Войти
Линейный вихретоковый тормоз в немецком ICE 3 высокоскоростном поезде в действии вихретоковый тормоз, также известный как индукционный тормоз, электрический тормоз или электрический замедлитель, представляет собой устройство, используемое для замедления или остановки движущийся объект путем рассеивания его кинетической энергии в виде тепла. В отличие от фрикционных тормозов, где сила сопротивления, которая останавливает движущийся объект, обеспечивается трением между двумя прижатыми друг к другу поверхностями, сила сопротивления в вихретоковом тормозе представляет собой электромагнитную силу между магнит и ближайший проводящий объект в относительном движении из-за вихревых токов, индуцированных в проводнике посредством электромагнитной индукции.
Проводящая поверхность, движущаяся мимо неподвижный магнит создает круговые электрические токи, называемые вихревые токи, индуцируемые в нем магнитным полем, как описано законом индукции Фарадея. Согласно закону Ленца, циркулирующие токи создают собственное магнитное поле, которое противодействует полю магнита. Таким образом, движущийся проводник испытывает силу сопротивления со стороны магнита, которая препятствует его движению, пропорциональную его скорости. кинетическая энергия движущегося объекта рассеивается в виде тепла, генерируемого током, протекающим через электрическое сопротивление проводника.
В вихретоковом тормозе магнитное поле может создаваться постоянным магнитом или электромагнитом. В системе электромагнита тормозная сила может включаться и выключаться (или изменяться) путем изменения электрического тока в обмотках электромагнита. Другое преимущество состоит в том, что, поскольку тормоз не работает за счет трения, отсутствуют поверхности тормозной колодки, которые могли бы изнашиваться, что исключает замену, как в случае фрикционных тормозов. 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, следовательно, в транспортных средствах. он должен быть дополнен фрикционным тормозом.
Вихретоковые тормоза используются для замедления скорости высокоскоростных поездов и американских горок в качестве дополнения к фрикционным тормозам в грузовиках с полуприцепами для предотвращения износа тормозов и перегрев, чтобы быстро остановить электроинструмент при отключении питания, а также в электросчетчиках, используемых электроэнергетическими предприятиями.
Металлический лист, движущийся вправо под магнитом, иллюстрирующий, как работает линейный вихретоковый тормоз. На этом чертеже магнит изображен на расстоянии от листа, чтобы показать векторы; в вихретоковом тормозе магнит обычно расположен как можно ближе к листу. 
Круглый или дисковый вихретоковый тормоз Вихретоковый тормоз состоит из токопроводящего куска металла, будь то прямой стержень или диск, который движется через магнитное поле магнита, либо постоянного магнита , либо электромагнита. Когда он движется мимо неподвижного магнита, магнит оказывает на металл силу сопротивления, которая препятствует его движению, из-за круговых электрических токов, называемых вихревыми. токи, индуцированные 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 от простого притяжения ферромагнитного металла к магниту.
См. Диаграмму справа. На нем показан металлический лист (C), движущийся вправо под магнитом. Магнитное поле (B, зеленые стрелки) северного полюса N магнита проходит вниз через лист. Поскольку металл движется, магнитный поток через лист изменяется. В части листа под передней кромкой магнита (левая сторона) магнитное поле через лист увеличивается по мере приближения к магниту. Согласно закону индукции Фарадея, это поле индуцирует в листе против часовой стрелки электрический ток (I, красный). Это вихревой ток. Напротив, на задней кромке магнита (правая сторона) магнитное поле через лист уменьшается, вызывая вихревой ток по часовой стрелке в листе.
Другой способ понять действие - это увидеть, что свободные носители заряда (электроны ) в металлическом листе движутся вправо, поэтому магнитное поле оказывает боковая сила на них из-за силы Лоренца. Поскольку скорость v зарядов направлена вправо, а магнитное поле B направлено вниз, из правила правой руки сила Лоренца на положительных зарядах q v×Bнаправлен назад на схеме (слева, если смотреть в направлении движения листа). Это вызывает ток I в направлении назад под магнитом, который вращается по частям листа за пределами магнитного поля в два тока, 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 направлению показанного обычного тока.
Согласно закону оборота Ампера, каждый из этих круговых токов создает противодействующее магнитное поле (синие стрелки), которое согласно закону Ленца препятствует изменению магнитного поля., вызывая силу сопротивления на листе, которая представляет собой тормозную силу, оказываемую тормозом. На передней кромке магнита (левая сторона) по правилу правой руки ток против часовой стрелки создает магнитное поле, направленное вверх, противодействуя полю магнита, вызывая силу отталкивания между листом и передней кромкой магнита. магнит. 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 препятствуют движению полотна. 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 его действие аналогично вязкому трению 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 имеют две геометрии:
Физический принцип работы одинаков для обоих.
(слева) Дисковые вихретоковые тормоза на Синкансэн серии 700, японском сверхскоростном экспрессе.. (справа) Постоянный магнит Вихретоковый тормоз, используемый в 1970-х годах счетчик электроэнергии Дисковые электромагнитные тормоза используются на транспортных средствах, таких как поезда, и в электроинструментах, таких как дисковые пилы, для быстрой остановки полотна при включении питания выкл. Дисковый вихретоковый тормоз состоит из проводящего неферромагнитного металлического диска (ротора ), прикрепленного к оси колеса транспортного средства, с электромагнитом, расположенным с его полюса 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. 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 Джоулева нагревания вихревыми токами, проходящими через сопротивление диска, поэтому, как и в обычных дисковых тормозах с трением, диск становится горячим. 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 Синкансэн использовали круговую вихретоковую тормозную систему на прицепных вагонах с 100 серии Синкансэн. В «Синкансэн» серии N700 отказались от вихретоковых тормозов в пользу рекуперативных тормозов, поскольку 14 из 16 вагонов в составе поезда использовали электродвигатели. В рекуперативных тормозах двигатель, приводящий в движение колесо, используется в качестве генератора для выработки электрического тока, который может использоваться для зарядки аккумулятора, позволяя повторно использовать энергию.
Воспроизвести 6-минутное видео-руководство «как это работает», объясняющее, как работают динамометрические вихретоковые поглотители двигателя-динамометра и шасси. Большинство шасси динамометры и многие динамометры 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 активом, 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 из области испытательной ячейки. Воздухо-вентиляционный теплообменник большого объема или теплообменник вода-воздух добавляет дополнительные затраты и сложность. В отличие от этого, высокопроизводительные динамометры переменного тока полностью возвращают мощность двигателя в сеть.
Вихретоковые тормоза на американских горках Goliath производства Intamin, в Walibi Holland (Нидерланды) Линейные вихретоковые тормоза используются на некоторых рельсовых транспортных средствах, например поездах. Они используются 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, 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.
кинетическая энергия движущегося транспортного средства преобразуется в тепло с помощью вихревого тока, протекающего через электрическое сопротивление рельса, что приводит к нагреванию 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 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.
TSI (Технические спецификации для взаимодействия ) ЕС для транс- Европейские высокоскоростные железнодорожные пути рекомендуют, чтобы на всех недавно построенных высокоскоростных линиях была предусмотрена возможность вихретокового торможения.
Первым коммерческим поездом, в котором использовалась такая тормозная система, был ICE 3.
Современные американские горки, использующие этот тип торможения. Чтобы избежать риска, связанного с перебоями в подаче электроэнергии, они используют постоянные магниты вместо электромагнитов, тем самым не требуя источника питания. В этом приложении отсутствует возможность регулировки силы торможения так же легко, как с помощью электромагнитов.
В физике простой эксперимент иногда используется для иллюстрации вихревых токов и принципа магнитного торможения. Когда сильный магнит падает на вертикальную проводящую трубу из цветных металлов, в трубе индуцируются вихревые токи, которые замедляют опускание магнита, поэтому он падает медленнее, чем если бы он был свободным. падение. Как объяснили одни авторы,
если рассматривать магнит как совокупность циркулирующих атомных токов, движущихся по трубе, [тогда] закон Ленца подразумевает, что индуцированные водовороты в счетчике стенки трубы циркулируют перед движущимся магнитом и совместно циркулируют за ним. Но это означает, что движущийся магнит отталкивается спереди и притягивается сзади, следовательно, на него действует тормозящая сила.
В типичных экспериментах студенты измеряют более медленное время падения магнита через медную трубку по сравнению с картонной трубкой., и может использовать осциллограф для наблюдения импульса вихревого тока, наведенного в петле из проволоки, намотанной вокруг трубы, когда магнит проваливается.
 | Wikimedia Commons имеет медиа относящиеся к вихретоковым тормозам. |
