基于Ansoft 的农用车电磁式制动系统磁场分析

吴 飞

(广西交通职业技术学院 汽车工程系，广西 南宁530023)

目前，农用车辆多采用气压或者液压为主的制动系统，这些制动系统在很大程度上能确保农用运输车辆行驶的安全性．然而农用车辆所工作的地点多在田间，出现涉水涉沙的路况较为常见，一旦这些路况持续出现在农用运输车辆行驶途中，将会因其制动失效而存在极大的安全隐患．为此，如何解决农用运输车辆制动系统接触失效已成为农业工程的一大问题．文献［1－3］中不难发现，公路运输车辆制动系统所存在问题与农用运输车辆相似．目前，较多客车生产企业已将电涡流缓速器作为其标配部件之一．

考虑到农用运输车实际工作情况复杂，若其制动系统采用电磁式制动装置，则漏磁的存在使其磁通密度分布不规则，同时也会影响电磁制动力矩的大小和方向，导磁材料的非线性、电磁式制动系统工作过程中存在的磁饱和问题以及退磁效应都给装置设计带来了一定的困难，为此，利用Ansoft Maxwell2D/3D 软件建立电磁式制动系统模型并进行磁场分析，可以准确地模拟农用运输车电磁式制动系统的性能，为设计提供一定参考依据．

1 农用运输车电磁式制动系统结构和原理

1．1 设计原理

如图1 所示，为农用运输车电磁式制动系统结构，该制动系统由双转子电磁制动盘以及夹在电磁制动盘中间的电磁线圈、电磁铁芯组成．工作过程中，以制动盘作为电磁式制动系统的转子，线圈产生的磁通经铁芯、磁轭、气隙、制动盘、相邻线圈的磁轭、气隙、铁芯形成回路，制动时转子切割磁感应线产生制动力矩．本设计中，将线圈个数设为6 个，均布在双转子电磁制动盘上，每个线圈匝数均设为1 000 匝．

图1 电磁式制动系统结构Fig．1 The chart of electromagnetic brake system

2 农用运输车电磁式制动系统数学模型

根据麦克斯韦方程和洛伦定律，电磁方程组可写为［4－6］:

其中:D 表示单位磁通密度;ρf表示电荷密度，B 表示磁感应强度，E 表示电场强度，H表示磁场强度，J表示电流密度，μ0表示真空磁导率． F 表示洛伦力，q表示电荷，v表示制动盘上某点电荷的运动速度． 根据麦克斯韦方程，经整理后的麦克斯韦线性方程可表述为:

其中:ε0表示真空介电常数，d表示制动盘厚度． 根据式(9)，电流密度J可写为:

将∇分别乘在式(7)等式两边，为此式(1)可写为:

结合式(11)和式(12)，

考虑到磁通密度所产生的驱动力会再次施加在制动盘上，为此制动盘上的磁感应强度应加上外界磁感应强度B0．因此，总的磁感应强度用B+B0来表示，式(14)可表为:

考虑到电流密度J和电场都存在x和y方向，上述方程可改写为:

其中:f表示常系数，且f=μ0ε0，G表示常系数，且G=μ0σd，vx和vy为制动盘上某点在x和y方向的速度．式(11)可写为:

考虑到磁通密度同样存在x和y方向，因此式(17)可变为:

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

考虑到感应电流密度及感应磁感应强度的影响，从积分的角度可得到农用运输车辆电磁式制动系统制动盘上的电磁制动力矩Tb为:

其中:Tb表示电磁式制动系统制动盘上的电磁制动力矩，a表示电磁铁芯的长度，b表示电磁铁芯的宽度，rab表示电磁铁芯投影在制动盘中心点距制动盘中心点的距离，Ji表示感应电流密度，Bi表示感应磁感应强度．

3 磁场分析

Ansoft Maxwell 2D/3D 软件是由Ansoft 公司生产的一款非常优秀的电磁分析软件．该软件可进行电磁场理论、数值分析、计算方法、电涡流计算及温度场计算方面的仿真研究．由于设计者对性能与体积设计封装的希望，因而对于先进且便于使用的数字场仿真技术的需求量增加．在工程人员所关心的实用性及数字化功能方面，Maxwell 的产品遥遥领先其他的一流公司，其中MAXWELL 2D 可用于工业应用中的电磁元件，如传感器、调节器、电动机、变压器，以及其他工业控制系统比以往任何时候都使用得更加广泛．

为了更好地分析、观察电磁式制动系统在制动盘上所产生的磁感应强度及磁力线分布情况，选择采用Ansoft Maxwell2D 10．0 版本二维软件．

通过【Setup Materials】命令访问材料管理器．进入材料管理器后，作如下指定:

1)指定电磁制动器线圈的材料属性为铜(copper);

2)指定制动盘的材料属性为铜(copper);

3)指定电磁制动器线圈磁极属性为NdFe35;

4)背景设为气球边界．

图2 所示为网格化后的电磁式制动系统图，为了便于观察与分析，在网格化过程中，将需要重点分析区域(双转子电磁制动盘)划分得更密．

图3 所示为电磁式制动系统磁力线分布图，磁力线密度越大的地方表明该处的磁感应强度越大．

图2 网格化后的电磁式制动系统图Fig．2 The meshed chart of electromagnetic brake system

图3 磁力线分布图Fig．3 Force line distribution map

图4 所示为磁感应强度分布图，在求解过程中，设置每个线圈的通电电流为20 A，每个线圈匝数为1 000匝．由图4 可见，双转子制动盘上出现最大磁感应强度B 的地方位于制动盘的中部，约为2．6 t，制动盘两端的磁感应强度最小，这与磁力线在中部密度最大有关．

图5 所示为后处理得到的制动盘受力结果图． 通过后处理结果可知，双转子制动盘所受x方向合力为120．742N，所受y 方向合力为6049．9 N．由于y 方向的力能阻碍制动盘旋转，为此其值越大，则说明制动效果越明显．假设电磁铁芯投影在制动盘中心点距制动盘中心点的距离rab为40 mm，则电磁式制动系统能产生的制动力矩Tb为242 N．m，对于总重量在2～3 t 的农用车辆制动时，能起到有效的辅助制动作用．

图4 磁感应强度分布图Fig．4 Distribution of electromagnetic flux density map

图5 后处理得到的制动盘受力力结果Fig．5 Disc brake force results after processing

图6 为后处理得到的力随时间变化图，由图6 可见，电磁式制动系统能持续提供恒定的电磁制动力，从而确保了车辆的有效、可靠制动．

图6 后处理得到的力随时间变化图Fig．6 Variation chart between force and time after processing

4 结论

农用车辆所工作的地点多在田间，出现涉水涉沙的路况较为常见，一旦这些路况持续出现在农用运输车辆行驶途中，将会因其制动失效而存在极大的安全隐患． 为此，将传统的气压式或液压式的农用运输车制动系统改装为电磁式制动系统将是可行的方法，根据相关文献，结合系统结构推导出制动力矩公式，并利用Ansoft Maxwell 2D/3D 软件对其进行磁场分析，最终得到切合实际的结果和结论．

［1］ 黄榕清，李刚营，胡宏． 液力缓速器和电涡流缓速器［J］．机电工程技术，2005(10):82－85，106．

［2］ 时军，过学迅．车用液力减速制动器的现状与发展趋势［J］．车辆与动力技术，2001(4):52－57．

［3］ 刘存香．汽车电磁制动与摩擦制动集成系统控制技术及性能研究［D］．镇江:江苏大学，2012．

［4］ 何仁，丁福生．轮边缓速器制动力矩的计算方法［J］．汽车技术，2008(10):10－12．

［5］ 何仁，赵万忠，牛润新．车用永磁式缓速器制动力矩的计算方法［J］．交通运输工程学报，2006(4):66－69．

［6］ Karakoc K，Edward J，Park Afzal Suleman．Improved braking torque generation capacity of an eddy current brake with time varying magnetic field:A numerical study［J］．Finite Elements in Analysis and Design，2012，59 (1):66－75．