车用永磁式缓速器关键技术研究

论文摘要

高速、安全、环保、舒适是现代汽车的发展方向。为了保持车辆在山区下长坡时的稳定车速,减轻车辆的传统机械磨擦式制动装置的负荷,解决车辆制动器的严重磨损,汽车装备辅助制动器是必不可少的标准配置。因此,深入研究永磁式缓速器的关键技术,是提高车辆安全、舒适的一个重要而实际的课题。采用理论分析、数值求解和实验测试相结合的方法,结合当前国内外在车辆辅助制动系统方面的研究现状,研究了永磁式缓速器磁路计算的理论、电磁场数值计算的方法,分析了永磁式缓速器的电磁场数值模拟,研究了永磁式缓速器的设计理论与方法,并实验研究了永磁式缓速器的特性。主要研究内容和取得的结论包括:1、永磁式缓速器磁路计算理论的研究。分析了永磁式缓速器的制动机理,研究了等效磁路的计算方法,计算了等效磁路的磁导,研究了永磁式缓速器的漏磁及磁阻。研究结果表明:永磁式缓速器的磁路可等效为磁通源或磁动势源磁路,利用等效磁路可以计算磁导、磁阻和磁阻系数、漏磁系数;漏磁路是比较复杂的,找出了漏磁系数、磁阻系数的影响因素。2、电磁场数值计算及分析方法的研究。采用电磁场有限元法的基本原理及运动导体三维涡流场的数值计算方法,结合电磁场理论的解析计算及有限元的计算方法,建立了永磁式缓速器电磁场的计算模型。研究结果表明:建立永磁式缓速器电磁场的2D、3D模型为分析电磁场特性提供了基础;采用有限元法建立永磁式缓速器电磁场的计算模型是可行的。3、永磁式缓速器电磁场数值模拟的研究。主要进行了2D、3D模型的电磁场数值模拟,通过分析磁场的磁矢势、磁标势、磁场强度、磁感应强度矢量和磁感应强度绝对值的空间分布,深入研究了气隙磁感应强度的分布,对比了两种典型工作状态材料区的电磁场分布,分析了电磁场结构参数及材料特性对气隙磁感应强度的影响,为永磁式缓速器的设计提供了基础。研究结果表明:气隙磁场呈对称分布,2D模型的数值计算结果比实际测试结果要偏大些,而3D模型的数值计算结果比较接近实际;找出了气隙磁感应强度的影响因素并得出了相应的变化关系,得到了两种典型工作状态的材料区磁感应强度的分布特点;通过对数值模拟结果进行细致分析,可深入了解其电磁场特性及工作机理。4、永磁式缓速器设计理论与方法的研究。研究了永磁式缓速器的参数计算方法;通过求解两个二维磁场,计算了永磁式缓速器设计计算系数,探讨了设计计算系数与影响因素之间的关系;分析了永磁式缓速器的多学科模型,采用磁路与磁场计算相结合的方法设计轾量型永磁式缓速器。研究结果表明:设计计算系数与永磁体、气隙长度等多个因素有关;得到了设计计算系数与影响因素的关系,为永磁式缓速器的设计提供了理论指导;多学科分析模型为永磁式缓速器的设计提供一种方法,采用磁路与磁场计算相结合的方法设计永磁式缓速器,得到了的参数设计结果。5、永磁式缓速器特性实验的研究。对永磁式缓速器的特性进行实验研究,分静态特性实验研究和动态特性实验两个方面,构建了永磁式缓速器特性实验台,对实验数据进行处理和分析,将实验结果与理论计算结果进行对比分析。研究结果表明:气隙磁场呈对称分布,气隙磁感应强度与磁铁支架转角呈非线性关系,它的值会随转角的增大而增大;制动力矩的增大主要还是由其转速、气隙磁感应强度来决定的;实验结果与理论计算是相符的,从而验证了理论上建立永磁式缓速器电磁场的计算模型的正确性与合理性,电磁场数值计算方法是可行的。计算结果与分析研究所得结论可以对永磁式缓速器的设计及其制动状态的控制方面起到一定的指导意义。通过本课题的研究,有望为永磁式缓速器的设计开发提供理论基础和技术支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 车辆辅助制动系统的应用
• 1.1.2 车辆配置辅助制动器的必要性
• 1.1.3 车辆配置辅助制动系统的有关法规
• 1.1.4 课题研究的重要意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 车辆辅助制动装置的发展
• 1.2.2 永磁式缓速器的研究现状
• 1.3 课题研究内容与方法
• 第二章 永磁式缓速器的磁路计算及磁路分析
• 2.1 永磁式缓速器的结构及其制动机理
• 2.1.1 磁铁周向转动永磁式缓速器结构
• 2.1.2 永磁式缓速器的制动机理
• 2.2 永磁材料及永磁体的性能和选用
• 2.2.1 永磁材料磁性能的主要性能参数
• 2.2.2 最大磁能的永磁体最佳工作点
• 2.2.3 永磁材料的参数及要求
• 2.3 永磁式缓速器磁路分析理论基础
• 2.3.1 等效磁路基础理论
• 2.3.2 永磁式缓速器的磁路计算
• 2.4 漏磁及磁阻模型分析及计算
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 磁导的计算方法
• 2.4.3 磁阻及磁阻系数的计算方法
• 2.4.4 漏磁系数计算研究
• 2.5 本章小结
• 第三章 电磁场数值计算及分析
• 3.1 电磁场数值计算方法
• 3.2 电磁场有限元法的基本原理
• 3.2.1 有限元法计算
• 3.2.2 网络剖分与转动问题
• 3.2.3 永磁体的电流模型
• 3.3 三维涡流场数值分析与计算原理
• 3.3.1 运动导体产生涡流机理
• 3.3.2 涡流场微分方程的边值问题的理论基础
• 3.3.3 涡流场的有限元离散化及方程组求解
• 3.4 磁场力和力矩的计算方法
• 3.4.1 麦克斯韦应力法
• 3.4.2 改进的能量位移法（虚功原理）
• 3.5 有限元分析软件及电磁场计算模型的建立
• 3.5.1 有限元分析
• 3.5.2 电磁场计算模型的建立
• 3.6 本章小结
• 第四章 永磁式缓速器的电磁场数值模拟
• 4.1 模型参数定义
• 4.2 电磁场2D分析
• 4.2.1 电磁场2D分析
• 4.2.2 磁场结构参数对气隙磁感应强度的影响
• 4.2.3 材料特性对气隙磁感应强度的影响
• 4.3 电磁场3D分析
• 4.3.1 电磁场3D分析
• 4.3.2 两种典型工作状态的材料区电磁场分布的对比
• 4.3.3 轴向长度对气隙磁感应强度的影响
• 4.3.4 分级制动工作状态
• 4.4 本章小结
• 第五章 永磁式缓速器的设计理论与方法
• 5.1 永磁式缓速器的参数计算研究
• 5.1.1 气隙磁感应强度计算
• 5.1.2 电磁制动力矩的电磁场数值计算
• 5.2 永磁式缓速器设计计算系数
• 5.2.1 漏磁计算系数
• 5.2.2 轴向计算长度
• 5.2.3 计算极宽系数
• 5.2.4 气隙系数
• 5.3 永磁式缓速器的多学科分析模型
• 5.3.1 设计原型
• 5.3.2 分析模型
• 5.4 设计方法研究
• 5.4.1 设计方案
• 5.4.2 基于场路结合的设计方法研究
• 5.4.3 永磁式缓速器参数设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 永磁式缓速器特性实验研究
• 6.1 永磁式缓速器的静态实验研究
• 6.1.1 实验系统的构建
• 6.1.2 实验仪器及设备
• 6.1.3 试验项目及试验方案
• 6.1.4 实验数据处理及分析
• 6.1.5 实验结果与理论计算对比
• 6.2 永磁式缓速器的性能试验研究
• 6.2.1 台架试验方法研究
• 6.2.2 实验系统的组成
• 6.2.3 实验仪器及设备
• 6.2.4 试验项目及试验方案
• 6.2.5 实验结果及分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 主要创新内容
• 7.3 后续研究建议及展望
• 参考文献
• 博士研究生期间发表的论文
• 致谢
• 附录A 有限元法计算方法
• 附录B 三维涡流场的有限元离散化
• 附录C 电磁场数值模拟
• 附录D 参数设计结果
• 附录E 永磁式缓速器特性实验