電磁誘導現象により、電気導体内部に渦電流が発生します。時間変化する磁束内に浸漬された静的な導電体、および/または静的な磁束内の移動する導電体は、この導電体に渦電流を発生させます。この現象は、多くの技術的な問題やさまざまな生活状況に現れます。むかしむかし、渦電流はその散逸性のために、いくつかの望ましくない影響を及ぼしていました。それらは材料の熱を引き起こし、変圧器コア、発電機とモーター、高電力ケーブル、ワイヤレス電力伝送などの場合のように、アプリケーションの効率を低下させる可能性があります。渦電流による損傷を軽減するために一部のエンジニアは積層材料、リッツ線や冷却システムのようないくつかのソリューションを埋め込みました。逆に、他の科学者やエンジニアは渦電流に大きな利点を見出し、金属探知機、誘導加熱と調理、誘導モーター、渦電流ブレーキ、NDTセンサーなどのいくつかのアプリケーションで使用しました.
この論文では、回転渦電流ブレーキ (ECB) について説明します。ほとんどのエンジンに採用されている典型的なブレーキ システム (油圧、空圧、機械式) は、摩擦によって運動エネルギーを熱エネルギーに変換することで、車両の動きを遅くしたり停止させたりするように設計されています。これらのタイプのブレーキには、過熱、ホイールの損傷、ブレーキ液の沸騰または漏れ、空気圧ブレーキの低空気圧、定期的なメンテナンスなど、いくつかの欠点があります。今日、渦電流ブレーキは、開発された要件を満たすために強化されています業界。ブレーキは基本的に静磁場を発生させる電磁石や永久磁石で作られています。誘導電流は、回転するディスクの内部で生成されます。レンツの法則は、磁場の変化によって導電体に誘導される電流の方向は、これらの電流によって生成される磁場が磁場の最初の変化と反対になるようなものであると述べています。したがって、発生したトルクは、移動ディスクの速度に比例し、運動方向と反対になります。非接触電磁ブレーキには、摩耗がない、摩擦がない、ノイズが少ない、メンテナンスが少ない、過熱からの保護、安全性、高速での高効率など、いくつかの利点があります。従来の磁気浮上式列車、自動車、大型エンジンなどの多くの用途で使用されています。 、ジェット コースター、ジムおよびローイング マシン、ロボットおよび医療機器、風力タービンなど。ただし、フリー ホイールの磁気ブレーキには、低速での低トルク、移動負荷を静止位置に保持する能力がないなどの弱点があります。摩擦ブレーキなどを装備する。
図1 -渦電流リターダを使用したジェットコースター
エンジニアと研究者の両方が協力して、革新的で堅牢な渦電流ブレーキを考え出しました。有限要素 (FE) ソリューションは、結果の精度を低下させる可能性のあるいくつかの仮定を使用する分析ソリューションよりも、非接触磁気ブレーキの研究において信頼性を示しています[1]。実際の条件のほとんどを考慮して、電磁ブレーキの完全なソリューションを提供できます。 EMWorks Inc. の EMS は 3D FEM シミュレーション ソフトウェアで、この論文では回転渦電流ブレーキの解析に使用されています。 EMS は電磁解析と機械解析を組み合わせて、磁束、生成された渦電流、生成された制動トルク、回転ディスクの渦損失、角変位と速度などの結果を計算します。
後のシミュレーション中に、2 つの解析が実行されます。
-過渡的な機械的応答は考慮されていません。トルク対時間は、ディスクが一定速度で回転している間に計算されます。
-過渡的な機械的応答が研究されています。トルク対時間は、回転ディスクに初期速度を適用した後に計算されます。
図 2a) と 2b) は、ECB 提案モデルの等角図と側面図をそれぞれ示しています。これは、2 つの非接触コンポーネント (空気で分離されている) で構成されています: 回転する銅ディスク、永久磁石の固定配置、および背面の鉄心 (図 3 を参照)。永久磁石 (NdFeB) の残留磁気は 1.25 T で、鉄心の比透磁率は .銅の電気伝導率は次のとおりです。
一方、鉄材については無視されます。
図 2 -渦電流ブレーキ モデル、a) 等角図、b) 側面図
図3 -永久磁石と裏鉄心の配置
図 4 には、メッシュ プロットの断面図が含まれています。メッシュ要素のサイズは、銅ディスクにある 1.3 mm から鉄心にある 10 mm までの範囲です。メッシュは、EMS メッシャーを使用して手動で調整できます。渦電流を効率的に捕捉するために、より小さいメッシュ要素サイズがディスク表面に適用されます。
図 4 -メッシュの断面ビュー プロット
この場合、ディスクは一定の角速度 (反時計回りに 1000 rpm) で回転しています。銅ディスクで発生する渦電流は、運動とは逆方向に作用する電磁トルクを生み出します。図 5a) と 5b) は、永久磁石と鉄心の磁束密度のフリンジとベクトル プロットをそれぞれ示しています。磁石は、鉄心軸に沿って方向 (+/-) が交互になっています。鉄心は、磁束損失を減らし、磁場をディスクの方向に向けるために使用されます。さらに、レールセンサーや信号などの機器や電子機器を電磁干渉から保護する磁気シールドを構成します。 H フィールド プロットを図 6 に示します。
図 5 -磁束密度、a) フリンジ プロット、b) ベクトル プロット (断面図)
図 6 -磁場強度
下の図は、銅ディスク内の渦電流分布を示しています。それらは、各磁極に面する電流のいくつかのループを示しており、それらの方向は磁石の磁化方向に依存します。最大誘導電流は約です。速度が一定であるため、図 8 のアニメーションに示すように、シミュレーション時間中、渦電流は変化しません。
(a) (b)図 7 -渦電流、a) フリンジ プロット b) ベクトル プロット
図 8 -電流分布のアニメーション
図 9 には、さまざまな速度 (500 rpm と 1000 rpm) のトルク結果が含まれています。両方の曲線で、トルクは一定で、時間の経過とともに負になります。これは、ディスクの回転方向が正であり、レンツの法則によると、渦電流によって生成されるトルクは運動とは逆になります。
青い曲線は速度が 500 rpm のときに生成されるトルクを表し、赤い曲線は速度が 1000 rpm のときにディスクで生成されるトルクを示します。青い曲線は、赤い曲線 (12.6 Nm) よりも低いトルク値 (10Nm) を示しています。したがって、回転数が高いほどトルクが大きくなります。したがって、これは高速アプリケーションでこの種のブレーキを使用することを正当化します。トルクは渦電流の結果として高速で大きくなり、速度を上げるとその値が重要になります。それにもかかわらず、可動部品でより多くの熱が発生する可能性があります。
図 9 -異なる速度で生成されるトルク
このセクションでは、ブレーキ フェーズ (ディスクの減速) について説明します。最初、ディスクは 1000 rpm の速度で回転しており、負荷トルクを抑え、ブレーキ トルクをかけてディスクを減速させます。 SOLIDWORKS Motion 解析に結合された EMS の過渡モジュールは、電磁問題と機械問題の両方を解決するために使用されます。過渡シミュレーションの継続時間は 0.2 秒です。図 7 は、永久磁石によって生成された静磁場内のディスクの回転によって生成された渦電流のプロットを示しています。図 7a) には、0.005 秒での電流分布が含まれています。電流密度の最大値は約 です。この値は、速度が 1000 rpm のときに測定されます。 0.05 秒での渦電流密度の最大値は約
で速度は現在 135 rpm です。図 7c) に示すように、0.35 rpm (0.17 秒) の速度では、電流密度の平均は非常に低くなります。渦電流密度は初期角速度で
から０に近い非常に低い値まで落ちます。したがって、渦電流が速度に比例することが確認できます。さらに、以下に見られるように、速度が遅くなると渦電流ループが消え始めます。
図 10 -渦電流分布、a) 0.005sb) 0.05c) 0.17s
図 11 は、回転するディスク内の渦電流によって生成される渦損失 (W) を示しています。電流密度と同じ挙動を示し、速度が最高値 (1000rpm) の 0.005 秒で 900W のピークを持ち、ディスクが減速すると減少します。
図 11 -渦損失
図 12 は、電磁トルクとディスク角速度の曲線を重ね合わせたものです。ディスク内の渦電流によって生成されたトルクが、0.005 秒で -3.7 Nm から 0.01 秒で -2.24 Nm に減少し、0.04 秒で約 -6 Nm の最高値に達するまで増加することを示しています。これは、0.005 秒でそのピーク値 (1000 rpm) から 0.057 秒でゼロになるまで低下するディスク速度の動作を説明できます。角速度とトルクはどちらも逆方向です。ディスクは反時計回りに動きますが、トルクは 0.57 秒までは時計回りに動き、0.057 秒から 0.09 秒までは逆になります (レンツの法則)。
速度が遅くなると、トルクは再び減少し始めます。定常状態に達した後 (0.1 秒)、電磁トルクと速度の両方がゼロに近くなります。この磁気ブレーキは、ディスクの回転を止めるのに 0.057 秒かかります。
図 12 -制動トルクと角速度曲線
図 13 では、ディスクの角度位置結果の比較が確立されています。ディスク内の渦効果が有効な場合と無効な場合の 2 つのケースが検討されます。青の曲線は、渦電流がない場合、つまり制動トルクがゼロの場合のディスクの動きを表します。ディスクは自由に回転し続けます。シミュレーション時間 (0.2 秒) で 3.33 回転を達成します。赤い曲線は、渦の影響がある場合、つまりブレーキ トルクが適用された場合のディスクの角変位を示しています。ディスクは 161 度変位した後、0.57 秒で停止します。
図 13 -ディスクの角変位
図 14 には、ディスクの減速段階における渦電流分布のアニメーションが含まれています。速度に伴う電流の減少を示しています。
図 14 -ブレーキ フェーズ中の渦電流対時間
[1]: Kerem Karakoc , Afzal Sulemana , Edward J. Park. Analytical modeling of eddy current brakes with the application of time varying magnetic fields. Applied Mathematical Modelling 000 (2015) 1–12
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