涡流制动技术如何让我们摆脱摩擦

2019年 3月 6日

如今,人们对旅行的需求与日俱增,随之而来的是更加环保的交通方式的选择——噪声更小且速度更快。但是不论什么运动最终必须停止,大多数飞机,火车和汽车都使用机械制动,但这种制动方式会造成结构磨损并且在高速时变得不安全。而涡流制动就不存在这个问题。在本文中,我们将对这种无摩擦制动的可能性以及这种作用背后的现象进行研究。

用涡流制动器安全减速

如果火车A在上午8点以每小时35英里(英里/小时)的速度离开波士顿前往纽约市,而火车B于上午8:30以50英里/小时的速度离开纽约市前往波士顿,假设这两个城市之间大约相距200英里,则这两列火车在什么时间相遇?

一个经典的有关于两列火车,距离,速度和时间的校园数学问题,成为了一个电视转播。但随着交通技术的发展,教科书作者(和电视编剧)可能需要更新一些细节。例如,高速商用列车通常以180英里/小时的平均速度行驶,从而在旅程中节省了大量时间。因此,未来的列车数学问题可能需要考虑更快的速度,并使用两个相距较远的城市。
上海磁悬浮列车的照片。
上海磁悬浮列车是世界上最快的商用高速电动列车。图片来自Andreas Krebs – 自己的作品。根据CC BY-SA 2.0Flickr Creative Commons下获得许可。

如果不研究无摩擦制动技术,我们几乎无法考虑这些问题。如果传统火车使用机械制动器以180英里/小时的速度行驶,则传统的机械式制动器可能无法及时让火车停下来。火车行驶得越快,摩擦制动器就越难以发挥作用耗散动能,这意味着制动器更容易磨损。为了解决这个问题,许多火车使用动态制动来减少磨损,但是基于摩擦的部件仍然会存在失效的可能。

当车辆配备制动装置时,再生制动是优选的。对于这种类型的无摩擦制动,(线性)电动机或发电机将动能转换回电能,电能在稍后阶段可以重新用于加速。相比之下,虽然涡流制动的能量利用效率较低(但仍比机械制动更好)。通过涡流制动,所有产生的电能都直接转换为热量。由于能量转换是在没有机械接触的情况下进行的,因此这些系统往往比基于摩擦的系统更加可靠。另一个优点是,即使最初的车辆与轨道之间没有任何机械接触,这些系统仍然可以使用。对于磁悬浮车辆(上海磁悬浮列车和日本铁路列车)而言,创纪录下的最高时速记录为374英里/小时

现实世界中的涡流制动系统

那么,在现实世界中涡流制动系统是如何发挥作用的?由德国铁路公司开发和测试的一种设计使用八个线性电磁体的线性阵列,这些线性电磁体安装在车轮之间,距轨道约7毫米。列车操作员在需要减速时打开这些电磁铁的开关,就会让磁铁产生一个磁场并扩展到轨道中。由于轨道是固定的,因此它将受到集中磁场的高速移动,并且将产生强大的涡流。这些涡流是轨道抵抗磁通量变化的结果:它们沿着导轨产生其自身磁场的方向流动,该磁场试图抵消(排出)所施加的磁场。两个磁场相互排斥,产生制动力,这就意味着火车将无摩擦地停止。

这种无摩擦制动的优点包括精准控制,相对便宜,并且没有污染和噪音。使用这种制动方式的缺点在于电磁部件偶尔会干扰列车信号设备。另一个限制是需要有一定的速度才能产生制动力(例如,它不能用作停车制动器)。并且,如果有很多列车在同一地点连续快速制动,则轨道中散发的热量会使它们膨胀,从而导致结构变形问题。总体而言,涡流制动器可以为高速运输系统提供许多帮助。下面,您可以看到高速列车中使用的线性和旋转制动器的实例。

使用涡流制动器的高速列车的照片。
涡流制动盘的特写照片。

德国高速列车中的线性涡流制动器(左)。图片来自Sebastian Terfloth – 自己的作品。根据CC BY-SA 3.0通过Wikimedia Commons获得许可。用于高速日本火车(右)的涡流制动器的特写镜头。图片来自Take-y – 自己的工作。根据CC BY-SA 3.0通过Wikimedia Commons获得许可。

线性与圆形涡流制动器

有两种常用的涡流制动器类型:线性和圆形。线性制动器是您在火车或过山车轨道上的那种,其中轨道是制动系统的一部分。在过山车中,磁铁放置在轨道的末端,金属带安装在汽车的侧面。一旦过山车到达磁铁,制动器就开始工作,因为磁铁会在金属中感应出涡流。作为额外的安全预防措施,过山车通常使用永久磁铁,以便在断电的情况下制动器仍能正常工作。
过山车轨道上刹车的照片。
涡流制动器在过山车轨道上制动。图片来自Stefan Scheer – 自己的工作。根据CC BY-SA 3.0通过Wikimedia Commons获得许可。

圆形制动器有一个部件保持静止不动,而另一个部件在转动。在一种设计中,磁体是固定的,而金属盘是旋转的;而在另一种设计中,电磁铁是转动的,将线圈放置在绕固定轴旋转的车轮上。在其他使用案例中,圆形涡流制动器在操作工业机械时会派上用场,特别是在紧急停车时。如果您想停止工厂机器或电动工具(如圆锯),您可以打开电磁铁以产生涡流制动力,就可以使金属轮机构迅速停止。

让我们仔细看看涡流背后的物理原理,以及两个涵盖线性和圆形制动的仿真例子。

什么是涡流?

涡流是由于磁场变化而在导体中感应出的电流回路。电流是法拉第电磁感应定律的结果。

涡流的历史

涡流首先由1919th世纪法国总理弗朗索瓦·阿拉戈。他们的名字与河流中的漩涡相似,涡流漩涡通常在金属板或圆盘中可以观察到。科学家迈克尔·法拉第能够进一步解释阿拉戈(Arago)的观察结果,并提出了法拉第感应定律。此后不久,埃米尔·楞次(Emil Lenz)提出了楞次定律。
Emil Lenz的肖像。
海因里希·弗里德里希·埃米尔·楞次。Wikimedia Commons在美国公共领域中的图像。

遵循法拉第感应定律,其关注于将涡流延伸至运动的电动势,楞次定律指出了电流的方向。楞次意识到感应电流会始终沿着阻碍电流变化的方向流动。这意味着涡流往往会导致能量损失(或者,如制动系统的一样,将动能转换成热量)。尽管对于许多应用来说,都不希望出现涡流损耗,但对于制动等用途来说,却是非常有用的。

1855年,法国物理学家莱昂·福柯(LéonFoucault)发现了与制动有关的涡流:当金属圆盘在磁铁的磁极之间旋转时,所需的力就会增大。在发生这种情况时,金属中感应出的涡流会加热旋转的圆盘。

1879年,戴维·休斯(David E. Hughes)首次演示了涡流的一种用途:冶金分选。从那以后,涡流一直被用来在自动售货机中识别和分类硬币,并帮助金属探测器感应金属物件。

COMSOL Multiphysics®中的涡流模拟:线性和旋转制动设计

用楞次定律装置对线性制动器建模

您可能还记得一个教学物理实验,该实验使用涡流来演示电磁的两个定律:

  1. 法拉第电磁感应定律
  2. 楞次定律

如果您不记得或从未见过这个实验,也没关系,我们接下来就进行演示。首先,让我们来看一看涡流,以便我们了解实验的工作原理。我们可以在楞次定律装置中看到涡流,该模型包括一个圆柱形磁铁穿过金属管(在本例中为铜)下落。
铜管的模型和照片内部坠落的磁铁被称为Lenz的法律装置。
楞次定律装置的示意图(左)和照片(右)。

正如我们在线性轨道示例中所讨论的那样,在管壁内部类似地产生涡流,并且相反的磁场产生制动力以减缓磁体的运动。随着磁铁的速度增加,反作用力也随之增加。这意味着在某些时刻,磁铁将达到最终速度,在此速度下,磁性制动力将等于重力。

您可以使用楞次定律装置来计算下落的磁铁在达到其终速度时的速度大小,从而亲自看到这些效果。
楞次定律装置的3D模拟。
磁铁在铜管中下落的3D模拟。

旋转制动器的建模

现在我们已经了解了涡流在线性制动器中的工作原理,下面让我们看一下它们在旋转制动器中的工作原理。该模型由旋转盘和永久磁铁组成。正如福柯所发现的那样,当圆盘在永磁体磁场中旋转时,其导电特性会产生涡流。然后,由于这些电流的作用力,圆盘会减速。
涡流制动模拟。
涡流制动器的3D模拟。

使系统停止运行所需的总时间(无论是汽车,火车还是过山车)取决于磁铁的强度(它们施加在磁盘上的力)和圆盘耗散能量的能力。为了研究这个过程,您可以使用模拟涡流制动器来进行研究,这个模型将动态方程(定义圆盘的旋转)与有限元方法(定义扭矩)进行耦合。例如,在下面的图像中,您可以看到当光盘仍在旋转时(t = 0)光盘表面上的电流密度以及不同制动因子的时间演变。

感应涡流幅度和方向的EM模型。
涡流制动系统中扭矩的时间演变的1D图。

3D模型显示了在t = 0s时感应的涡流强度和方向(左)。涡流制动系统中扭矩的时间演变(右)。

使用电磁建模软件,您可以研究感应涡流密度和角速度,制动扭矩和耗散功率的时间演变。

用于涡流制动设计的其他用例

尽管涡流制动系统尚未广泛使用,但其低成本和可靠性使其可用于:

  • 电梯
  • 工业钻机
  • 游乐园里的过山车和吊塔
  • 有阻力产生的运动机器

由于在配备大型线性或旋转电动机的系统(例如磁悬浮列车和电动汽车的系统)中通常首选再生制动,不过涡流制动为机械制动或紧急系统提供了可靠的替代选择。

如果您想尝试改进涡流制动以实现更平滑,更快速的设计,或者只是想通过在楞次定律装置中计算磁体的速度和加速度来研究涡流制动现象,则可以使用COMSOL®软件进行建模。也许您会想出新的更适合于21 st世纪的列车数学题。

下一步

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