能量回热式涡流缓速器的再生制动系统设计
摘要：
本文介绍了一种能量回收型涡流缓速器（ERECR），它为传统涡流缓速器（ECR）的能耗和过热问题提供了解决方案。ERECR包含三个主要系统，即涡流制动（ECB）系统，再生制动（RGB）系统和电气控制系统。在这项研究中，可以从下坡和制动状态恢复动能的RGB系统是主要关心的问题。通过提出与双板式涡流缓速器集成的新型设计的发电机，RGB系统可以产生电能以满足ECB系统的能量需求，同时提供各自的制动扭矩。首先，分析车辆制动过程中的能量流动，并分析降级情况，并计算这些条件下的能量回收潜力。随后，RGB系统模型基于永磁同步发电机的基本原理，并提出了ERECR转子轴嵌入永磁体的思想。在分析了RGB系统的发电特性，能量回收和制动性能之后，得出了使RGB系统的再生能量最大化的优化策略。结果表明，采用新颖设计的RGB系统可以显著克服传统涡流缓速器过热问题，同时从最大值3kW的降级制动动能中采集动能。
导论：
面对能源危机和环境问题，拥有混合动力系统的汽车被誉为解决这些问题的有效途径。在现有的辅助制动装置中，涡流缓速器享有盛誉，更容易控制并且更快速的制动响应。但是，这个方案有两个方面的缺点限制了它的发展。一个是能源供应。使用汽车锂电池不能提供充足和持久的能量。当制动力矩为1500Nm时，励磁绕组电流峰值可以达到20A〜40A，因此需要增加额外的电池或发电机来增强发电机的功率负荷。另一方面，由于涡流缓速器的工作时间长，热量会引起磁性退火现象。对于这种现象，本文提出了能量回收型涡流缓速器。制动力矩由涡流制动系统和再生制动系统提供，因此可以防止制动系统过热。此外，再生制动系统可以为涡流制动系统提供电力。本文主要关注能量回收型涡流缓速器再生制动系统的设计。
本文包含四节。第1节阐述汽车在降级和制动时的能量流动特性。第2节介绍了创新思路，即将永磁体嵌入减速器的转子旋转轴中，以减小物体的体积和重量，并通过构建MATLAB模型来研究永磁体的分布对涡流缓速器的能量回收效率的影响。在第3节中，根据Matlab对永磁体的布置进行了分析和改进模型。根据GB - 12676 - 1999汽车制动系统机构，性能和试验方法标准，模拟了能量反馈型涡流缓速器在恒速下坡制动工况下的能量回收效果。第4节总结了这篇论文; 上述分析表明，该模型能够有效降低涡流缓速器的功耗和热量。
1. ERECR系统的配置
ERECR最重要的部分是发电机。发电机嵌入双板ECR的转子中，以减小复合缓速器的体积和重量，一部分电能可直接提供给ECR。定子线圈通电后，会产生电磁场。导线切割磁力线时会产生制动力，这将有效提高传统制动器的汽车制动性能。该模型如下图1所示。
图1 ERECR的横截面图。
1.2 ERECR系统的能量流分析
对于安装ECR的传统商用车，ECR在汽车制动过程中通过空气散热，根据电磁感应原理将动能转化为热能。然而，制动过程中产生的热量会导致设备受热损坏。如果有一种装置可以将动能直接转化为电能，那么制动过程中制动力矩可以减小，从而延长制动时间。ERECR通过RGB系统回收恒速下坡的动能，以满足ECB系统的能源需求，ECB系统提供足够的制动扭矩来控制汽车的速度。该条件下能量的主要转换方向如图2所示
图2能量回收型涡流缓速器的能量流图
1.3 ERECR系统的可行性分析
UN.ECE R13关于欧盟认证的车辆制动的附录4对长下坡规定了一个规定，即满载卡车可以在平均坡度为6％的坡道下以每小时30公里的速度下坡。以 20t重量的商用车为例。由公式。
式
可以知道，制动过程中需要的制动功率是97.83W。另外，ECR的制动增益系数为
当传动轴转速为1000r / min时，制动增益系数为200，激振功率为0.49KW，这意味着可回收能量远大于ECR所需的能量。
2.1建模磁场基础
永磁交流发电机中的永磁体布置通过影响磁场的通量，感应电流和端电压来改变其输出电压和输出功率。永磁体产生的磁通路径如下图所示：
图3简化的磁路。
永磁体磁阻Rpm可表示为:
磁势Fpm可以表示为:
转子磁阻Rr可表示为:
2.2电动势和再生能量的计算模型
发电机的输出电动势计算如下：
其中波形因数r公式和绕组系数Kw可分别视为1.11和0.92的恒定值。 f是输出电压的频率，计算公式如下：
再生功率W=3U.la. 在等效电路的输出中存在内部电阻，使得电动势不是完全无损输出。 设Xd的内阻，负载电阻为r0,则
根据建立的Matlab模型，可以获得制动功率输出特性图。
3.1励磁方向对功率和反电动势的影响
内置永磁体通常有两种激励方式。它们分别是径向和切向激励。通过Matlab建模，仿真图在两种不同情况下的输出特性如下所示。
图4 嵌入式PM排列的两种方式
图5 励磁方向对功率的影响
图6励磁方向对反电动势的影响。
从图5和图6可以看出，在相同条件下，转子转速从0-3000rpm变化时，径向结构的输出功率和反电动势显着高于切向结构。为了获得更大的输出功率统计数据，需要将其设置为每分钟1500圈，并且更容易对其进行修整。
3.2磁极对功率和反电动势的影响
当永磁同步电机磁极对数的径向结构不同时，气隙磁密度会有一定的影响。每个特征如下图7所示，
图7具有不同p数的永磁体的径向结构。
通过在相同条件下模拟这3个PM结构，可以获得3条不同的曲线。
图8磁极对功率的影响。
图9反电动势的磁极对的影响。
图8和图9表明，输出功率和反电动势在p=2时最大。P的值越大，设计和修复越困难，所以制造更复杂。在0〜1500转/分钟的速度下，输出功率迅速增加，速度越快变化越小。为了获得最大的反电动势和输出功率，转速可控制在1500〜2000 r / min之间。
3.3 ERECT的精确设计
在以上分析的基础上，为了设计一台速度为0〜3000 r / min，额定输出功率为1〜2 kw，极对数P为2个径向结构的Inset PM发电机。发电机转子嵌入减速器中，可有效减少ERECR系统的体积和重量。通过Matlab仿真，可以得到各种参数对输出特性的影响。在优化分析下，ERECR的主要设计参数如下表所示。
表1 ERECR的设计参数
当ERECR按照上述表1给出的参数设计时，通过仿真和实验，当速度为2000r / min时电机产生的功率约为2500W，反电动势为30V左右。可以实现新型电机的愿景。将精确的结果与Matlab上的模拟进行比较，模拟过程是正确和有用的。
4 总结
通过对ERECR的研究，确定了反电动势输出功率与永磁体排列之间的关系。由于永磁体布置影响等效磁路中的参数，所以输出参数已经改变。径向永磁体结构的泄漏系数小于切向型结构，使得输出特性相对较好。在制造过程中，径向永磁体结构更简单且更容易实现。因此，径向机器的选择有助于提高输出性能。从仿真结果可以得出P有效地与磁路磁通成反比，在一定条件下，P越大，总磁通越大，但磁漏也相应增加。此外，P的增加使得制造过程中的永磁体更加复杂，因此一般将P的数量设置为2。
总体而言，当ERECR系统可以如上所述进行验证时收益会更大。如果P = 2时磁体结构为径向激励，则速度约为1500 r / min。当外部参数达标后，反电动势输出可达30V，输出功率可达2KW，可以满足涡流缓速器供电需求。与发电机连接后，汽车刹车动能不再完全转化为无用的热能，而几乎全部进入汽车缓速器设备的电源，大大降低了热能的排放，抑制了设备热量衰退现象。假设整个系统的成本是500美元。根据测试结果和市场调查，该成本将在2.66年内收回，因为它可以通过节省燃油每年产生188美元的收益（中国的柴油价格大约是1美元/ L）。
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本研究由武汉科技学院和武汉市政府科技计划办主办（批准号2013072304010830）。作者衷心感谢湖北重点汽车先进技术元件实验室，湖北省协同创新汽车零部件技术中心。 另外，作者同时感谢谭罡风博士和泉周，叶一凡，王兆华等其他汽车节能减排能源项目组工作人员的指导。
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间隙磁阻 |
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定子磁轭的高度 |
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HM |
永磁体厚度 |
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永磁体的矫顽力 |
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永磁体宽度 |
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PM的相对磁导率 |
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真空渗透性 |
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转子速度 |
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漏磁系数 |
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ntilde; |
绕圈号 |
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电机轴向长度 |
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通过电枢绕组的有效磁通量 |
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定子轭部长 |
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输出每相的电动势 |
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波形因子 |
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