Вихретоковый тормоз - Eddy current brake
An вихретоковый тормоз, также известный как индукционный тормоз, электрический тормоз или же электрический замедлитель, это устройство, используемое для замедления или остановки движущегося объекта путем рассеивания его кинетическая энергия как тепло. В отличие от фрикционные тормоза, где сила сопротивления, останавливающая движущийся объект, обеспечивается трение между двумя поверхностями, сжатыми вместе, сила сопротивления в вихретоковом тормозе представляет собой электромагнитную силу между магнит и рядом проводящий объект в относительном движении из-за вихревые токи индуцируется в проводнике через электромагнитная индукция.
Проводящая поверхность, движущаяся мимо неподвижного магнита, образует круговую форму. электрические токи называется вихревые токи индуцированный в нем магнитное поле, как описано Закон индукции Фарадея. К Закон Ленца циркулирующие токи создают собственное магнитное поле, противодействующее полю магнита. Таким образом, движущийся проводник испытывает силу сопротивления со стороны магнита, которая препятствует его движению, пропорциональную его скорости. В кинетическая энергия движущегося объекта рассеивается как высокая температура генерируется током, протекающим через электрическое сопротивление дирижера.
В вихретоковом тормозе магнитное поле может создаваться постоянный магнит или электромагнит. В системе электромагнита тормозное усилие можно включать и выключать (или изменять), изменяя электрический ток в обмотках электромагнита. Еще одно преимущество заключается в том, что, поскольку тормоз не работает трение, нет тормозная колодка поверхности к носить, исключая замену, как с фрикционными тормозами. Недостатком является то, что, поскольку тормозная сила пропорциональна относительной скорости тормоза, тормоз имеет нет удерживающей силы когда движущийся объект неподвижен, как предусмотрено статическое трение в фрикционном тормозе, следовательно, в транспортных средствах он должен быть дополнен фрикционным тормозом.
Вихретоковые тормоза используются для замедления скоростных поездов и американские горки, в качестве дополнения к фрикционным тормозам в полуприцепы для предотвращения износа и перегрева тормозов, для быстрой остановки электроинструментов при отключении питания и электрические счетчики используется электроэнергетическими предприятиями.
Механизм и принцип
Вихретоковый тормоз состоит из проводящего куска металла, будь то прямой стержень или диск, который движется через магнитное поле магнита, либо постоянный магнит или электромагнит. Когда он движется мимо стационарного магнит магнит оказывает сила сопротивления на металле, который препятствует его движению, из-за кругового электрические токи называется вихревые токи индуцированный в металле магнитное поле. Обратите внимание, что токопроводящий лист не сделан из ферромагнитный металл, такой как железо или сталь; обычно используются медь или алюминий, которые не притягиваются к магниту. Тормоз не работает от простого притяжения ферромагнитного металла к магниту.
См. Диаграмму справа. Он показывает металлический лист (С) двигаясь вправо под магнитом. Магнитное поле (B, зеленые стрелки) северного полюса магнита N проходит через лист. Поскольку металл движется, магнитный поток через лист меняется. На части листа под передней кромкой магнита (левая сторона) магнитное поле через лист увеличивается по мере приближения к магниту. Из Закон индукции Фарадея, это поле индуцирует против часовой стрелки электрический ток (Я красный), в листе. Это вихревой ток. Напротив, на задней кромке магнита (правая сторона) магнитное поле через лист уменьшается, вызывая в листе вихревой ток по часовой стрелке.
Другой способ понять действие - увидеть, что бесплатные носители заряда (электроны ) в металлическом листе движутся вправо, поэтому магнитное поле оказывает на них боковую силу из-за Сила Лоренца. Поскольку скорость v зарядов находится справа, а магнитное поле B направлен вниз, от правило правой руки сила Лоренца на положительных зарядах qv×B направлен назад на схеме (влево, если смотреть в направлении движения листа). Это вызывает ток я к задней части под магнитом, который вращается по частям листа вне магнитного поля двумя токами, по часовой стрелке вправо и против часовой стрелки влево, снова к передней части магнита. Мобильный носители заряда в металле электроны, на самом деле имеют отрицательный заряд, поэтому их движение противоположно направлению обычный ток показано.
Из-за Закон Ампера, каждый из этих круговых токов создает встречное магнитное поле (синие стрелки), что из-за Закон Ленца противодействует изменению магнитного поля, вызывая силу сопротивления на листе, которая представляет собой тормозную силу, оказываемую тормозом. На передней кромке магнита (левая сторона) посредством правило правой руки ток против часовой стрелки создает магнитное поле, направленное вверх, противодействующее полю магнита, вызывая силу отталкивания между листом и передней кромкой магнита. Напротив, на задней кромке (правая сторона), ток по часовой стрелке вызывает магнитное поле, направленное вниз, в том же направлении, что и поле магнита, создавая силу притяжения между листом и задней кромкой магнита. Обе эти силы противодействуют движению листа. В кинетическая энергия который расходуется на преодоление этой силы сопротивления, рассеивается в виде тепла токами, протекающими через сопротивление металла, поэтому металл нагревается под магнитом.
Сила торможения вихретокового тормоза точно пропорциональна скорости V, поэтому он действует аналогично вязкое трение в жидкости. Тормозное усилие уменьшается с уменьшением скорости. Когда токопроводящий лист неподвижен, магнитное поле через каждую его часть является постоянным, не меняющимся со временем, поэтому вихревые токи не индуцируются, и между магнитом и проводником отсутствует сила. Таким образом, вихретоковый тормоз не имеет удерживающей силы.
Вихретоковые тормоза бывают двух геометрий:
- В линейный вихретоковый тормоз, токопроводящая деталь представляет собой прямую рейку или дорожку, по которой движется магнит.
- В круговой, диск или же вращающийся вихретоковый тормоз, проводник представляет собой плоский дисковый ротор, вращающийся между полюсами магнита.
Физический принцип работы одинаков для обоих.
Дисковые вихретоковые тормоза
(верно) Постоянный магнит вихретоковый тормоз, используемый в 1970-х годах электрический счетчик
Дисковые электромагнитные тормоза используются на транспортных средствах, таких как поезда, и электроинструментах, таких как дисковые пилы, чтобы быстро остановить лезвие при отключении питания. Дисковый вихретоковый тормоз состоит из токопроводящего непроводящегоферромагнитный металлический диск (ротор ) прикреплен к оси колеса транспортного средства, с электромагнит расположен с его полюсами на каждой стороне диска, поэтому магнитное поле проходит через диск. Электромагнит позволяет изменять тормозное усилие. Когда через обмотку электромагнита не пропускается ток, тормозная сила отсутствует. Когда водитель нажимает на педаль тормоза, через обмотки электромагнита проходит ток, создавая магнитное поле. Чем больше ток в обмотке, тем больше вихревые токи и тем сильнее тормозное усилие. Использование тормозов для электроинструментов постоянные магниты, которые перемещаются рядом с диском при помощи связи при выключении питания. Кинетическая энергия движения транспортного средства рассеивается в Джоулевое нагревание из-за вихревых токов, проходящих через сопротивление диска, как и в обычных дисковых тормозах с трением, диск нагревается. В отличие от линейного тормоза, расположенного ниже, металл диска многократно проходит через магнитное поле, поэтому дисковые вихретоковые тормоза нагреваются сильнее, чем линейные вихретоковые тормоза.
Японский Синкансэн поезда использовали круговую вихретоковую тормозную систему на прицепных вагонах, так как Синкансэн серии 100. В Синкансэн серии N700 отказались от вихретоковых тормозов в пользу рекуперативные тормоза, поскольку из 16 вагонов в составе 14 вагонов использовались электродвигатели. В рекуперативных тормозах двигатель, приводящий в движение колесо, используется как генератор для выработки электрического тока, который можно использовать для зарядки аккумулятора, что позволяет повторно использовать энергию.
Вихретоковые поглотители динамометрические
Большинство шасси динамометры и многие стенды двигателя используют вихретоковый тормоз как средство обеспечения электрически регулируемой нагрузки на двигатель. В таких приложениях их часто называют «поглотителями».
Недорогие версии с воздушным охлаждением обычно используются на динамометрах шасси, где их изначально высокоинерционные стальные роторы являются скорее преимуществом, чем обузой. И наоборот, в динамометрах для высокопроизводительных двигателей обычно используются низкоинерционные конфигурации с высокой частотой вращения и жидкостным охлаждением. Недостатками вихретоковых поглотителей в таких приложениях по сравнению с дорогостоящими динамометрами на базе электродвигателя переменного тока является их неспособность обеспечить нагрузку со скоростью останова (нулевое число оборотов в минуту) или привести в действие двигатель - для запуска или движения (моделирование спуска).
Поскольку они фактически не поглощают энергию, должны быть предусмотрены средства для отвода излучаемого тепла за пределы испытательной ячейки. Воздухо-вентиляционный теплообменник большого объема или теплообменник вода-воздух увеличивает стоимость и сложность. В отличие от этого, высокопроизводительные динамометры переменного тока полностью возвращают мощность двигателя в сеть.
Линейные вихретоковые тормоза
Линейные вихретоковые тормоза используются на некоторых рельсовых транспортных средствах, например поездах. Они используются на американские горки, чтобы плавно останавливать автомобили в конце поездки.
Линейный вихретоковый тормоз состоит из магнитного ярма с электрическими катушками, расположенными вдоль рельса, которые намагничиваются, чередуя южный и северный магнитные полюса. Этот магнит не касается рельса, но удерживается на постоянном небольшом расстоянии от рельса примерно в 7 мм (вихретоковый тормоз не следует путать с другим устройством, магнитным тормозом, который оказывает тормозное усилие за счет трения тормоза. башмак с рейкой). Он работает так же, как дисковый вихретоковый тормоз, создавая замкнутые контуры вихревых токов в токопроводящем рельсе, которые создают противодействующие магнитные поля, препятствующие движению поезда.
В кинетическая энергия движущегося транспортного средства преобразуется в тепло вихревым током, протекающим через электрическое сопротивление рельса, что приводит к его прогреву. Преимущество линейного тормоза состоит в том, что, поскольку каждая секция рельса проходит через магнитное поле тормоза только один раз, в отличие от дискового тормоза, в котором каждая секция диска многократно проходит через тормоз, рельс не проходит как горячий как диск, поэтому линейный тормоз может рассеивать больше энергии и иметь более высокую номинальную мощность, чем дисковые тормоза.
Вихретоковый тормоз не имеет механического контакта с рельсом, поэтому не изнашивается и не создает ни шума, ни запаха. Вихретоковый тормоз непригоден для использования на низких скоростях, но может использоваться на высоких скоростях для экстренного торможения и рабочего торможения.[1]
TSI (Технические спецификации для взаимодействия ) ЕС для трансъевропейских высокоскоростных железных дорог рекомендует, чтобы на всех недавно построенных высокоскоростных линиях можно было использовать вихретоковый тормоз.
Первым коммерческим поездом, в котором использовалась такая тормозная система, был ДВС 3.
Современное американские горки используйте этот тип торможения. Чтобы избежать риска, связанного с Отключения питания, они используют постоянные магниты вместо электромагнитов, поэтому не требует источника питания. В этом приложении отсутствует возможность регулировки силы торможения так же легко, как с помощью электромагнитов.
Лабораторный эксперимент
В физическое образование Иногда используется простой эксперимент, чтобы проиллюстрировать вихревые токи и принцип магнитного торможения. Когда сильный магнит При падении вниз по вертикальной проводящей трубе из цветных металлов в трубе индуцируются вихревые токи, которые замедляют опускание магнита, поэтому он падает медленнее, чем при свободном падении. Как объяснили одни авторы
Если рассматривать магнит как совокупность циркулирующих атомных токов, движущихся по трубе, [тогда] закон Ленца подразумевает, что наведенные водовороты в счетчике стенки трубы циркулируют впереди движущегося магнита и совместно циркулируют за ним. Но это означает, что движущийся магнит отталкивается спереди и притягивается сзади, следовательно, на него действует тормозящая сила.[2]
В типичных экспериментах студенты измеряют более медленное время падения магнита через медную трубку по сравнению с картонной трубкой и могут использовать осциллограф для наблюдения за импульсом вихревого тока, возникающего в петле из проволоки, намотанной вокруг трубы, когда магнит проваливается.[3][4]
Смотрите также
- Динамическое торможение - либо реостатический (рассеивание энергии поезда в виде тепла в батареях резисторов внутри поезда, или регенеративный где энергия возвращается в систему электроснабжения)
- Ретардер Telma - вихретоковая тормозная система производства Telma, компании, входящей в Валео группа
- Электромагнитные тормоза (или электромеханические тормоза) - используйте магнитную силу, чтобы нажать на тормоз механически на рельсах
- Линейный асинхронный двигатель может использоваться как рекуперативный тормоз
Примечания
- ^ "Wirbelstrombremse im ICE 3 als Betriebsbremssystem hoher Leistung" ("Вихретоковый тормоз в ICE 3 как высокоэффективная рабочая тормозная система", Юрген Прем, Стефан Хаас, Клаус Хекманн, в "Electrische bahnen" Vol 102 (2004), № 7, стр. 283ff
- ^ Партови, М. Хоссейн; Моррис, Элиза Дж (2006). «Электродинамика магнита, движущегося по токопроводящей трубе». Канадский журнал физики. 84 (4): 253–71. arXiv:физика / 0406085. Bibcode:2006CaJPh..84..253P. Дои:10.1139 / p06-065.
- ^ Маклатчи, Сайрус С; Бакман, Филип; Боган, Ларри (1993). «Количественный эксперимент по магнитному торможению». Американский журнал физики. 61 (12): 1096. Bibcode:1993AmJPh..61.1096M. Дои:10.1119/1.17356.
- ^ Иресон, Грен; Твидл, Джон (2008). «Возвращение к магнитному торможению: мероприятия для студенческой лаборатории». Европейский журнал физики. 29 (4): 745. Bibcode:2008EJPh ... 29..745I. Дои:10.1088/0143-0807/29/4/009.
Рекомендации
- К. Д. Хан, Э. М. Джонсон, А. Броккен, С. Болдуин (1998) "Затухание вихревых токов магнита, движущегося по трубе", Американский журнал физики 66:1066–66.
- М. А. Хилд (1988) "Магнитное торможение: улучшенная теория", Американский журнал физики 56: 521–522.
- Ю. Левин, Ф. Л. да Силвейра, Ф. Б. Риццато (2006) "Электромагнитное торможение: простая количественная модель", Американский журнал физики 74:815–817.
- Sears, Фрэнсис Уэстон; Земанский, Марк В. (1955). Университетская физика (2-е изд.). Ридинг, Массачусетс: Эддисон-Уэсли.
- Сискинд, Чарльз С. (1963). Электрические системы управления в промышленности. Нью-Йорк: McGraw-Hill, Inc. ISBN 978-0-07-057746-6.
- Х. Д. Видерик, Н. Готье, Д. А. Кэмпбелл, П. Рочан (1987) "Магнитное торможение: простая теория и эксперимент", Американский журнал физики 55:500–503.