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 генерации 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 поверхностями, прижатыми друг к другу, сила сопротивления в вихретоковом тормозе представляет собой электромагнитную силу между магнитом и близлежащим проводящим объектом, находящимся в относительном движении, из-за вихревых тормозов. токи, индуцированные в проводнике за счет электромагнитной индукции .
Проводящая поверхность, движущаяся мимо неподвижного магнита, создает круговые электрические токи , называемые вихревыми токами , индуцированными в ней магнитным полем , как это описано законом индукции Фарадея . По закону Ленца циркулирующие токи создают собственное магнитное поле, противодействующее полю магнита. Таким образом, движущийся проводник испытывает силу сопротивления магнита, противодействующую 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 . В электромагнитной системе тормозную силу можно включать и выключать (или изменять), изменяя электрический ток в обмотках электромагнита. Еще одним преимуществом является то, что, поскольку тормоз не работает за счет трения , поверхности тормозных колодок не изнашиваются , что исключает замену, как в случае с фрикционными тормозами. Недостаток заключается в том, что, поскольку тормозная сила пропорциональна относительной скорости тормоза, тормоз не имеет удерживающей силы, когда движущийся объект неподвижен, что обеспечивается статическим трением во фрикционном тормозе, поэтому в транспортных средствах его необходимо дополнять фрикционный тормоз.
В некоторых случаях энергия в виде импульса, запасенная в двигателе или другой машине, используется для подачи питания на любые задействованные электромагниты. В результате двигатель или другая машина быстро останавливается при отключении питания. В таких конструкциях необходимо соблюдать осторожность, чтобы гарантировать, что задействованные компоненты не подвергаются нагрузкам, выходящим за пределы эксплуатационных пределов во время такого замедления, которое может значительно превышать расчетные силы ускорения во время нормальной работы.
Вихретоковые тормоза используются для замедления высокоскоростных поездов и американских горок , в качестве дополнения к фрикционным тормозам в полуприцепах, чтобы помочь предотвратить износ тормозов и перегрев, для быстрой остановки приводных инструментов при отключении питания, а также в используемых электросчетчиках. электроэнергетическими компаниями.
Вихретоковый тормоз состоит из проводящего куска металла, прямого стержня или диска, который движется в магнитном поле магнита, постоянного магнита или электромагнита . Когда он движется мимо неподвижного магнита , магнит оказывает на металл силу сопротивления , которая препятствует его движению, из-за круговых электрических токов , называемых вихревыми токами, индуцированных в металле магнитным полем . Обратите внимание, что проводящий лист [?] не изготовлен из ферромагнитного металла, такого как железо или сталь; обычно используют медь или алюминий, которые не притягиваются магнитом. Тормоз не работает за счет простого притяжения ферромагнитного металла к магниту.
См. схему справа. На нем показан металлический лист (С) , движущийся вправо под магнитом. Магнитное поле ( B, зеленые стрелки ) северного полюса N магнита проходит через лист вниз. Поскольку металл движется, магнитный поток через лист меняется. В части листа под передней кромкой магнита (левая сторона) магнитное поле через лист увеличивается по мере его приближения к магниту. Согласно закону индукции Фарадея , это поле индуцирует поток электрического тока против часовой стрелки ( I, красный ) в листе. Это вихревой ток. Напротив, на задней кромке магнита (справа) магнитное поле через лист уменьшается, вызывая в листе вихревой ток по часовой стрелке.
Другой способ понять это действие — увидеть, что свободные носители заряда ( электроны ) в металлическом листе движутся вправо, поэтому магнитное поле оказывает на них боковую силу за счет силы Лоренца . Поскольку скорость v зарядов находится вправо, а магнитное поле B направлено вниз, по правилу правой руки сила Лоренца, действующая на положительные заряды q v × B , направлена назад на диаграмме (влево, если смотреть в сторону направление движения листа) Это вызывает ток I , направленный назад под магнитом, который циркулирует через части листа вне магнитного поля двумя токами: по часовой стрелке вправо и против часовой стрелки влево, к передней части листа. снова магнит. Подвижные носители заряда в металле, электроны , на самом деле имеют отрицательный заряд, поэтому их движение противоположно направлению показанного обычного тока .
Как описано в контурном 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 листа, которая представляет собой тормозную силу, оказываемую тормоз. На передней кромке магнита (левая сторона) по правилу правой руки ток против часовой стрелки создает направленное вверх магнитное поле, противоположное полю магнита, вызывая силу отталкивания между листом и передней кромкой магнита. Напротив, на задней кромке (справа) ток по часовой стрелке создает 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. 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 она действует аналогично вязкому трению в жидкости. Тормозная сила уменьшается с уменьшением скорости. Когда проводящий лист неподвижен, магнитное поле в каждой его части постоянно и не меняется со временем, поэтому вихревые токи не индуцируются и между магнитом и проводником нет силы. Таким образом, вихретоковый тормоз не имеет удерживающей силы.
Вихретоковые тормоза бывают двух конфигураций:
Физический принцип работы одинаков для обоих.
Дисковые электромагнитные тормоза используются в транспортных средствах, таких как поезда, и электроинструментах, таких как циркулярные пилы , для быстрой остановки полотна 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 силу торможения. Когда через обмотку электромагнита не проходит 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 тормозная сила. В тормозах электроинструмента используются постоянные магниты , которые перемещаются рядом с диском с помощью рычажного механизма при отключении питания. Кинетическая энергия движения транспортного средства рассеивается в результате джоулевого нагрева за счет вихревых токов, проходящих через сопротивление диска, поэтому, как и в обычных фрикционных дисковых тормозах, диск становится горячим. В отличие от линейного тормоза, показанного ниже, металл диска неоднократно проходит через магнитное поле, поэтому дисковые вихретоковые тормоза нагреваются сильнее, чем линейные вихретоковые тормоза.
В японских поездах Синкансэн начиная с Синкансэн 100-й серии на прицепах использовалась круговая вихретоковая тормозная система . В Синкансэн серии N700 отказались от вихретоковых тормозов в пользу рекуперативных тормозов , поскольку в 14 из 16 вагонов состава использовались электродвигатели. В рекуперативных тормозах двигатель, приводящий в движение колесо, используется в качестве генератора для выработки электрического тока, который можно использовать для зарядки аккумулятора, позволяя повторно использовать энергию.
В большинстве динамометрических стендов шасси и во многих стендах двигателей используется 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 динамометрических стендах, где их высокоинерционные стальные роторы являются скорее преимуществом, чем недостатком. И наоборот, динамометрические стенды для высокопроизводительных двигателей, как правило, используют конфигурации с малой инерцией, высокими оборотами и жидкостным охлаждением. Недостатком поглотителей вихревых токов в таких приложениях по сравнению с дорогими динамометрами на основе двигателей переменного тока является их неспособность обеспечить нагрузку при срыве скорости (нулевые обороты в минуту) или привести двигатель в движение для запуска или движения (моделирование спуска).
Поскольку они фактически не поглощают энергию, должны быть предусмотрены средства для передачи излучаемого ими тепла за пределы испытательной камеры. Либо мощная воздушная вентиляция, либо водо-воздушный теплообменник увеличивают стоимость и сложность. Напротив, высококлассные динамометры с двигателями переменного тока аккуратно возвращают мощность двигателя в сеть.
Линейные вихретоковые тормоза используются на некоторых железнодорожных транспортных средствах, например в поездах. Их используют на американских горках , чтобы плавно останавливать автомобили 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, а удерживается на постоянном небольшом расстоянии от рельса примерно 7 мм (вихретоковый тормоз не следует путать с другим устройством - магнитным тормозом, которое оказывает свою тормозную силу за счет трения тормоза башмак с рельсом). (В отличие от механических тормозов, которые основаны на трении и кинетической энергии, вихретоковые тормоза полагаются на электромагнетизм, чтобы остановить движение объектов.) Он работает так же, как дисковый вихретоковый тормоз, создавая замкнутые вихревые петли. ток в проводящем рельсе, который создает встречные магнитные поля, препятствующие движению поезда.
Кинетическая энергия движущегося транспортного средства преобразуется в тепловую за счет вихревого тока, протекающего через электрическое сопротивление рельса, что приводит к нагреву рельса. 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 проходит через тормоз многократно, рельс не проходит 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, не создает ни шума, ни запаха. Вихретоковый тормоз непригоден для использования на низких скоростях, но может использоваться на высоких скоростях для экстренного и рабочего торможения. [1]
TSI ( Технические спецификации совместимости ) ЕС для трансъевропейских высокоскоростных железных дорог рекомендует, чтобы на всех вновь построенных высокоскоростных линиях было возможно использование вихретокового тормоза.
Современные американские горки используют этот тип торможения. Чтобы избежать риска, связанного с перебоями в подаче электроэнергии , они используют постоянные магниты вместо электромагнитов, поэтому не требуют источника питания. В этом приложении отсутствует возможность такой же простой регулировки силы торможения, как с помощью электромагнитов.
В обучении физике иногда используется простой эксперимент, чтобы проиллюстрировать вихревые токи и принцип магнитного торможения. Когда сильный магнит падает на вертикальную проводящую трубу из цветных металлов, в трубе индуцируются вихревые токи, которые замедляют падение магнита, поэтому он падает медленнее, чем при свободном падении. Как объяснила одна группа авторов
Если рассматривать магнит как совокупность циркулирующих атомных токов, движущихся по трубе, [тогда] закон Ленца подразумевает, что индуцированные вихри в счетчике стенки трубы циркулируют впереди движущегося магнита и циркулируют совместно за ним. Но это означает, что движущийся магнит отталкивается спереди и притягивается сзади, следовательно, на него действует тормозящая сила. [2]
В типичных экспериментах учащиеся измеряют более медленное время падения магнита через медную трубку по сравнению с картонной трубкой и могут использовать осциллограф, чтобы наблюдать импульс вихревого тока, индуцируемый в петле из проволоки, намотанной вокруг трубы, когда магнит падает. через. [3] [4]
