7左右,本设计使用0.6进行计算，不知是否稳妥；0.5d的导线应属比较安全，但由于事关重大，对导线材料要求仍然很高，在长时间大电流的状态下工作，散热问题也十分突出；局部磁场（常态为恒定状态）是否会对汽车内电子部分造成影响等问题，都需要一定物质条件才能够进行探讨。
本设计全部为作者独立完成，在应用原理及主要参数运算部分作者已尽其全力，遗留问题作者将继续努力探讨。如果，批阅老师或其他读者能对本设计给予指正和帮助，学生感激不尽。（hjzhhh@）

方案二：

参考书目：
工程电磁学 第六版 机械工业出版社 徐安士 周乐柱 译 William Hayt,Jr

版权声明：本文第一方案全部为作者何竞择独立完成，其他方案有部分内容为参考其他成果，原作者已注明，此处只作对比介绍。需使用本文内容时，须尊重作者署名权。
论文中部分图片为网络资源，已注明原位置。
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