Вихретоковые тормоза: как работает механизм торможения на вихревых токах?

Вихретоковые тормоза: что такое тормоз на вихревых токах и как работает?

Техника быстрого перемещения в любом случае требует остановки движения. Чрезвычайные ситуации заставляют применять быстрый тормоз — единственный способ предотвратить катастрофу и обеспечить безопасность. Классический механизм торможения демонстрирует простую науку эффекта трения, когда две поверхности соприкасаются, образуя «очаг» сопротивления. Классические фрикционные тормоза на практике доказали ценность применения. Но фрикционным тормозам присущ явный недостаток: быстрый износ, что сопровождается дороговизной таких изделий. Существует ли альтернатива? Среди имеющихся альтернатив трению привлекательным видится электромагнетизм, на основе чего допустимо изготовить вихретоковые тормоза. которые могут стоить вдвое меньше. Что же представляет собой тормоз на вихревых токах и как работает?

Принцип действия классических (фрикционных) тормозов

Для лучшего понимания рассмотрим для начала принцип работы традиционного (фрикционного) тормозного механизма. Каждый движущийся объект обладает кинетической энергией. Для прекращения движения необходимо избавиться от энергии движения. К примеру, в случае передвижения на велосипеде с малой скоростью, достаточно опустить ноги к земле, чем вызвать эффект трения.

Схема фрикционного тормозного механизма
Конструкция фрикционного механизма: 1 – возвратная пружина; 2 – удерживающий штифт; 3 – держатель детали; 4 – настраиваемая пружина; 5 – подстроечный винт; 6 – рабочий цилиндр; 7 – связующее звено; 8 – тормозная колодка; 9 – болт суппорта

Подошвы обуви в таком случае действуют как тормозной механизм. Эффект трения, получаемый между поверхностью земли и подошвы ботинок сопровождается преобразованием кинетической энергии в тепловую энергию. Тормоз автомобилей действуют аналогично. Механизм тормоза прижимает резиновые колодки (тормозные колодки) к поверхности металлических дисков, закрепленных на колёсах.

Тормозные колодки современных авто делают на основе сверхпрочных, износостойких материалов (например, Кевлар). Однако со временем даже прочный Кевлар изнашивается. Вместе с тем фрикционным тормозам присуща ещё одна проблема. Чем быстрее движение, тем больше нагрузки, соответственно, тем быстрее изнашиваются тормозные колодки.

Частое применение механизма тормоза приводит к эффекту так называемого «затухания тормозов», когда тормозной механизм начинает выделять чрезмерное количество тепла. Снижается эффективность гидравлической системы управления тормозами, что в итоге может привести к ситуации, когда фрикционные тормоза попросту не сработают в нужный момент.

Понятие определения вихревые токи

Прежде чем рассматривать конструкторский вариант вихретоковых тормозов, следует обеспечить общее понятие вихревых токов. По сути, вихревые токи — это часть науки электромагнетизма. Получение электричества неизменно сопровождается получением эффекта магнетизма (или наоборот). Здесь, к примеру, кроется основная идея генераторов электричества и электродвигателей.

Вихретоковые тормоза и теория вихревых токов
Теория вихревых токов: 1 – катушка возбуждения; 2 – приёмная катушка; 3 – первичное (основное) поле; 4 – вторичное поле; 5 – вихревые токи; 6 – материал воздействия

Генераторы используют некоторое механическое движение (вращающийся ротор ветряной турбины) для создания электрического тока. В свою очередь, электрические двигатели делают обратное действие — преобразуют электрический ток в механическую работу (движение вала).

Оба типа машин (по сути, идентичных) работают на идее концепции использования электричества для создания магнетизма или магнетизм для производства электроэнергии. Чтобы получить электричество, всё, что нужно сделать, это провести электрический проводник (медный провод) сквозь область магнитного поля.

Как образуются вихревые токи?

Если проводник, пропущенный сквозь магнитное поле, закольцевать, не позволяя сформированным токам утекать в нагрузку, формируются токи, именуемые вихревыми токами. Другими словами, электрические токи, генерируемые внутри проводника магнитным полем, образуют вихревое движение, рассеивая энергию в виде тепла.

Одна из интересных особенностей вихревых токов – формирование определённой закономерности течения, направленного на блокировку источника. Это пример части теории электромагнетизма, описанной законом Ленца.

Простой пример: если взять небольшой магнит и сбросить в горловину небольшой пластиковой трубы, полёт магнита до днища займёт по времени не более половины секунды. Если же повторить эксперимент с медной трубой того же размера, обнаружится, что время падения магнита составит уже три-четыре секунды.

Вихретоковый тормоз - эксперимент на медной трубе
Эксперимент с медной трубой: 1 – вихревые токи; 2 – тело медной трубы; 3 – вторичное магнитное поле; 4 – первичное магнитное поле; 5 – падающий магнит

Причиной такой разницы движения являются вихревые токи. Когда магнит пролетает через трубу, образуется магнитное поле, движущееся через стационарный проводник. Этим магнитным движением создаются электрические токи в проводнике — фактически, вихревые токи.

По закону электромагнетизма, ток, протекающий в проводнике, создаёт магнитное поле. Таким образом, вихревые токи генерируют свое собственное магнитное поле. Закон Ленца поясняет: магнитное поле пытается противостоять причине появления, то есть — падающему магниту.

Соответственно, вихревые токи и второе магнитное поле создают на магните восходящую силу, которая пытается остановить падение. Вот почему в случае с медной трубой магнит падает медленнее. Другими словами, вихревые токи оказывают тормозящее действие на падающий магнит. Поэтому вихревые токи допустимо использовать в качестве тормозного механизма:

Как работает вихретоковый тормоз на блокировку движения?

Предположим, существует поезд, представленный в образе медного блока, установленного на колеса. Этот поезд мчится на высокой скорости и в какой-то момент движение требуется остановить. Как можно затормозить движение поезда вихревыми токами?

Вихретоковые тормоза в конструкции железнодорожного поезда
Примерно таким выглядит исполнение тормозного механизма с эффектом электромагнетизма, применяемое на современных железнодорожных поездах

Экспериментальный вариант — размещение гигантского магнита рядом с рельсами, чтобы обеспечить близость расположения магнитного поля по отношению к поезду. По мере приближения медного блока к магниту, внутри меди начинают генерироваться (наводиться) вихревые токи, приводящие к образованию собственного магнитного поля.

Следует отметить: вихревые токи по отношению к разным частям меди действуют по-разному. Когда передняя часть поезда приблизится к магниту, вихревые токи на этом участке меди создают отталкивающее магнитное поле (замедляют приближение меди к магниту).

Когда передняя часть поезда проходит мимо, замедляясь, вихревые токи начинают генерировать притягивающее магнитное поле, которым поезд отталкивается (вновь замедляется). Медь нагреется, когда внутри структуры отмечается кручение вихревых токов, забирает кинетическую энергию, утраченную поездом в момент замедления движения.

Этот необычный вариант тормозов видится достаточно странным способом остановки поезда, но этот вариант торможения реально работает. Подобного типа конструкции используются на «американских горках», где применяется механизм магнитного тормоза, установленный на боковой стороне рельса.

Типичное исполнение вихретоковых тормозов

Современное конструкторское исполнение вихретоковых тормозов представляет несколько более сложную конструкцию, чем экспериментальная конструкция, рассмотренная выше, но принцип работы аналогичен. Вихретоковые тормоза представлены двумя основными типами исполнения:

  1. Линейная конструкция.
  2. Конструкция круглой (дисковой) формы.

Линейная конструкция вихревых тормозов

Линейные вихревые тормоза традиционно используются на железнодорожных путях и тех же «американских горках». Характерная особенность линейной конструкции – рабочая колея функционирует как часть тормоза.

Вихретоковые тормоза и вариант линейного механизма
Вариант исполнения конструкции тормозного механизма линейного типа, который можно встретить в различных проектах обрабатывающих станков и прочего оборудования

Простейшие линейные вихретоковые тормоза состоят из двух компонентов:

  1. Один компонент является стационарным.
  2. Другой компонент движется мимо первого прямолинейно.

Так, на «американских горках» применяется ряд мощных постоянных магнитов, установленных в конце пути. Этими магнитами создаются вихревые токи в болванках металла, установленных на боковых сторонах пассажирских кабин. Кабины свободно движутся по трассе, пока не достигнут конца пути, где магниты воздействуют на металл, включая тем самым тормоза.

Подобный типа инженерный подход, между тем, видится бесполезным для конструкции поезда, учитывая необходимость применения тормоза в любой точке пути. Поэтому здесь магниты встроены в конструкцию колёсных тележек и поддерживают функции включения / выключения (электромагниты).

Как правило, электромагниты перемещаются чуть менее чем на 1 см от границы рельса и при активации замедляют движение поезда, создавая вихревые токи (генерируя тепло) внутри рельсовой структуры.

Между тем закон электромагнетизма позволяет генерировать ток, только в момент фактического перемещения проводника через магнитное поле. Отсюда следует вывод: вихретоковый тормоз допустимо применять для остановки поезда, но не для удержания поезда в неподвижном состоянии (например, на склоне). По этой причине технике с вихретоковым тормозом дополнительно требуются классические фрикционные тормоза.

Вихретоковые тормоза круглой (дисковой) формы

Аналогично линейным вихретоковым тормозам, круглые (дисковые) вихретоковые тормоза также имеют одну статическую и одну подвижную часть. Существуют дисковые конструкции двух видов, где электромагнит подвижен или неподвижен.

Вихретоковый тормоз - вариант дисковой системы
Вариант конструкции оборудования, где используется дисковый тормозной механизм, действующий по принципам эффекта электромагнетизма

Самые простые механизмы выглядят подобно традиционным тормозам, но оснащённым статическим электромагнитом. Наличием электромагнита обеспечивается эффект магнетизма и создаются вихревые токи в структуре вращающегося металлического диска (вместо простого давления и трения).

Другой конструкцией предусматривается движение электромагнита. На внешнем колесе устанавливается ряд электромагнитных катушек, которые в процессе вращения формируют эффект магнетизма неподвижного центрального вала. Тормозные механизмы многих грузовиков, автобусов, автомобилей, работают таким образом.

Как дисковые вихретоковые тормоза работают на практике? Возьмём для эксперимента высокоскоростной заводской станок. Здесь можно установить металлическое колесо на одном конце приводного вала и поместить это колесо между электромагнитами. Всякий раз, когда нужно остановить машину, достаточно задействовать электромагниты для создания вихревых токов в структуре металлического колеса.

Однако для дисковых вихретоковых тормозных механизмов достаточно актуальной проблемой видится эффект нагрева конструкции. По этой причине вихретоковым дисковым тормозам требуется система охлаждения. Обычно дисковые тормозные механизмы дополняются воздушным охлаждением от лопастей вентилятора. Также применяются механизмы с жидкостным охлаждением.

Где используются вихретоковые тормоза?

Несмотря на факт изобретения конструкции вихретоковых тормозов, отмеченный более века назад, эти механизмы применяются относительно редко. Помимо «американских горок», такие системы находят применение, по большей части, лишь в составе высокоскоростных электропоездов (немецкий «InterCity Express», японский «Shinkansen» и др.).

Немецкая конструкция поезда «InterCity Express»
Пример техники, где успешно применялся принцип электромагнетизма для обеспечения функций тормозного механизма. На текущий момент, правда, концепция пересматривается в пользу другой системы

Правда, теперь часто можно встретить вихретоковые тормоза в конструкциях современных машин — дисковых пилах и прочем силовом оборудовании. Также подобного рода системы применяются на гребных и других тренажерах для придания дополнительного сопротивления движущимся частям. Так обеспечивается оптимальная нагрузка на мышцы тренирующихся спортсменов.

Преимущества и недостатки вихретоковых тормозов

Преимущественные стороны:

  • вихретоковые тормоза работают бесшумно,
  • отсутствует фактор трения (износа),
  • практически не требуют обслуживания.

При работе механизма исключается появление запаха или загрязнения (в отличие от фрикционных тормозов, способных выделять токсичные химические вещества в окружающую среду).

Отмеченные преимущества выделяют вихретоковые тормозные механизмы против  шумных фрикционных тормозов, требующих регулярного осмотра, способных быстро изнашиваться. Экспериментально отмечено: модернизация электропоезда с переходом от фрикционных тормозов на вихревые тормоза, приводит к сокращению затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание.

Недостатки конструкций вихретоковых тормозов больше связаны с малым опытом использования этих механизмов в реальных условиях. Согласно практическим наблюдениям, иногда отмечаются помехи на сигнальных линиях электропоездов от действия вихретоковых тормозных систем.

Недостатком видится и фактор рассеяния тепла в рельсах. Теоретически такая проблема исключается, но на перегруженных участках пути, где требуется быстрое торможение, нагрев и расширение рельсов могут оказаться проблемой. Сообщается о снижении эффективности тормозов, либо о структурных изменениях рельс.

Распространение и перспективы конструкций

Широкое распространение вихретоковых тормозов видится сомнительным, если учитывать растущий интерес к рекуперативным тормозным механизмам. Учёные видят в этом предложении более энергоэффективный подход, чем преобразование энергии в бесполезное тепло с помощью вихревых токов. Некоторыми конструкциями современных поездов (Shinkansen серии E5) используются регенеративные тормозные механизмы, внедрённые взамен вихретоковой технологии.


 



Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *