双转子永磁缓速器的设计与输出特性分析_何富君.pdf

机械制造何富君，等双转子永磁缓速器的设计与输出特性分析基金项目:东北石油大学研究生创新科研项目资助(YJSCX2017022NEPU)第一作者简介:何富君(1970)，男，黑龙江大庆人，教授，研究方向为爬行机器人与永磁涡流耦合传动与制动。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301004双转子永磁缓速器的设计与输出特性分析何富君，王帅，刘凯，任俞洁，程数驰(东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)摘要:通过对转子轴向移动式无级变矩永磁缓速器工作原理的研究，提出一种鼓式双转子永磁缓速器结构设计方案。根据设计目标以及车辆制动法规要求，基于永磁制动理论，采用MATLAB 辅助设计确定了双转子永磁缓速器关键结构参数。通过 ANSYS EM 三维电磁场瞬态仿真模块，建立有限元仿真模型，对缓速器输出的制动力矩输出进行仿真分析，验证其在不同工作模式下的制动力矩，研究双转子完全工作状态下转子的转速与输出制动力矩的关系、输出制动力矩的调节特征。研究表明:所设计的永磁缓速器的制动力矩输出满足车辆的要求，其输出的制动力矩具有无极线性调节特性，还有性能提升空间。关键词:永磁缓速器;双转子;永磁制动;输出特性;制动力矩无级调节;线性特征中图分类号:U4635文献标志码:A文章编号:1671-5276(2023)01-0016-06Design and Output Characteristics Analysis of Double otor Permanent Magnet etarderHE Fujun，WANG Shuai，LIU Kai，EN Yujie，CHENG Shuchi(School of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China)Abstract:With the study on working principle of axialmoving stepless torque variable permanent magnet retarder，a structuraldesign scheme of drum type double rotor permanent magnet retarder is proposed According to the design objectives and vehiclebraking laws and regulations，and based on the theory of permanent magnet braking，the key structural parameters of the doublerotor permanent magnet retarder were determined with the assistance of MATLAB With ANSYS EM three dimensionalelectromagnetic transient simulation module，the finite element simulation model was established，and the simulation analysis ontheoutput of the retarder braking torque output was carried out to verify its braking torque in different working modes and study therelationship between the rotor speed of double rotors in full working state and output braking torque，and the regulation characteristicsof the brake torque output The research shows that the designed braking torque output of the permanent magnet retarder meets therequirements of vehicles with the output braking torque having the characteristics of infinite linear regulation and room for performanceimprovementKeywords:permanent magnet retarder;double rotor;permanent magnet brake;output characteristics;stepless adjustment ofbraking torque;linear characteristicp0引言汽车在复杂工况下制动时，如长时间下坡、高速、重载等，传统摩擦型制动器会因为热衰退导致制动效能明显下降，严重时甚至会导致制动能力完全丧失，造成严重的后果。因此，除了车辆本身的主制动系统外，加装辅助制动装置已经越来越有必要1。在国家标准 机动车运行安全技术条件2 中规定部分汽车应装备缓速器或其他辅助制动装置，使车辆具有持续制动能力，提升行车安全性、舒适性和环保性能。与其他种类制动装置相比，涡流制动器无机械接触，工作稳定，可靠性高，在列车制动系统、汽车辅助制动装置等领域应用广泛3。根据激励源的不同可以将缓速器分为电励磁、永磁式和混合励磁式 3 种。其中电励磁式缓速器应用广泛，技术较为成熟。但是，其产生的制动力密度较小，同时需要外部电源给励磁绕组供电。因此，存在设备体积大、励磁损耗大等缺点4。永磁缓速器不需要消耗电能，结构上省去了励磁绕组，相较于电励磁结构，体积更小，质量更轻，符合车辆轻量化、节能化的发展趋势。但是，此结构的制动效能依赖于永磁体的性能，受温度影响较大。混合式兼具前述两种结构的优点与缺点。综上，本文采用永磁式结构进行缓速器的设计，旨在使其结构简单紧凑并具有高可靠性，以满足目标车辆的设计要求。本文采用磁铁轴向滑动方式来控制缓速器的工作状态。缓速器工作时，伺服电机将两个转子推入定子鼓，在定子与转子之间产生磁回路。定子铜环切割磁感线，从而产生制动力矩，当两转子完全进入转子鼓，缓速器制动力矩最大。解除制动时，伺服电机带动两转子向外侧移动。当定子铜环与磁铁完全分离时，制动力矩消失，制动解除。61机械制造何富君，等双转子永磁缓速器的设计与输出特性分析双转子系统增加了永磁体轴向移动步长，有利于缓速器制动力矩的无级调节，以适应更加复杂的工况。同时，根据双转子的结构特点，为缓速器设定两种工作模式:单侧转子单独工作模式与双侧转子共同工作模式。当车辆在山区公路行驶时，车速不高，制动频繁，持续时间长，此时可使用单侧转子单独工作模式，并且两侧转子可交替进入工作状态，使缓速器的散热性能得到进一步的提高。当车辆以中高车速行驶需要紧急降速或进行长距离直线下坡行驶等工况时，制动猛烈，需要缓速器提供较高的制动力矩，此时可使用双侧转子共同工作模式，可进一步提高制动效果。1双转子永磁缓速器的结构方案与工作原理11双转子永磁缓速器的结构设计调节缓速器输出制动力矩的方式包括:改变磁极形状和参与工作的磁极表面积，调节转子与定子之间的气隙大小，改变转子转速等。本文设计的永磁缓速器，在其他条件不变的情况下，通过改变参与工作的永磁体与定子之间的重合面积来达到缓速器制动力矩的无级调节。其结构简图如图 1、图 2 所示。1传动轴;2丝杆;3伺服电机;4缓速器外壳;5定子鼓;6液冷水道;7定子铜环;8转子隔断;9永磁体;10转子;11轴承外环;12轴承;13花键。图1双转子永磁缓速器结构简图及主要结构参数图 2双转子永磁缓速器三维视图双转子永磁缓速器主要由两侧转子、定子、驱动电机、永磁体等构成。每个转子周向均匀布置 8 对永磁体，通过磁铁压块固定。转子与传动轴之间通过花键连接，在传输力矩的同时，使转子能够进行轴向移动，达到改变永磁体工作面积的目的。在两转子之间设有转子隔断，以减少漏磁，降低两转子之间的磁场影响。定子固定在车架上，其上开有冷却水道，与发动机冷却系统相连，水道中设有锯齿状凸起，以增加散热面积，提高散热效率。两侧转子各配有伺服电机5，为其轴向的运动提供动力。12双转子永磁缓速器的工作原理永磁缓速器作为一种非接触型汽车辅助制动器，其工作原理是利用法拉第电磁感应定律将汽车的动能转化为定子上产生的热能。转子带动永磁体产生旋转的磁场，定子在磁场中切割磁感线，在其内部会产生强烈的感应涡电流。该涡流产生的磁场会与永磁体的磁场产生相互作用，从而在转子上产生制动力矩6。永磁缓速器磁感应原理如图 3 所示。图 3永磁缓速器磁感应示意图磁铁轴向滑动方式控制缓速器的工作原理:缓速器工作时，伺服电机将两个转子推入定子鼓，在定子与转子之间产生磁回路，定子铜环切割磁感线，从而产生制动力矩。当两转子完全进入转子鼓，缓速器制动力矩最大;解除制动时，伺服电机带动两转子向外侧移动;当定子铜环与磁铁完全分离时，制动力矩消失，制动解除。双转子系统增加了永磁体轴向移动步长，有利于缓速器制动力矩的无级调节，以适应更加复杂的工况。同时，在制动力矩要求不高的情况下可以采用转子交替工作模式，减少高温对永磁体的影响。2缓速器主要结构参数设计根据对双转子永磁缓速器制动性能的要求以及空间尺寸上的限制，对永磁缓速器的主要参数进行设计与说明如下。目标车辆(客车)的主要参数如表 1 所示。表 1车辆主要参数参数数值满载质量/kg10 000轮胎型号245/75主减速器传动比4875轴荷/kg3 000 5 98071机械制造何富君，等双转子永磁缓速器的设计与输出特性分析21最小制动力矩的确定根据 GB 126761999 要求:满载车辆的输入能量必须相对于相同时间内，以 30km/h 的平均速度在 6%的坡道上，下坡行驶 6km 所具有的能量，即需要满足当量能量原则，其表达式为W=6 000(006001)mg(1)式中:W 为当量能量，J;m 为汽车满载质量，kg;006 为道路坡度，001 为车轮滚动阻力系数;g 为重力加速度，98m/s2。由此可以得出 12min 内缓速器的制动功率为P=Wt=mgv60(2)式中:P 为制动的平均功率，W;v 为汽车车速，km/h。进一步可得出缓速器的制动力矩为T=P(3)根据汽车传动系统之间的关系有:v36=t(4)综合式(3)与式(4)，有:T=006mgi(5)式中:T 为制动力矩，Nm;为传动轴转速，rad/s;i 为主减速器传动比;为车轮半径，m。根据车辆参数，可以得出所需制动力矩为 505Nm。但是，对于客车而言，需要保证有更为明显的制动效果，其制动减速度 a应在06m/s2a1m/s2的范围内7。本文中取 a=07m/s2，即a=Fm=Tim(6)由此计算可得，所需制动力矩最少为 601Nm。22定子鼓定子切割转子转动产生旋转磁场，并在定子内表面一定深度(即集肤深度8)内产生涡流。定子材料的电导率对涡流影响巨大，选用较高电导率的材料能够有效提高缓速器性能。本文采用铜环作为涡流产生区域，并参考相关文献可知，铜环厚度 w 为 3mm 时较为适宜9，输出制动力矩处于最大值。同时，为保证散热与强度要求，定子采用耐高温的结构钢(如 20CrMo)内嵌铜环的结构。根据底盘离地高度限制，同时对比同等级别的永磁缓速器径向尺寸，将双转子缓速器的径向尺寸缩减约 1/3，取定子内径 r1=150mm。根据文献 1 中关于定子厚度的磁场计算与温度场计算，取定子厚度 l1为 13mm。定子铜环宽度 l2与永磁体轴向宽度 a 有关，为保证在缓速器完全工作状态下，定子完全包覆永磁体10，取:l2=132a(7)23气隙气隙是影响永磁缓速器制动性能的重要结构参数。空气的相对磁导率约为 1，气隙即使很小，其磁阻依然很大。减小气隙，可以有效减少磁路中的总磁阻，提高缓速器制动力矩。但是，考虑到机械加工、装配以及转子、定子受热膨胀等问题，气隙不能无限制减小，一般在 08 12 mm之间。参考其他不同体积永磁缓速器所对应的气隙大小，取气隙为 1mm。24永磁体永磁体是永磁缓速器的励磁源，其磁物理性能与尺寸决定着缓速器的制动性能，同时因其价格较为昂贵，影响着永磁缓速器的制造成本，目前普遍使用钕铁硼稀土永磁材料。本文中选用牌号为 38SH 的永磁材料。其主要磁物理性能如表 2 所示。永磁缓速器工作状态简化模型如图 4 所示。表 2永磁体性能参数材料牌号剩磁Br/T矫顽力Hc/(kA/m)最大磁能积 BHmax/(kJ/m3)工作温度/38SH125907287310150图 4永磁缓速器工作状态简化模型在满足制动性能的前提下，需要控制成本，要对磁铁的尺寸参数进行合理设计。采用文献 11中推导的制动力矩公式建立永磁体尺寸设计过程中制动性能方面的数学模型。根据等效磁路与涡流损耗，推导出气隙磁感应强度 B，进而得到制动力矩 T。其具体公式如下:h=2z(8)B=20Hch3z+Kd0nbr1h(9)T=l1r31hn2B2(10)式中:为转子鼓电导率，S/m;h 为集肤深度，m;0为真空磁导率，H/m;为定子相对磁导率;为磁场变化角频率，=2Npn/60，Np为磁极对数，本文中单侧转子磁极对数为 8，即 16 块永磁体 N、S 极交替布置;n 为转子鼓转速，r/min;Hc为永磁体矫顽力，A/m;h 为永磁体高度，m;b 为永磁体周向宽度，m;r1为定子鼓内半径，m;z 为气隙高度，m;Kd为涡流折算系数，本文中取为1;n为转子角速度，rad/s。根据文献 9 可知，缓速器在低转速区间制动力矩会达到最大值，在中高转速区间，制动力矩会降低。在低转速区间，为满足双侧转子可以交替工作的需求，设定单侧转子转速 500r/min 时输出转矩需要达到 601Nm，即T601(11)在中高转速区间，两侧转子一同工作以满足制动力矩81机械制造何富君，等双转子永磁缓速器的设计与输出特性分析的要求。设定两侧转子在转速为 2 000r/min 时输出力矩要达到 601Nm，即2T601(12)同时为保证同一转子上的相邻磁极之间留有间隙，以便安装磁铁压块，即0brNp(13)根据式(8)式(13)，以所使用的永磁体体积最小为优化目标，通过 MATLAB 辅助运算，在此过程中，参考文献 12 对永磁体尺寸对气隙磁密、制动力矩影响分析以及文献 13 所研究的优化算法中永磁体参数输入范围，选择永磁体结构尺寸的上下限，以减少运算次数。最终得到永磁体的尺寸参数为:轴向宽度 a=45mm，周向宽度b=75 mm，高度 h=13mm。结构如图 5 所示。图 5永磁体结构图3缓速器的输出特性分析31建立仿真模型永磁缓速器结构参数确定之后，利用 ANSYS EM 电磁场瞬态分析模块对其进行制动性能的仿真分析，验证理论设计的合理性。在软件的三维瞬态场分析模块中建立仿真分析的等比例全模型，包括单侧转子单独工作仿真模型(图 6)与双转子共同工作仿真模型(图 7)。在模型建立过程中，进行合理简化以节约计算机计算资源，简化内容包括:去除磁铁压块、冷却水道等次要结构，定子使用内嵌铜环代替;两侧转子中间添加边界条件，替代转子隔断;忽略温度上升对永磁体电磁特性的影响;忽略缓速器端部漏磁。图 6单侧转子独立工作仿真模型图 7双侧转子共同工作仿真模型转子与定子铜环的材料在 ANSYS EM 的系统材料库中已经定义，分别为 steel_1010(优质碳素结构钢)和copper(铜)。永磁体材料需要自行定义，通过柱面坐标系对永磁体进行径向充磁。在添加边界条件时需要注意，在两转子中间需要设立边界条件，以模拟两转子共同工作时磁场不相互影响的理想工作条件。相关材料参数如表 3所示。表 3相关材料参数参数定子铜环转子永久磁铁材料coppersteel_101038SH相对磁导率0999 991BH 曲线定义1096 71电导率/(S/m)58 000 0002 000 000矫顽力 Hc/(kA/m)90732低速区两种工作模式制动力矩的输出对比由于低转速区间与中高转速区间存在工作模式差异，需要验证单转子工作与双转子工作两种模式下的制动力矩关系，证明两侧转子上的磁极所产生的磁场相互影响较小，缓速器结构设计合理。取转速为 500r/min 时两种工作模式下的缓速器输出力矩作为对比，其力矩输出如图 8 所示。图 8500 r/min 转速下制动力矩输出曲线从力矩输出曲线可以看出，在 10ms 左右，缓速器力矩输出达到稳定状态，取稳定后输出力矩的平均值作为缓速器稳定输出转矩，单侧转子单独工作为 714Nm，双转子共同工作时为 1 429Nm，基本符合两者之间 2 倍关系。图 9、图 10 分别为两种工作模式在 25ms 时定子的磁感应云图，此时缓速器制动力矩输出已经稳定，在此转速条件下的磁感应强度已经饱和。从图中可以看出，两侧转子上永磁体在定子铜环上产生的感应磁场相互独立。在磁感应强度较高的部位，其区域呈椭圆状。33不同转速下输出的制动力矩输出特点在 ANSYS EM 中的三维瞬态磁场分析模块中，改变31节建立的双侧转子共同工作仿真模型转子运动区域的转速，分别取 200、500、750、1 000、1 500、2 000r/min，取各转速下的制动力矩输出曲线稳定区间(1030ms)的平均值作为输出结果。通过 MATLAB 进行曲线拟合，得出双转子永磁缓速器两侧转子共同工作时的制动力矩转子91机械制造何富君，等双转子永磁缓速器的设计与输出特性分析转速特性曲线，以检验缓速器制动性能是否符合设计要求，如图 11 所示。图 9单侧转子工作磁感应强度云图图 10双侧转子共同工作磁感应强度云图图 11制动力矩转子转速特性曲线由特性曲线可知，在 500r/min 左右的低转速区间，制动力矩达到最大值，随后随转速升高，制动力矩会逐渐下降。原因包括:制动时涡流产生的热量使铜环的电导率下降，加剧涡流损耗;随转速升高，涡流产生的感应磁场对永磁体产生的原磁场的削弱显著增强。同时可以看出，为提高缓速器在中高转速区间的制动性能，需要为永磁缓速器配以合理的散热结构14。对比目标车辆对永磁缓速器制动性能的要求与制动力矩转子特性曲线可知，所设计的永磁缓速器满足设计要求，且在低转速区间内，单侧转子工作可满足制动力矩要求，为永磁缓速器单侧转子独立工作和双侧转子共同工作两种工作方式的灵活切换提供理论依据。34双转子永磁缓速器的无级调矩性能分析本文设计的永磁缓速器，通过双侧转子的轴向移动，可进行输出制动力矩的无级调节，以适应各种路况对车辆制动性能的要求。根据永磁体的轴向长度，两侧转子以15mm 为移动步长，将永磁体与定子重合度分为 0%、20%、40%、60%、80%、100%。在 1 000r/min 的转速条件下对永磁缓速器的无级调矩性能进行分析，得出制动力矩重合度特性曲线，如图 12 所示。由制动力矩重合度特性曲线可以看出，永磁体与定子的重合度与制动力矩的关系符合线性特征。本文所设计的双转子永磁缓速器的制动力矩输出具有无级线性调节特性。图 12制动力矩重合度特性曲线4结语本文设计了一种双转子永磁缓速器，其最大制动力矩可达 1 600Nm，对比同级别的缓速器，径向尺寸缩减大约 1/3。制动力矩在 10ms 左右达到稳定输出状态，响应迅速，其调节有明显的线性特性，同时双转子结构进一步提高了缓速器制动力矩无级调节的线性控制能力。利用双转子结构灵活调整缓速器的工作模式，以适应车辆的不同工况需求，通过两侧转子交替工作的模式进一步提高永磁缓速器制动性能的可靠性。对于低转速区间的峰值转矩特点，可以考虑增加调速机构并加以利用。对于中高转速区间，通过定子上的散热水道，利用液冷系统转移涡流产生的大量热量以改善其制动性能。参考文献:1叶乐志 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retarder based on artificial neural networkalgorithmJ Chemical Engineering Transactions，2015，46:229-234 14YE L Z，LI D S，JIAO B F Threedimensional electromagneticanalysis and design of permanent magnet retarderJ Frontiersof Mechanical Engineering in China，2010，5(4):438-441收稿日期:20210914(上接第 10 页)图 6优化前后功率谱密度对比图3结语忽略次要因素，对考虑一系、二系垂向减振器两端橡胶节点刚度的两级客车 uzicka 模型分析，得出以下结论。橡胶节点刚度对减振器的作用影响较大:节点刚度过小易导致减振器失效;过大会导致节点与减振器串联的线性程度变高，节点失效。二系节点刚度的增大能有效衰减构架和车体的振动;一系节点刚度对构架的中低频振动影响起衰减作用，但对构架的高频起到了放大作用，对车体的低频振动影响甚微，对高频振动衰减效果显著。一系、二系节点刚度处于合理区间时，一系、二系阻尼表现出对各自节点刚度的匹配性和适应性，一系阻尼的匹配程度要明显高于二系。二系节点刚度进一步增加，二系阻尼逐渐失去对节点刚度的匹配性，进一步表现为阻尼越小，对车体的衰减效果越显著。参考文献:1曾京，邬平波 减振器橡胶节点刚度对铁道客车系统临界速度的影响 J 中国铁道科学，2008，29(2):94-98 2CUI D B，LI L，JIN X S，et al Influence of vehicle parameters oncritical hunting speed based on uzicka modelJ ChineseJournal of Mechanical Engineering，2012，25(3):536-542 3CUI D B，LI L，JIN X S，et al Influence of vehicle parameters oncritical hunting speed based on uzicka modelJ ChineseJournal of Mechanical 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