CN104018445B - 电磁减速装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁减速装置，包括：供电单元，该供电单元包括系统电源、检测电源及控制电源，所述检测电源及控制电源并联于所述系统电源；检测单元，该检测单元包括一检测器，该检测器与所述检测电源电性连接；控制单元，该控制单元包括一减速线圈及一阈值开启阀，所述减速线圈埋设于路面下，该减速线圈于通电时通过产生电磁场对车辆进行减速，所述阈值开启阀与所述减速线圈及上述检测器电性连接，该阈值开启阀用于判断所述检测器检测所得参数，该控制单元与所述检测单元成组并联于所述供电单元。本发明的电磁减速装置通过产生电磁场，对所有经过此电磁减速装置路段的车辆进行减速，适用性极强。

Description

电磁减速装置及方法

技术领域

本发明属于公路交通安全领域，具体涉及一种电磁减速装置及其方法。

背景技术

从车辆运营特性上分析，长下坡路段一般是指在线性设计上出现容易造成车辆长时间制动或空挡滑行的长距离、大坡度的路段。据统计我国长下坡路段长度占公路网总长不到20％，而长下坡路段时交通事故却占总事故的一半以上，并且长下坡路段载重车辆制动失效造成的交通事故占该路段总交通事故的70％-90％，因此长下坡路段也被称为“事故多发路段”。

车辆，尤其是是重型车，在长下坡路段行驶中长时间制动，制动系统容易因热衰减而导致制动力减弱甚至失效，造成严重的交通事故，所以长下坡路段的安全保障措施研究是交通安全保障工程的重点研究方向。

电磁减速是物体在电磁场中运动受到与运动方向相反的电磁阻力产生的减速作用。当金属导体在电磁场中运动时,导体内产生的安培力与运动方向相反，对金属导体形成阻力，阻止导体的运动，产生减速的效果。现如今利用电磁原理改变物体的运动速度在军事、机械等领域有相关应用，关于道路交通安全领域仅有车载电磁减速器辅助车辆减速。缓速器是通过控制电路给定子总成的励磁线圈通电，产生磁场，转子总成随车辆传动部分高速旋转，切割磁力线，产生反向力矩，使车辆减速。在车辆上安装缓速器虽然能起到一定的减速效果，然而对于容易发生制动失效的货车一般并没有配置昂贵的缓速器，只是简单的安装喷水装置给车辆的制动器降温，没有从根本上解决车辆制动负荷过大导致制动效能下降和制动失效的问题。有鉴于此，实有必要提供一种道路电磁减速安全装置，以对路段上所有车辆进行减速。

发明内容

本发明的目的是提供一种电磁减速装置，通过在道路上设置电磁减速装置，对所有经过此电磁减速路段的车辆进行减速。

为了达到上述目的，本发明的电磁减速装置包括：

供电单元，该供电单元包括系统电源、检测电源及控制电源，所述检测电源及控制电源并联于所述系统电源，所述系统电源与检测电源之间设有一第一开关；

检测单元，该检测单元包括一交通信息检测器，该交通信息检测器与所述检测电源电性连接，该交通信息检测器与检测电源之间设有一第二开关；以及

控制单元，该控制单元包括一减速线圈及一阈值开启阀，所述减速线圈埋设于路面下，该减速线圈于通电时通过产生电磁场对车辆进行减速，所述阈值开启阀与所述减速线圈及上述交通信息检测器电性连接，该阈值开启阀用于判断所述交通信息检测器检测所得参数，该阈值开启阀与控制电源之间设有一第三开关。

特别的，所述供电单元的工作电压是可调的。

特别的，所述供电单元可以输入直流电或交流电。

特别的，所述减速线圈中设有增强电磁场的铁芯。

特别的，所述交通信息检测器为视频检测器、线圈检测器、微波检测器中的至少一种。

特别的，包括至少一组由控制单元和检测单元组成的检测控制单元，每组检测控制单元的控制单元通过第二开关与所述检测电源连接；每组检测控制单元的检测单元通过第三开关与所述控制电源连接。

本发明还提供一种采用所述电磁减速装置的电磁减速方法，其包括以下步骤：

S1：检测单元检测通过车辆的控制参数；

S2：阈值开启阀通过检测单元的检测结果来判断所述控制参数是否超过预设阈值，若超过，则执行步骤S3；

S3：阈值开启阀关闭，使减速线圈通电，通过减速线圈产生的电磁场来对车辆进行减速。

特别的，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S201：若控制参数未超过阈值，则执行步骤S202；

S202：第二组检测单元继续检测所述车辆的控制参数；

S203：第二组控制单元中的阈值开启阀继续判断所述控制参数是否超过预设阈值，若超过，则执行步骤S204，若未超过，车辆继续前行，第三组检测单元继续检测，直到车辆行驶完长下坡路段上设置的所有减速线圈为止；

S204：第二组控制单元中的阈值开启阀关闭，使减速线圈通电，通过减速线圈产生的电磁场来对车辆进行减速。

特别的，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S301：车辆通过减速线圈减速后，继续前行，通过第二组检测单元继续进行检测，直到车辆行驶完长下坡路段上设置的减速线圈为止。

特别的，所述控制参数包括：车型检测、车速检测、车头时距检测。

相较于现有技术，本发明的电磁减速装置，通过在道路上设置电磁减速装置，当通过该电磁减速装置路段的车辆超速时，该电磁减速装置进行工作，产生磁场，通过该电磁减速装置路段的车辆在电磁场中运行,车辆内部产生的安培力与运动方向相反，对车辆形成阻力，降低车辆的速度，以达到减速的效果，具有极强的实用性与安全性。

附图说明

图1为本发明电磁减速装置的结构示意图；

图2为本发明电磁减速方法的流程图；

图3为本发明一仿真模型中车辆的速度相对平均降低百分比图；

图4为本发明一仿真模型中控制单元设置不同组数减速线圈下车辆的速度平均相对降低图；

图5为本发明一仿真模型中控制单元设置不同匝数减速线圈下车辆的速度平均相对降低图；

图6为本发明一仿真模型中车辆实测速度与理论速度的比对图；

图7为本发明一实施例的道路铺设安装图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。

请参阅图1，本发明的电磁减速装置包括：

供电单元，该供电单元的工作电压可根据减速需要进行调节，本发明优选工作电压为220V，所述供电单元可以输入直流电，也可以输入交流电，该供电单元包括系统电源、检测电源及控制电源，所述检测电源及控制电源并联于所述系统电源，所述系统电源与检测电源之间设有一第一开关，该供电单元还包括一备用电源，该备用电源与所述第一开关并联于所述系统单元，所述备用电源用于在电磁减速装置短路或断路时自动开启，以使电磁减速装置正常工作；

检测单元，该检测单元包括一交通信息检测器，该交通信息检测器用于对通过车辆的控制参数进行检测，该交通信息检测器与所述检测电源电性连接，该交通信息检测器与检测电源之间设有一第二开关；以及

控制单元，该控制单元包括一减速线圈及一阈值开启阀，所述减速线圈埋设于路面下，该减速线圈于通电时通过产生电磁场对车辆进行减速，电磁场越强，减速越好，为了增强电磁场，也可以在减速线圈中增加铁芯，所述阈值开启阀与所述减速线圈及上述交通信息检测器电性连接，该阈值开启阀用于判断所述交通信息检测器检测所得参数，该阈值开启阀与控制电源之间设有一第三开关。

该电磁减速装置所设第一开关、第二开关及第三开关正常工作时处于关闭状态，当该电磁减速装置需要进行维修或检测时，开启开关，进行维修或检测，此时，所述备用电源自动开启，为该电磁减速装置进行供电。

请参阅图2，本发明还提供一种采用所述电磁减速装置的电磁减速方法，其包括以下步骤：

S1：检测单元检测通过车辆的控制参数：

车辆驶入检测单元路段，所述检测单元路段的交通信息检测器检测通过车辆的车型、车速及车头时距参数；

S2：阈值开启阀通过检测单元的检测结果来判断所述控制参数是否超过预设阈值，若超过，则执行步骤S3；

根据道路设计参数及设计规范设定阈值，检测单元将检测结果传递给阈值开启阀，阈值开启阀判断所测得的控制参数是否超过所设阈值，若超过所设阈值，则执行步骤S3；

S3：阈值开启阀关闭，使减速线圈通电，通过减速线圈产生的电磁场来对车辆进行减速。

超速车辆驶入控制单元路段，此时，阈值开启阀关闭，使减速线圈通电，所述减速线圈产生电磁场，由于超速车辆在电磁场中运行，其内部产生安培力，所产生的安培力与运动方向相反，对超度车辆形成阻力，进而达到减速的效果。

于本发明所述电磁减速方法，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S201：若控制参数未超过阈值，则执行步骤S202；

S202：第二组检测单元继续检测所述车辆的控制参数，未超速车辆于长下坡路段行驶时，由于长时间制动，所述车辆的制动系统因热衰减而导致制动力减弱甚至失效，进而速度加快，此时，所述车辆驶入第二检测单元继续检测车辆的车型、车速及车头时距参数；

S203：第二组控制单元中的阈值开启阀继续判断所述控制参数是否超过预设阈值，若超过，则执行步骤S204，若未超过，车辆继续前行，第三组检测单元继续检测，直到车辆行驶完长下坡路段上设置的所有减速线圈为止：

车辆驶入第二组控制单元路段，第二组检测单元将检测结果传递给第二组控制单元中的阈值开启阀，所述阈值开启阀判断所测得的控制参数是否超过所设阈值，若超过所设阈值，执行步骤S204，若未超过所设阈值，所述车辆则继续向前行驶，第三组检测单元继续进行检测，直到车辆行驶完长下坡路段上设置的所有减速线圈为止；

S204：第二组控制单元中的阈值开启阀关闭，使减速线圈通电，通过减速线圈产生的电磁场来对车辆进行减速：

所述超速车辆驶入第二控制单元路段，此时，第二组控制单元中的阈值开启阀关闭，使减速线圈通电，所述减速线圈产生电磁场，由于超速车辆在电磁场中运行，其内部产生安培力，所产生的安培力与运动方向相反，对超度车辆形成阻力，进而达到减速的效果。

于本发明所述电磁减速方法，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S301：车辆通过减速线圈减速后，继续前行，通过第二组检测单元继续进行检测，直到车辆行驶完长下坡路段上设置的减速线圈为止：

所述车辆通过减速线圈减速后，继续向前行驶，减速后的车辆于长下坡路段行驶时，由于长时间制动，所述车辆的制动系统因热衰减而导致制动力减弱甚至失效，进而速度加快，此时，所述车辆驶入第二检测单元继续检测车辆的车型参数、车速参数及车头时距参数，直到车辆行驶完长下坡路段上设置的减速线圈为止。

一、下面对该电磁减速装置设计的原理进行详细说明，在需要设置该电磁减速装置的道路上铺设减速线圈，通电流I，形成载流回路并产生磁场B，磁场各处的强度大小不一致，将载流导线分为无数微段，则根据毕奥萨伐尔定律，电流在圆心距离处产生的磁场如下：

$d\stackrel{\→}{B}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\·\frac{Id\stackrel{\→}{l}\×\hat{r}}{r^2}---\left(1\right)$

式中：

μ₀——真空中的磁导率，取4π×10^-7m/Ω；

——某微段的电流值；

——的方向。

根据式(1)积分可得到整个磁场的强度B如下式：

式中：

R——线圈半径；

r₀——线圈到地面的距离；其余参数同前。

当长下坡车辆以行驶速度V通过铺设有n匝通电线圈的制动段时，会产生动生电动势ε如下式：

$\left|\mathrm{\ϵ}\right|=|-\frac{d\mathrm{\φ}}{dt}|=|-\frac{nldx}{dt}\stackrel{\→}{B}|=\left|nBlv\right|---\left(3\right)$

设定车辆内导体金属电阻为R₀，车辆的外廓车宽为l，可得到行驶车辆所受到的磁阻力F如下式：

$F=BIl=\frac{{\mathrm{nB}}^2{l}^{2}v}{R_0}---\left(4\right)$

根据式(4)代入车辆重量m，推算得到车辆减速度，如下式：

$a=\frac{B^2{l}^{2}v}{{\mathrm{mR}}_0}=\frac{{\mathrm{n\μ}}_0^2{R}^4{l}^{2}lv}{4{\mathrm{mR}}_0{(R^2+{r_0}^2)}^3}=kv---\left(5\right)$

由式(5)可知，减速度与行驶速度成正比关系，因减速度与行驶速度、制动距离的关系如下式：

$2aS=2aNL=v^2-v_t^2---\left(6\right)$

式中：

N——电磁线圈组数；

L——线圈尺寸；

v_t——电磁减速的开启阈值，m/s，其他参数同前。

由式(5)、式(6)可知电磁减速度与电压、线圈匝数、线圈尺寸和组数和车辆车型和速度都存在一定的关系。

二、为了验证该电磁减速装置的减速效果及可行性，下面通过电磁减速的模型仿真实验进一步详细说明。

根据电磁减速原理可知电磁减速度与车体质量、车速，减速线圈的匝数和电压都有关系，下面采用控制变量的方法来验证该电磁减速装置的减速效果可行性。

1、该电磁减速仿真模型主要由实验车辆部分、信息采集部分、实验坡道部分、电磁减速部分四部分组成。

(1)实验车辆部分：

实验采用长260mm，宽160mm，轮胎65mm，重量72g的标准实验车。该试验场配置4个电机，空载转速为49转/每分钟，装载的单片机配有单片机芯片(AT89S52)、液晶显示模块(LCD1602)和对射式光电测速模块。

(2)信息采集部分:

信息采集部分主要是对实验车在坡道上行驶的速度信息进行采集，并显示在显示屏上。对于速度的采集，采用光电测速传感器，通过计算在单位时间内测得脉冲的次数，根据脉冲频率和20线码盘对应计算得到实验车速度，并将速度信息传送至单片机芯片进行处理，单片机再将处理后的速度信息显示在液晶屏上。

(3)实验坡道部分:

实验坡道根据实验车的比例把实验道路进行等比例缩小，选用坡度为3％，长为3m，宽34cm作为实验模拟路段。并在实验坡道后预设多个凹槽，方便电磁减速线圈的铺设。

(4)电磁减速部分:

电磁减速部分主要由减速线圈组成，根据电磁减速原理，在实验坡道上铺设一组50匝的细铜线减速线圈，在实验过程中给线圈外加12V的交流电压，并设有电阀保证线圈安全使用。

2、为了验证电磁减速装置的作用效果，通过对照实验进行实验分析。实验坡道铺设一组电磁减速线圈，对照坡道未铺设任何减速措施，其余实验条件相同，观察记录经过测速点的速度。实验重复50次，求得实验车速度相对降低百分比结果如图3，速度相对平均降低百分比如图3线条。

由图3可知，相对减速度比较明显，并在速度相对平均降低百分比线上下波动，考虑到实验坡道上的摩擦阻力、实验车电池的消耗等外部因素的影响，实验所测数据误差都在20％以内，说明了电磁减速度的存在，验证了电磁减速原理的可行性。

3、电磁减速与设计参数的关系验证

实验坡道铺设1到4组电磁减速线圈，对照坡道未铺设任何减速措施，其余实验条件相同实验重复50次。利用上述相同的方法，改变线圈匝数10到50匝，并重复50次，求得不同电磁减速线圈组数实验车平均速率减少结果如图4，不同线圈匝数实验车平均速率减少结果图5。

由图4与图5可知，线圈的组数和匝数越大，相对降低速度越明显，增加线圈组数、匝数能有效提升电磁辅助减速的效果，验证了线圈组数与电磁减速的关系。

4、电磁减速理论计算与实测数据的比对验证

为了验证模型与理论计算结果的差异，设计实验进行分析。实验坡道铺设1组50匝数的电磁减速设施，外加12V的交流电压，记录实验车的速度，并重复50次，将试验数据与理论计算数据进行对比，得到速度比对图如图6。

由图6可知，电磁减速理论速度明显高于实验测得的实测速度，说明电磁减速设施的实际减速效果比理论计算的更好，实际中车辆经过减速设施的磁场区域时，磁场对车体的吸引作用增大了车辆与道路地面间的摩擦力，提高了车辆的减速效果。

根据实验结果可知，不同尺寸、不同匝数及不同组数的减速线圈所达到的效果是不同的，于使用时，该减速线圈的尺寸、匝数及组数根据道路的设计参数及设计规范来调节确定。

本发明通过在长下坡路段设置电磁减速装置，对所有通过该电磁减速路段因热衰减而导致制动力减弱甚至失效的车辆进行减速，具有较高的安全性与实用性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于长下坡路段的电磁减速装置，该电磁减速装置包括：供电单元，该供电单元包括系统电源、检测电源及控制电源，所述检测电源及控制电源并联于所述系统电源，所述系统电源与检测电源之间设有一第一开关；

检测单元，该检测单元包括一交通信息检测器，该交通信息检测器与所述检测电源电性连接，该交通信息检测器与检测电源之间设有一第二开关；其特征在于，包括：

控制单元，该控制单元包括一减速线圈及一阈值开启阀，所述减速线圈埋设于路面下，该减速线圈于通电时通过产生电磁场对车辆进行减速，所述阈值开启阀与所述减速线圈及上述交通信息检测器电性连接，该阈值开启阀用于判断所述交通信息检测器检测所得参数，该阈值开启阀与控制电源之间设有一第三开关。

2.根据权利要求1所述的电磁减速装置，其特征在于，所述供电单元的工作电压是可调的。

3.根据权利要求1所述的电磁减速装置，其特征在于，所述供电单元可以输入直流电或交流电。

4.根据权利要求1所述的电磁减速装置，其特征在于，所述减速线圈中设有增强电磁场的铁芯。

5.根据权利要求1所述的电磁减速装置，其特征在于：所述交通信息检测器为视频检测器、线圈检测器、微波检测器中的至少一种。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的电磁减速装置，其特征在于，包括至少一组由控制单元和检测单元组成的检测控制单元，每组检测控制单元的控制单元通过第二开关与所述检测电源连接；每组检测控制单元的检测单元通过第三开关与所述控制电源连接。

7.一种采用如权利要求1所述电磁减速装置的电磁减速方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1：检测单元检测通过车辆的控制参数；

S2：阈值开启阀通过检测单元的检测结果来判断所述控制参数是否超过预设阈值，若超过，则执行步骤S3；

S3：阈值开启阀关闭，使减速线圈通电，通过减速线圈产生的电磁场来对车辆进行减速。

8.根据权利要求7所述的电磁减速方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S201：若控制参数未超过阈值，则执行步骤S202；

S202：第二组检测单元继续检测所述车辆的控制参数；

S203：第二组控制单元中的阈值开启阀继续判断所述控制参数是否超过预设阈值，若超过，则执行步骤S204，若未超过，车辆继续前行，第三组检测单元继续检测，直到车辆行驶完长下坡路段上设置的所有减速线圈为止；

S204：第二组控制单元中的阈值开启阀关闭，使减速线圈通电，通过减速线圈产生的电磁场来对车辆进行减速。

9.根据权利要求7所述的电磁减速方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S301：车辆通过减速线圈减速后，继续前行，通过第二组检测单元继续进行检测，直到车辆行驶完长下坡路段上设置的减速线圈为止。

10.根据权利要求7-9任意一项所述的电磁减速方法，其特征在于，所述控制参数包括：车型检测、车速检测、车头时距检测。