1、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
2、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 Ou
3、tput 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
4、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 permanen
5、t 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 b
6、raking 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
7、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;lin
8、ear 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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，
14、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/
15、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
16、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