葉樂志， 李祥利， 李德勝

(北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部， 北京 100124)

隨著我國道路運輸水平的提高和車輛動力技術(shù)的發(fā)展，車輛的貨運量和行車速度都在不斷提升，車輛主制動器制動負荷大及持續(xù)制動引起的安全問題越來越突出[1-3]. 電渦流緩速器作為一種輔助制動裝置，利用渦流制動原理將動能轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)車輛的制動[4-7]. 渦流制動技術(shù)已在電機調(diào)速、磁懸浮列車、渦流傳動和升降裝置等領(lǐng)域得到應(yīng)用，備受國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[8-10].

緩速器按工作原理主要包括發(fā)動機緩速器、排氣制動緩速器、永磁緩速器、電渦流緩速器和液力緩速器. 其中，電渦流緩速器具有響應(yīng)快、價格低及制動轉(zhuǎn)矩范圍廣等優(yōu)點，已成為重載車輛的標(biāo)準配置[11-12]. 但是，電渦流緩速器在持續(xù)制動時產(chǎn)生大量熱，制動轉(zhuǎn)矩衰退嚴重，可靠性降低. 針對這種問題，湖南大學(xué)馮垚徑教授等設(shè)計了一種油冷卻系統(tǒng)進行降溫，并運用流體仿真的方法分析了在油冷卻系統(tǒng)下的轉(zhuǎn)子溫度分布[13]；江蘇大學(xué)何仁教授等利用Galerkin法推導(dǎo)出電渦流緩速器轉(zhuǎn)子盤的溫度場有限元方程，分析了轉(zhuǎn)子盤沿徑向和軸向的溫度場分布[14]；北京工業(yè)大學(xué)李德勝教授等提出了一種采用水冷卻系統(tǒng)的雙凸極電渦流緩速器，在定子上開有冷卻水道，將定子上產(chǎn)生的熱量及時帶走[15-17]. 這些研究對傳統(tǒng)緩速器的冷卻方式進行了改進[18-20]，但都未考慮溫度對線圈電阻特性的影響，線圈溫度升高導(dǎo)致線圈電阻增加，造成勵磁穩(wěn)定性降低.

本文提出了一種線圈水冷式電渦流緩速器，該緩速器采用車橋安裝方案，設(shè)計了緩速器整車水路和控制電路. 通過電磁數(shù)值模擬方法分析緩速器車載時的靜態(tài)氣隙磁通密度，求得傳動軸處的漏磁占比，通過有限元法得到緩速器和線圈的溫度場分布，研究了瞬態(tài)溫度對勵磁電流和制動轉(zhuǎn)矩的影響. 試制了緩速器樣機并進行了臺架試驗與車載試驗，該項研究可用于解決電渦流緩速器長時間制動產(chǎn)生高溫導(dǎo)致線圈勵磁不穩(wěn)定、制動轉(zhuǎn)矩衰退等問題.

1 緩速器方案設(shè)計

1.1 緩速器結(jié)構(gòu)及工作原理

本文提出了一種緩速器定子和勵磁線圈為水冷散熱方式的電渦流緩速器，如圖1所示，主要由定子、轉(zhuǎn)子齒、線圈、轉(zhuǎn)子連接件、不銹鋼板、入水口和出水口等組成，緩速器定子上開有內(nèi)外圈水道，緩速器定子部分與不銹鋼板又構(gòu)成線圈水道，定子內(nèi)外圈水道與線圈水道連通.

圖1 線圈水冷式電渦流緩速器Fig.1 Coil water-cooled eddy current retarder

緩速器制動時，勵磁線圈接入直流電，緩速器轉(zhuǎn)子、定子和上下氣隙會產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使磁場發(fā)生周期性變化，定子切割磁力線從而感應(yīng)出渦流，渦流激發(fā)感生磁場并與原磁場作用產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩. 汽車緩速時將汽車動能轉(zhuǎn)化為熱能，此過程伴隨渦流損耗及線圈焦耳損耗，導(dǎo)致緩速器定子和線圈溫度升高. 因此，需要對緩速器進行降溫，冷卻液從緩速器入水口流入，按照連通器原理分3路進行冷卻，如圖2所示，將緩速器定子與線圈生成的熱量帶走.

圖2 水冷式緩速器冷卻水路Fig.2 Coil water-cooled retarder cooling water circuit

1.2 緩速器安裝方案

緩速器在裝車使用時，一般將制動轉(zhuǎn)矩作用到傳動軸上，使車輛減速. 本文設(shè)計的線圈水冷式電渦流緩速器在車上使用時，所采用的安裝方案是將其與車輛的后橋連接，結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 緩速器車橋安裝Fig.3 Retarder axle installation

為了對緩速器冷卻降溫，需要對車輛的水路進行新的布置. 對原有的整車水路進行改變，使發(fā)動機的冷卻液通過緩速器，將緩速器制動過程中產(chǎn)生的熱量不斷循環(huán)帶走并散發(fā)，整車水路設(shè)計如圖4所示. 冷卻液先經(jīng)過發(fā)動機將發(fā)動機水套壁的熱量帶走，再流入緩速器將緩速器定子和勵磁線圈產(chǎn)生的熱量帶走，這時需對冷卻液的溫度進行判斷. 當(dāng)溫度高于90 ℃時，緩速器出來的冷卻液需要經(jīng)過散熱水箱將熱量散發(fā)，然后流回發(fā)動機，若溫度小于90 ℃，緩速器出來的冷卻液經(jīng)過節(jié)溫器流回發(fā)動機.

圖5 電渦流緩速器單片機控制方式原理Fig.5 Principle of single-chip microcomputer control mode of eddy current retarder

圖4 緩速器的整車水路設(shè)計Fig.4 Waterway design of the retarder

1.3 緩速器控制原理

線圈水冷式電渦流緩速器在裝車使用時，勵磁線圈激發(fā)磁場需要外接電源，同時也需要根據(jù)車輛實際行駛狀況調(diào)整緩速器制動轉(zhuǎn)矩的大小及緩速器的開關(guān)，對于線圈水冷式電渦流緩速器采用單片機進行控制，其控制原理如圖5所示. 控制單元由電子控制盒、車輛運行狀態(tài)傳感器、功率變換器、擋位指示燈、手控擋位開關(guān)和緩速器等組成.

車輛運行時，車輛運行狀態(tài)的信號傳遞至單片機，單片機通過PWM波控制MOS管的通斷. 通過改變占空比調(diào)節(jié)勵磁電流大小，進而調(diào)整制動轉(zhuǎn)矩的大小.

2 電磁場分析

2.1 緩速器電磁場模型

緩速器進行磁場分析時，由于轉(zhuǎn)子連接件、不銹鋼板采用非導(dǎo)磁材料，因此在建立電磁模型時不必考慮. 連接上下2層水道的中間水道及進出水口等對磁路影響不大的細節(jié)都進行了簡化，圖6所示為緩速器的1/12模型，尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

圖6 模型尺寸參數(shù)Fig.6 Model size parameter diagram

2.2 緩速器漏磁分析

氣隙磁通密度是影響緩速器制動轉(zhuǎn)矩大小的關(guān)鍵因素[21]，磁路如圖7所示，緩速器在裝車使用時，車體框架及傳動軸處的漏磁影響氣隙處的工作磁通密度. 因此需要設(shè)計隔磁裝置，減少非工作磁通.

表1 緩速器設(shè)計參數(shù)

圖7所示為車體框架、緩速器和傳動軸的漏磁簡化模型. 傳動軸與車體框架尺寸參數(shù)滿足

(1)

圖7 漏磁簡化模型Fig.7 Simplified model of magnetic flux leakage

為減少漏磁，設(shè)計了隔磁裝置. 如圖8所示，線圈通入不同電流時，監(jiān)測在不同厚度的隔磁裝置下緩速器上渦流面、下渦流面和傳動軸端面處磁通量，得到傳動軸處漏磁通比例. 在勵磁電流為40 A的情況下，隨著隔磁裝置厚度的增加，傳動軸端面處漏磁由21.2%逐漸降到3.4%. 在隔磁裝置厚度大于30 mm時，隨隔磁裝置厚度的增加漏磁比例下降不明顯. 當(dāng)勵磁電流增加時，隨著緩速器工作磁通的飽和，施加隔磁裝置后，傳動軸處的非工作磁通還未飽和，傳動軸端面處漏磁比例隨著勵磁電流的增加逐漸升高.

圖8 漏磁比例Fig.8 Ratio of magnetic flux leakage

3 緩速器溫度場分析

3.1 緩速器磁- 熱耦合模型

車輛制動時，通過線圈水冷式電渦流緩速器將車輛的大部分動能轉(zhuǎn)換為熱能，熱能通過冷卻液和對流等方式對緩速器進行降溫. 但在長時間制動情況下，緩速器產(chǎn)生的熱能不能及時散發(fā)會影響緩速器的制動性能. 本文采用電磁場、溫度場和流體場等多場耦合的方法分析緩速器制動性能，主要考慮緩速器在持續(xù)制動時，溫度上升導(dǎo)致定子材料的電導(dǎo)率及線圈的勵磁電流下降對緩速器制動性能的影響，計算流程如圖9所示.

圖9 耦合計算流程Fig.9 Coupling calculation process

首先，分別建立緩速器的瞬態(tài)電磁場、定子溫度場和線圈溫度場的有限元模型. 設(shè)置有限元模型的初始條件，對電磁場進行計算. 以渦流損耗功率為熱源，計算緩速器定子溫度場，將更新后的定子溫度賦予電磁場，修正定子材料的電磁參數(shù)，將定子溫度場中冷卻液的溫度賦予線圈的冷卻液；以線圈焦耳損耗功率為熱源，計算線圈溫度場，將更新后的線圈溫度賦予電磁場，修正線圈的勵磁電流. 此時，電磁場開始新的計算，經(jīng)過多次迭代，當(dāng)工作時間為12 min時，停止計算.

在瞬態(tài)電磁場計算中，由初始條件計算出緩速器的制動轉(zhuǎn)矩，迭代過程中考慮定子材料的相對磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系，如圖10所示.

圖10 電磁特性溫度曲線Fig.10 Electromagnetic characteristic temperature curve

線圈的勵磁電阻與溫度關(guān)系為

R=R0[1+αt(t-t0)]

(2)

式中：R和R0分別為溫度為t和t0時的電阻值；αt為電阻溫度系數(shù).

3.2 緩速器溫度場模型

緩速器由于長時間承擔(dān)制動任務(wù)，本體溫度上升，對緩速器制動性能會產(chǎn)生很大影響. 緩速器溫度主要是由勵磁線圈的焦耳損耗功率(Pc)和定子的渦流損耗功率(Ps)引起. 為研究緩速器裝車使用時，線圈電阻特性及定子電磁特性由于Pc和Ps發(fā)生變化對制動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的影響，建立了緩速器定子溫度場計算模型，如圖11所示. 定子外圈水道、定子內(nèi)圈水道和線圈水道通過冷卻液以強制對流的方式進行降溫，其他部分則通過自然對流、熱傳導(dǎo)和輻射的方式將熱量散發(fā).

在緩速器定子溫度場計算模型中，由于線圈部分被等效為環(huán)形零件，不能體現(xiàn)銅導(dǎo)線的電阻特性，為得到緩速器線圈電阻特性隨溫度的變化，建立了線圈的二維分析模型，如圖12所示. 絕緣線、銅導(dǎo)線和冷卻液之間以熱傳導(dǎo)傳遞熱量，絕緣線與冷卻液之間以強制對流方式冷卻.

緩速器內(nèi)部各接觸件之間以熱傳導(dǎo)方式進行熱量傳遞，其熱傳導(dǎo)方程為

(3)

式中：Qt為熱傳導(dǎo)的熱流量；λ為熱導(dǎo)率；A為接觸件的接觸面積；Δtm為傳導(dǎo)的平均溫差；δ為傳導(dǎo)的距離.

部件與外界環(huán)境之間主要是通過熱對流和輻射的方式傳遞熱量，傳熱方程為

Qd=λsεCs(Tw-Tf)+Achc(Tw-Tf)

(4)

式中:Qd為熱對流和輻射的熱量；Ac為傳熱面積；ε為表面發(fā)射率;Cs為黑體輻射常數(shù);hc為對流換熱系數(shù)；Tw和Tf分別為部件的表面溫度和環(huán)境溫度.

圖11 緩速器定子溫度場計算模型Fig.11 Calculation model of stator temperature field of retarder

圖12 線圈溫度場計算模型Fig.12 Coil temperature field calculation model

3.3 緩速器溫度場分析

緩速器工作時，在與轉(zhuǎn)子齒相對的定子工作面上產(chǎn)生渦流，該渦流損耗功率可作為熱源，大小可等效為制動功率. 持續(xù)制動功率如圖13所示，為采用電磁場、溫度場和流體場等多場耦合的方法，得到緩速器上下渦流面產(chǎn)生的功率. 其中，上渦流面制動功率衰退約為14.4%，下渦流面制動功率衰退約為23.0%.

定子渦流損耗部分的生熱率為

(5)

式中：Vs為定子上渦流損耗部分的等效體積;T為緩速器制動力矩;ω為轉(zhuǎn)子角速度.

緩速器工作時，勵磁線圈激發(fā)磁場，銅導(dǎo)線會產(chǎn)生大量熱，該熱源為焦耳損耗功率，其銅損功率如圖14所示.

圖13 緩速器持續(xù)制動功率Fig.13 Retarder continuous braking torque

圖14 線圈銅損功率Fig.14 Coil copper loss power

線圈銅導(dǎo)線部分的生熱率為

(6)

式中：U為線圈電壓；Rc為線圈電阻；Vc為銅導(dǎo)線的等效體積.

緩速器的冷卻液來自發(fā)動機，在溫度場計算中，緩速器的入水口流量為1.2 kg/s，初始溫度60.0 ℃，出口壓力為標(biāo)準大氣壓. 緩速器持續(xù)制動12 min，得到其溫度分布如圖15(a)所示，最高溫度出現(xiàn)在定子部分的渦流區(qū)域，為353.1 ℃. 圖15(b)所示為水道壁面的溫度分布，高溫區(qū)域與緩速器定子的高溫區(qū)域相對應(yīng)，最高溫度為162.2 ℃. 圖15 (c)所示為線圈銅導(dǎo)線的溫度分布云圖，由線圈外圍向線圈內(nèi)部溫度逐漸升高，最高溫度為171.25 ℃.

圖15 溫度分布云圖Fig.15 Temperature distribution cloud map

如圖16所示，分析緩速器的溫度場得到上渦流面、下渦流面的平均溫度變化曲線，在0～40 s內(nèi)，由于上渦流面先被冷卻液冷卻，因此這部分溫度先穩(wěn)定，在40～150 s內(nèi)，下渦流面的溫度高于上渦流面溫度，并逐漸穩(wěn)定. 圖17所示為線圈和冷卻液的平均溫度，冷卻液穩(wěn)定溫度為87 ℃，線圈穩(wěn)定溫度為157 ℃.

圖16 工作面溫度曲線Fig.16 Working face temperature curve

圖17 線圈和冷卻液溫度變化Fig.17 Temperature change of coil and coolant

4 試驗研究

4.1 緩速器樣機臺架試驗

為驗證線圈水冷式電渦流緩速器的制動性能，搭建了緩速器制動性能測試的試驗臺架，如圖18所示. 試驗臺架由驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)矩/速度傳感器、熱電偶測溫儀、緩速器、溫度傳感器(包括熱電偶式和紅外非接觸式)、電池和特斯拉計等組成. 為測試線圈水冷式電渦流緩速器的轉(zhuǎn)速- 轉(zhuǎn)矩性能，試制了定子和線圈為水冷結(jié)構(gòu)的電渦流緩速器樣機，同時對風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)電渦流緩速器樣機進行了測試，利用現(xiàn)有儀器采集樣機工作時的轉(zhuǎn)速、制動轉(zhuǎn)矩、溫度和磁通密度等參數(shù)，如圖19所示.

圖18 緩速器臺架試驗平臺Fig.18 Retarder bench test platform

圖19 緩速器樣機Fig.19 Prototype of retarder

4.2 轉(zhuǎn)矩特性試驗

緩速器在工作過程中，根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同制動轉(zhuǎn)矩也會發(fā)生相應(yīng)變化. 為探究緩速器的轉(zhuǎn)速- 轉(zhuǎn)矩性能，在試驗臺架上測試不同轉(zhuǎn)速下的緩速器制動轉(zhuǎn)矩. 線圈通入一定勵磁電流，測試不同轉(zhuǎn)速時的制動轉(zhuǎn)矩，圖20中為制動轉(zhuǎn)矩的試驗值和仿真值，可以看出緩速器轉(zhuǎn)矩的試驗值與仿真值在轉(zhuǎn)速1 000 r/min時誤差約為9.7%，且仿真值大于試驗值. 造成該誤差的可能原因是本組測試是在轉(zhuǎn)速達到目標(biāo)值的瞬時測得，不是穩(wěn)定值. 該瞬時測量值由多組數(shù)據(jù)組成，測量過程中，緩速器溫度升高，轉(zhuǎn)矩會受到溫度的影響，而仿真并未考慮溫度影響，故仿真轉(zhuǎn)矩值會略大于測試轉(zhuǎn)矩值.

圖20 不同轉(zhuǎn)速下的制動轉(zhuǎn)矩Fig.20 Braking torque at different speeds

緩速器持續(xù)工作時，產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)導(dǎo)致緩速器定子和線圈溫度升高. 定子材料的電磁特性及勵磁線圈的電阻特性會隨著溫度發(fā)生變化，影響緩速器的制動力矩，一段時間后緩速器制動特性穩(wěn)定.

熱衰退率是評價緩速器持續(xù)制動性能的指標(biāo)，為

(7)

式中：Fhf為熱衰退率；Tmax為瞬態(tài)制動轉(zhuǎn)矩；Ts為持續(xù)制動結(jié)束時的制動轉(zhuǎn)矩.

圖21 制動轉(zhuǎn)矩和溫度隨時間變化的曲線Fig.21 Curve of braking torque and temperature with time

對水冷和風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的2種電渦流緩速器進行6 min的持續(xù)制動臺架試驗，制動轉(zhuǎn)矩隨時間變化的曲線如圖21所示. 最初，2種類型緩速器的制動轉(zhuǎn)矩相同，約為610 N·m. 但隨著制動時間的增加，風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的緩速器定子溫度達到480 ℃，制動轉(zhuǎn)矩下降至290 N·m，熱衰退率為52.5%. 水冷結(jié)構(gòu)的緩速器定子溫度約70 ℃，制動轉(zhuǎn)矩下降至490 N·m，熱衰退率為19.8%. 可以看出，本文設(shè)計的線圈水冷式電渦流緩速器與傳統(tǒng)電渦流緩速器比較，持續(xù)制動性能大幅提升.

4.3 車載道路試驗

將試制的線圈水冷式電渦流緩速器樣機安裝在車輛型號為歐馬可S5- 180的貨車上，如圖22所示，對緩速器進行車載試驗，試驗車輛的整車參數(shù)如表2所示.

圖22 緩速器車載試驗Fig.22 Vehicle test of retarder

表2 整車參數(shù)

圖23所示為車載道路試驗下坡路段制動時，緩速器的進出水口溫度，可以看出當(dāng)緩速器冷卻液溫度達到設(shè)定值時，冷卻液需經(jīng)過散熱水箱(大循環(huán))，通過散熱風(fēng)扇降溫，否則冷卻液通過節(jié)溫器(小循環(huán)).

圖23 下坡段緩速器溫度測試Fig.23 Temperature test of retarder in downhill section

進行車載道路試驗時，車輛制動研究為3種，包括緩速器制動、發(fā)動機制動、排氣制動等多種制動狀態(tài)下的減速度特性，測量了車輛的制動時間和制動減速度. 表3所示為車輛初始速度為50 km/h、制動終速度為30 km/h、試驗車輛質(zhì)量分別為8 t和18 t時的制動結(jié)果.

表3 緩速器車載特性試驗研究

5 結(jié)論

1) 提出了一種定子和勵磁線圈都采用水冷散熱方式的電渦流緩速器，采用有限元法分析計算了由于傳動軸帶來的漏磁磁通，針對漏磁現(xiàn)象提出有效的解決辦法，減少緩速器工作部分磁通的泄漏，漏磁比例由21.2%降至3.4%.

2) 緩速器持續(xù)制動時，定子溫度與勵磁線圈溫度對制動性能影響很大，采用多場耦合法分析緩速器持續(xù)制動12 min情況下，上渦流面制動功率衰退為14.4%，下渦流面制動功率衰退為23.0%.

3) 研制了安裝在后橋上的線圈水冷式電渦流緩速器樣機并進行臺架試驗. 臺架試驗表明在轉(zhuǎn)速1 000 r/min時，線圈水冷結(jié)構(gòu)的緩速器轉(zhuǎn)矩為610 N·m，試驗值與仿真值誤差在9.7%以內(nèi)，持續(xù)制動6 min制動轉(zhuǎn)矩?zé)崴ネ寺蕿?9.8%. 緩速器車載試驗中，在滿載18 t時，試驗車輛最大制動減速度達到0.61 m/s2.