基本信息
- 项目名称：
- 辅助减速蓄能装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 发明本装置的目的在于回收汽车制动时部分浪费的能量，节约能源；同时，提供额外的制动力，减少刹车片的使用，提高汽车的杀策划效率，增强安全性。 其基本原理为电磁感应效应，利用固定在车轮上的线圈切割磁感线产生阻碍转矩，完成制动与机械能与电能转化过程，控制电路是通过减速触片的开闭来控制电磁感应电路的通闭，以此实现在减速时整个装置的启动，产生的电流通过整流用蓄电池来收集、利用。
- 详细介绍：
- 1 研究背景及意义 中国汽车保有量日益增多，引发了公众对于节能的思考。2009年中国汽车能源消耗已达到全球总能耗的22%，汽车保有量的激增使我国能源资源瓶颈性约束和能源供应安全问题更加突出。 20世纪90年代初，由13本学者桑原牵头，五十铃汽车公司联同住友金属工业首次研制成功了一种使用钕铁硼永磁体，不需电力来源，重量轻、简洁紧密、易安装的具有革命性的涡流缓速器”。有文献最早报道了永磁式缓速器的设计和结构、以及性能测试、耐力考验和运行工作检测结果。这种永磁式缓速器自1991年1月在日本市场推出，很好地满足了市场的需求并受到高度赞赏。随后几年，住友金属工业围绕“轻质、紧凑”的特点又研制了一系列新的永磁式缓速器，并批量生产投放市场。但是只是从单一方面实现减速效果，对本应消耗的能量未加以利用。动能的利用也成为研究主要方向之一，据估计，平均买辆车日刹车能耗大约为500KJ，全球的汽车保有量已达十亿辆，那么全球汽车刹车能耗总 量相当庞大，而这些能量都通过热能散失，造成能源的浪费。同时，频繁的制动过程耗损了大量的能量，并且大大降低了刹车片的使用寿命，并且可能带来安全隐患。 因此，加大、加快对永磁式缓速器的研究和开发，对提高汽车零部件生产企业自主创新能力具有十分积极的意义。 目前，尽管很多公司和研究所都开展了关于缓速器方面的研究，并取得一些成果，但是，我国在缓速器上的发展仍处于初级阶段，在市场中的占有率不大，且大都是初级产品，在高端缓速器方面普遍是引进。缓速器必定是未来汽车技术的重点发展方向，并且会在汽车上普遍使用。据预计，今后几年，随着更为严格的法规相继出台，以及企业、用户对车辆安 本文设计开发的汽车减速蓄能装置旨在解决该问题。本装置通过实现减速动能—电磁感应—整流稳压—电流储蓄—电能利用的完整运作，完成动电间转化，既辅助了减速功能同时也能回收能量，继续供给汽车的能耗，增加安全系数。 另外这个装置亦可稍加改动应用于其他轮系结构的制动系统。 本项目的研究内容包括： 对设计的方案和设备的选择做出了一个整体性的概括和研究，其中包括： （1）工艺整体流程的确定，发电系统、整流系统、监测系统的设计； （2）发电机的设计，发电系统尺寸参数的确定； （3）整流及蓄能电路的设计，系统个元件型号参数的选择。（本系统采用工程上常见的三相桥式整流电路和稳压电路，将发电机产生的交流电转化成稳定的直流电，储存在蓄电池中） （4）汽车路况环境的模拟，本系统采用一台750w电机带动发电装置转动，模拟实际过程中汽车减速带动装置蓄能的过程； （5）设计监测系统，对发电蓄能及减速效果进行分析； （6）进行工程化推理以及推广，进行经济性分析，验证项目可行性、科学性。 4 2设计方案 1.试验装置规模设计 本装置目的在于辅助汽车减速，属于汽车辅助性结构，可拆卸、维修、换新。因此要求设计必须贴近汽车本身结构基础。在对汽车主体机构改动不大甚至不改动的前提下，发挥最大工作特性，并且应具有很好的广泛适应性。因此我们将以小巧、灵活、方便、广泛定位为设计原则，本装置将主要结构嫁接于稍作改动的汽车刹车盘上以及车轮钢圈上，其附属整流系统以及附属结构则分布于相邻车体内部。有效利用汽车本身结构以及其部分空间，将装置很好与汽车本体融合并且可拆卸、再利用，从而达到广泛适应性的设计基本要求。 第一代装置结构利用永磁铁沿圆盘分布六个,固定在自行车轮辐上,随车一起转动.线圈固定在车体的圆盘上.控制开关与自行车的刹车片连接.当自行车刹车时,该装置启动,续集自行车因刹车耗散的能量,效果良好.该作品第一代作品模型获由中国科技协会的”我的低碳生活”科技创意大赛三等奖,获黑龙江省TRIZ杯科技创新大赛一等奖 4．汽车辅助减速蓄能装置磁铁设计分布 磁铁的分布对磁场气决定性作用,不同的磁铁分布结构会引起线圈的感应电流的不同变化.从而使两者间的制动力矩不同。通过分析磁铁的宽度，厚度，及气隙的变化对磁场周围的磁感应强度的有限元分析。利用ansoft软件进行网格划分与优化，从而得出设计数据，磁铁采用的汝铁硼材料。线圈采用漆包线，缠绕在硅钢片中。这可增加线圈的磁导率。 其结构如下图所示： 分析装置的磁路,磁力线在特别设计的硅钢片中形成闭合的磁路回路减少磁场损耗；这样磁路的磁阻小能够更好的实现转化为电量，而减少了应发热而耗散的能量并且减少磁场对车体的不良影响。 从永磁发电机的设计角度来看，提高发电机性能的关键在于提高永磁体的利用率。作为永磁电机要想提 高主磁通和磁通密度一般从两个方面入手： (1)永磁材料的选择。 (2)永磁体本身的结构。 考虑到永磁材料性价比的因素，永磁材料的选择余地有限；通过选择不同的永 磁体结构和排列方式来提高磁通量和磁通密度，方法灵活，种类较多。 通过分析柱形磁铁的参数及气隙宽度对磁感应强度分布的影响。考虑到灵巧手手指尺寸的限制，对磁铁周围空气场的磁感应强度进行有限元分析。经由仿真计算，最终确定磁体方案为瓦片型，在转子上呈周向分布的24极，使磁覆盖面积达到最大。磁铁极性变化，与制动力矩达到相互配合的关系。同时使其磁覆盖面积广,通过运用ansoft工程电磁场的分析软件,对其磁场进行优化处理,得到其制动力矩达和感应电压达到比较理想的结果。 5.线圈缠绕以及分布 相对于随轮轴转动的磁铁组，本装置将线圈与车体固定以形成与磁铁的相对运动。该装置将线圈缠绕于贴合汽车结构的硅钢片上起到增加通过线圈的磁通量以及增强线圈组的稳定性的要求。 基于该装置分级分档位可控制的设计理念，减速蓄能装置对线圈进行分组，分级设计，主要思路如下： （1）将线圈平均分为三大组，每组由8个分线圈组成，为产生均匀力矩每组的相对角度相等，并进行内部串联，再与其他组串联从而形成对外输出电路，带动负载或储存。 （2）将每组线圈分成若干级（根据实际要求档位确定，该装置暂定为三组），每组线圈由硅钢片外缠绕圈漆包线构成，如图2.3所示，其中各组为串联关系。由线圈匝数及电源组档位综合控制器实现。 在刹车过程中，由刹车踏板带动综合控制器，导通线圈并且联通组合电源的内部电路，导通后的闭合线圈与固定于刹车盘上的永磁铁做相对运动，由于电磁感应定律，产生感应电动势并由输出电路输出。 6. 线圈分级控制部分设计以及实施 7. 整流电路结构设计 整流电路主要由整流模块和稳压模块构成 3控制及在线监测控系统的实现 3.1控制系统总体框架 3.1.1 控制及监测系统运行状况分析 由于装置提供的制动力矩，必须与汽车当前工况下的所需力制动力矩相符，需要对其在工作状态下的各个参数实现实时监测，并通过线圈分匝控制调节制动力矩的大小。本套辅助减速蓄能装置为策车载设备，控制及监测系统应充分考虑汽车运行环境。 9 3.1.2 装置工作过程主要监测变量 （1）发电主体部分 对在汽车制动过程中工作的减速蓄能装置进行控制，需要先了解汽车刹车过程中，汽车车速变化状况以及此时装置发电时的各个参数。 1.转速 辅助减速蓄能装置工作在汽车刹车状态，过程中车速不断变化，车轮转速也随时间的变化而不同。由于发电系统正是依靠定子与转子相对旋转，在电磁感应原理下发出交流电，因转速是决定发电效率和提供制动力矩大小的关键因素。 2.电流 线圈中会产生随转子转速大小变化而不断波动的感应电流。发电系统发出的电需满足整装置的安全需求，不能应电流过大引起线路烧毁导致装置失灵，系统工作过程中要保证最大瞬时电流小于发电机线圈能承受的极限电流。 3.电压 发电系统工作时，在每个线圈上都会参生感应电。本套减速蓄能装置发出的电最终需要供给汽车蓄电池，从而满足车载用电设备的需求。这就需要对发电系统的的电压实时监控，便于为后续的整流稳压电路提供参数依据。 （2）效果显示本分 1.制动转矩 制动是本装置所要完成的核心任务之一。通电线圈在磁场中会受到力的作用，本装置即利用这部分里实现电磁制动。制动效果需要依靠能制动力矩的来表征。实现制动力矩的实时显示有利于更直观的研究装置的制动效果。 2.发电量 作为一种发电蓄能装置，需要对其蓄能效果进行分析。发电量作为重要依据需对其是实现过程累计量的显示。 3.1.3检测方法与仪器 装置在运行过程中所需要的监测参数是通过配置在装置中的各种传感器和自动分析仪来实现的。这些装置能把非电量参数转化为电信号，这些信号经适当处理后，可用于监测系统工作状态和计算间接参数。 （1）发电蓄能过程对传感器的要求 1.发电蓄能过程对传感器的常规要求为准确性、精确度、灵敏度、分辨能力要高，响应时间滞后要小，能够长时间稳定工作，可靠性好，具有可维修性。 2.需尽量减小对装置工作状态的影响。 3.发电机系统周围会有一定强度的磁场，监测及控制设备需能在该种磁场环境中工作，不会因磁场原因发生故障或出现较大误差。 4.在发电过程中，发电机线圈中会产生较大的电流和电压。因此联入系统的监测装置，需能承受一定强度的高压和较大的电流，避免因瞬时高压或大电流发生过热甚至烧毁现象。 5.整套装置由一台750kw的电机带动，工作过程肯能会产生比较大的震动。这就要求传感器有较高的工作稳定性，不会应为震动而失灵。 6.系统中部分机构需做旋转运动，传感器在体积及安装位置上需满足机构的运动状况，不会对机构运动产生不利影响。同时，不能对机构运动规律如速度、加速度产生较大影响。 （2）主要参数检测原理及应用 1.转速 转速的测量可采用采集信号，放大、整形后输入到单片机中进行处理，最后由显示系统输出。 2.电压的测量： 通过选择3位半直流电压显示模块，来显示该制动装置产生的感应电压，从而可直观的看到装置的效果。 3.2 发电蓄能装置的控制特性 本套装置在几乎完全工作在瞬态，运行中没有稳定的阶段，因此各个参变量始终在变化，并且部分变量会有比较大的波动，这对控制及监测系统提出了较高的要求。 例如，在刹车的初始阶段，车速较高，轮边速度也较大。在发电系统系统中会产生高电压大电流。当车速降低到一定程度后，线圈中电压电流的大小都可能会有较大幅度的波动。与此相反，由于电磁感应产生的刹车力矩则会随着转速的降低而增大。 3.3反应器运行参量的控制的实现 3.3.1发电系统减速力矩的控制 汽车所需刹车力矩的大小随环境路况的不同而不同，这就要求减速器能够提供不同车况下所需的减速力矩，因此，对发电系统工作过程中能够提供的减速力矩进行控制是必要的。本装置通过机械控制的方法，对线圈匝数实现了分级控制，由此控制了转动力矩的大小。 3.3.2蓄能系统稳定直流的实现 由于发电系统转速波动较大，产生的三相交流电幅值波动也较大。为了能够把产生的不稳定交流电转化为可供蓄电池供电的稳定交流电，需要对其进行整流稳压处理。 整流稳压电路有以下几个模块构成： （1）变压模块，利用变压器将电压升高，以降低整流环节中损失的电能； （2）整流模块，用三相桥全波整流器对发出的三相交流电进行整流处理，将发出的交流电转化成直流电； （3）稳压模块，用稳压器将经过整流后大小依然变化的直流电经稳压处理成12v稳定电压输出。 4.理论计算 4.1发电部分计算 4.1.1 定子每组绕组的电阻计算 4.1.2 三相永磁同步发电机基本电路方程 式中： ——j相的端电压 ——j相的电流 ——j相的中磁链 4.1.3 瞬时功率计算 车轮线速度 瞬时功率 4.1.4车轮受到的磁阻力矩 车轮受到的磁阻力矩 （式中符号意义2.3） 4.2 整流电路计算 输出电压平均值： 输出电流平均值： 通过二极管的平均电流： 二极管承受的最大反向工作电压： 4.3 效率分析 在刹车过程中，该装置可以为汽车提供最大1000N.•m的刹车力矩，并回收12%的制动能量。 5技术经济分析 依据公安部交管局最新的统计数据，2006年全国发生的交通事故超过378781起，在货车发生交通事故的原因分析中，排在第一位的是驾驶违章，其次便是车辆的机械故障，而在各种车辆的机械故障中，制动失灵占据了相当高的比例。汽车的制动失灵，主要是由于在连续的制动过程中，刹车片温度过高，产生热衰退现象而造成的。因此，一种好的制动技术的应用是有必要的，07年国家交通部的JT/T 325-2006 号文件《营运客车类型划分及等级评定》则明确规定客车的缓速器的安装要求。 工艺流程： 将汽车的刹车时车轮的余速通过旋转的磁体产生变化的磁场，在其周围布置线圈。使线圈在磁场的覆盖范围内。但刹车控制器控制线圈闭合，使磁体与线圈的磁路闭合，产生阻力矩和感应电压。其中感应电压通过整流滤波稳压单元形成稳定12V电压供车载蓄电池充电，实现能源的回收利用。阻力矩作用与车辆传动轴上使车速降低，达到辅助减速的功能。 5.2 线圈组对耗损动能的再利用 我们对汽车减速蓄能装置构造模型进行一系列理论计算，如下： 假定一辆汽车的平均速度为80公里/时，车重约为2吨，那么一次减速浪费的能量E=MV*V/2=0.5*2000*22*22=484kJ。城市中每辆车每天平均要完成50次以上的动作，这样每辆车每天浪费的能量为484*50=9600KJ。通过安装这装置，该装置第一次试验可蓄集约为12%的能量，相当于1152KJ/辆，折合93#燃油为0.02L/辆。 5.3 经济效益分析 中国国家统计局2010年2月28日发布数据显示，2010年末全国民用汽车保有量达到9,086万辆，若60%的车主采用我们所设计的减速蓄能装置，则将相当于总重新利用燃油185万升/天，若以每升7元计算，其折合人民币为1300万元/天。 该装置预算规模化生产后的成本大致为1000元/套，而每台装置节省能源折合人民币约为960元/年，换言之，若使用苯装置，将在一年左右时间内回收成本，具有收效显著的特点。 据统计，安装了电磁缓速器的车辆，其车辆的二保周期可延长2 至8 倍，车轮制动器使用寿命至少可以延长4 至7 倍，特别是车辆的制动毂、制动蹄片尤为显现，轮胎更换次数大大减少，从而节省了维修材料和人工费用以及轮胎消耗。 由于电磁蓄能缓速器的制造采用金属材料，99% 可以回收利用，而大部分为铜材，能马上回收增值1500 到2000 元，故材料的回收再利用率回收增值率较液力缓速器和发动机缓速器高得多。 5.4 环境效益分析 汽车燃烧将长生大量的尾气，汽车尾气污染物主要包括：一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘微粒（某些重金属化合物、铅化合物、黑烟及油雾）、臭气（甲醛等）。对大气造成严重的威胁，以汽油燃烧后尾气中二氧化碳为例，有害气体中含C元素的为CO和CH化合物，微量不计。视同为全部产生二氧化碳。按照不同的排放水平国四的汽油车，一氧化碳与二氧化碳比值约1：100；CH与二氧化碳比值约1：1000。 估算一升汽油排出CO2量为：2300克,若全国60%的汽车使用该套装置，将向大气少排放温室气体396kg/天。每年将减少CO2的排放约为13.5吨/年。 5.5社会效益分析 车用永磁式缓速器是近年发展起来的一种新型节能和环保辅助制动装置，是整车制动系统的一个主要组成部分。本研究项目辅助减速刹车增强汽车的可控性，增强 运行稳定因数，减少交通事故率的同时，还可以节省燃料、降低尾气排放、减小制动噪声，是环境友好型产品。达到了节省能源、能源产出和减少排放的三重目标，在能源短缺、环境问题日益突出的今天，本项目的研究成果有效地解决了环境污染和能源短缺的双重危机，具有很强的推广性。 16 6创新点及应用 6.1 创新点及优点 （1）汽车常规刹车时该系统启动，充分利用汽车制动的余速能量，使能源得到更为高效的利用。 （2）系统在回收汽车余速能量的同时，产生阻力矩来辅助汽车减速，缩短汽车的制动时间，减少刹车片的摩擦次数，延长其寿命。 （3）通过制动力的大小控制磁路的闭合次数，实现分级减速，可针对不同的工况进行选择匹配，达到能源利用率最大化与制动时间最短的双赢效果。 6.2 应用前景 随着现代汽车技术的快速发展，人们在追求汽车动力性和舒适性的同时。对汽车行车的安全性和节能型性提出了更高的要求。传统的汽车制动方式主要是在车轮上安装机械式摩擦制动器，但是连续或频繁使用制动器，使得制动鼓及摩擦片严重磨损，时间久了会导致鼓开裂、制动衬片烧毁。这不仅降低了制动器的寿命、增加了运营成本，严重时还会引起安全事故。同时也造成能源的浪费。现市场上有的缓速器，也主要针对这几方面。但立足点都是应用与如何使汽车尽快减速。，但对汽车的刹车余速能源没有很好的利用。目前，有很多公司和研究所都开展了关于缓速器方面的研究，并取得一些成果，我国在缓速器上的发展仍处于初级阶段，在市场中的占有率不大，同时国家也有相关法规来促进汽车缓速器的开发，和新型的减速机构进行探索。而作品是基于缓速的能源回收利用和辅助制动设计的，旨在探索 本文设计开发的汽车辅助减速蓄能装置以很好的解决该问题。本装置通过实现减速动能—电磁感应—整流稳压—电流储蓄—电能利用的完整运作，完成动电间转化，既辅助了减速功能同时也能回收能量，继续供给汽车的能耗，能达到能源的回收率约为12%，减少1300万元/天的经济损失，减少CO2的排放约为13.5吨/年，一方面缓解了汽车排放对环境的污染。另外这个装置亦可稍加改动应用于其他轮系结构的制动系统有较强的适应和生存能力。
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设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明本装置的目的在于回收汽车制动时部分浪费的能量，节约能源；同时，提供额外的制动力，减少刹车片的使用，提高汽车的杀策划效率，增强安全性。 其基本原理为电磁感应效应，利用固定在车轮上的线圈切割磁感线产生阻碍转矩，完成制动与机械能与电能转化过程，控制电路是通过减速触片的开闭来控制电磁感应电路的通闭，以此实现在减速时整个装置的启动，产生的电流通过整流用蓄电池来收集、利用。 本系统的创新点在于：（1）单相永磁同步发电系统的设计使用，不仅能够利用刹车时刹车盘与转轴的相对转对产生电能，而且能够给汽车提供刹车阻力矩辅助刹车，增强了汽车的安全性;（2）桥式整流滤波电路的设计使用，将发电系统产生的不稳定交流电转化为稳定直流电供给蓄电池充电，实现了能量的利用;（3）利用项圈分级控制的方法，实现了刹车力矩随工况改变的调节控制。 技术指标：（1）能够为蓄电池提供稳定的12V直流充电电压，保证车载用电器的工作需求。（2）能够给汽车提供需要的刹车力矩，实现辅助刹车的功能。
科学性、先进性
- 传统的汽车制动方式主要是在车轮上安装机械式摩擦制动器，但是连续或频繁使用制动器，使得制动鼓及摩擦片严重磨损，时间久了会导致鼓开裂、制动衬片烧毁。这不仅降低了制动器的寿命、增加了运营成本，严重时还会引起安全事故。目前，市场上的减速器大多采用磁励式，利用消耗自备电源电量产生制动力矩，虽然起到了了辅助刹车的作用，但同时也消耗了能量。而其它车载蓄能装置如飞轮式、液压式装置，也有着体积大、成本高等问题，不利于推广。 辅助刹车蓄能系统有以下优势:（1）一定程度上减少了刹车片的使用，延长汽车刹车片的寿命，降低了维护成本；（2）实现了对汽车刹车时的无用能量的回收利用，较少了汽车的耗油和排放，有明显的节能减排效果；（3）实现了辅助减速，提高了汽车的安全程度。（4）对现有车辆的改动较少，系统运营方便且成本较低，并能够回收再利用。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物，视频，图片，动画，现场展示展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、利用电磁感应原理，实现了辅助刹车与电磁蓄能的一体化功能。二、实现了对减速时原本耗散能量的回收利用，优化了传统刹车模式，减低了排放。三、通过对闭合线圈组数的控制，实现了对制动力矩及刹车效果的控制。四、装置具有体积小、拆装方便的特点，可方便的安装于各类机动车辆上，且成本低廉。 本作品适用于中小型机动车辆，可实现在不改动汽车原有结构的前提下的方便拆装，并且具有成本低、效率高的特点，能够很好的满足节能减排、降低成本的市场要求。同时，为了增强车辆的安全性，提高车辆的经济性，小型车辆也将为这种辅助刹车蓄能装置提供广阔的市场。 汽车通过安装这装置，可蓄集约为12%的制动能量，相当于2903KJ，折合93#燃油为0.45L。中国国家统计局2010年2月28日发布数据显示，2010年末全国民用汽车保有量达到9,086万辆，若60%的车主采用我们所设计的减速蓄能装置，则将相当于总重新利用燃油2453.2万升/天，若以每升7.5元计算，其折合人民币为18399万元/天。
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- 目前，尽管很多公司和研究所都开展了关于缓速器方面的研究，并取得一些成果，但是，我国在缓速器上的发展仍处于初级阶段，在市场中的占有率不大，且大都是初级产品，在高端缓速器方面普遍是引进。缓速器必定是未来汽车技术的重点发展方向，并且会在汽车上普遍使用。据预计，今后几年，随着更为严格的法规相继出台，以及企业、用户对车辆安全性能的进一步重视，6～8米客车用缓速器市场可能会出现井喷现象。
