永磁涡流制动器设计与实验研究

郭祥

永磁涡流制动器设计与实验研究

郭祥

（南京理工大学 210094）

本文提出了一种新的直线型永磁涡流制动模型，推导了其涡流阻力的计算公式并搭建实验装置研究其力学性能，实验结果表明测量制动力与理论计算结果基本一致。

永磁体；涡流；制动器；制动力

引言

直线驱动装置由于结构简单、易调节、速度不受限制等优点，今年来得到了广泛应用，其制动问题自然成为新的研究热点。永磁涡流制动技术作为一种新的制动方式，与传统制动方式相比具有制动力稳定可靠、制动力大、寿命长、结构简单等优点[1]。

永磁涡流制动的原理是闭合导体在磁场中做切割磁感线运动导体中产生感应电动势和电流，感应电流产生的磁场与永磁体的磁场相互作用形成制动力使运动物体减速或制动。按照制动对象驱动器传递运动方式分为直线式永磁涡流制动和旋转式永磁涡流制动[2]。

1 永磁涡流制动器模型

永磁涡流制动器由动轴、定导体、永磁体、铁级四部分组成。根据磁路优化原理，采用圆筒式的定导体，圆筒式结构相对于矩形结构能够有效的减少漏磁，更好地利用永磁体产生的磁场，在导体中产生较大的涡流，得到更大的制动力。

2 涡流阻力的计算

根据洛伦兹定律，永磁体和导体管的相对运动使导体管内产生感应电动势和感应涡流。涡流产生的磁场和外部永磁体的磁场方向相反，使每块永磁铁都受到阻力其电：

σ为电导率。由于导体管的运动方向沿着垂直方向，v×Bz=0，电流密度J大小与轴向磁通量密度无关只与径向磁通量密度有关。设导体管的单位体积内有n个载流子，每一个载流子的电荷都是q，载流子的速度是v，J=qnv，则一个体积微元中的涡流阻力是：

则整个导体管中的涡流阻力为：

结合式2.29和式2.31，每个磁体在z轴方向受到的力可以简化为：

Br、rin、rout、δ、v 分别是径向磁感应强度，导体的内径、外径、永磁体的厚度，永磁体相对导体的运动速度。圆柱形永磁体的厚度为L，半径为R，在距离永磁体几何中心为（r，z）处的磁感应强度为Br可按下式计算：

K（k）和E（k）分别是第一类、第二类完备椭圆积分，定义为：

3 永磁涡流制动实验研究

永磁涡流制动器通过连接板和L型支架连接在滑块上沿导轨在竖直方向上运动，将永磁体在一定的高度静止释放后由于重力的作用，永磁体做加速运动，永磁体进入铜管后在涡流阻力作用下减速。主要参数如表1所示。在负载质量为3.85kg和9.85kg的条件下测试不同高度下落过程中的加速度，第一次实验下落高度为0.9m，第二次实验下落高度为1.3m。图1～2分别是负载质量为3.85kg和9.85kg时的加速度曲线，将加速度曲线一次积分和二次积分得到速度曲线和位移曲线。

表1 实验装置主要参数

图1 m=3.85kg加速度曲线

图2 m=9.85kg加速度曲线

由图1和2加速度曲线可以看出，加速下落阶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，加速度先增大后减小。从图3～4速度曲线可知，质量m=3.85kg时运动过程中最大速度为2.49m/s减速阶段最小速度为0.13m/s，质量为m=9.85kg时运动过程中最大速度为3.83m/s，减速阶段最小速度为0.28m/s，重物的动能大部分通过永磁涡流制动器耗散掉。

由减速阶段的加速度求出涡流制动力并与用公式编程计算得到的结果进行对比，结果如图7～10所示。

起始阶段由于进入铜管中的永磁体较少此时制动力小于摩擦力和重力的合力，永磁体作加速运动。由于速度和进入铜管中的永磁体增加，制动力增大，使得永磁体减速。

图3 m=3.85kg速度曲线

图4 m=9.85kg速度曲线

图5 m=3.85kg位移曲线

图6 m=9.85kg位移曲线

4 结论

通过上述理论分析与实验研究可以得出以下结论：

（1）实验结果表明所设计的永磁涡流制动器具有良好的制动效果。

（2）永磁涡流制动器的制动力计算值与实验值基本一致。

图7 m=3.85kg第一次实验制动力计算结果

图8 m=3.85kg第二次实验制动力计算结果

图9 m=9.85kg第一次实验制动力计算结果

图10 m=9.85kg第二次实验制动力计算结果

[1]赵小波，姬长英，周俊，黄亦其.永磁涡流制动技术及其应用研究[J].起重运输机械，2008（2）：1～5.

[2]鞠成伟，孙建熙，张更娥.永磁涡流制动技术在游乐设备中的应用[J].机电工程技术，2014，43（6）：186～190.

[3]张三慧.大学物理学[M].北京：清华大学出版社，2009.

U260.357

A

1004-7344（2016）31-0212-02

2016-10-21

郭祥（1992-），男，汉族，在读硕士研究生，主要从事永磁涡流传动方面研究工作。