郭文光 李德勝 葉樂志 張 凱 門 爽

(北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院， 北京 100124)

0 引言

隨著汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和道路交通的改善，重型車輛呈現(xiàn)出高速化、大噸位的發(fā)展趨勢，從而大幅度增加了車輛的制動負(fù)荷。因此，單一的機械制動系統(tǒng)已難以滿足重型車輛的制動要求。為保證重型車輛具有良好的行駛安全性、舒適性和經(jīng)濟性，解決車輛在下坡連續(xù)制動所導(dǎo)致的制動性能嚴(yán)重衰退問題，國外在重型車輛上普遍采用緩速器制動裝置[1]。緩速器作為一種汽車輔助制動裝置，按其工作原理不同主要分為以下5種：發(fā)動機緩速器、排氣制動緩速器、電渦流緩速器、液力緩速器和永磁緩速器[2]。在這幾種緩速器中,電渦流緩速器以其低速大扭矩、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點，在汽車輔助制動市場上得到了最為廣泛的應(yīng)用[3]。然而電渦流緩速器工作時需要消耗大量的電能，這對汽車蓄電池產(chǎn)生較大的沖擊，且由于采用風(fēng)冷方式散熱，持續(xù)制動時制動力矩?zé)崴ネ藝?yán)重[4-5]。

針對電渦流緩速器性能的不足，SHEN等[6]提出一種具有雙轉(zhuǎn)子盤的自勵式電渦流緩速器，該緩速器通過內(nèi)置永磁發(fā)電機實現(xiàn)自勵。NIAN等[7]提出一種基于永磁發(fā)電機的能量收回式制動系統(tǒng)。ZHANG等[8-9]提出一種自勵式電磁液冷緩速器，較好地解決了緩速器耗電和熱衰退等問題。然而，上述方案均利用永磁電機實現(xiàn)自勵，不可避免地帶來了成本問題，且并沒有充分將車輛制動能量回收再利用。

本文針對重型車輛制動，基于渦流制動和開關(guān)磁阻電機再生復(fù)合制動原理，提出一種能動型液冷式緩速器。通過建立渦流制動和電機再生數(shù)學(xué)模型，同時結(jié)合數(shù)值模擬方法，對該新型緩速器制動性能和發(fā)電性能進行研究。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

提出的能動型緩速器結(jié)構(gòu)上由液冷式電渦流緩速器和外轉(zhuǎn)子單相磁阻電機組成。液冷式電渦流緩速器由外形類似于圓環(huán)的定子、具有導(dǎo)磁凸極的轉(zhuǎn)子和一組獨立的勵磁線圈構(gòu)成；外轉(zhuǎn)子單相磁阻電機由磁阻電機定子、磁阻電機轉(zhuǎn)子、磁阻電機繞組和相位檢測部分構(gòu)成；緩速器轉(zhuǎn)子和磁阻電機轉(zhuǎn)子固定在轉(zhuǎn)子支架上，與汽車傳動軸一起旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。緩速器線圈在通入直流電后產(chǎn)生磁場，定子切割旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子發(fā)出的磁力線產(chǎn)生渦流，電渦流產(chǎn)生的磁場與勵磁線圈產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生制動力[10-14]。制動時定子上產(chǎn)生的熱量通過循環(huán)冷卻液帶走。開關(guān)磁阻電機運行時遵循磁阻最小原理，因磁場彎曲而產(chǎn)生切向的磁拉力，從而實現(xiàn)發(fā)電和電動的功能[15]。

圖1 新型能動型緩速器Fig.1 Structure diagram of new energy recovery retarder1.小磁鐵 2.相位檢測部分 3.緩速器轉(zhuǎn)子支架 4.磁阻電機線圈 5.緩速器勵磁線圈 6.冷卻水道 7.緩速器轉(zhuǎn)子 8.磁阻電機定子 9.磁阻電機轉(zhuǎn)子 10.轉(zhuǎn)子凸極 11.轉(zhuǎn)子齒連接部分

2 渦流制動電磁分析

2.1 電磁場數(shù)學(xué)模型

2.1.1靜態(tài)磁場

根據(jù)液冷式電渦流緩速器結(jié)構(gòu)的對稱性，只對模型的1/12進行計算和分析。當(dāng)緩速器的勵磁線圈被通入電流時，勵磁線圈產(chǎn)生的磁場圍繞轉(zhuǎn)子、氣隙和定子之間構(gòu)成回路，如圖2a所示。每個回路的等效磁路如圖2b所示。

圖2 電渦流緩速器靜態(tài)磁路圖Fig.2 Static magnetic circuit diagrams of eddy current retarder1.定子 2.磁路 3.線圈 4.轉(zhuǎn)子 5.水道 6.轉(zhuǎn)子凸極 7.電渦流

因此，將磁路中的磁阻簡化為

R=Rab+Rbc+Rcd+Rda

(1)

式中R——單個凸極齒磁路的總磁阻

Rab——定子部分總磁阻

Rcd——轉(zhuǎn)子部分總磁阻

Rbc、Rda——氣隙磁阻

轉(zhuǎn)子、定子均選用導(dǎo)磁率相對較高的鐵磁質(zhì)材料制成，它們的磁阻相對于氣隙磁阻很小。因此，定子部分總磁阻Rab和轉(zhuǎn)子部分總磁阻Rcd可忽略不計[16]。故單個凸極磁路的總磁阻為

(2)

式中L0——氣隙長度S——凸極面積

μ0——真空磁導(dǎo)率

在恒定磁場下，磁路中的磁動勢Φ=NI/R，再根據(jù)基爾霍夫定律[17]與式(2)可得氣隙磁場中的磁感應(yīng)強度為

(3)

式中N——線圈匝數(shù)I——勵磁電流

2.1.2瞬態(tài)磁場

電渦流緩速器工作時，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子凸極使定子內(nèi)表面感應(yīng)渦流。定子內(nèi)的渦流會產(chǎn)生磁動勢，該感應(yīng)磁動勢將對勵磁線圈的主磁場產(chǎn)生影響，即渦流磁動勢會影響原來氣隙磁場的大小和分布[18-20]。因此，氣隙磁場是由勵磁線圈產(chǎn)生的氣隙磁場和渦流產(chǎn)生的氣隙磁場的合成，根據(jù)式(3)得到的靜態(tài)氣隙磁場強度B0，可得

Bδ=B0+Bi

(4)

式中Bδ——氣隙內(nèi)的合成磁場

Bi——渦流產(chǎn)生的氣隙磁場

緩速器內(nèi)的瞬態(tài)電磁場滿足以下方程

(5)

(6)

J=σE

(7)

(8)

(9)

式中J——電渦流密度

μ——相對磁導(dǎo)率E——電場強度

σ——電導(dǎo)率t——時間

聯(lián)合式(5)～(9)得

(10)

聯(lián)合式(5)、(10), 可求得定子中的電渦流密度。渦流在定子上產(chǎn)生的功率為

(11)

其中

式中ω——轉(zhuǎn)子角速度

V——渦流等效趨膚深度的體積

r2——定子內(nèi)徑

b——轉(zhuǎn)子軸向長度

Δ——渦流等效趨膚深度

2.2 數(shù)值模擬

為了預(yù)測緩速器渦流制動性能，對電磁液冷緩速器進行有限元仿真，設(shè)計參數(shù)如表1所示。

2.2.1電磁場瞬態(tài)仿真

根據(jù)電渦流緩速器結(jié)構(gòu)的對稱性，同時考慮有限元分析計算的時間問題，分析模型簡化為1/12。在模型分析時，設(shè)定線圈中勵磁電流為60 A，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。瞬態(tài)氣隙磁場分布和渦流密度分布如圖3所示。由圖3a可以看出，勵磁線圈產(chǎn)生的磁通主要圍繞C型定子和轉(zhuǎn)子凸極構(gòu)成回路，且轉(zhuǎn)子凸極中間部分產(chǎn)生的磁通密度較小，而其兩端部分產(chǎn)生的磁通密度較大。轉(zhuǎn)子凸極的特殊形狀增大了氣隙磁密的強度，有一定的聚磁效果。由圖3b可以看出，渦流更集中轉(zhuǎn)子凸極下邊緣對應(yīng)的定子部分。

表1 電磁液冷緩速器的設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of cooling electromagnetic retarder

圖3 電磁場瞬態(tài)仿真結(jié)果Fig.3 Transient simulation results of electromagnetic field

2.2.2制動性能仿真

為了研究緩速器的渦流制動性能，將線圈勵磁電流分別設(shè)定在20、30、50、80 A下進行仿真，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)為0～2 000 r/min。仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，制動力矩隨著勵磁電流的增大而增大，不同勵磁電流下的制動力矩隨轉(zhuǎn)速的增加先快速增大，然后緩慢增大，最后趨于平穩(wěn)。當(dāng)勵磁電流為80 A，轉(zhuǎn)速在1 500 r/min時，緩速器制動力矩達到1 450 N·m。

圖4 不同勵磁電流下的制動力矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.4 Braking torque-current curves under different exciting currents

3 再生制動器電磁場分析

提出的能動型緩速器的能量回收功能是靠6/6的單相外轉(zhuǎn)子磁阻電機實現(xiàn)，該單相磁阻電機定子和轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)，均由硅鋼片制成。幾組勵磁線圈固定在定子上呈圓周均勻分布，當(dāng)勵磁線圈通電時，相鄰勵磁線圈產(chǎn)生的磁場極性相反，磁通在相鄰的定、轉(zhuǎn)子凸極上形成閉合磁路，如圖5a所示；等效電路如圖5b所示。

圖5 開關(guān)磁阻電機分析模型Fig.5 Analysis models of switched reluctance motor

3.1 電磁場數(shù)學(xué)模型

開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩可以通過對磁共能W′(i,θ)求θ的偏導(dǎo)得到，即

(12)

式中θ——轉(zhuǎn)子位置角W′——磁共能

im——第m組繞組兩段的勵磁電流

考慮到該磁阻電機線圈同時勵磁的工作模式，可得電機的合成轉(zhuǎn)矩由6組定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩疊加而成

(13)

根據(jù)法拉第定理和歐姆定律建立電路方程

(14)

其中

ψm=ψm(im,θ)=Lm(im,θ)im

圖6 磁場密度分布圖 Fig.6 Magnetic field density distribution diagrams

式中um——第m組繞組的端電壓

Rm——第m組繞組的電阻

ψm——第m組繞組的磁鏈

忽略功率二極管及鐵心飽和影響，求得第m組線圈的發(fā)電方程

(15)

式中ic——第m相繞組的續(xù)流電流

uc——第m相繞組兩端的換相電壓

Lm——第m相繞組的電感

3.2 數(shù)值模擬

為了預(yù)測緩速器再生制動性能，對開關(guān)磁阻電機進行有限元仿真，設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 開關(guān)磁阻電機的設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design parameters of switched reluctance motor

3.2.1靜態(tài)電磁場仿真

考慮到開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)的對稱性，將分析模型簡化為1/6。在模型分析時，設(shè)勵磁電壓為280 V，單組線圈匝數(shù)為260。圖6a、6b、6c分別為電感最小位置、電感上升位置和電感最大位置下的電機磁密分布圖。由圖6可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒中心線與定子齒槽中心線重合時，電機的氣隙磁密較小，在0～1.2×10-5T范圍內(nèi)；轉(zhuǎn)子齒中心線與定子齒中心線重合時，氣隙磁密較大，而定子軛部平均磁密為1.4 T左右。

3.2.2開通、關(guān)斷角優(yōu)化

以北汽福田生產(chǎn)的某款重型貨車為例，減速比i為5，車輪半徑r為0.5 m。車輛恒速下坡時車速在35 km/h，計算的變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速約1 000 r/min，因此在對電機進行仿真分析時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 000 r/min。

(1)固定關(guān)斷角、改變開通角

分析模型時，設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，關(guān)斷角為25°。圖7為不同開通角下仿真時的瞬態(tài)電流和輸出轉(zhuǎn)矩，隨著開通角依次增大，瞬態(tài)電流和輸出轉(zhuǎn)矩都依次上升。為了增大電機的制動力矩，同時盡可能地減少負(fù)力矩，開通角選擇為-1°。

圖7 固定關(guān)斷角，不同開通角下的一組線圈瞬態(tài)電流、輸出轉(zhuǎn)矩對比(θoff=25°)Fig.7 Comparison of transient current and braking torque under different opening angles and fixed off angle

圖8 固定開通角，不同關(guān)斷角下的一組線圈瞬態(tài)電流、輸出轉(zhuǎn)矩對比(θon=0°)Fig.8 Comparison of transient current and braking torque under different turn off angles and fixed opening angle

(2)改變關(guān)斷角、固定開通角

設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，開通角為0°。圖8為不同關(guān)斷角下仿真時的瞬態(tài)電流、輸出轉(zhuǎn)矩對比。隨著關(guān)斷角依次增加，瞬態(tài)電流的區(qū)間跨度增加，有利于提高制動轉(zhuǎn)矩。為了避免制動時產(chǎn)生較大的負(fù)力矩，選擇關(guān)斷角為24°。

3.2.3再生制動-轉(zhuǎn)速特性

為了研究再生制動-轉(zhuǎn)速特性，分別對磁阻電機的制動力矩-速度特性和發(fā)電電流-速度特性進行分析。圖9給出了最優(yōu)開通角、關(guān)斷角下的周期內(nèi)電機不同轉(zhuǎn)速下的制動力矩。由圖9可知，隨著轉(zhuǎn)速的增大，轉(zhuǎn)矩呈先增大后減少的趨勢。圖10給出了最優(yōu)開通角、關(guān)斷角下的周期內(nèi)電機不同轉(zhuǎn)速下的電流，由圖10可知，隨著轉(zhuǎn)速的增大，發(fā)電電流呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)轉(zhuǎn)速為750 r/min時，磁阻電機產(chǎn)生的再生電流最大。

圖9 電機不同轉(zhuǎn)速下的制動力矩Fig.9 Braking torque of motor at different speeds

圖10 不同轉(zhuǎn)速下的電流Fig.10 Current of a group of coils at different speeds

圖11 緩速器實物圖Fig.11 Physical diagram of active retarder1.拖動電動機 2.緩速器 3.冷卻水管 4.進水口 5.轉(zhuǎn)子支架 6.出水口 7.定子

4 試驗

為對設(shè)計的緩速器進行性能測試，搭建了試驗臺架，如圖11a所示。該試驗平臺主要由大功率驅(qū)動電機、變速箱、扭矩儀、電流互感器、電控柜、水冷系統(tǒng)等組成。根據(jù)表1和表2的設(shè)計參數(shù)，試制電磁液冷緩速器樣機，如圖11b所示。

4.1 空損力矩特性

空損力矩是指緩速器處于非制動工況時，定子內(nèi)存的空氣和轉(zhuǎn)子的剩磁給車輛傳動系統(tǒng)帶來的額外制動力矩?？論p力矩會影響車輛的啟動性能，增大車輛油耗，是緩速器性能的重要指標(biāo)。圖12給出了緩速器樣機在不同轉(zhuǎn)速下的空損力矩與空損功率，由圖12可知，空損力矩和空損功率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，空損力矩為12 N·m。

圖12 緩速器空損力矩與空損功率Fig.12 No-load loss torque and power of retarder

4.2 渦流制動特性

試驗時，將緩速器勵磁電流設(shè)定為80 A，勵磁電流由外部穩(wěn)壓電源提供。圖13給出了不同轉(zhuǎn)速下制動力矩的理論值與試驗值。由圖13的試驗值可知，制動力矩隨著轉(zhuǎn)速增加而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1 500 r/min繼續(xù)增加時，制動力矩增加很小，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到2 000 r/min時，制動力矩達1 460 N·m。在轉(zhuǎn)速小于1 000 r/min時，制動力矩理論計算值小于試驗值，當(dāng)在轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min時，制動力矩理論計算值大于試驗值，最大誤差為13%，這是由于緩速器材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率都受溫度的影響，有限元計算模型中沒有考慮溫度的影響。

圖13 理論與試驗制動力矩-轉(zhuǎn)速特性曲線對比Fig.13 Comparison diagram of calculations and experiments of braking torque and speed

為了測試緩速器持續(xù)下坡時的制動能力，將轉(zhuǎn)速設(shè)為1 000 r/min，勵磁電流設(shè)為80 A，持續(xù)制動12 min。圖14給出了緩速器制動力矩?zé)崴ネ饲€。由圖14可知，緩速器初始制動力矩為1 260 N·m，工作12 min后，制動力矩下降至1 071 N·m，下降了15%。由此看出，液冷式緩速器具有良好的抗熱衰退性能。

圖14 制動力矩?zé)崴ネ饲€Fig.14 Curve of braking torque heat-fade

4.3 磁阻電機制動發(fā)電特性

當(dāng)車輛下坡持續(xù)制動時，為了保持車速穩(wěn)定在30～40 km/h[21]，緩速器一般設(shè)置在恒定的擋位，用主制動器配合制動。假設(shè)車速恒定在35 km/h時，轉(zhuǎn)換到磁阻電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。

為了研究車輛在恒速下坡制動時，緩速器制動發(fā)電特性，將轉(zhuǎn)速設(shè)定在1 000 r/min，設(shè)定開通角和關(guān)斷角分別為-1°、24°進行試驗。圖15給出了磁阻電機電流試驗值和仿真計算值的對比曲線，由圖15的試驗值可知，緩速器功率可達96 kW。滿擋時，渦流制動消耗的功率為2 kW的功率，可知蓄電池可回收的功率為94 kW;一個周期的試驗有效電流與理論計算誤差為14%，誤差可能來源于模型的簡化和測量精度。

圖15 電機瞬態(tài)電流試驗值和仿真計算值的對比曲線Fig.15 Comparison curves between experimental and calculated currents in a coil

4.4 磁阻電機電動特性

由上述分析可知，緩速器制動時回收的能量遠(yuǎn)超過渦流制動所需要的，且考慮到重型車輛啟動和爬坡時耗油量較大，利用開關(guān)磁阻電機的電動性能，將回收的能量用于車輛啟動和爬坡達到助力的效果，因此通過臺架試驗研究了磁阻電機電動特性。圖16給出了電機在低速的驅(qū)動力矩。由圖16可以看出，驅(qū)動力矩隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速為125 r/min時，最大的驅(qū)動力矩為1 250 N·m。圖17給出了電機在低速時驅(qū)動所需的電流。由圖17可以看出驅(qū)動電流隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小。

圖16 電機在低速時的驅(qū)動力矩Fig.16 Driving torque of motor at low speed

5 結(jié)論

(1)提出了一種能動型液冷緩速器，建立了數(shù)學(xué)分析模型，采用有限元法分析了電磁液冷緩速器和磁阻電機內(nèi)的電磁場分布，并對緩速器的制動性能、發(fā)電性能和低速驅(qū)動性能進行了試驗研究。

圖17 電機在低速驅(qū)動時需要的電流Fig.17 Current required for motor at low speed

(2)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min時，緩速器渦流制動力矩達到1 260 N·m；持續(xù)制動12 min，制動力矩僅下降15%，具有良好的抗熱衰退性能。

(3)當(dāng)車輛下坡制動時，回收功率可達94 kW，大幅度降低重型車輛燃油消耗。開關(guān)磁阻電機在實現(xiàn)再生制動和電驅(qū)動時，產(chǎn)生和消耗的電流較大，需配上一組超級電容。