Hamulec wiroprądowy - Eddy current brake
Hamulec wiroprądowy , znany również jako hamulec indukcyjnego , hamulcem elektrycznym lub elektrycznym opóźniacza , jest urządzeniem do spowolnienia lub zatrzymania ruchomego obiektu na rozproszenie jego energię kinetyczną w postaci ciepła. W przeciwieństwie do hamulców ciernych , gdzie siła oporu, która zatrzymuje poruszający się obiekt, jest zapewniona przez tarcie między dwiema ściśniętymi powierzchniami, siła oporu w hamulcu wiroprądowym jest siłą elektromagnetyczną między magnesem a pobliskim obiektem przewodzącym we względnym ruchu, z powodu wirów prądy indukowane w przewodzie przez indukcję elektromagnetyczną .
Przewodząca powierzchnia poruszająca się obok nieruchomego magnesu wytwarza kołowe prądy elektryczne zwane prądami wirowymi indukowanymi w niej przez pole magnetyczne , jak opisuje prawo indukcji Faradaya . Zgodnie z prawem Lenza krążące prądy wytwarzają własne pole magnetyczne, które przeciwstawia się polu magnesu. W ten sposób poruszający się przewodnik doświadcza siły oporu od magnesu, który przeciwstawia się jego ruchowi, proporcjonalnej do jego prędkości. Energia kinetyczna poruszającego się obiektu jest rozpraszana jako ciepło wytwarzane przez prąd przepływający przez opór elektryczny przewodnika.
W hamulcu wiroprądowym pole magnetyczne może być wytwarzane przez magnes trwały lub elektromagnes . W przypadku systemu elektromagnesów siłę hamowania można włączać i wyłączać (lub zmieniać) poprzez zmianę prądu elektrycznego w uzwojeniach elektromagnesów. Kolejną zaletą jest to, że ponieważ hamulec nie działa na zasadzie tarcia , nie zużywają się powierzchnie szczęk hamulcowych , co eliminuje konieczność wymiany, jak w przypadku hamulców ciernych. Wadą jest to, że ponieważ siła hamowania jest proporcjonalna do względnej prędkości hamulca, hamulec nie ma siły trzymającej, gdy poruszający się obiekt jest nieruchomy, co zapewnia tarcie statyczne w hamulcu ciernym, stąd w pojazdach musi być uzupełniony o hamulec cierny.
Hamulce wiroprądowe są używane do zwalniania szybkich pociągów i kolejek górskich , jako uzupełnienie hamulców ciernych w naczepach, aby zapobiec zużyciu hamulców i przegrzaniu, aby szybko zatrzymać napędzane narzędzia po wyłączeniu zasilania oraz w stosowanych licznikach energii elektrycznej przez przedsiębiorstwa energetyczne.
Mechanizm i zasada
Hamulec wiroprądowy składa się z przewodzącego kawałka metalu, prostego pręta lub dysku, który porusza się w polu magnetycznym magnesu, magnesu trwałego lub elektromagnesu . Kiedy porusza się obok magnesu stacjonarnego , wywiera on na metal siłę oporu, która przeciwdziała jego ruchowi, ze względu na kołowe prądy elektryczne zwane prądami wirowymi indukowanymi w metalu przez pole magnetyczne . Zauważ, że arkusz przewodzący nie jest wykonany z metalu ferromagnetycznego, takiego jak żelazo lub stal; zwykle używa się miedzi lub aluminium, które nie są przyciągane przez magnes. Hamulec nie działa poprzez proste przyciąganie metalu ferromagnetycznego do magnesu.
Zobacz diagram po prawej. Pokazuje blachę (C) przesuwającą się w prawo pod magnesem. Pole magnetyczne ( B, zielone strzałki ) północnego bieguna magnesu N przechodzi w dół przez arkusz. Ponieważ metal się porusza, zmienia się strumień magnetyczny przechodzący przez blachę. W części arkusza pod przednią krawędzią magnesu (lewa strona) pole magnetyczne przechodzące przez arkusz wzrasta w miarę zbliżania się do magnesu. Od Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya , to pole indukuje przepływ prądu elektrycznego w lewo ( I, czerwonym ) w arkuszu. To jest prąd wirowy. W przeciwieństwie do tego, na krawędzi spływu magnesu (po prawej stronie) pole magnetyczne przechodzące przez arkusz maleje, indukując w arkuszu prąd wirowy zgodny z ruchem wskazówek zegara.
Innym sposobem zrozumienia tego działania jest zobaczenie, że nośniki ładunków swobodnych ( elektrony ) w blasze poruszają się w prawo, więc pole magnetyczne wywiera na nie siłę boczną z powodu siły Lorentza . Ponieważ prędkość v ładunków znajduje się w prawo, a pole magnetyczne B jest skierowane w dół, z prawej strony zasada Lorentza na ładunkach dodatnich q v × B jest skierowana do tyłu na wykresie (w lewo, gdy kierunku ruchu arkusza) Powoduje to powstanie prądu I do tyłu pod magnesem, który krąży wokół części arkusza poza polem magnetycznym w dwóch prądach, zgodnie z ruchem wskazówek zegara w prawo i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara w lewo, do przodu magnes ponownie. Ruchome nośniki ładunku w metalu, elektrony , mają w rzeczywistości ładunek ujemny, więc ich ruch jest przeciwny do pokazanego prądu konwencjonalnego .
Ze względu na prawo obwodu Ampere'a każdy z tych kołowych prądów wytwarza przeciwne pole magnetyczne ( niebieskie strzałki ), które zgodnie z prawem Lenza przeciwstawia się zmianie pola magnetycznego, powodując siłę oporu na arkuszu, która jest siłą hamowania wywieraną przez hamulec. Na przedniej krawędzi magnesu (lewa strona) przy prawej linijce prąd przeciwny do ruchu wskazówek zegara wytwarza pole magnetyczne skierowane do góry, przeciwstawiające się polu magnesu, powodując siłę odpychającą między arkuszem a przednią krawędzią magnesu. W przeciwieństwie do tego, na krawędzi spływu (prawa strona) prąd zgodny z ruchem wskazówek zegara powoduje skierowanie pola magnetycznego w dół, w tym samym kierunku co pole magnesu, tworząc siłę przyciągania między arkuszem a krawędzią spływu magnesu. Obie te siły przeciwstawiają się ruchowi arkusza. Energia kinetyczna, która jest zużywana na pokonanie tej siły oporu, jest rozpraszana w postaci ciepła przez prądy przepływające przez opór metalu, dzięki czemu metal nagrzewa się pod magnesem.
Siła hamowania hamulca wiroprądowego jest dokładnie proporcjonalna do prędkości V , a więc działa podobnie do tarcia lepkiego w cieczy. Siła hamowania maleje wraz ze spadkiem prędkości. Gdy arkusz przewodzący jest nieruchomy, pole magnetyczne przechodzące przez każdą jego część jest stałe, niezmienne w czasie, więc nie są indukowane prądy wirowe i nie ma siły między magnesem a przewodnikiem. W ten sposób hamulec wiroprądowy nie ma siły trzymającej.
Hamulce na prąd wirowy występują w dwóch geometriach:
- W liniowym hamulcu wiroprądowym elementem przewodzącym jest prosta szyna lub tor, wzdłuż którego porusza się magnes.
- W okrągłym , tarczowym lub obrotowym hamulcu wiroprądowym przewodnik jest płaskim wirnikiem tarczowym, który obraca się między biegunami magnesu.
Fizyczna zasada działania jest taka sama dla obu.
Hamulce tarczowe wiroprądowe
(po prawej) Hamulec wiroprądowy z magnesem trwałym używany w liczniku energii elektrycznej z lat 70.
Hamulce elektromagnetyczne tarczowe są stosowane w pojazdach, takich jak pociągi i elektronarzędziach, takich jak piły tarczowe , aby szybko zatrzymać ostrze po wyłączeniu zasilania. Hamulec tarczowy wiroprądowy składa się z przewodzącej metalowej tarczy nieferromagnetycznej ( wirnika ) przymocowanej do osi koła pojazdu, z elektromagnesem umieszczonym biegunami po obu stronach tarczy, tak aby pole magnetyczne przechodziło przez tarczę. Elektromagnes umożliwia zmianę siły hamowania. Gdy przez uzwojenie elektromagnesu nie przepływa prąd, nie ma siły hamowania. Gdy kierowca naciska pedał hamulca, prąd przepływa przez uzwojenia elektromagnesów, tworząc pole magnetyczne. Im większy prąd w uzwojeniu, tym większe prądy wirowe i większa siła hamowania. Hamulce do elektronarzędzi wykorzystują magnesy trwałe , które są przesuwane w sąsiedztwie tarczy za pomocą łącznika, gdy zasilanie jest wyłączone. Energia kinetyczna ruchu pojazdu jest rozpraszana w ogrzewaniu Joule'a przez prądy wirowe przechodzące przez opór tarczy, tak jak w przypadku konwencjonalnych hamulców tarczowych, tarcza nagrzewa się. W przeciwieństwie do hamulca liniowego poniżej, metal dysku wielokrotnie przechodzi przez pole magnetyczne, więc hamulce tarczowe na prąd wirowy stają się gorętsze niż hamulce liniowe na prąd wirowy.
Japońskie pociągi Shinkansen stosowały okrągły układ hamulcowy wiroprądowy w przyczepach od 100 Series Shinkansen . N700 Series Shinkansen opuszczony prądów wirowych hamulce za hamowanie rekuperacyjne , od 14 do 16 samochodów w pociągu używanych silników elektrycznych. W hamulcach regeneracyjnych silnik napędzający koło jest wykorzystywany jako generator do wytwarzania prądu elektrycznego, który można wykorzystać do ładowania akumulatora, umożliwiając ponowne wykorzystanie energii.
Pochłaniacze prądów wirowych dynamometr
Większość hamowni podwoziowych i wiele hamowni silnikowych wykorzystuje hamulec wiroprądowy jako środek zapewniający elektrycznie regulowane obciążenie silnika. W takich zastosowaniach są one często określane jako „absorber”.
Niedrogie wersje chłodzone powietrzem są zwykle używane w hamowniach podwoziowych, gdzie ich wirniki ze stali o dużej bezwładności są raczej atutem niż wadą. Odwrotnie, wyczynowe dynamometry silnikowe mają tendencję do wykorzystywania konfiguracji o niskiej bezwładności, wysokich obrotach i chłodzonych cieczą. Wadą absorberów prądów wirowych w takich zastosowaniach, w porównaniu do drogich dynamometrów z silnikami prądu przemiennego, jest ich niezdolność do zapewnienia obciążenia przy prędkości przeciągnięcia (zero obr./min) lub do napędzania silnika - do rozruchu lub jazdy (symulacja zjazdu).
Ponieważ w rzeczywistości nie pochłaniają one energii, należy zapewnić środki do odprowadzania ich wypromieniowanego ciepła poza obszar komory testowej. Wentylacja o dużej objętości lub wymiennik ciepła woda-powietrze zwiększają koszty i złożoność. W przeciwieństwie do tego, wysokiej klasy dynamometry z silnikiem prądu przemiennego czysto zwracają moc silnika do sieci.
Liniowe hamulce wiroprądowe
W niektórych pojazdach szynowych, takich jak pociągi, stosowane są liniowe hamulce wiroprądowe. Stosowane są na kolejkach górskich , aby płynnie zatrzymywać samochody pod koniec jazdy.
Liniowy hamulec wiroprądowy składa się z jarzma magnetycznego z cewkami elektrycznymi umieszczonymi wzdłuż szyny, które są namagnesowane naprzemiennie jako bieguny południowe i północne. Magnes ten nie dotyka szyny, ale jest utrzymywany w stałej niewielkiej odległości od szyny około 7 mm (hamulca wiroprądowego nie należy mylić z innym urządzeniem, hamulcem magnetycznym, który wywiera swoją siłę hamowania poprzez tarcie hamulca but z szyną). Działa tak samo jak tarczowy hamulec wiroprądowy, indukując zamknięte pętle prądów wirowych w przewodzącej szynie, które generują przeciwne pola magnetyczne, które przeciwdziałają ruchowi pociągu.
Energia kinetyczna poruszającego się pojazdu jest zamieniana na ciepło przez prąd wirowy przepływający przez opór elektryczny szyny, co prowadzi do nagrzewania się szyny. Zaletą hamulca liniowego jest to, że ponieważ każdy odcinek szyny przechodzi tylko raz przez pole magnetyczne hamulca, w przeciwieństwie do hamulca tarczowego, w którym każdy odcinek tarczy przechodzi wielokrotnie przez hamulec, szyna nie jest tak gorący jak tarcza, dzięki czemu hamulec liniowy może rozproszyć więcej energii i mieć wyższą moc znamionową niż hamulce tarczowe.
Hamulec wiroprądowy nie ma mechanicznego kontaktu z szyną, dzięki czemu nie zużywa się, nie wytwarza hałasu ani zapachu. Hamulec wiroprądowy nie nadaje się do użytku przy niskich prędkościach, ale może być używany przy dużych prędkościach do hamowania awaryjnego i hamowania służbowego.
TSI ( Specyfikacje techniczne interoperacyjności ) UE dla transeuropejskiej kolei dużych prędkości zaleca, aby wszystkie nowo budowane linie dużych prędkości umożliwiały stosowanie hamulca wiroprądowego.
Pierwszym pociągiem w obrocie handlowym, w którym zastosowano taki układ hamulcowy, był ICE 3 .
Nowoczesne kolejki górskie wykorzystują ten rodzaj hamowania. Aby uniknąć ryzyka związanego z przerwami w dostawie prądu , wykorzystują one magnesy trwałe zamiast elektromagnesów, dzięki czemu nie wymagają zasilania. W tej aplikacji brakuje możliwości regulacji siły hamowania tak łatwo, jak w przypadku elektromagnesów.
Eksperyment laboratoryjny
W edukacji fizyki prosty eksperyment jest czasami używany do zilustrowania prądów wirowych i zasady hamowania magnetycznego. Kiedy silny magnes spada na pionową, nieżelazną, przewodzącą rurę, w rurze indukowane są prądy wirowe, które opóźniają opadanie magnesu, więc spada on wolniej niż w przypadku swobodnego spadania. Jak wyjaśnił jeden z autorów
Jeśli ktoś postrzega magnes jako zespół krążących prądów atomowych poruszających się przez rurę, [wtedy] prawo Lenza sugeruje, że indukowane wiry w ściance rury krążą przed poruszającym się magnesem i współkrążą za nim. Ale to oznacza, że poruszający się magnes jest odpychany z przodu i przyciągany z tyłu, a zatem działa na niego siła opóźniająca.
W typowych eksperymentach uczniowie mierzą wolniejszy czas opadania magnesu przez rurkę miedzianą w porównaniu z rurką kartonową i mogą za pomocą oscyloskopu obserwować puls prądu wirowego indukowany w pętli drutu owiniętego wokół rury, gdy magnes spada poprzez.
Zobacz też
- Hamowanie dynamiczne - albo reostatyczne (rozpraszanie energii pociągu w postaci ciepła w bateriach rezystorów w pociągu, albo regeneracyjne, gdzie energia jest zwracana do systemu zasilania elektrycznego)
- Hamulce elektromagnetyczne (lub hamulce elektromechaniczne ) – użyj siły magnetycznej, aby mechanicznie docisnąć hamulec do szyny
- Silnik indukcyjny liniowy może służyć jako hamulec regeneracyjny
Uwagi
Bibliografia
- KD Hahn, EM Johnson, A. Brokken, S. Baldwin (1998) „Tłumienie prądów wirowych magnesu poruszającego się przez rurę”, American Journal of Physics 66: 1066-66.
- MA Heald (1988) „Hamowanie magnetyczne: ulepszona teoria”, American Journal of Physics 56: 521-522.
- Y. Levin, FL da Silveira, FB Rizzato (2006) „Hamowanie elektromagnetyczne: prosty model ilościowy”, American Journal of Physics 74: 815-817.
- Sears, Francis Weston; Zemansky, Mark W. (1955). Fizyka uniwersytecka (wyd. 2). Czytanie, MA: Addison-Wesley.
- Siskind, Charles S. (1963). Elektryczne systemy sterowania w przemyśle . Nowy Jork: McGraw-Hill, Inc. ISBN 978-0-07-057746-6.
- H.D. Wiederick, N. Gauthier, DA Campbell, P. Rochan (1987) „Hamowanie magnetyczne: prosta teoria i eksperyment”, American Journal of Physics 55:500-503.