车用转筒式电涡流缓速器设计和试验研究

车用转筒式电涡流缓速器设计和试验研究
何仁,汤沛
一、转筒式电涡流缓速结构
普通电涡流缓速器采用盘式结构，体积、质量较大，安装后对原有传动系统影响较大[1]。

为了克服上.述缺点，开发了转筒式电涡流缓速器，其转子采用圆筒式结构，整体质量轻，约为盘式电涡流缓速器的1/3；外形尺寸小，便于拆装，匹配方便；其产生的制动力矩可达到1400Nm，完全可以满足中小型客车的需要。

转筒式电涡流缓速器通常由转子总成、线圈总成、定子总成和磁芯等组成，如图1所示。

二、转筒式电涡流缓速器制动分析模型
（一）转筒式电涡流缓速器工作原理
电涡流缓速器是利用电磁学原理把车辆行驶的动能转化成热能散发掉，从而实现减速和制动作用的装置[2，3]。

当驾驶员接通缓速器的控制手柄（或踩下制动踏板）开关进行减速或制动时，经调节的直流电流自动通过转筒式电涡流缓速器的励磁绕组，产生的磁场在定子磁极、气隙和转筒之间构成回路，如图2所示。

磁极磁通量的大小与励磁绕组的匝数以及所通过的电流强度有关。

在旋转的转筒上，其内部闭合导线所包围面积内的磁通量发生变化，从而在转筒内部产生涡旋状的感应电流，即涡电流。

以磁极的正上方为界，在转筒内分别产生方向相反的两种涡电流。

涡电流产生的励磁磁场对带电转筒产生阻止其转动的阻力（即产生制动力），阻力的方向可由弗莱明（Flemin）左手法则来判断。

阻力的合力沿转筒周向形成与其旋转方向相反的制动力矩。

涡电流在具有一定电阻的转筒内部流动时，产生热效应而导致转子发热。

车辆行驶的动能通过感应电流转化为热能，并通过转筒上叶片的旋转将其散发出去。

（二）转筒式电涡流缓速器的能量平衡
利用转筒式电涡流缓速器对车辆进行制动时，除去车辆行驶的空气阻力损失和传动系摩擦损失及轮胎损耗外，车辆制动减少的机械能将全部转化至转筒上，以热量形式散发在周围空气中，即有：
（E+V）-Q＝0（1）
式中，△（E+V）为车辆机械能变化量，J；Q为制动开始后的总散热量，J。

转筒式电涡流缓速器在制动过程中所消耗的能量与车辆机械能变化量相等，即：
式中，P为缓速器瞬时功率，W。

瞬时功率[4]为：
式中：：为气隙的磁轭面积，m2；△h为电涡流有效透人深度，m；B为气隙磁场的磁感应强度，T；ω为磁场变化角速度，rad/s；ρ为转筒电阻率，Ω·m。

（三）转筒式电涡流缓速器制动力矩计算
由式（3）可得如下有效制动功率：
式中，T为缓速器制动力矩，N·m；N为磁极对数，取4；ωn为转筒的旋转角速度，rad/s，ωn=ω/N。

三、转筒式电涡流缓速器设计实例
（一）结构设计
磁芯、线圈各8只；磁心直径为Φ76mm，线圈为246匝；励磁总电流为104A。

转筒外径为430mm，内径为405mm，轴向宽度为170mm。

磁轭与转筒之间的气隙为1.4mm。

转筒式电涡流缓速器定子上有8个高导磁材料制成的磁芯，呈圆周分布，均匀地安装在高强度的固定架上。

8个励磁绕组套于磁芯上，共同构成磁极。

圆周上相对两个励磁绕组串联或并联成一组磁极，相邻两个磁极均为N、S相间，形成相互独立的4组磁极。

设计实例见图3。

转筒一般选用电工纯铁或低碳钢等材料制造，通常铸有散热叶片。

转筒通过连接凸缘与传动轴相连，并随传动轴自由转动。

转筒和定子磁极间保持有极小的、均匀的气隙，以使转筒旋转时不会刮擦到定子上。

（二）制动特性计算
将转筒式电涡流缓速器的设计参数代入计算公式，计算结果见表1。

从表1可见，缓速器的制动力矩随着转速增加而增加，达到最大制动力矩后随着转速的增加而下降；而制动功率随着转速的增加而增加。

四、转筒式电涡流缓速器的控制
电涡流缓速器多采用电流继电器分级控制，所产生的制动力矩分级不连续。

本文设计的转筒式电涡流缓速器采用无级控制方法，运用PWM电路取代电流继电器对各励磁线圈同时供电，实现对线圈绕组电流的连续控制，从而实现对缓速器制动力矩的控制。

缓速器采用无级控制的目的是：通过控制电流大小使得其.
产生的制动力矩连续变化，以更好地适应车辆制动技术的要求；保持稳定的汽车速度；阻止缓速器过热。

转筒式电涡流缓速器控制包括脚控和手控两种方式。

缓速器的制动力矩与工作电流、行驶速度密切相关，司以调节工作电流的大小得到不同的制动力矩，满足不同情况下汽车制动的要求。

为方便操作，设定控制器脚控和手控两种操作不可同时工作，控制手柄需要驾驶员另行操作。

为尽量减少驾驶员注意力分散，将操作过程简化，将工作电流由小到大尸等间距分成6个控制挡位，根据汽车行驶状况，由驾驶员自主选择合适的电流进行制动。

脚控开关由制动气压控制，工作电流设置为随制动气压线性变化。

当驾驶员踩下制动踏板时，缓速器自动起作用，根据制动踏板的行程，脚控开关上压力传感器的制动压力不断增大，则工作电流随之连续变化。

在行车制动器起作用前，线圈的励磁电流达到最大值。

五、试验研究
在完成额定制动力矩1400N·m的转筒式电涡流缓速器样机制造工作后，进行了台架试验。

根据电涡流缓速器的测试项目要求，测试了力矩、转速、温度和电流等物理参数。

在试验中还需要测试转筒的温升情况，由于转筒是旋转件，不能采用接触式温度测量传感器，需选用非接触式红外线测温传感器。

根据试验测量要求，选用了美国Raytek公司生产的在线式Theimaleit T系列LT型红一外测温仪，其主要技术指标为：温度测量范围-20～870℃，光学分辨率（D:S）33:1，光谱响应8～14μm，响应时间370ms，测量精度±1℃。

转速和力矩的测量选用湘仪动力测试仪器有限公司生产的JC3A型相位差型力矩、转速传感器，其测量最大力矩为5000N·m，使用转速范围0～3000r/min。

试验环境温度为20℃，电压26V。

从图4所示的缓速器转筒的温度-时间特性中可见，随着转筒式电涡流缓速器实施制动时间的增加，转筒温度开始几乎无变化，随后以平缓直线上升，在制动时间内最高温度值为195.7℃，这说明温升控制在合理范围内，可保证制动性能的稳定性。

图5为制动力矩-时间特性曲线，图6为制动力矩-转速特性曲线。

从图6中可见，制动力矩在转速（800～1000）r/min左右达到最大，最大值为
l418.4N·m，可满足设计要求；在制动初始阶段，制动力矩随着转筒转速的提高
而迅速增加；在持续制动阶段，制动力矩变化不大；随着制动时间增加，转筒温度进一步增加，制动力矩下降显著。

表2为转筒式电涡流缓速器制动力矩试验值与计算值。

由表2可知，制动力矩试验值与计算值误差很小，最大误差为3.4％。

六、结束语
所设计车用转筒式电涡流缓速器符合性能要求，制动力矩计算值与试验值吻合，表明提出的缓速器制动力矩计算公式能够指导产品设计。

最大制动力矩达到1418.4N·m，说明该转筒式电涡流缓速器具有良好的制动能力。

对所设计转筒式电涡流缓速器主要性能指标进行了台架试验，为转筒式电涡流缓速器的结构优化和改进设计提供了依据。