分級(jí)式永磁緩速器的設(shè)計(jì)

何 仁，王 晶，王 亮

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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分級(jí)式永磁緩速器的設(shè)計(jì)

何 仁，王 晶，王 亮

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

提出了永磁緩速器制動(dòng)力矩分級(jí)的概念，設(shè)計(jì)了一種分級(jí)式永磁緩速器的結(jié)構(gòu)方案。根據(jù)車輛布置要求，通過(guò)理論計(jì)算確定分級(jí)式永磁緩速器各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)；在完成結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Maxwell 3D電磁分析軟件，對(duì)設(shè)計(jì)的分級(jí)式永磁緩速器的各擋制動(dòng)力矩進(jìn)行仿真分析。研究表明：設(shè)計(jì)的永磁緩速器制動(dòng)力矩分級(jí)效果明顯，符合設(shè)計(jì)要求。

車輛工程；永磁緩速器；制動(dòng)力矩分級(jí)；設(shè)計(jì)；電磁分析

0 引 言

現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展方向是安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適。良好的制動(dòng)性能是汽車安全行駛的重要保障。緩速器作為輔助制動(dòng)裝置，可以克服傳統(tǒng)制動(dòng)器長(zhǎng)時(shí)間作用、制動(dòng)效能下降所引起的安全隱患問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)商用汽車廠家較多地采用電渦流緩速器。

但是，現(xiàn)代汽車車載電器電子設(shè)備越來(lái)越多，對(duì)汽車的供電量也要求越來(lái)越大，電渦流緩速器工作會(huì)進(jìn)一步加大對(duì)電池組容量的要求，這樣勢(shì)必會(huì)使得汽車增大發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的容量，增加了燃油消耗[1]。另外，由于其體積大、質(zhì)量大，影響它的使用范圍。永磁式緩速器是一種新型節(jié)能的輔助制動(dòng)裝置，如圖1。它利用永久磁鐵代替電渦流緩速器中的線圈和鐵心而產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子鼓轉(zhuǎn)動(dòng)，切割磁力線，產(chǎn)生電渦流，而產(chǎn)生制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)的目的[2-3]。

圖1 永磁式緩速器工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of permanent magnet retarder

永磁式緩速器的特點(diǎn)為：安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)小，質(zhì)量輕；連續(xù)使用不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱，能持續(xù)不斷地保持制動(dòng)力的穩(wěn)定性和持久性；在高速范圍內(nèi)制動(dòng)力不會(huì)降低，且傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速越高，制動(dòng)力越大[1，3-4]，因此具有很好的市場(chǎng)前景。以制動(dòng)力矩為500 N·m的電渦流緩速器與永磁緩速器相比，電渦流緩速器的質(zhì)量約為72 kg，永磁緩速器的質(zhì)量約為32 kg，可見安裝永磁緩速器有助于實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，使用電渦流緩速器的運(yùn)輸客車每年比未裝有電渦流緩速器的客車多花費(fèi)1.5萬(wàn)元左右的燃油費(fèi)。由于永磁緩速器幾乎不消耗電力，因此裝有永磁緩速器的車輛每年能夠節(jié)省可觀的燃油費(fèi)。

國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，目前在永磁緩速器研究和應(yīng)用過(guò)程中存在以下技術(shù)問(wèn)題：傳統(tǒng)的永磁緩速器只有兩種工作狀態(tài)，即制動(dòng)和非制動(dòng)狀態(tài)，永磁緩速器的設(shè)計(jì)參數(shù)一旦確定，制動(dòng)力矩的大小不能隨意調(diào)節(jié)，制動(dòng)特性也將確定，駕駛者在車輛行駛時(shí)不能根據(jù)不同路面和車速情況提供相應(yīng)的制動(dòng)力矩[5]。同時(shí)，當(dāng)駕駛員采用永磁緩速器進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，車輛由運(yùn)行狀態(tài)突然切入到一個(gè)較大的制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)力矩由0直接變化到最大值，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的減速度，使駕駛員產(chǎn)生類似急剎車的不良制動(dòng)感覺(jué),制動(dòng)不夠平和。

因此，筆者提出了永磁緩速器制動(dòng)力矩分級(jí)這一概念，希望永磁緩速器可以像電渦流緩速器一樣將制動(dòng)力矩分為多擋，讓駕駛者根據(jù)不同路面環(huán)境和車速情況選擇緩速器制動(dòng)力矩輸出的大小。

1 分級(jí)式永磁緩速器的結(jié)構(gòu)方案

1.1 分級(jí)式永磁緩速器的結(jié)構(gòu)介紹

根據(jù)永磁緩速器的工作原理，輸出制動(dòng)力矩的大小可以通過(guò)改變參加工作的磁極形狀、面積以及定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙厚度來(lái)調(diào)節(jié)。因此可設(shè)想，通過(guò)變化緩速器工作時(shí)的參與要素來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力矩的分級(jí)，甚至是制動(dòng)力矩的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

筆者所設(shè)計(jì)的分級(jí)式永磁緩速器結(jié)構(gòu)如圖2、圖3。

圖2 分級(jí)式永磁緩速器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of brake torque graded PMR

圖3 分級(jí)式永磁緩速器三維視圖Fig.3 3-D diagram of brake torque graded PMR

分級(jí)式永磁緩速器由定子、轉(zhuǎn)子鼓和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。轉(zhuǎn)子鼓通過(guò)法蘭連接與傳動(dòng)軸固定在一起，隨著傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并且把制動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)軸。定子置于轉(zhuǎn)子鼓內(nèi)部，定子鑄體是定子上各個(gè)部件的安裝基體，定子鑄體固定安裝在車架上。磁鐵外保持架位于轉(zhuǎn)子鼓的內(nèi)側(cè)，固定在定子鑄體上，它由非磁性材料制成，沿其周向均勻嵌接由高導(dǎo)磁材料制成的極片。磁鐵外保持架內(nèi)有兩排磁鐵，每排磁鐵選用16塊永久磁鐵，其磁極交替反向排列，各自固定在磁鐵支架上，固定磁鐵支架通過(guò)定位銷與磁鐵外保持架連接。活動(dòng)磁鐵支架外側(cè)與齒條固接，活動(dòng)磁鐵支架同固定在其上的活動(dòng)磁鐵在外部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與齒輪齒條嚙合作用下，可以在定子鑄體內(nèi)沿圓周方向活動(dòng)，改變與固定永久磁鐵的相對(duì)位置。

1.2 分級(jí)式永磁緩速器的工作原理

在0擋時(shí)，即不需要制動(dòng)時(shí)，每塊活動(dòng)磁鐵與相鄰固定磁鐵極性相反，由于磁鐵外保持架非磁性材料的阻隔，磁力線不經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子鼓，從而不產(chǎn)生制動(dòng)力矩。需要制動(dòng)時(shí)，電機(jī)通過(guò)齒輪齒條嚙合作用驅(qū)動(dòng)與齒條剛性連接的活動(dòng)磁鐵支架沿圓周方向旋轉(zhuǎn)一定角度。筆者設(shè)計(jì)的分級(jí)式永磁緩速器采用16塊永久磁鐵極性相反交替固定在磁鐵支架上，相鄰磁鐵成22.5°夾角，因此活動(dòng)永久磁鐵在0檔狀態(tài)下，逐漸旋轉(zhuǎn)至22.5°的過(guò)程中，逐漸有磁力線穿過(guò)極片，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子鼓，定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，制動(dòng)力矩逐漸增大。當(dāng)活動(dòng)磁鐵支架旋轉(zhuǎn)至22.5°時(shí)，每塊活動(dòng)磁鐵與相鄰固定磁鐵極性相同，此時(shí)，磁力線全部經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子，制動(dòng)力矩達(dá)到最大。因此通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)改變電機(jī)的角位移量，從而控制活動(dòng)磁鐵支架及固定在其上的活動(dòng)磁鐵的旋轉(zhuǎn)角度，改變與固定永久磁鐵的相對(duì)位置，設(shè)置多個(gè)檔位，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力矩的分級(jí)控制。

2 分級(jí)式永磁緩速器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)分級(jí)式永磁緩速器制動(dòng)性能要求以及裝車時(shí)的空間尺寸限制，下面對(duì)分級(jí)式永磁緩速器各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)情況加以說(shuō)明。

2.1 最大制動(dòng)力矩的確定

使用緩速制動(dòng)裝置時(shí)，要求汽車在下坡時(shí)以穩(wěn)定速度下坡。按UN-ECERl3法規(guī)所規(guī)定：汽車在6%或者7%的坡道上以30 km/h的平均速度行駛6 km所消耗的能量[6-7]：

W=mg×6×(0.07-0.01)

(1)

式中：W為緩速器吸收的能量，kJ；m為汽車滿載質(zhì)量，kg；g為重力加速度，kg/m2；取道路坡度為7%，計(jì)入1%的滾動(dòng)阻力。

則緩速器制動(dòng)功率P可由式(2)計(jì)算：

(2)

式中：P為緩速器制動(dòng)功率，kW；v為汽車行駛速度，km/h。

因此可得緩速器的制動(dòng)力矩:

(3)

其中：

(4)

(5)

將式(4)、式(5)帶入式(3)得：

(6)

式中：T為緩速器制動(dòng)力矩，N·m；ωn為轉(zhuǎn)子鼓轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度, rad/s；n為轉(zhuǎn)子鼓轉(zhuǎn)速,r/min；R為車輪直徑，m；i為主減速器傳動(dòng)比。

根據(jù)式(6)，確定某一滿載質(zhì)量為9 t的中型客車所裝永磁緩速器的最大制動(dòng)力矩為600 N·m。

2.2 轉(zhuǎn)子鼓

轉(zhuǎn)子鼓是渦流產(chǎn)生的導(dǎo)體，同時(shí)也是輸出制動(dòng)力矩的裝置，因此轉(zhuǎn)子鼓采用導(dǎo)磁、導(dǎo)電性能都良好，并且強(qiáng)度較高的金屬制成，一般選用12 CrMoV，其材料參數(shù)如表1。轉(zhuǎn)子鼓是法蘭盤與傳動(dòng)軸連接在一起。根據(jù)底盤空間布置的尺寸限制，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子鼓外徑r1≤230 mm，轉(zhuǎn)子鼓的寬度lw≤110 mm 。

表1 轉(zhuǎn)子鼓材料參數(shù)

轉(zhuǎn)子鼓的尺寸參數(shù)可根據(jù)轉(zhuǎn)子鼓實(shí)心體部分的熱容量來(lái)確定。假設(shè)在制動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子鼓處于絕熱狀態(tài)，則轉(zhuǎn)子鼓所具有的熱容量應(yīng)滿足[6]：

(7)

(8)

式中：md轉(zhuǎn)子鼓實(shí)心部分的質(zhì)量，kg；Cd為轉(zhuǎn)子鼓的比熱容，J/(kg·K)；δt為轉(zhuǎn)子鼓的許用溫升，K；ρ為轉(zhuǎn)子鼓的密度，kg/m3；r1為轉(zhuǎn)子鼓的外徑，m；r2為轉(zhuǎn)子鼓的內(nèi)徑，m；lw為轉(zhuǎn)子鼓的寬度，m。

由式(7)、式(8)確定，轉(zhuǎn)子鼓的外徑r1=225 mm，內(nèi)徑r2=205 mm，寬度lw=90 mm。

2.3 氣隙厚度

轉(zhuǎn)子鼓與定子之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，必須要有一定的氣隙。氣隙越小，最大制動(dòng)力矩越大，并且氣隙減小還可使得“臨界轉(zhuǎn)速”減小，從而使永磁式緩速器的最大制動(dòng)力矩向低速方向移動(dòng)。但是氣隙的大小還必須考慮機(jī)械加工、裝配公差和高速下機(jī)械可靠性，以及轉(zhuǎn)子鼓、定子受熱后的熱膨脹的影響，從這些角度講氣隙大些為好[8]。綜合考慮各種因素，分級(jí)式永磁緩速器定子與轉(zhuǎn)子鼓間的氣隙厚度為1 mm。

2.4 永磁體參數(shù)的確定

永磁體是一個(gè)至關(guān)重要的部件，其磁能大小可直接影響渦流效應(yīng)，因此選用具有高磁能積、高矯頑力等特性的釹鐵硼稀土永磁體。在比較各種型號(hào)后選用牌號(hào)為NF38的永磁體，其矯頑力Hc為907 000 A/m，剩磁Br為1.25 T。

永久磁鐵的尺寸參數(shù)決定了永磁緩速器輸出的最大制動(dòng)力大小。要確定合理的尺寸參數(shù)，合理、準(zhǔn)確的渦流制動(dòng)力矩?cái)?shù)學(xué)模型起著至關(guān)重要的作用。筆者采用文獻(xiàn)[9]運(yùn)用磁路法和渦流損耗原理推導(dǎo)的制動(dòng)力矩計(jì)算公式。其考慮渦流去磁效應(yīng)，先計(jì)算出氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，再推導(dǎo)渦流制動(dòng)力矩T模型。

根據(jù)制動(dòng)力矩計(jì)算公式

(9)

T=πσar3B2ωn

從節(jié)省成本的角度出發(fā)，永久磁鐵的用量越小約好，由此設(shè)置目標(biāo)條件：永磁體的總體積最小。得到優(yōu)化目標(biāo)方程：

采用MATLAB軟件進(jìn)行優(yōu)化得到,永久磁鐵的軸向長(zhǎng)度取a=30 mm，周向長(zhǎng)度取b=50 mm，高度h=8 mm。其尺寸結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 永久磁鐵尺寸Fig.4 Size of a permanent magnet

2.5 極片參數(shù)的確定

由極片作用可知，極片不可以做成一個(gè)連續(xù)整體，對(duì)應(yīng)于每對(duì)永久磁鐵相對(duì)獨(dú)立。因此需要將其沿其周向均勻嵌接在磁鐵外保持架上，同時(shí)，極片的周向長(zhǎng)度應(yīng)為一塊永久磁鐵的周向長(zhǎng)度，極片的軸向尺寸應(yīng)為兩塊永久磁鐵軸向長(zhǎng)之和。

2.6 電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

為控制制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)活動(dòng)永久磁鐵做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于存在磁場(chǎng)，活動(dòng)永久磁體在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)受到一定的阻力，根據(jù)該阻力就可以計(jì)算出電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率。經(jīng)過(guò)Ansoft仿真，以兩對(duì)永久磁鐵作為研究對(duì)象，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)開始的瞬間，活動(dòng)磁鐵受到阻力大小為6.05 N。根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)可知，永久磁鐵距離轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)中心0.185 m，因此推動(dòng)兩個(gè)極性相反的永久磁鐵所需要的力矩為6.05 N×0.185 m=1.12 N·m。得到驅(qū)動(dòng)齒輪的電機(jī)所能提供的扭矩Te,要求Te≥8×1.12 =8.96 N·m。

在制動(dòng)的過(guò)程中，制動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間一般控制在0.1 s以內(nèi),也就是說(shuō)在0.1 s之內(nèi)活動(dòng)磁鐵支架要旋轉(zhuǎn)22.5°。設(shè)計(jì)齒輪齒條之間的傳動(dòng)比為10，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速ne為6.25 r/s，則確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的最小驅(qū)動(dòng)功率為：P=Te×2πne≈350 W。

3 性能仿真分析

在結(jié)構(gòu)參數(shù)選定之后，采用Ansoft Maxwell 14.0進(jìn)行仿真三維渦流場(chǎng)仿真。借助Ansoft Maxwell軟件建立緩速器模型并進(jìn)行有限元分析[10]，可以準(zhǔn)確地模擬分級(jí)式永磁緩速器的性能，為設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù)。

3.1 有限元模型的建立

由于分級(jí)式永磁緩速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在制動(dòng)力矩大小調(diào)節(jié)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，因此選用三維瞬態(tài)磁場(chǎng)分析，并且本次三維瞬態(tài)仿真分析采用全模型。筆者建立了如圖5所示的分級(jí)式永磁緩速器的幾何模型，各部件的材料屬性如表2。

表2 相關(guān)材料參數(shù)

3.2 制動(dòng)力矩特性分析

設(shè)計(jì)的永磁緩速器最大制動(dòng)力矩約為600 N·m，制動(dòng)力矩分為1、2、3三擋控制，3擋時(shí)，活動(dòng)永久磁鐵和固定永久磁鐵的相對(duì)位置如圖5(c)，緩速器提供最大制動(dòng)力矩。由于本產(chǎn)品采用了16對(duì)永久磁鐵，每對(duì)永久磁鐵互成22.5°的夾角，因此考慮將活動(dòng)永久磁鐵在3擋的狀態(tài)下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)7°(2擋)和14°(1擋)后的制動(dòng)力矩大小。

圖5 分級(jí)式永磁緩速器幾何模型Fig.5 Geometric model of brake torque graded PMF

使用Ansoft Maxwell軟件仿真永磁緩速器在三個(gè)擋位時(shí)不同轉(zhuǎn)速下輸出的制動(dòng)力矩，仿真轉(zhuǎn)速分別取600，800，1 000，1 200，1 500，1 800 rad/s，計(jì)算一個(gè)周期T(T=60/n)內(nèi)的制動(dòng)力矩，取4/5T～T時(shí)間段內(nèi)的制動(dòng)力矩平均值作為輸出結(jié)果，得到1、2、3擋的制動(dòng)力矩-轉(zhuǎn)速特性曲線。

圖6分別為1、2、3擋在轉(zhuǎn)速為1 000 rad/s下的磁感應(yīng)分布。從磁場(chǎng)分析結(jié)果可以看出：和假設(shè)一致，當(dāng)活動(dòng)永久磁鐵從3擋的狀態(tài)下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至2擋狀態(tài)，再至1擋狀態(tài)的過(guò)程中，轉(zhuǎn)子鼓表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小，因而渦流制動(dòng)力矩也在減小。

圖6 1、2、3擋的磁場(chǎng)分布Fig.6 Magnetic field distribution of gear 1, 2 and 3

根據(jù)圖7的制動(dòng)力矩-轉(zhuǎn)速特性曲線，可以得出：

1)分級(jí)式永磁緩速器在最高檔位即3擋狀態(tài)下，輸出的最大制動(dòng)力矩約為600 N·m，滿足最大制動(dòng)力矩的設(shè)計(jì)要求；

2)活動(dòng)永久磁鐵在3擋的狀態(tài)下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)7°變?yōu)?擋后，制動(dòng)力矩約減小為430 N·m，約為最大制動(dòng)力矩的2/3；

3)在3擋的狀態(tài)下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)14°變?yōu)?擋后，制動(dòng)力矩約減小為190 N·m，制動(dòng)力矩約為最大制動(dòng)力矩的1/3。

由此可知，筆者設(shè)計(jì)的永磁緩速器滿足設(shè)計(jì)要求，具有明顯的制動(dòng)力矩分級(jí)效果。

圖7 1、2、3擋的制動(dòng)力矩-轉(zhuǎn)速特性曲線Fig.7 Braking torque-speed characteristic curve of gear 1, 2 and 3

4 結(jié) 語(yǔ)

提出了一種分級(jí)式永磁緩速器的結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)理論計(jì)算確定了分級(jí)式永磁緩速器各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)對(duì)活動(dòng)永久磁鐵和固定永久磁鐵的三種不同相對(duì)位置下的永磁緩速器模型進(jìn)行三維瞬態(tài)磁場(chǎng)分析，可以看出通過(guò)改變活動(dòng)永久磁鐵和固定永久磁鐵的相對(duì)位置，能夠控制制動(dòng)力矩的大小，證明了筆者提出的分級(jí)式永磁緩速器有明顯的制動(dòng)力矩分級(jí)效果，為分級(jí)式永磁緩速器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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Design of Graded Permanent Magnet Retarder

He Ren, Wang Jing, Wang Liang

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

A new concept that the brake torque of permanent magnet retarder can be divided and controlled in grades was introduced. Then the structure scheme of brake torque graded permanent magnet retarder was designed. The structural parameters of various parts of the graded permanent magnet retarder were determined by theoretical calculation, according to the vehicle installation requirements. The brake torque when the permanent magnet retarder was working under different working conditions was simulated by using Maxwell 3D analysis soft. The results show that the designed brake torque graded permanent magnet retarder complies with the design requirements, whose effect of grading of brake torque was obvious.

vehicle engineering; permanent magnet retarder; grading of brake torque; design; electromagnetic analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.31

2013-06-28；

2013-09-24

2011年江蘇省蘇北科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(BC2011446)

何 仁(1962—)，男，江蘇南京人，教授，博士，主要從事汽車機(jī)電一體化及汽車現(xiàn)代設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail:heren@mail.lys.edu.cn。

王 晶(1989—)，女，江蘇南京人，碩士研究生，主要從事汽車機(jī)電一體化技術(shù)方面的研究。E-mail: 446873208@qq.com。

U463.5

A

1674-0696(2015)05-155-05