郭祥

永磁渦流制動器設(shè)計與實驗研究

郭祥

（南京理工大學(xué) 210094）

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

永磁體；渦流；制動器；制動力

引言

直線驅(qū)動裝置由于結(jié)構(gòu)簡單、易調(diào)節(jié)、速度不受限制等優(yōu)點，今年來得到了廣泛應(yīng)用，其制動問題自然成為新的研究熱點。永磁渦流制動技術(shù)作為一種新的制動方式，與傳統(tǒng)制動方式相比具有制動力穩(wěn)定可靠、制動力大、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點[1]。

永磁渦流制動的原理是閉合導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，感應(yīng)電流產(chǎn)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(qū)動器傳遞運動方式分為直線式永磁渦流制動和旋轉(zhuǎn)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(dǎo)體、永磁體、鐵級四部分組成。根據(jù)磁路優(yōu)化原理，采用圓筒式的定導(dǎo)體，圓筒式結(jié)構(gòu)相對于矩形結(jié)構(gòu)能夠有效的減少漏磁，更好地利用永磁體產(chǎn)生的磁場，在導(dǎo)體中產(chǎn)生較大的渦流，得到更大的制動力。

2 渦流阻力的計算

根據(jù)洛倫茲定律，永磁體和導(dǎo)體管的相對運動使導(dǎo)體管內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)渦流。渦流產(chǎn)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(dǎo)率。由于導(dǎo)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(guān)只與徑向磁通量密度有關(guān)。設(shè)導(dǎo)體管的單位體積內(nèi)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(dǎo)體管中的渦流阻力為：

結(jié)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(yīng)強度，導(dǎo)體的內(nèi)徑、外徑、永磁體的厚度，永磁體相對導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(shù)如表1所示。在負載質(zhì)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(zhì)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(shù)

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(zhì)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(zhì)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(jié)果進行對比，結(jié)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。

圖3 m=3.85kg速度曲線

圖4 m=9.85kg速度曲線

圖5 m=3.85kg位移曲線

圖6 m=9.85kg位移曲線

4 結(jié)論

通過上述理論分析與實驗研究可以得出以下結(jié)論：

（1）實驗結(jié)果表明所設(shè)計的永磁渦流制動器具有良好的制動效果。

（2）永磁渦流制動器的制動力計算值與實驗值基本一致。

圖7 m=3.85kg第一次實驗制動力計算結(jié)果

圖8 m=3.85kg第二次實驗制動力計算結(jié)果

圖9 m=9.85kg第一次實驗制動力計算結(jié)果

圖10 m=9.85kg第二次實驗制動力計算結(jié)果

[1]趙小波，姬長英，周俊，黃亦其.永磁渦流制動技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].起重運輸機械，2008（2）：1～5.

[2]鞠成偉，孫建熙，張更娥.永磁渦流制動技術(shù)在游樂設(shè)備中的應(yīng)用[J].機電工程技術(shù)，2014，43（6）：186～190.

[3]張三慧.大學(xué)物理學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

U260.357

A

1004-7344（2016）31-0212-02

2016-10-21

郭祥（1992-），男，漢族，在讀碩士研究生，主要從事永磁渦流傳動方面研究工作。