[01782703]永磁缓速器转子鼓强化散热及结构参数优化研究

本课题来源于山东省自然科学基金资助项目《永磁缓速器转子鼓强化散热及结构参数优化研究》。通过文献调研,项目开展期间国内也有学者针对永磁缓速器做了一定的工作,但均未设计到 “永磁缓速器转子鼓结构散热分析”的研究。目前在现有公开发表的2篇文献中,日本学者简要地介绍了叶片角度对散热的影响,远远不能满足设计的需求。2014年4月牛耀宏的博士论文“矿用永磁磁力耦合器设计理论及实验研究”确定了矿用磁力耦合器的基本结构;详细研究了导体盘、永磁体盘间相对运动产生涡流的原因、磁场分布特点、推导出了转矩输出的基本规律;应用 Matlab、Ansoft maxwell 软件,计算分析了不同参数对磁感应强度、传递转矩、输出功率的影响规律;设计搭建了测试平台,实验得出了气隙、铜盘厚度、磁铁厚度、磁极面积与对数对磁力耦合器机械和工作特性的影响关系,优化确定了 40KW 矿用永磁磁力耦合器的设计参数。2014年6月蒋瑜发表的“基于 Maxwell 车用双盘式永磁缓速器理论研究”设计了一种新型的双盘式永磁缓速器,并通过均匀设计优化了最大转矩值。2015年7月何仁发表的“永磁式缓速器的制动力矩分级结构设计”,运用解析法对永磁式缓速器的气隙磁场建立数学模型“通过分离变量法结合边界条件”获得了气隙磁通密度的表达式,再运用源和场理论推导出适合工程应用的永磁式缓速器制动力矩计算公式,在此基础上分析了磁极对数、永磁体周向宽度、永磁体轴向长度和气隙大小对气隙磁场和制动力矩的影响,并分别根据这4种参数设计了4种可行的制动力矩分级结构。 本项目通过永磁缓速器结构和工作原理分析,根据ECE R13法规规定下长坡过程中车辆在不采用行车制动系统的情况下行驶速度不大于30km/h,以及永磁缓速器持续制动时转子鼓温度处于稳态极限状态时确定相应的边界条件,建立转子鼓散热物理模型。应用流体力学和数值传热学理论,选用合适的紊流数学模型,结合SIMPLE算法,分析转子鼓散热特性,建立永磁缓速器转子鼓散热数学模型。通过改变现有永磁缓速器转子鼓散热片的结构参数,分析各结构参数对转子鼓热通量、阻力矩及轴向力的影响,提出转子鼓散热片设计时应注意的问题,优化永磁缓速器转子鼓散热片结构参数。提出一至两种新型缓速器转子鼓结构设计,该转子鼓须具有较好的散热性能和制动稳定性,并建立相应的转子鼓散热物理模型。利用现有的缓速器专用性能试验台,对所设计的装用新型永磁缓速器进行测试,测定缓速器制动力矩和温升时域特性曲线,并与原型永磁缓速器进行对比分析。 由于条件的限制,课题组对缓速器疲劳和材料试验研究不多。日本学者发表论文论述了永磁式缓速器的疲劳损坏。有两篇会议论文涉及了缓速器的材料选择。但这方面的研究工作,日本开展的并不多。疲劳损坏与材料试验是进一步深入研究的新课题。在实际的应用中,需要根据不同的车况匹配相应的辅助制动力矩,由于分级控制结构复杂,限制了永磁缓速器推广应用。目前,分级控制仅实现在日本新干线的盘式缓速器上。如何实现永磁缓速器的分级控制是今后的主要课题之一。 2015 年获得山东省科技进步奖二等奖、2018 年获得山东省专利奖二等奖、2018 年获得山东省机械工业科学技术进步奖一等奖、2018 年获得山东省高等学校科学技术奖二等奖、2018 年获得山东省高等学校科学技术奖三等奖。