Что такое магнитные тормоза?
Автор перевода: И.А. Лысяк
Аннотация
Eddy Current, Что такое магнитные тормоза?
Магнитные тормоза это устройство, которое использует сильные магнитные силы, чтобы замедлить автомобиль вниз. Существуют различные типы магнитных тормозных систем, в том числе те, которые используют электромагниты для приведения в действие традиционные фрикционные накладки, и те, что использовать сам магнитного отталкивания для обеспечения устойчивости. Их можно найти на различных транспортных средств, от поездов к горок.
Наиболее распространенный тип магнитного тормоза электромагнитный тормоз, в котором электрический ток пропускают через магнитов, прикрепленных к паре тормозных колодок. Поскольку они притягиваются друг к другу, магниты зажим тормоза через тормозной диск, который генерирует трение, чтобы обеспечить тормозное усилие. Есть несколько вариаций на эту дизайна, в том числе так называемых отказоустойчивых тормозов, на которых работают очень сильные постоянные магниты, которые привлекают по умолчанию. Только противоположной электромагнита активно поддерживая их друг от друга они остаются открытыми, поэтому в отключении электроэнергии или других чрезвычайных ситуаций, они автоматически участвовать.
При увеличении или уменьшении количества электрического тока, тормозная способность к текущей тормоза Eddy может быть соответственно ослабляются вверх или вниз. Вместо того, чтобы колодки нажатием все труднее на роторе, резистивный магнитная сила усиливается. Хотя нет никакого физического контакта, процесс по-прежнему генерирует повышенное замедление, наряду с высокой температурой, в результате сопротивления. Вихретоковые тормозные системы в основном используются в больших транспортных средств, как поезда.
Подтип текущего тормоза Эдди известен как линейного индукционного тормоза. Вместо нормального круговой дизайн, магнитные катушки намотаны вокруг прямой железной дороге.Катушки чередуются между положительным и отрицательным магнитного заряда, так что при приведении генерировать сопротивление и замедление действие. Такая конструкция менее широко используется, чем традиционные электромагнитных тормозов на железнодорожных систем, но, в таких местах, как Европы, становится все более распространенным на высокоскоростных железнодорожных систем.
Остановка по требованию. В чем особенности тормозов для электромобилей?
Электромобили постепенно, но неуклонно входят в нашу жизнь. Энтузиасты с нетерпением ждут светлого электромобильного будущего. Тем временем автоконцерны и производители комплектующих решают достаточно нетривиальные технические задачи, которые ставит перед ними специфика электрического автотранспорта. С этим сталкивается и компания Nisshinbo, разработчик и производитель оригинальных тормозных колодок для большинства японских автоконцернов. В ассортименте Nisshinbo для афтермаркета также представлены тормозные колодки для электромобилей – таких как Nissan Leaf, Mitsubishi i-MiEV, KIA Niro EV и даже Tesla.
У электромобилей есть два преимущества с точки зрения пользователя – почти бесшумная езда и «топливная» экономичность. Однако именно эти качества ведут к тому, что работа тормозных системы электрокаров отличается некоторой специфичностью. Это заставляет инженеров по-другому подходить к проектирование тормозных колодок.
Двигатель электрокара работает практически бесшумно. Поэтому шум работы других элементов в машине, включая, конечно, тормоза и колеса, должен этому уровню соответствовать. Любой производитель тормозных колодок вам скажет, что хорошо тормозящая колодка, как правило, и более «шумная». Чтобы снизить уровень шума, приходится особенно тщательно подбирать состав фрикционной смеси – чтобы колодка и тормозила хорошо, и не шумела при этом.
Дальше. Экономия энергии в электромобилях достигается во многом благодаря технологии рекуперативного торможения. Это когда при нажатии на педаль тормоза машина замедляется не только за счет тормозов, но и с помощью силовой установки – мотор-генератора. Задача генератора – преобразовывать кинетическую энергию при торможении в электрическую, подзаряжая батарею, чтобы машина могла проехать дольше.
Получается, что с тормозных колодок снимается значительная часть задачи по остановке машины. Благодаря этому эффекту у автопроизводителя появляется возможность делать размер тормозов для электромобилей меньше. Это позволяет дополнительно снизить вес машины и неподрессоренных масс, увеличив общую экономичность и управляемость автомобиля. Однако приходится учитывать один важный момент. Более «компактных» тормозов достаточно, чтобы комфортно чувствовать себя в городе в штатных дорожных ситуациях. Но в реальных условиях электромобилю рано или поздно придется экстренно тормозить с высокой скорости для предотвращения ДТП. В этом случае помощи со стороны рекуперативного торможения может не хватить и «отдуваться» придется тормозным колодкам и дискам. Тут перед производителями электромобилей и тормозов встает вопрос: как сделать такие тормозные механизмы, чтобы они не были избыточно мощными для спокойной городской езды и одновременно эффективны при экстренном торможении? Да еще с учетом того, что фрикционные материалы приходится применять, как уже говорилось, малошумные.
Специфичность колодок для электромобилей объясняется еще тем, что при спокойной езде в городе для плавных остановок рекуперативное торможение чуть ли не заменяет работу традиционной тормозной системы, которая становится своего рода «резервной опцией». Это чревато развитием коррозии бездействующих тормозных дисков, несмотря на то что машина интенсивно эксплуатируется. При этом и колодки находятся постоянно в холодном состоянии. А между тем для эффективного торможения большинству колодок желателен небольшой предварительный прогрев (до порядка 100°С). На «обычных» автомобилей это происходит довольно быстро после начала движения, а вот электромобиль может всю поездку проездить на холодных тормозах.
На примере специфики тормозов электромобилей мы видим, что даже при небольшом изменении условий эксплуатации любая система автомобиля ведет себя совершенно иначе, заставляя разработчиков ломать голову над техническими задачами с порой взаимоисключающими условиями.
Электромагнитные тормозные устройства
В некоторых устройствах, с целью торможения вращающихся элементов машины, применяется электромагнитный дисковый тормоз электродвигателя. Электромагнитное тормозное устройство монтируется прямо в двигателе или на двигателе, и по сути представляет собой вспомогательный двигатель или приводной узел, отвечающий всем требованиям касательно как позиционирования агрегата, так и с точки зрения безопасной его эксплуатации. Он включается пружинами и отпускается с помощью электромагнита.
Данное решение позволяет не только обеспечить безопасное торможение двигателя в случае аварии или позиционировать исполнительный орган машины во время ее функционирования, но и просто сокращает время работы машины во время ее торможения.
Существуют два типа дисковых электромагнитных тормозных устройств: дисковый тормоз переменного тока и дисковый тормоз постоянного тока (в зависимости от формы тока, которым питается данный тормоз). Для варианта тормоза, питаемого постоянным током, вместе с двигателем поставляется также и выпрямитель, при помощи которого постоянный ток получается из переменного, которым питается сам двигатель.
Конструкция тормозного устройства включает в себя: электромагнит, якорь и диск. Электромагнит изготовлен в виде набора катушек, расположенных в специальном корпусе. Якорь служит исполнительным элементом тормоза, и представляет собой антифрикционную поверхность, которая взаимодействует с тормозным диском.
Сам диск, с нанесенным на него фрикционным материалом, перемещается по зубцам втулки на валу двигателя. Когда в катушки тормозного устройства подано напряжение, якорь оттянут, и вал двигателя может свободно вращаться вместе с тормозным диском.
Затормаживание обеспечивается в свободном состоянии, когда пружины нажимают на якорь, и он воздействует на тормозной диск, вызывая тем самым остановку вала.
Тормоза такого типа находят обширное применение в системах с электрическим приводом. На случай аварийного отсутствия питания тормозного устройства, может быть предусмотрена возможность снять тормоз вручную.
В подъемно-транспортных машинах используется колодочный электромагнитный тормоз (ТКГ), удерживающий вал в заторможенном состоянии когда машина выключена.
ТКП — тормоз постоянного тока серии МП. ТКГ — тормоз электрогидравлический с толкателем серии ТЭ. Электромагнит тормоза ТКГ включает в себя привод и механическую часть, которая в свою очередь включает: подставку, пружины, систему рычагов и тормозные колодки.
Тормозное устройство устанавливается вертикально, причем тормозной шкив имеет горизонтальное положение. Механические части тормозных устройств питаемых переменным или постоянным током для шкивов одного и того же диаметра одинаковы.
Обычно такие устройства имеют буквенное обозначение ТК и число, обозначающее диаметр шкива для торможения. В момент включения питания рычаги нейтрализуют действие пружин и освобождают шкив для обеспечения ему возможности свободного вращения.
Электромагнитные тормоза находят применение в:
блокировке подъемных кранов, лифтов, укладочных машин и т. д. в выключенном состоянии; в механизмах остановки конвейеров, намоточных и ткацких станков, задвижек, прокатного оборудования и т. д.;
для сокращения выбега (времени холостого хода во время остановки) машин;
в системах аварийной остановки эскалаторов, мешалок и т. д.;
для остановки с позиционированием в точном положении в определенный момент времени.
В буровых установках применяется индукционное торможение, основанное на взаимодействии магнитных полей индуктора, в роли которого выступает электромагнит, и якоря, в обмотке которого наводятся токи, магнитные поля которых тормозят «причину их вызывающую» (см. Закон Ленца), создавая тем самым необходимый тормозящий момент ротору.
Рассмотрим это явление на рисунке. Когда в обмотке статора включается ток, его магнитное поле индуцирует вихревой ток в роторе. На вихревой ток в роторе действует сила Ампера, момент которой и является в данном случае тормозящим.
Как известно, в тормозном режиме способны работать асинхронные и синхронные машины переменного тока, а также машины постоянного тока, когда вал движется относительно статора. Если вал неподвижен (относительное перемещение отсутствует), то тормозящего действия не будет.
Таким образом, тормоза на основе электродвигателей применяются для затормаживания движущихся валов, а не для удержания их в состоянии остановки. При этом интенсивность замедления движения механизма можно в таких случаях плавно регулировать, что иногда удобно.
На следующем рисунке приведена схема работы гистерезисного тормоза. Когда в обмотку статора подается ток, на ротор действует вращающий момент, в данном случае он тормозящий, и возникает здесь из-за явления гистерезиса от перемагничивания монолитного ротора.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Вихретоковые тормоза: как работает механизм торможения на вихревых токах?
Главная страница » Вихретоковые тормоза: как работает механизм торможения на вихревых токах?
Техника быстрого перемещения в любом случае требует остановки движения. Чрезвычайные ситуации заставляют применять быстрый тормоз — единственный способ предотвратить катастрофу и обеспечить безопасность. Классический механизм торможения демонстрирует простую науку эффекта трения, когда две поверхности соприкасаются, образуя «очаг» сопротивления. Классические фрикционные тормоза на практике доказали ценность применения. Но фрикционным тормозам присущ явный недостаток: быстрый износ, что сопровождается дороговизной таких изделий. Существует ли альтернатива? Среди имеющихся альтернатив трению привлекательным видится электромагнетизм, на основе чего допустимо изготовить вихретоковые тормоза. которые могут стоить вдвое меньше. Что же представляет собой тормоз на вихревых токах и как работает?
Принцип действия классических (фрикционных) тормозов
Для лучшего понимания рассмотрим для начала принцип работы традиционного (фрикционного) тормозного механизма. Каждый движущийся объект обладает кинетической энергией. Для прекращения движения необходимо избавиться от энергии движения. К примеру, в случае передвижения на велосипеде с малой скоростью, достаточно опустить ноги к земле, чем вызвать эффект трения.
Конструкция фрикционного механизма: 1 – возвратная пружина; 2 – удерживающий штифт; 3 – держатель детали; 4 – настраиваемая пружина; 5 – подстроечный винт; 6 – рабочий цилиндр; 7 – связующее звено; 8 – тормозная колодка; 9 – болт суппорта
Подошвы обуви в таком случае действуют как тормозной механизм. Эффект трения, получаемый между поверхностью земли и подошвы ботинок сопровождается преобразованием кинетической энергии в тепловую энергию. Тормоз автомобилей действуют аналогично. Механизм тормоза прижимает резиновые колодки (тормозные колодки) к поверхности металлических дисков, закрепленных на колёсах.
Тормозные колодки современных авто делают на основе сверхпрочных, износостойких материалов (например, Кевлар). Однако со временем даже прочный Кевлар изнашивается. Вместе с тем фрикционным тормозам присуща ещё одна проблема. Чем быстрее движение, тем больше нагрузки, соответственно, тем быстрее изнашиваются тормозные колодки.
Частое применение механизма тормоза приводит к эффекту так называемого «затухания тормозов», когда тормозной механизм начинает выделять чрезмерное количество тепла. Снижается эффективность гидравлической системы управления тормозами, что в итоге может привести к ситуации, когда фрикционные тормоза попросту не сработают в нужный момент.
Понятие определения вихревые токи
Прежде чем рассматривать конструкторский вариант вихретоковых тормозов, следует обеспечить общее понятие вихревых токов. По сути, вихревые токи — это часть науки электромагнетизма. Получение электричества неизменно сопровождается получением эффекта магнетизма (или наоборот). Здесь, к примеру, кроется основная идея генераторов электричества и электродвигателей.
Теория вихревых токов: 1 – катушка возбуждения; 2 – приёмная катушка; 3 – первичное (основное) поле; 4 – вторичное поле; 5 – вихревые токи; 6 – материал воздействия
Генераторы используют некоторое механическое движение (вращающийся ротор ветряной турбины) для создания электрического тока. В свою очередь, электрические двигатели делают обратное действие — преобразуют электрический ток в механическую работу (движение вала).
Оба типа машин (по сути, идентичных) работают на идее концепции использования электричества для создания магнетизма или магнетизм для производства электроэнергии. Чтобы получить электричество, всё, что нужно сделать, это провести электрический проводник (медный провод) сквозь область магнитного поля.
Как образуются вихревые токи?
Если проводник, пропущенный сквозь магнитное поле, закольцевать, не позволяя сформированным токам утекать в нагрузку, формируются токи, именуемые вихревыми токами. Другими словами, электрические токи, генерируемые внутри проводника магнитным полем, образуют вихревое движение, рассеивая энергию в виде тепла.
Одна из интересных особенностей вихревых токов – формирование определённой закономерности течения, направленного на блокировку источника. Это пример части теории электромагнетизма, описанной законом Ленца.
Простой пример: если взять небольшой магнит и сбросить в горловину небольшой пластиковой трубы, полёт магнита до днища займёт по времени не более половины секунды. Если же повторить эксперимент с медной трубой того же размера, обнаружится, что время падения магнита составит уже три-четыре секунды.
Эксперимент с медной трубой: 1 – вихревые токи; 2 – тело медной трубы; 3 – вторичное магнитное поле; 4 – первичное магнитное поле; 5 – падающий магнит
Причиной такой разницы движения являются вихревые токи. Когда магнит пролетает через трубу, образуется магнитное поле, движущееся через стационарный проводник. Этим магнитным движением создаются электрические токи в проводнике — фактически, вихревые токи.
По закону электромагнетизма, ток, протекающий в проводнике, создаёт магнитное поле. Таким образом, вихревые токи генерируют свое собственное магнитное поле. Закон Ленца поясняет: магнитное поле пытается противостоять причине появления, то есть — падающему магниту.
Соответственно, вихревые токи и второе магнитное поле создают на магните восходящую силу, которая пытается остановить падение. Вот почему в случае с медной трубой магнит падает медленнее. Другими словами, вихревые токи оказывают тормозящее действие на падающий магнит. Поэтому вихревые токи допустимо использовать в качестве тормозного механизма:
Как работает вихретоковый тормоз на блокировку движения?
Предположим, существует поезд, представленный в образе медного блока, установленного на колеса. Этот поезд мчится на высокой скорости и в какой-то момент движение требуется остановить. Как можно затормозить движение поезда вихревыми токами?
Примерно таким выглядит исполнение тормозного механизма с эффектом электромагнетизма, применяемое на современных железнодорожных поездах
Экспериментальный вариант — размещение гигантского магнита рядом с рельсами, чтобы обеспечить близость расположения магнитного поля по отношению к поезду. По мере приближения медного блока к магниту, внутри меди начинают генерироваться (наводиться) вихревые токи, приводящие к образованию собственного магнитного поля.
Следует отметить: вихревые токи по отношению к разным частям меди действуют по-разному. Когда передняя часть поезда приблизится к магниту, вихревые токи на этом участке меди создают отталкивающее магнитное поле (замедляют приближение меди к магниту).
Когда передняя часть поезда проходит мимо, замедляясь, вихревые токи начинают генерировать притягивающее магнитное поле, которым поезд отталкивается (вновь замедляется). Медь нагреется, когда внутри структуры отмечается кручение вихревых токов, забирает кинетическую энергию, утраченную поездом в момент замедления движения.
Этот необычный вариант тормозов видится достаточно странным способом остановки поезда, но этот вариант торможения реально работает. Подобного типа конструкции используются на «американских горках», где применяется механизм магнитного тормоза, установленный на боковой стороне рельса.
Типичное исполнение вихретоковых тормозов
Современное конструкторское исполнение вихретоковых тормозов представляет несколько более сложную конструкцию, чем экспериментальная конструкция, рассмотренная выше, но принцип работы аналогичен. Вихретоковые тормоза представлены двумя основными типами исполнения:
Линейная конструкция вихревых тормозов
Линейные вихревые тормоза традиционно используются на железнодорожных путях и тех же «американских горках». Характерная особенность линейной конструкции – рабочая колея функционирует как часть тормоза.
Вариант исполнения конструкции тормозного механизма линейного типа, который можно встретить в различных проектах обрабатывающих станков и прочего оборудования
Простейшие линейные вихретоковые тормоза состоят из двух компонентов:
Так, на «американских горках» применяется ряд мощных постоянных магнитов, установленных в конце пути. Этими магнитами создаются вихревые токи в болванках металла, установленных на боковых сторонах пассажирских кабин. Кабины свободно движутся по трассе, пока не достигнут конца пути, где магниты воздействуют на металл, включая тем самым тормоза.
Подобный типа инженерный подход, между тем, видится бесполезным для конструкции поезда, учитывая необходимость применения тормоза в любой точке пути. Поэтому здесь магниты встроены в конструкцию колёсных тележек и поддерживают функции включения / выключения (электромагниты).
Как правило, электромагниты перемещаются чуть менее чем на 1 см от границы рельса и при активации замедляют движение поезда, создавая вихревые токи (генерируя тепло) внутри рельсовой структуры.
Между тем закон электромагнетизма позволяет генерировать ток, только в момент фактического перемещения проводника через магнитное поле. Отсюда следует вывод: вихретоковый тормоз допустимо применять для остановки поезда, но не для удержания поезда в неподвижном состоянии (например, на склоне). По этой причине технике с вихретоковым тормозом дополнительно требуются классические фрикционные тормоза.
Вихретоковые тормоза круглой (дисковой) формы
Аналогично линейным вихретоковым тормозам, круглые (дисковые) вихретоковые тормоза также имеют одну статическую и одну подвижную часть. Существуют дисковые конструкции двух видов, где электромагнит подвижен или неподвижен.
Вариант конструкции оборудования, где используется дисковый тормозной механизм, действующий по принципам эффекта электромагнетизма
Самые простые механизмы выглядят подобно традиционным тормозам, но оснащённым статическим электромагнитом. Наличием электромагнита обеспечивается эффект магнетизма и создаются вихревые токи в структуре вращающегося металлического диска (вместо простого давления и трения).
Другой конструкцией предусматривается движение электромагнита. На внешнем колесе устанавливается ряд электромагнитных катушек, которые в процессе вращения формируют эффект магнетизма неподвижного центрального вала. Тормозные механизмы многих грузовиков, автобусов, автомобилей, работают таким образом.
Как дисковые вихретоковые тормоза работают на практике? Возьмём для эксперимента высокоскоростной заводской станок. Здесь можно установить металлическое колесо на одном конце приводного вала и поместить это колесо между электромагнитами. Всякий раз, когда нужно остановить машину, достаточно задействовать электромагниты для создания вихревых токов в структуре металлического колеса.
Однако для дисковых вихретоковых тормозных механизмов достаточно актуальной проблемой видится эффект нагрева конструкции. По этой причине вихретоковым дисковым тормозам требуется система охлаждения. Обычно дисковые тормозные механизмы дополняются воздушным охлаждением от лопастей вентилятора. Также применяются механизмы с жидкостным охлаждением.
Где используются вихретоковые тормоза?
Несмотря на факт изобретения конструкции вихретоковых тормозов, отмеченный более века назад, эти механизмы применяются относительно редко. Помимо «американских горок», такие системы находят применение, по большей части, лишь в составе высокоскоростных электропоездов (немецкий «InterCity Express», японский «Shinkansen» и др.).
Пример техники, где успешно применялся принцип электромагнетизма для обеспечения функций тормозного механизма. На текущий момент, правда, концепция пересматривается в пользу другой системы
Правда, теперь часто можно встретить вихретоковые тормоза в конструкциях современных машин — дисковых пилах и прочем силовом оборудовании. Также подобного рода системы применяются на гребных и других тренажерах для придания дополнительного сопротивления движущимся частям. Так обеспечивается оптимальная нагрузка на мышцы тренирующихся спортсменов.
Преимущества и недостатки вихретоковых тормозов
При работе механизма исключается появление запаха или загрязнения (в отличие от фрикционных тормозов, способных выделять токсичные химические вещества в окружающую среду).
Отмеченные преимущества выделяют вихретоковые тормозные механизмы против шумных фрикционных тормозов, требующих регулярного осмотра, способных быстро изнашиваться. Экспериментально отмечено: модернизация электропоезда с переходом от фрикционных тормозов на вихревые тормоза, приводит к сокращению затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание.
Недостатки конструкций вихретоковых тормозов больше связаны с малым опытом использования этих механизмов в реальных условиях. Согласно практическим наблюдениям, иногда отмечаются помехи на сигнальных линиях электропоездов от действия вихретоковых тормозных систем.
Недостатком видится и фактор рассеяния тепла в рельсах. Теоретически такая проблема исключается, но на перегруженных участках пути, где требуется быстрое торможение, нагрев и расширение рельсов могут оказаться проблемой. Сообщается о снижении эффективности тормозов, либо о структурных изменениях рельс.
Распространение и перспективы конструкций
Широкое распространение вихретоковых тормозов видится сомнительным, если учитывать растущий интерес к рекуперативным тормозным механизмам. Учёные видят в этом предложении более энергоэффективный подход, чем преобразование энергии в бесполезное тепло с помощью вихревых токов. Некоторыми конструкциями современных поездов (Shinkansen серии E5) используются регенеративные тормозные механизмы, внедрённые взамен вихретоковой технологии.
