В настоящее время потребность в перемещении и транспортировке возрастает, а вместе с ней и в транспортных альтернативах, которые являются более экологичными, менее шумными и, конечно же, более быстрыми. При этом то, что движется, должно в конце концов остановиться. Хотя большинство самолетов, поездов и автомобилей используют механические тормозные системы, но этот тип торможения может приводить к повреждениям и стать небезопасным на высоких скоростях. Но вовсе не так обстоит дело с вихретоковым торможением. В данной статье мы обсудим потенциал данной безфрикционной технологии торможения и суть явления, стоящего за ней.
Безопасное снижение скорости с помощью технологии вихретокового торможения
Если поезд A отправляется из Бостона в Нью-Йорк в 8 часов утра со скоростью 35 миль в час, а поезд B отправляется из Нью-Йорка в Бостон в 8.30 утра со скоростью 50 миль в час, то в какое время эти два поезда встретятся, если предположить, что города находятся примерно в 200 милях друг от друга?
Школьная математическая задача о двух поездах и оценке расстояния, скорости или времени настолько типовая и избитая, что стала телевизионным клише (тропом). Но авторам учебников (и сценаристам телевизионных шоу), возможно, придется обновить некоторые её детали по мере появления новых разработок в области транспортных технологий. Так, высокоскоростные ж/д поезда часто движутся со средней скоростью порядка 180 миль в час, что значительно сокращает время в пути. Таким образом, обновленные задачи по "математике поездов", возможно, должны учитывать гораздо более высокие скорости и использовать два города, которые находятся дальше друг от друга.
Практическая сторона этих вопросов подразумевает использование безфрикционной технологии торможения. Т.к. если традиционный поезд, двигающийся со скоростью 180 миль в час будет использовать для этих целей механические тормоза, то последние могут не остановить его вовремя — или вовсе. Чем быстрее движется поезд, тем больше требования к фрикционным тормозам по рассеянию кинетической энергии, что в конце концов приводит к большему риску полного износа. Для борьбы с этим многие поезда используют динамическое торможение, которое уменьшает износ, но трущиеся компоненты все равно могут выйти из строя.
При наличии возможности предпочтительным вариантом является рекуперативное торможение (торможение противовключением). При таком типе торможения без трения (линейная) электрическая машина преобразует кинетическую энергию обратно в электрическую энергию, которая в последующем может быть повторно использована для ускорения. Менее энергоэффективным (по сравнению с рекуперативным, но не механическим торможением) является использование вихретоковых систем торможения. В таких устройствах вся вырабатываемая электрическая энергия преобразуется непосредственно в тепло. А поскольку преобразование энергии происходит без механического контакта, то эти системы, как правило, гораздо более надежны, чем оборудование на основе трения. Еще одно преимущество заключается в том, что эти системы все равно будут работать, даже если между транспортным средством и транспортным полотном вообще нет никакого механического контакта. Это относится к магнитно-левитирующим транспортным средствам (маглев), которые уже используются в Шанхае и Японии. Последний установил рекордную максимальную скорость — 603 км в час.
Практические примеры вихретоковых тормозных систем
Итак, как же работают тормозные системы, использующие вихревые токи? Одна конструкция, разработанная и испытанная немецкой железнодорожной компанией, использует линейный массив из восьми электромагнитов, установленных между колесами на расстоянии около 7 мм от рельса. Машинисты поездов могут включать эти магниты для замедления. При этом концентрированное магнитное поле от движущихся с высокой скоростью магнитов будет оказывать влияние на неподвижный рельс, что приведет к индуцированию в нем сильных вихревых токов. Вихревые токи будут протекать внутри рельса по такому направлению, чтобы своим действием как можно сильнее противиться причине, которая их вызвала, т.е. изменению магнитного потока. Это в свою очередь приведет к генерациии в рельсе свое собственное магнитное поле, которое будет противодействовать и вытеснять приложенное внешнее поле. Вследствие этого возникнет тормозящая сила, которая приведет к остановке поезда без механического трения.
Преимуществами этого типа безфрикционного торможения являются возможность точного контроля, относительная дешевизна, экологичность и бесшумность. А среди недостатков можно выделить потенциальные э/м наводки, которые могут мешать работе систем датчиков и железнодорожной сигнализации. Другое ограничение заключается в том, что для активации режима торможения требуется конечная скорость (т.е., система не сможет работать как стояночный тормоз). Кроме того, если в одном и том же месте быстро затормозит много поездов подряд, то тепло, рассеянное в рельсах, может привести к критическим термическим расширениям путей. В целом же, использование вихретоковых тормозов в высокоскоростных транспортных системах очень перспективно. Ниже вы можете увидеть примеры используемых в ж/д линейного и вращающегося тормоза.
Сравнение линейных и вращающихся вихретоковых систем для торможения
Мы уже отметили, что существует два широко используемых типа вихретоковых тормозов: линейные и вращающиеся дисковые. Линейные тормоза вы увидите на ж/д рельсах или на трассах для американских горок. В такой реализации рельсы работают как часть тормозной системы. В американских горках магниты помещаются в конце трека, а металлические полосы крепятся сбоку вагончиков. Как только последние достигают магнитов, тормоза срабатывают, т.к. магниты вызывают вихревые токи в металле. В качестве дополнительной меры предосторожности на американских горках обычно используются постоянные магниты для обеспечения работоспособности в случае отключения электроэнергии.
Во вращающихся дисковых тормозах также имеется один неподвижный компонент. В одном из вариаций магнит неподвижен, в то время как металлический диск вращается, а в другой электромагниты двигаются — катушки помещены на колесо, которое вращается вокруг неподвижного вала. Использование круговых вихретоковых тормозов эффективно в рамках эксплуатации промышленного оборудования, особенно при аварийном отключении. Если вы хотите остановить силовой агрегат или электроинструмент, такой как циркулярная пила, вы можете включить электромагниты для индуцирования вихревых токов и быстро остановить механизм металлического колеса.
Давайте чуть подробнее поговорим о физике вихревых токов, а также рассмотрим два примера численного моделирования линейных и вращающихся тормозных механизмов.
Что такое вихревые токи?
Под вихревыми токами (eddy currents в англоязычной литературе) понимают вихри электрического тока, индуцируемые в проводниках переменным магнитным полем. Их образование на прямую следует из закона индукции Фарадея.
История открытия вихревых токов
Вихревые токи впервые были замечены в 19-м веке Франсуа Араго — премьер-министром Франции. Свое название они получили из-за их сходства с закрученными вихрями в потоках воды в бурных реках, вихри тока обычно образуются в металлических пластинах или дисках. Знаменитый британский ученый Майкл Фарадей смог детально объяснить наблюдения Араго и в т.ч. сформулировал закон индукции Фарадея. Вскоре после этого Эмиль Ленц постулировал свое правило Ленца.
Закон индукции Фарадея говорит об электродвижущей силе, которая приводит к появлению вихревых токов, а правило Ленца регламентирует их направление. Ленц понял, что индуцированный ток всегда будет течь в направлении, противоположном вызвавшему его изменению (магнитного потока). Вихревые токи также обуславливают потери энергии (или, как в случае с тормозными системами, преобразование кинетической энергии в тепловую). Обычно потери, вызванные вихревыми токами, можно отнести в нежелательным, но для таких областей применения, как тормозные системы, они идеальны.
В 1855 году французский физик Леон Фуко сделал открытие о вихревых токах, которое относится именно к торможению: Для вращения медного диска в пространстве между полусами магнита потребуется увеличение прикладываемой силы. При этом наводимые в металле вихревые токи приводят к нагреву вращающегося диска.
В 1879 году Дэвид Э. Хьюз продемонстрировал одно из первых применений вихревых токов — металлургическую сортировку. С тех пор вихревые токи используются для идентификации и сортировки монет в торговых автоматах и помогают металлоискателям распознавать металлические предметы.
Моделирование вихревых токов в COMSOL Multiphysics®: линейные и вращающиеся тормозные системы
Моделирование линейного вихретокового тормоза
Помните классический эксперимент по физике, в котором демонстрируются два классических закона электродинамики, а заодно и появление вихревых токов:
- Закон индукции Фарадея
- Правило Ленца
Если вы не помните или никогда не видели этот эксперимент, то не волнуйтесь — мы продемонстрируем его в формате численного эксперимента. Мы можем увидеть вихревые токи "в действии" в металлической медной трубке, внутри которой падает магнит в виде цилиндра.
Также как и в уже упомянутой линейной системе тормозов, вихревые токи будут генерироваться в стенках трубки, и вытесняющее магнитное поле создаст тормозную силу, которая будет замедлять движение магнита. При этом с увеличением скорости магнита возрастает и противодействующая сила. Это означает, что в какой-то момент магнит достигнет стабильного режима с постоянной конечной скоростью, когда магнитная тормозная сила будет равна силе тяжести и компенсировать её.
С помощью расчетной модели вы сможете увидеть эти эффекты сами, а также вычислить скорость и ускорение падающего магнита при достижении равновесной скорости.
Моделирование вращающегося вихретокового тормоза
Теперь, когда мы увидели, как вихревые токи работают в линейном тормозе, давайте посмотрим на аналогичный эффект во вращающемся тормозе. В модели рассматривается вращающийся диск и постоянный магнит. Как обнаружил Фуко в своих исследованиях, в проводящем диске возбуждаются вихревые токи при его вращении в магнитном поле постоянного магнита. Силы, обусловленные этими токами, приводят к замедлению диска.
Общее время, необходимое для остановки вашей системы (будь то автомобиль, ж/д поезд или вагончики для американских горок), зависит от мощности магнитов (силы, которую они оказывают на диск) и способности диска рассеивать энергию. В представленной модели крутящегося вихретокового тормоза показано сопряжение инструментов для решения обыкновенного дифференциального уравнения движения (определяющего вращение диска) с распределенным расчетом методом конечных элементов (в рамках которого определяется крутящий момент). Например, на графиках ниже вы можете увидеть плотность тока на поверхности диска при t = 0, т.е. когда диск все еще вращается (слева), а также эволюцию во времени механической характеристики, определяющей торможение.
Другие примеры использования вихретоковых тормозов
Хотя вихретоковые тормозные системы еще не получили широкого распространения, их низкая стоимость и высокая надежность делают их полезными для применения:
- В лифтах и других подъёмных механизмах
- Промышленных буровых установках
- Аттракционах парка развлечений, в т.ч. американских горках
- Спортивных тренажерах и оборудовании
Рекуперативное торможение предпочтительно в системах, оснащенных большим линейным или вращающимся электродвигателем (например, в поездах на магнитной подвеске и электромобилях). Оно может быть дополнено вихретоковыми системами в качестве надежного варианта замены механических тормозов или в качестве аварийных систем.
Если вы хотите попробовать свои силы в улучшении систем вихретокового торможения или просто хотите исследовать явление возбуждения вихревых токов в различных системах, то вам будет удобно использовать программное обеспечение COMSOL® для этих целей. Возможно, вы даже придумаете новую задачу по "математике поездов", которая лучше подходит для реалий 21го века.
Дальнейшие шаги
Узнайте больше о том, как программное обеспечение для электротехнических расчетов может помочь вам проводить анализ, разрабатывать статические и низкочастотные электромагнитные системы и оптимизировать их производительность:
- Ссылка на описание модуля "AC/DC".
- Скачайте учебные модели, описанные в этой заметке:
3. Узнайте больше о теоретических основах волновых электромагнитных процессов.
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol
