基于Ansoft 的農(nóng)用車電磁式制動系統(tǒng)磁場分析

吳 飛

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，廣西 南寧530023)

目前，農(nóng)用車輛多采用氣壓或者液壓為主的制動系統(tǒng)，這些制動系統(tǒng)在很大程度上能確保農(nóng)用運輸車輛行駛的安全性．然而農(nóng)用車輛所工作的地點多在田間，出現(xiàn)涉水涉沙的路況較為常見，一旦這些路況持續(xù)出現(xiàn)在農(nóng)用運輸車輛行駛途中，將會因其制動失效而存在極大的安全隱患．為此，如何解決農(nóng)用運輸車輛制動系統(tǒng)接觸失效已成為農(nóng)業(yè)工程的一大問題．文獻［1－3］中不難發(fā)現(xiàn)，公路運輸車輛制動系統(tǒng)所存在問題與農(nóng)用運輸車輛相似．目前，較多客車生產(chǎn)企業(yè)已將電渦流緩速器作為其標(biāo)配部件之一．

考慮到農(nóng)用運輸車實際工作情況復(fù)雜，若其制動系統(tǒng)采用電磁式制動裝置，則漏磁的存在使其磁通密度分布不規(guī)則，同時也會影響電磁制動力矩的大小和方向，導(dǎo)磁材料的非線性、電磁式制動系統(tǒng)工作過程中存在的磁飽和問題以及退磁效應(yīng)都給裝置設(shè)計帶來了一定的困難，為此，利用Ansoft Maxwell2D/3D 軟件建立電磁式制動系統(tǒng)模型并進行磁場分析，可以準(zhǔn)確地模擬農(nóng)用運輸車電磁式制動系統(tǒng)的性能，為設(shè)計提供一定參考依據(jù)．

1 農(nóng)用運輸車電磁式制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

1．1 設(shè)計原理

如圖1 所示，為農(nóng)用運輸車電磁式制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該制動系統(tǒng)由雙轉(zhuǎn)子電磁制動盤以及夾在電磁制動盤中間的電磁線圈、電磁鐵芯組成．工作過程中，以制動盤作為電磁式制動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子，線圈產(chǎn)生的磁通經(jīng)鐵芯、磁軛、氣隙、制動盤、相鄰線圈的磁軛、氣隙、鐵芯形成回路，制動時轉(zhuǎn)子切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生制動力矩．本設(shè)計中，將線圈個數(shù)設(shè)為6 個，均布在雙轉(zhuǎn)子電磁制動盤上，每個線圈匝數(shù)均設(shè)為1 000 匝．

圖1 電磁式制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．1 The chart of electromagnetic brake system

2 農(nóng)用運輸車電磁式制動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)麥克斯韋方程和洛倫定律，電磁方程組可寫為［4－6］:

其中:D 表示單位磁通密度;ρf表示電荷密度，B 表示磁感應(yīng)強度，E 表示電場強度，H表示磁場強度，J表示電流密度，μ0表示真空磁導(dǎo)率． F 表示洛倫力，q表示電荷，v表示制動盤上某點電荷的運動速度． 根據(jù)麥克斯韋方程，經(jīng)整理后的麥克斯韋線性方程可表述為:

其中:ε0表示真空介電常數(shù)，d表示制動盤厚度． 根據(jù)式(9)，電流密度J可寫為:

將?分別乘在式(7)等式兩邊，為此式(1)可寫為:

結(jié)合式(11)和式(12)，

考慮到磁通密度所產(chǎn)生的驅(qū)動力會再次施加在制動盤上，為此制動盤上的磁感應(yīng)強度應(yīng)加上外界磁感應(yīng)強度B0．因此，總的磁感應(yīng)強度用B+B0來表示，式(14)可表為:

考慮到電流密度J和電場都存在x和y方向，上述方程可改寫為:

其中:f表示常系數(shù)，且f=μ0ε0，G表示常系數(shù)，且G=μ0σd，vx和vy為制動盤上某點在x和y方向的速度．式(11)可寫為:

考慮到磁通密度同樣存在x和y方向，因此式(17)可變?yōu)?

其中:Jx表示x方向上的電流密度，Jy表示y方向上的電流密度．J=Jx+Jy，且

考慮到感應(yīng)電流密度及感應(yīng)磁感應(yīng)強度的影響，從積分的角度可得到農(nóng)用運輸車輛電磁式制動系統(tǒng)制動盤上的電磁制動力矩Tb為:

其中:Tb表示電磁式制動系統(tǒng)制動盤上的電磁制動力矩，a表示電磁鐵芯的長度，b表示電磁鐵芯的寬度，rab表示電磁鐵芯投影在制動盤中心點距制動盤中心點的距離，Ji表示感應(yīng)電流密度，Bi表示感應(yīng)磁感應(yīng)強度．

3 磁場分析

Ansoft Maxwell 2D/3D 軟件是由Ansoft 公司生產(chǎn)的一款非常優(yōu)秀的電磁分析軟件．該軟件可進行電磁場理論、數(shù)值分析、計算方法、電渦流計算及溫度場計算方面的仿真研究．由于設(shè)計者對性能與體積設(shè)計封裝的希望，因而對于先進且便于使用的數(shù)字場仿真技術(shù)的需求量增加．在工程人員所關(guān)心的實用性及數(shù)字化功能方面，Maxwell 的產(chǎn)品遙遙領(lǐng)先其他的一流公司，其中MAXWELL 2D 可用于工業(yè)應(yīng)用中的電磁元件，如傳感器、調(diào)節(jié)器、電動機、變壓器，以及其他工業(yè)控制系統(tǒng)比以往任何時候都使用得更加廣泛．

為了更好地分析、觀察電磁式制動系統(tǒng)在制動盤上所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度及磁力線分布情況，選擇采用Ansoft Maxwell2D 10．0 版本二維軟件．

通過【Setup Materials】命令訪問材料管理器．進入材料管理器后，作如下指定:

1)指定電磁制動器線圈的材料屬性為銅(copper);

2)指定制動盤的材料屬性為銅(copper);

3)指定電磁制動器線圈磁極屬性為NdFe35;

4)背景設(shè)為氣球邊界．

圖2 所示為網(wǎng)格化后的電磁式制動系統(tǒng)圖，為了便于觀察與分析，在網(wǎng)格化過程中，將需要重點分析區(qū)域(雙轉(zhuǎn)子電磁制動盤)劃分得更密．

圖3 所示為電磁式制動系統(tǒng)磁力線分布圖，磁力線密度越大的地方表明該處的磁感應(yīng)強度越大．

圖2 網(wǎng)格化后的電磁式制動系統(tǒng)圖Fig．2 The meshed chart of electromagnetic brake system

圖3 磁力線分布圖Fig．3 Force line distribution map

圖4 所示為磁感應(yīng)強度分布圖，在求解過程中，設(shè)置每個線圈的通電電流為20 A，每個線圈匝數(shù)為1 000匝．由圖4 可見，雙轉(zhuǎn)子制動盤上出現(xiàn)最大磁感應(yīng)強度B 的地方位于制動盤的中部，約為2．6 t，制動盤兩端的磁感應(yīng)強度最小，這與磁力線在中部密度最大有關(guān)．

圖5 所示為后處理得到的制動盤受力結(jié)果圖． 通過后處理結(jié)果可知，雙轉(zhuǎn)子制動盤所受x方向合力為120．742N，所受y 方向合力為6049．9 N．由于y 方向的力能阻礙制動盤旋轉(zhuǎn)，為此其值越大，則說明制動效果越明顯．假設(shè)電磁鐵芯投影在制動盤中心點距制動盤中心點的距離rab為40 mm，則電磁式制動系統(tǒng)能產(chǎn)生的制動力矩Tb為242 N．m，對于總重量在2～3 t 的農(nóng)用車輛制動時，能起到有效的輔助制動作用．

圖4 磁感應(yīng)強度分布圖Fig．4 Distribution of electromagnetic flux density map

圖5 后處理得到的制動盤受力力結(jié)果Fig．5 Disc brake force results after processing

圖6 為后處理得到的力隨時間變化圖，由圖6 可見，電磁式制動系統(tǒng)能持續(xù)提供恒定的電磁制動力，從而確保了車輛的有效、可靠制動．

圖6 后處理得到的力隨時間變化圖Fig．6 Variation chart between force and time after processing

4 結(jié)論

農(nóng)用車輛所工作的地點多在田間，出現(xiàn)涉水涉沙的路況較為常見，一旦這些路況持續(xù)出現(xiàn)在農(nóng)用運輸車輛行駛途中，將會因其制動失效而存在極大的安全隱患． 為此，將傳統(tǒng)的氣壓式或液壓式的農(nóng)用運輸車制動系統(tǒng)改裝為電磁式制動系統(tǒng)將是可行的方法，根據(jù)相關(guān)文獻，結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出制動力矩公式，并利用Ansoft Maxwell 2D/3D 軟件對其進行磁場分析，最終得到切合實際的結(jié)果和結(jié)論．

［1］ 黃榕清，李剛營，胡宏． 液力緩速器和電渦流緩速器［J］．機電工程技術(shù)，2005(10):82－85，106．

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