永磁缓速器的发展现状及试验

永磁涡流制动装置，即永磁缓速器是集机械学、力学、控制学、电磁学、精密加工技术和材料科学于一体的、具代表性的机电一体化产品。传统的制动方式，如鼓式制动、盘式制动、闸瓦制动、电阻制动以及再生制动等，都属摩擦制动或粘着制动。永磁缓速器与传统的摩擦制动装置相比，成功地摆脱了环境变化对其制动性能的影响，使其操作和维护非常简单。在当今能源和环境问题日益突出的背景下，随着稀土永磁材料研究的不断深入，永磁缓速器具有极大的优势，并已逐渐成为应用研究的热点。

在永磁缓速器理论研究方面，美国的S.Anwar利用电涡流缓速器的试验数据拟合出制动力矩—速度—电流之间的多项式关系，通过该关系式得到了缓速器整车制动的控制算法。日本冈山大学的N.Takahashi和K.Muramatsu等运用基于移动坐标系的有限元分析法对永磁缓速器进行了三维稳态涡流分析，并采用直接搜索法对缓速器的结构参数进行了优化设计；Y.Noguchi等对永磁缓速器转子的疲劳寿命进行预测，应用3D有限元分析法对瞬态温度场和应力场进行了分析，并讨论了转子的钢蠕变疲劳性能。美国德克萨斯州农工大学的S.E.Gay等利用电磁场有限元分析软件对永磁缓速器的制动性能进行了参数化分析，该分析方法受当前有限元分析技术的影响有一定的局限性，但其优化结果还是基本能满足要求；S.E.Gay还根据客车的制动性能要求，设计了一种制动器和永磁缓速器联合制动的方案，并将该联合制动方案应用在传统汽车和混合动力汽车上的效果和影响进行了分析。

与日本、美国等发达国家相比，我国在永磁缓速器的理论研究方面还处于起步阶段，从事永磁缓速器研究的科研单位和高校不多。浙江大学的唐永春等用有限元分析法建立2D模型得到线性永磁缓速器的制动力矩与速度之间的关系曲线，并以此设计了一套试验系统，证明用有限元分析法分析永磁缓速器的可行性和准确性；张圣楠指出了线性永磁涡流制动装置的气隙长度、极对数、次级板厚度和宽度等设计参数对其制动性能的影响。江苏大学何仁教授领导的课题组对永磁缓速器作了很多研究工作，他们重点集中在缓速器制动力矩的计算、转子温度的分析、热-磁耦合场的分析以及永磁缓速器的台架试验方法及其性能评价指标等方面。南京农业大学赵小波博士应用Rogowski法求解了永磁缓速器的涡流场并给出了制动力矩的表达式。

国内申请的永磁缓速器相关专利相对较少，2005年3月江苏大学何仁教授等人申请了一种分级控制式永磁缓速器专利，该永磁缓速器是在多磁铁保持架周向转动式永磁缓速器结构的基础上进行改进的，主要是在定子上又增加了一列永久磁铁并配合屏蔽环来达到可分级控制的目的，但只能实现两档分级控制。2006年12月山东交通学院的于明进等人申请了一种发动机涡流制动式永磁缓速器专利，它的特点是利用发动机飞轮作为转子，发动机飞轮壳作为定子。2007年1月南京农业大学的周俊等人申请了一种无级控制式永磁缓速器专利，如图1-11a所示，该永磁缓速器也是在磁铁保持架周向转动式永磁缓速器的基础上改进的，使磁铁保持架在一定范围内连续旋转，从而实现无级控制。2007年4月扬州市洪泉实业有限公司的孙祥等人申请了一种新型气动离合装置控制式永磁缓速器专利，该永磁缓速器是利用气动离合装置配合摩擦钢片控制转子转动，非工作状态时转子不转动，具有非工作状态无残余力矩、制动反应时间短等优点，但无法实现分级制动。2007年6月，韵升控股集团有限公司的竺韵德等人申请了一种利用惯性同步器控制工作状态的永磁缓速器专利，如图1-11b所示，非工作状态时，惯性同步器与转子脱离，能够实现非工作状态时无残余力矩。这些结构虽然对日本的永磁缓速器结构做了较大的改进，但都未能解决永久缓速器温度过高而引起的制动力矩热衰退问题，所以都难以将制动力矩做大。

图1-11 新型永磁缓速器

a）无级调节式永磁缓速器 b）惯性同步器控制式永磁缓速器

由上可知，国内永磁缓速器的应用和研发方面都处于起步阶段，国内研究大多处于理论上分析国外已有产品的阶段，并没有对永磁缓速器的结构提出实质性优化的方案。尽管永磁缓速器与电涡流缓速器相比较而言前者有许多优点，但是现有的永磁缓速器产品还存在一些不足之处，使其尚未获得大量推广和使用。这些共同的问题包括：

1）与电涡流缓速器相比，同等体积情况下永磁缓速器的制动力矩明显偏小，有些永磁缓速器产品的结构中还存在明显的漏磁力矩（缓速器在非工作状态下存在的残余力矩）。(www.xing528.com)

2）永磁缓速器的结构比较复杂，性价比不高。

3）永磁缓速器一般不能根据路况或车速分档调整其制动力矩，因此在使用上有所不便。

4）永磁缓速器尚未有完整的设计理论和试验规范。

自2007年起，北京工业大学提出将永磁涡流制动原理和液冷散热技术相结合，应用永久磁铁代替电涡流缓速器的电磁线圈产生磁源，研发出一种新型汽车缓速器——液冷式永磁缓速器，大大提高了缓速器的制动性能。液冷式永磁缓速器具有体积小、重量轻、制动力矩大、散热效果好、免维护、不耗能以及性价比高等优点。液冷式永磁缓速器与主流缓速器的性能对比见表1-2。

表1-2 液冷式永磁缓速器与主流缓速器的性能对比

2008年7月北京工业大学课题组申请了变速器前置的液冷式永磁缓速器专利。该发明将缓速器置于汽车离合器与变速器之间，通过变速器的减速（即转矩放大）作用，加强了缓速器对汽车的制动效果，采用气动离合装置和摩擦钢片来控制缓速器的工作状态，并将永久磁铁等结构作为转子，定子外侧布置有水道，从而实现液体冷却的散热方式。同年9月，课题组申请了可分级控制的永磁缓速器专利，同样采用气动离合装置和摩擦钢片来控制缓速器的工作状态，且具有两套相同的结构从而实现两级制动。2009年11月，课题组申请了永久磁铁轴向滑动式永磁液冷缓速器，磁铁所在的转子可以沿轴向滑动，从而改变缓速器的工作状态，并实现无级制动。这些永磁缓速器结构在冷却方式、制动力矩分级控制和工作状态切换等方面都做了较大的创新和改进。