Вихретоковый тормоз , также известный как индукционный тормоз , тормоз Фарадея , электрический тормоз или электрический замедлитель , представляет собой устройство, используемое для замедления или остановки движущегося объекта путем создания вихревых токов и, таким образом, рассеивания его кинетической энергии в виде тепла. В отличие от фрикционных тормозов , где сила сопротивления, останавливающая движущийся объект, обеспечивается трением между двумя прижатыми друг к другу поверхностями, сила сопротивления в вихретоковом тормозе представляет собой электромагнитную силу между магнитом и близлежащим проводящим объектом, находящимся в относительном движении, из-за вихревых токов, наведенных в проводнике посредством электромагнитной индукции .
Проводящая поверхность, движущаяся мимо неподвижного магнита, создает круговые электрические токи, называемые вихревыми токами, индуцированными в ней магнитным полем , как описано законом индукции Фарадея . По закону Ленца , циркулирующие токи создают собственное магнитное поле, которое противодействует полю магнита. Таким образом, движущийся проводник испытывает силу сопротивления со стороны магнита, которая противодействует его движению, пропорциональную его скорости. Кинетическая энергия движущегося объекта рассеивается в виде тепла, выделяемого током, протекающим через электрическое сопротивление проводника.
В вихретоковом тормозе магнитное поле может создаваться постоянным магнитом или электромагнитом . С помощью электромагнитной системы тормозное усилие можно включать и выключать (или изменять) путем изменения электрического тока в обмотках электромагнита. Еще одним преимуществом является то, что поскольку тормоз не работает за счет трения , нет поверхностей тормозных колодок , которые могли бы изнашиваться , что исключает замену, как в случае с фрикционными тормозами. Недостатком является то, что поскольку тормозное усилие пропорционально относительной скорости тормоза, тормоз не имеет удерживающей силы, когда движущийся объект неподвижен, как это обеспечивается статическим трением во фрикционном тормозе, поэтому в транспортных средствах он должен быть дополнен фрикционным тормозом.
В некоторых случаях энергия в форме импульса, накопленная в двигателе или другой машине, используется для питания любых задействованных электромагнитов. Результатом является двигатель или другая машина, которая быстро останавливается при отключении питания. В таких конструкциях необходимо соблюдать осторожность, чтобы гарантировать, что задействованные компоненты не будут подвергаться нагрузке, выходящей за пределы эксплуатационных пределов во время такого замедления, которое может значительно превышать расчетные силы ускорения при нормальной работе.
Тормоза на вихревых токах используются для замедления высокоскоростных поездов и американских горок , в качестве дополнения к фрикционным тормозам в полуприцепах для предотвращения износа и перегрева тормозов, для быстрой остановки электроинструментов при отключении питания, а также в электрических счетчиках, используемых электросетевыми компаниями.
Тормоз вихревого тока состоит из проводящего куска металла, либо прямого стержня, либо диска, который движется через магнитное поле магнита, либо постоянного магнита , либо электромагнита . Когда он движется мимо неподвижного магнита , магнит оказывает силу сопротивления на металл, которая противодействует его движению, из-за круговых электрических токов , называемых вихревыми токами, индуцированных в металле магнитным полем . Обратите внимание, что проводящий лист [?] не сделан из ферромагнитного металла, такого как железо или сталь; обычно используются медь или алюминий, которые не притягиваются к магниту. Тормоз не работает за счет простого притяжения ферромагнитного металла к магниту.
См. схему справа. На ней показан металлический лист (C), движущийся вправо под магнитом. Магнитное поле ( B, зеленые стрелки ) северного полюса магнита N проходит вниз через лист. Поскольку металл движется, магнитный поток через лист изменяется. В части листа под передним краем магнита (левая сторона) магнитное поле через лист увеличивается по мере приближения к магниту. Из закона индукции Фарадея это поле индуцирует против часовой стрелки поток электрического тока ( I, красный ) в листе. Это вихревой ток. Напротив, на заднем крае магнита (правая сторона) магнитное поле через лист уменьшается, индуцируя по часовой стрелке вихревой ток в листе.
Другой способ понять действие — увидеть, что свободные носители заряда ( электроны ) в металлическом листе движутся вправо, поэтому магнитное поле оказывает на них боковую силу из-за силы Лоренца . Поскольку скорость v зарядов направлена вправо, а магнитное поле B направлено вниз, из правила правой руки сила Лоренца на положительные заряды q v × B направлена назад на диаграмме (влево, если смотреть в направлении движения листа). Это вызывает ток I в направлении назад под магнитом, который циркулирует через части листа за пределами магнитного поля двумя токами, по часовой стрелке вправо и против часовой стрелки влево, снова к передней части магнита. Подвижные носители заряда в металле, электроны , на самом деле имеют отрицательный заряд, поэтому их движение противоположно по направлению показанному обычному току .
Как описано в законе Ампера , каждый из этих круговых токов создает встречное магнитное поле ( синие стрелки ), которое в соответствии с законом Ленца противодействует изменению магнитного поля, вызывая силу сопротивления на листе, которая является тормозной силой, оказываемой тормозом. На переднем крае магнита (левая сторона) по правилу правой руки ток против часовой стрелки создает магнитное поле, направленное вверх, противодействующее полю магнита, вызывая силу отталкивания между листом и передним краем магнита. Напротив, на заднем крае (правая сторона) ток по часовой стрелке создает магнитное поле, направленное вниз, в том же направлении, что и поле магнита, создавая силу притяжения между листом и задним краем магнита. Обе эти силы противодействуют движению листа. Кинетическая энергия , которая расходуется на преодоление этой силы сопротивления, рассеивается в виде тепла токами, протекающими через сопротивление металла, поэтому металл нагревается под магнитом.
Тормозная сила вихретокового тормоза точно пропорциональна скорости V , поэтому он действует подобно вязкому трению в жидкости. Тормозная сила уменьшается по мере уменьшения скорости. Когда проводящий лист неподвижен, магнитное поле через каждую его часть постоянно, не изменяясь со временем, поэтому вихревые токи не индуцируются, и между магнитом и проводником нет силы. Таким образом, вихретоковый тормоз не имеет удерживающей силы.
Вихретоковые тормоза выпускаются в двух геометриях:
Физический принцип работы у обоих одинаков.
Дисковые электромагнитные тормоза используются на транспортных средствах, таких как поезда, и электроинструментах, таких как циркулярные пилы , для быстрой остановки лезвия при отключении питания. Дисковый вихретоковый тормоз состоит из проводящего неферромагнитного металлического диска ( ротора ), прикрепленного к оси колеса транспортного средства, с электромагнитом, расположенным полюсами с каждой стороны диска, поэтому магнитное поле проходит через диск. Электромагнит позволяет изменять тормозное усилие. Когда ток не проходит через обмотку электромагнита, тормозное усилие отсутствует. Когда водитель нажимает на педаль тормоза, ток проходит через обмотки электромагнита, создавая магнитное поле. Чем больше ток в обмотке, тем больше вихревые токи и тем сильнее тормозное усилие. Тормоза электроинструментов используют постоянные магниты , которые перемещаются рядом с диском с помощью рычажного механизма при отключении питания. Кинетическая энергия движения транспортного средства рассеивается в джоулевом нагреве вихревыми токами, проходящими через сопротивление диска, поэтому, как и в обычных фрикционных дисковых тормозах, диск нагревается. В отличие от линейного тормоза ниже, металл диска многократно проходит через магнитное поле, поэтому дисковые вихретоковые тормоза нагреваются сильнее, чем линейные вихретоковые тормоза.
Японские поезда Shinkansen использовали круговую систему вихретокового тормоза на прицепных вагонах, начиная с серии Shinkansen 100. В серии Shinkansen N700 отказались от вихретокового тормоза в пользу рекуперативного тормоза , поскольку 14 из 16 вагонов в составе использовали электродвигатели. В рекуперативных тормозах двигатель, который приводит в движение колесо, используется в качестве генератора для выработки электрического тока, который может использоваться для зарядки аккумулятора, что позволяет повторно использовать энергию.
Большинство динамометров шасси и многие динамометры двигателей используют вихретоковый тормоз как средство обеспечения электрически регулируемой нагрузки на двигатель. В таких приложениях их часто называют «поглотителем».
Недорогие версии с воздушным охлаждением обычно используются на динамометрах шасси, где их изначально высокоинерционные стальные роторы являются скорее преимуществом, чем недостатком. Напротив, динамометры для высокопроизводительных двигателей, как правило, используют конфигурации с низкой инерцией, высокой частотой вращения и жидкостным охлаждением. Недостатками вихретоковых поглотителей в таких приложениях по сравнению с дорогими динамометрами на основе двигателей переменного тока является их неспособность обеспечить нагрузку на скорости срыва (нулевые обороты) или запустить двигатель — для запуска или движения (симуляция спуска).
Поскольку они фактически не поглощают энергию, необходимо предусмотреть средства для передачи излучаемого ими тепла за пределы испытательной ячейки. Либо высокообъемная воздушная вентиляция, либо теплообменник вода-воздух добавляют дополнительные затраты и сложность. Напротив, высокопроизводительные динамометры с двигателями переменного тока чисто возвращают мощность двигателя в сеть.
Линейные вихретоковые тормоза используются на некоторых рельсовых транспортных средствах, таких как поезда. Они используются на американских горках , чтобы плавно останавливать вагоны в конце поездки.
Линейный вихретоковый тормоз состоит из магнитного ярма с электрическими катушками, расположенными вдоль рельса, которые намагничиваются попеременно как 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 посредством трения тормозной колодки о рельс). (В отличие от механических тормозов, которые основаны на трении и кинетической энергии, вихретоковые тормоза полагаются на электромагнетизм, чтобы остановить движущиеся объекты.) Он работает так же, как дисковый вихретоковый тормоз, индуцируя замкнутые контуры вихревого тока в токопроводящем рельсе, которые генерируют встречные магнитные поля, которые противодействуют движению поезда.
Кинетическая энергия движущегося транспортного средства преобразуется в тепло вихревым током, протекающим через электрическое сопротивление рельса, что приводит к нагреванию рельса. Преимущество линейного тормоза заключается 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 нагревается так сильно, 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, не создает ни шума, ни запаха. Вихретоковый тормоз непригоден для использования на низких скоростях, но может использоваться на высоких скоростях для экстренного и служебного торможения. [1]
Технические условия по совместимости (TSI ) ЕС для трансъевропейских высокоскоростных железных дорог рекомендуют, чтобы на всех вновь строящихся высокоскоростных линиях была предусмотрена возможность использования вихретокового тормоза.
Современные американские горки используют этот тип торможения. Чтобы избежать риска, связанного с отключением электроэнергии , они используют постоянные магниты вместо электромагнитов, таким образом, не требуя источника питания. Это приложение не имеет возможности регулировать силу торможения так же легко, как с помощью электромагнитов.
В преподавании физики иногда используется простой эксперимент для иллюстрации вихревых токов и принципа магнитного торможения. Когда сильный магнит опускается вниз по вертикальной, не железной, проводящей трубе, в трубе индуцируются вихревые токи, которые замедляют падение магнита, поэтому он падает медленнее, чем если бы падал свободно. Как объяснила одна группа авторов
Если рассматривать магнит как совокупность циркулирующих атомных токов, движущихся по трубе, [тогда] закон Ленца подразумевает, что индуцированные вихри в стенке трубы встречно циркулируют впереди движущегося магнита и совместно циркулируют позади него. Но это подразумевает, 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, наведенного в петле провода, намотанного вокруг трубы, когда магнит падает через нее. [3] [4]
