永磁渦流制動(dòng)器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

郭祥

永磁渦流制動(dòng)器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)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(dòng)模型，推導(dǎo)了其渦流阻力的計(jì)算公式并搭建實(shí)驗(yàn)裝置研究其力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測(cè)量制動(dòng)力與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

永磁體；渦流；制動(dòng)器；制動(dòng)力

引言

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

永磁渦流制動(dòng)的原理是閉合導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體的磁場(chǎng)相互作用形成制動(dòng)力使運(yùn)動(dòng)物體減速或制動(dòng)。按照制動(dòng)對(duì)象驅(qū)動(dòng)器傳遞運(yùn)動(dòng)方式分為直線式永磁渦流制動(dòng)和旋轉(zhuǎn)式永磁渦流制動(dòng)[2]。

1 永磁渦流制動(dòng)器模型

永磁渦流制動(dòng)器由動(dòng)軸、定導(dǎo)體、永磁體、鐵級(jí)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(duì)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(chǎng)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生較大的渦流，得到更大的制動(dòng)力。

2 渦流阻力的計(jì)算

根據(jù)洛倫茲定律，永磁體和導(dǎo)體管的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使導(dǎo)體管內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)渦流。渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和外部永磁體的磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)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(gè)載流子，每一個(gè)載流子的電荷都是q，載流子的速度是v，J=qnv，則一個(gè)體積微元中的渦流阻力是：

則整個(gè)導(dǎo)體管中的渦流阻力為：

結(jié)合式2.29和式2.31，每個(gè)磁體在z軸方向受到的力可以簡(jiǎn)化為：

Br、rin、rout、δ、v 分別是徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度，導(dǎo)體的內(nèi)徑、外徑、永磁體的厚度，永磁體相對(duì)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度。圓柱形永磁體的厚度為L(zhǎng)，半徑為R，在距離永磁體幾何中心為（r，z）處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為Br可按下式計(jì)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(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

永磁渦流制動(dòng)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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，永磁體進(jìn)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(fù)載質(zhì)量為3.85kg和9.85kg的條件下測(cè)試不同高度下落過程中的加速度，第一次實(shí)驗(yàn)下落高度為0.9m，第二次實(shí)驗(yàn)下落高度為1.3m。圖1～2分別是負(fù)載質(zhì)量為3.85kg和9.85kg時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)運(yùn)動(dòng)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(shí)運(yùn)動(dòng)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(dòng)能大部分通過永磁渦流制動(dòng)器耗散掉。

由減速階段的加速度求出渦流制動(dòng)力并與用公式編程計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7～10所示。

起始階段由于進(jìn)入銅管中的永磁體較少此時(shí)制動(dòng)力小于摩擦力和重力的合力，永磁體作加速運(yùn)動(dòng)。由于速度和進(jìn)入銅管中的永磁體增加，制動(dòng)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(shí)驗(yàn)研究可以得出以下結(jié)論：

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的永磁渦流制動(dòng)器具有良好的制動(dòng)效果。

（2）永磁渦流制動(dòng)器的制動(dòng)力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值基本一致。

圖7 m=3.85kg第一次實(shí)驗(yàn)制動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

圖8 m=3.85kg第二次實(shí)驗(yàn)制動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

圖9 m=9.85kg第一次實(shí)驗(yàn)制動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

圖10 m=9.85kg第二次實(shí)驗(yàn)制動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

[1]趙小波，姬長(zhǎng)英，周俊，黃亦其.永磁渦流制動(dòng)技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2008（2）：1～5.

[2]鞠成偉，孫建熙，張更娥.永磁渦流制動(dòng)技術(shù)在游樂設(shè)備中的應(yīng)用[J].機(jī)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(dòng)方面研究工作。