自励式缓速器的设计与试验研究

图１自励式缓速器示意图
３ 缓速装置的参数设计
２永磁体和软磁体工作点的选择
自励式缓速器关键部件的材料主要是永磁材料
和软磁材料。在永磁回路中，采用一些软磁材料，以
便尽量减少磁阻，增大关键部件的磁通密度。在理
想磁路中，没有漏磁，没有内阻，没有工作点的分散，
永磁体发出的磁通量都导人气隙中。
２．１永磁材料工作点的选择
围内，转子处于受压状态，这时转子类似于实心结
构。紧圈采用单一非磁性材料，要求其机械强度和
热膨胀系数尽可能匹配，且要求高电阻率。紧圈的
焊接采用电子束焊或激光焊较好，焊区窄、受热范围
小、焊缝强度高。这种紧圈本身增加了等效气隙长
度，会影响到发电装置的性能，但有利于减小转子表
面损耗。
４．３电枢绕组的参数确定
数和线圈直径之间的关系。
４．４发电装置的电磁转矩
自励式缓速器的发电装置采用径向结构的稀土
永磁发电机，电磁转矩【＿列由作用于转子上的切向电
磁力产生。Ｍａｘｗｅｌｌ张量法是计算电机电磁转矩的
常用方法，作用在转子上的切向电磁力密度为
１
Ｚ＝２－Ｂ。曰； 鳓
（１４）
式中：召。、曰。分别为发电装置的气隙磁场密度的径
自励式缓速器的励磁线圈可以假设为发电装置
的纯电感负载，因此可以采用纯电感负载法来估算
发电装置所需永磁体体积，此时其外特性大致呈直
线变化，根据外特性ｃｏｓ９＝０时额定功率ＰⅣ的公式
得到永磁体体积与发电装置容量及永磁体性能之间
的关系¨Ｊ：
（ｎ）一：。盯。‰碍
Ｖ’肼＝
（１２）
Ｂ，Ｈｃ
Ｋｔ一１
式中：％为空载漏磁系数；蜀为短路电流倍数；如
了上述的电源匹配和能量消耗等问题。
１结构与工作原理
自励式缓速器是一种带有发电装置的电涡流缓 速器，它由定子和转子组成，分为发电装置和缓速装 置两部分，如图１所示，实际上就是在原来的转筒式 电涡流缓速器内部增加一套发电装置。自励式缓速 器不需要车载蓄电池或发电机为其励磁线圈提供电 流，没有附加能耗，同时也避免了对其它车载用电设 备的冲击。其工作原理是：在车辆减速或制动过程 中发电装置以车辆行驶惯性为原始能量，将车辆的 动能转化为电能；然后，用自发电能为电涡流缓速装 置的励磁线圈供电，实现减速或制动的目的。当车 辆正常行驶时，发电装置有端电压但励磁线圈中没 有电流，缓速器不执行缓速；当驾驶员松开加速踏板 或踩下制动踏板时，接通励磁线圈后在转筒上形成
向和切向分量。
对Ｚ沿半径为ｒ的闭合气隙圆周积分得到电磁 转矩的解析表达式为
乙＝抄即川
（１５）
自励式缓速器的制动转矩ｒ＝乃＋乙，通过有限 元计算可知，电磁转矩较小，因此自励式缓速器的制 动转矩主要还是缓速装置的制动转矩。表１为自励 式缓速器的结构设计参数。
表１ 自励式缓速器的结构参数
发电装置
电涡流缓速装置
在选定缓速器部件材料，确定结构参数后，即可
求得磁动势咖。。
励磁绕组匝数
Ｎ＝咖。／Ｃ
（５）
励磁电流Ｌ由发电装置直接提供，可求得励磁
绕组匝数Ｊ７＼ｒ。
万方数据
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汽车工程
２０１０年（第３２卷）第３期
又又瓯哙划耻ｃ ２嘉葫＝２尝磊
㈤∞）
式中：Ｕ为额定电压（发电装置端电压），Ｖ；＆为导
线截面积，ｍ２；Ｚ为绕组的平均周长，ｍ；ｐ铜为铜线的 电阻率；ｄ。为导线直径，ｍ。
ｌ—缓速器铁芯２一发电装置定子齿槽３一永磁体 ４—永磁体支架５一转筒散热片６一转筒内壁 ７＿定予８一转子
在第二象限的退磁曲线的拐点。工作点应在退磁曲 线的拐点之上，否则工作状态时涡流等因素产生的 去磁现象会使钕—铁一硼永磁体产生不可逆的退磁。 ２．２软磁体工作点的选择
自励式缓速器磁路中的定子、铁芯和转筒都是 由铁磁材料中软磁材料构成的软磁体。软磁材料的 特点是：相对磁导率较高，组成磁路的磁阻较小；矫 顽力很小，当外界磁场消失后，磁性会自行消 除【４。１。定子、铁芯和转筒等软磁体的工作点可根 据所用软磁材料的磁化曲线来确定。为使缓速器性 能可靠，各软磁体工作点的选择适当偏低为好，以使 缓速器制动功率有裕量。例如对低碳钢，其磁饱和 时磁感应强度为２．２Ｔ，而通常初始工作点的选取范 围是Ｂ为１．１—１．７Ｔ。
ｍａｇｎｅｔ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ａ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｓｅｌｆ－ｅｘｃｉｔｅｄ ｒｅｔａｒｄｅｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ａ ｓｅｌｆ－ｅｘｃｉｔｅｄ ｒｅｔａｒｄｅｒ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｗｉｔｈ ａ ｂｒａｋｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ５００Ｎ·ｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｔｅｓｔｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｅｓｔｓ ｏｎ ｂｒａｋｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｒｏｔｏｒ ｔｅｍ· ｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ １ ５００ｒ／ｍｉｎ ｍｏｔｏｒｉｎｇ ｔｅｓｔ ａｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｔｅｓｔ ｂｅｎｃｈ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｅｌｆ－ｅｘｃｉｔｅｄ ｒｅｔａｒｄｅｒ ｒｅｖｅａｌｅｄ．
＼
＋ ４２ ｅ口２０雌“△＾／／２㈩
式中：ｒ为制动转矩；ｅ＝２．７１８；厶为气隙长度，ｍ；Ｎ
为励磁线圈匝数；Ｌ为励磁电流（发电装置的输出电
流），Ａ；砌为真空磁导率，／１，ｏ＝４订Ｘ １０～Ｈ／ｍ。
３．１励磁线圈的匝数计算
励磁磁动势【３１
咖。：以：４—ｐＬ—ｏ＋＿Ｊｌ互－ｅａ—２ａ刊ｔｔｔｏＡｈ （４）
经验公式‘７１为
ＤｚＬ： 鱼：！！！
ａｉＫＢＫｌ ＡＢ６ｎ 式中：Ｐ’为电磁功率；ａｉ为极弧系数（可取为１）；％ 为磁场波形系数；民。为电枢基波绕组系数；ｎ为转
速；Ａ为电负荷；见为磁负荷。
上式中Ｄ和￡与缓速装置的尺寸有关；而确定
电负荷和磁负荷（气隙磁场）后，则可确定发电装置
的永磁体尺寸。
４．１估算永磁体的体积
了自励式缓速器的空间体积。在确定磁轭面积后， 由实际安装车型的安装位置和所需要空间体积按式 （９）和式（１０）确定转筒的内半径ｒ，和宽度肘。
４发电装置的参数设计
自励式缓速器发电装置的设计要与缓速装置相 匹配，首先在结构上要受到缓速装置的限制，其次发
电装置的额定功率、额定转速、频率、输出电流和电 压等要与缓速装置相一致。结合缓速装置尺寸和自 励式缓速器制动所需功率确定自励式缓速器发电装 置的主要尺寸（电枢内径Ｄ和电枢长度Ｌ）。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ；ｓｅｌｆ－ｅｘｃｉｔｅｄ ｒｅｔａｒｄｅｒ；ｄｅｓｉｇｎ；ｔｅｓｔ
前言
车用电涡流缓速器作为一种非接触式辅助制动 装置，承担了部分制动负荷，减少了主制动系统的使 用，延长了主制动系统的使用寿命，有效降低制动盘 或制动鼓的温升，提高制动效能，增强了车辆行驶安 全性。电涡流缓速器的主要缺陷在于工作时消耗大 量的电能，对汽车的蓄电池、发电机和其它电子设备 带来冲击。在城市公共交通线路上，缓速器的工作 频次较高，此时，车载发电机和蓄电池是否能够满足 用电的需求就成了问题的关键，装有电涡流缓速器 的客车须注意对其电源系统进行匹配…，文献［２］ 分析了电涡流缓速器的耗电问题。文中在江苏大学 完成的转筒式电涡流缓速器设计旧１的基础上，提出 并设计了一种带有自发电装置的自励式新型电涡流 缓速器，并对样机进行试验分析。这种缓速器避免
电枢绕组在保证发电装置输出功率的情况下．
也要使槽满率在一定的范围之内，因为过大的槽满
万方数据
２０１０（Ｖ０１．３２）Ｎｏ．３
沈海军，等：自励式缓速器的设计与试验研究
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率会影响发电装置在工作时的有效散热，同时由于
高频情况下电流的集肤效应，过大的槽满率可能会
使电流击穿线圈绝缘层，因此要正确协调线圈的匝
Ｐ：２Ｎ；二ｒ１２｝２０兰一（２２曲
３ｐ
式中：Ｍ为磁极对数，一般取Ⅳｐ＝４、５或６；ａＴ为气
隙磁场变化角速度，ｒａｄ／ｓ；Ｓ极为气隙的磁轭面积，
ｍ２；口为磁极沿转筒周向长度（磁极宽度）；Ａｈ为电
涡流有效透入深度，ｍ；曰为气隙磁场的磁感应强度，
Ｔ；ｐ为转筒电阻率，Ｑ·ｍ。
根据Ｐ＝ｒ∞
（２）
得ｚ＝学Ａｈ（磊４Ｐｉ搿ｚ。Ｎｌ删。１４０Ｌｏ ｊｐ
２０１０年（第３２卷）第３期
汽车工程
Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１０（Ｖ０１．３２）Ｎｏ．３ ２０１００５４
自励式缓速器的设计与试验研究枣
沈海军，何仁，杨效军
（江苏大学汽车与交通工程学院，镇江２１２０１３）
［摘要］基于转筒式电涡流缓速器与永磁发电机功能相结合的思想，提出了一种自励式电涡流缓速器的方 案，并设计和制造了制动转矩为５００Ｎ·ｍ的自励式缓速器样机。最后在台架上进行了自励式缓速器的制动转矩、 转筒温度和１ ５００ｒ／ｍｉｎ拖磨试验，揭示了自励式缓速器的某些特性。 关键词：车辆；自励式缓速器；设计；试验
口３ｂ＝０．５１２×１０一ｍ４。
图３缓速器铁芯示意图
磁轭面积为
Ｓ轭＝Ｓ极／３
（９）
式中：卢为磁轭系数，卢＝１．１５—１．２５。
卢取１．２，则Ｓ轭＝３．８４ Ｘ １０。ｍ２。
３．３转简内半径和轴向宽度的确定
根据几何关系转筒内半径为
ｒｂ ３２：瓦＿而导万ｉ
（。 １０）
式中０为扇形磁轭的圆心角。 根据经验，轴向宽度Ｍ＝ｂ＋０．０３，ｉｎ。 内半径ｒ３和轴向宽度肘这两个参数基本决定
搴教育部博士学科点专项科研基金项目（２００６０２９９０１１０）和江苏省汽车工程重点实验室开放课题（ＱＣ２００９０１）资助。 原稿收到日期为２００９年５月１８日，修改稿收到日期为２００９年７月１３日。
万方数据
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沈海军，等：自励式缓速器的设计与试验研究
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涡流并产生阻碍转筒旋转的转矩，此时发电装置也 会由于电磁作用而产生阻碍旋转的电磁转矩。因此 自励式缓速器制动转矩由转筒式电涡流缓速器的制 动转矩和发电装置的电磁转矩组成。