永磁渦流制動器設計與實驗研究

2016-08-09 02:18:32郭祥

大科技 2016年31期

關鍵詞：實驗

郭祥

永磁渦流制動器設計與實驗研究

郭祥

（南京理工大學 210094）

本文提出了一種新的直線型永磁渦流制動模型，推導了其渦流阻力的計算公式并搭建實驗裝置研究其力學性能，實驗結果表明測量制動力與理論計算結果基本一致。

永磁體；渦流；制動器；制動力

引言

直線驅動裝置由于結構簡單、易調節、速度不受限制等優點，今年來得到了廣泛應用，其制動問題自然成為新的研究熱點。永磁渦流制動技術作為一種新的制動方式，與傳統制動方式相比具有制動力穩定可靠、制動力大、壽命長、結構簡單等優點[1]。

永磁渦流制動的原理是閉合導體在磁場中做切割磁感線運動導體中產生感應電動勢和電流，感應電流產生的磁場與永磁體的磁場相互作用形成制動力使運動物體減速或制動。按照制動對象驅動器傳遞運動方式分為直線式永磁渦流制動和旋轉式永磁渦流制動[2]。

1 永磁渦流制動器模型

永磁渦流制動器由動軸、定導體、永磁體、鐵級四部分組成。根據磁路優化原理，采用圓筒式的定導體，圓筒式結構相對于矩形結構能夠有效的減少漏磁，更好地利用永磁體產生的磁場，在導體中產生較大的渦流，得到更大的制動力。

2 渦流阻力的計算

根據洛倫茲定律，永磁體和導體管的相對運動使導體管內產生感應電動勢和感應渦流。渦流產生的磁場和外部永磁體的磁場方向相反，使每塊永磁鐵都受到阻力其電：

σ為電導率。由于導體管的運動方向沿著垂直方向，v×Bz=0，電流密度J大小與軸向磁通量密度無關只與徑向磁通量密度有關。設導體管的單位體積內有n個載流子，每一個載流子的電荷都是q，載流子的速度是v，J=qnv，則一個體積微元中的渦流阻力是：

則整個導體管中的渦流阻力為：

結合式2.29和式2.31，每個磁體在z軸方向受到的力可以簡化為：

Br、rin、rout、δ、v 分別是徑向磁感應強度，導體的內徑、外徑、永磁體的厚度，永磁體相對導體的運動速度。圓柱形永磁體的厚度為L，半徑為R，在距離永磁體幾何中心為（r，z）處的磁感應強度為Br可按下式計算：

K（k）和E（k）分別是第一類、第二類完備橢圓積分，定義為：

3 永磁渦流制動實驗研究

永磁渦流制動器通過連接板和L型支架連接在滑塊上沿導軌在豎直方向上運動，將永磁體在一定的高度靜止釋放后由于重力的作用，永磁體做加速運動，永磁體進入銅管后在渦流阻力作用下減速。主要參數如表1所示。在負載質量為3.85kg和9.85kg的條件下測試不同高度下落過程中的加速度，第一次實驗下落高度為0.9m，第二次實驗下落高度為1.3m。圖1～2分別是負載質量為3.85kg和9.85kg時的加速度曲線，將加速度曲線一次積分和二次積分得到速度曲線和位移曲線。

表1 實驗裝置主要參數

圖1 m=3.85kg加速度曲線

圖2 m=9.85kg加速度曲線

由圖1和2加速度曲線可以看出，加速下落階段在重力和摩擦力的合力作用下其加速度值并不是恒定的，加速度先增大后減小。從圖3～4速度曲線可知，質量m=3.85kg時運動過程中最大速度為2.49m/s減速階段最小速度為0.13m/s，質量為m=9.85kg時運動過程中最大速度為3.83m/s，減速階段最小速度為0.28m/s，重物的動能大部分通過永磁渦流制動器耗散掉。

由減速階段的加速度求出渦流制動力并與用公式編程計算得到的結果進行對比，結果如圖7～10所示。

起始階段由于進入銅管中的永磁體較少此時制動力小于摩擦力和重力的合力，永磁體作加速運動。由于速度和進入銅管中的永磁體增加，制動力增大，使得永磁體減速。