Введение

Устройство, используемое для замедления или остановки движущегося объекта путем генерации вихревых токов.

Тормоз вихревого тока, также известный как индукционный тормоз, тормоз Фарадея, электрический тормоз или электрический замедлитель, – это устройство, используемое для замедления или остановки движущегося объекта путем генерации вихревых токов и, таким образом, рассеивания его кинетической энергии в виде тепла. В отличие от фрикционных тормозов, где сила сопротивления, останавливающая движущийся объект, обеспечивается трением между двумя соприкасающимися поверхностями, сила сопротивления в тормозе вихревого тока – это электромагнитная сила между магнитом и находящимся в относительном движении проводящим объектом, возникающая вследствие вихревых токов, индуцированных в проводнике посредством электромагнитной индукции. Проводящая поверхность, движущаяся мимо неподвижного магнита, развивает круговые электрические токи, называемые вихревыми токами, которые индуцируются в ней магнитным полем, как описано законом электромагнитной индукции Фарадея. Согласно закону Ленца, циркулирующие токи создают собственное магнитное поле, которое противодействует полю магнита. Таким образом, движущийся проводник испытывает силу сопротивления со стороны магнита, которая противодействует его движению и пропорциональна его скорости. Кинетическая энергия движущегося объекта рассеивается в виде тепла, генерируемого током, протекающим через электрическое сопротивление проводника. В тормозе вихревого тока магнитное поле может создаваться как постоянным магнитом, так и электромагнитом. В системе с электромагнитом тормозную силу можно включать и выключать (или изменять), изменяя электрический ток в обмотках электромагнита. Еще одним преимуществом является то, что, поскольку тормоз не использует трение, нет необходимости в замене тормозных колодок, как в случае с фрикционными тормозами. Недостатком является то, что, поскольку тормозная сила пропорциональна относительной скорости тормоза, он не имеет удерживающей силы при остановке движущегося объекта, в отличие от статического трения в фрикционном тормозе, поэтому в транспортных средствах его необходимо дополнять фрикционным тормозом. В некоторых случаях энергия в виде импульса, запасенного в двигателе или другой машине, используется для питания электромагнитов. В результате получается двигатель или другая машина, которая быстро останавливается при отключении питания. При таких конструкциях необходимо следить за тем, чтобы компоненты не испытывали нагрузку, превышающую допустимые пределы во время замедления, что может значительно превышать силы ускорения при нормальной эксплуатации. Тормоза вихревого тока используются для замедления высокоскоростных поездов и американских горок, в качестве дополнения к фрикционным тормозам в полуприцепах для предотвращения износа и перегрева тормозов, для быстрой остановки электроинструментов при отключении питания, а также в электрических счетчиках, используемых электроэнергетическими компаниями.

Дисковые вихревые тормоза

Дисковые электромагнитные тормоза используются на транспортных средствах, таких как поезда, и на электроинструментах, таких как циркулярные пилы, для быстрой остановки диска при отключении питания. Дисковый тормоз на вихревых токах состоит из проводящего неферромагнитного металлического диска (ротора), прикрепленного к оси колеса транспортного средства, с электромагнитом, расположенным полюсами с обеих сторон диска, так что магнитное поле проходит сквозь него. Электромагнит позволяет регулировать тормозную силу. Когда через обмотку электромагнита ток не проходит, тормозная сила отсутствует. Когда водитель нажимает на педаль тормоза, ток подается в обмотки электромагнита, создавая магнитное поле. Чем больше ток в обмотке, тем сильнее вихревые токи и, соответственно, тормозная сила. В тормозах электроинструментов используются постоянные магниты, которые при отключении питания приводятся в движение связным механизмом и перемещаются вблизи диска. Кинетическая энергия движения транспортного средства рассеивается в виде тепла (эффект Джоуля) за счет вихревых токов, протекающих через сопротивление диска, поэтому, как и в традиционных фрикционных дисковых тормозах, диск нагревается. В отличие от линейного тормоза, описанного ниже, металл диска многократно пересекает магнитное поле, поэтому дисковые тормоза на вихревых токах нагреваются сильнее, чем линейные. Японские поезда «Шинкансен» использовали круговую систему торможения вихревыми токами на прицепных вагонах начиная с 100-й серии «Шинкансен». В серии N700 «Шинкансен» от тормозов на вихревых токах отказались в пользу регенеративных тормозов, поскольку 14 из 16 вагонов в составе поезда были оснащены электродвигателями. В регенеративных тормозах двигатель, приводящий колесо в движение, используется как генератор для выработки электрического тока, который может быть использован для зарядки аккумуляторов, обеспечивая повторное использование энергии.

Динамические амортизаторы вихревого тока

Большинство шасси-динамометров и многих моторных стендов используют тормоз вихревых токов для создания электрически регулируемой нагрузки на двигатель. В таких применениях их часто называют "поглотителями". Недорогие версии с воздушным охлаждением обычно используются в шасси-динамометрах, где их стальные роторы с высокой собственной инерцией являются преимуществом, а не недостатком. Напротив, высокопроизводительные моторные стенды, как правило, используют конфигурации с низкой инерцией, высокой скоростью вращения и жидкостным охлаждением. Недостатком поглотителей вихревых токов в таких применениях, по сравнению с дорогими динамометрами на основе двигателей переменного тока, является их неспособность обеспечивать нагрузку на нулевой скорости (ноль оборотов в минуту) или прокручивать двигатель для запуска или имитации движения накатом. Поскольку они фактически не поглощают энергию, необходимо предусмотреть отвод выделяемого ими тепла из испытательной камеры. Высокопроизводительная воздушная вентиляция или водяной теплообменник увеличивают стоимость и сложность системы. В отличие от этого, высококлассные динамометры на двигателях переменного тока эффективно возвращают мощность двигателя в сеть.

Линейные вихревые тормоза

Линейные вихревые тормоза используются на некоторых железнодорожных транспортных средствах, таких как поезда. Они применяются на американских горках для плавного замедления вагонов в конце аттракциона. Линейный вихревый тормоз состоит из магнитного ярмо с электрическими катушками, расположенными вдоль рельса, которые поочередно намагничиваются как южный и северный магнитные полюса. Этот магнит не соприкасается с рельсом, а удерживается на постоянном небольшом расстоянии от него, примерно 7 мм (вихревые тормоза не следует путать с магнитными тормозами, которые создают тормозное усилие за счет трения тормозной колодки о рельс). (В отличие от механических тормозов, основанных на трении и кинетической энергии, вихревые тормоза используют электромагнетизм для остановки движения объектов.) Принцип его работы аналогичен дисковому вихревому тормозу: в проводящем рельсе индуцируются замкнутые контуры вихревых токов, которые генерируют встречные магнитные поля, противодействующие движению поезда. Кинетическая энергия движущегося транспортного средства преобразуется в тепло за счет вихревых токов, протекающих через электрическое сопротивление рельса, что приводит к его нагреву. Преимущество линейного тормоза заключается в том, что каждый участок рельса проходит через магнитное поле тормоза только один раз, в то время как в дисковом тормозе каждый участок диска проходит через тормоз многократно. Поэтому рельс нагревается меньше, чем диск, что позволяет линейному тормозу рассеивать больше энергии и иметь более высокую мощность по сравнению с дисковыми тормозами. Вихревые тормоза не имеют механического контакта с рельсом, следовательно, не изнашиваются и не создают шума или запаха. Вихревые тормоза неэффективны на низких скоростях, но могут использоваться на высоких скоростях для экстренного и рабочего торможения. В ТСОИ (Технические спецификации взаимодействия) ЕС для трансъевропейских высокоскоростных железных дорог рекомендуется, чтобы все вновь строящиеся высокоскоростные линии предусматривали возможность использования вихревых тормозов. Современные американские горки используют этот тип торможения. Для предотвращения риска, связанного с отключением электроэнергии, в них используются постоянные магниты вместо электромагнитов, что исключает необходимость в электропитании. Однако в этом применении регулировка тормозного усилия затруднена по сравнению с использованием электромагнитов.

Лабораторный эксперимент

В физическом образовании иногда используется простой эксперимент для иллюстрации вихревых токов и принципа магнитного торможения. Когда сильный магнит опускается вниз по вертикальной, не содержащей железа, проводящей трубе, в трубе индуцируются вихревые токи, которые замедляют его спуск, поэтому он падает медленнее, чем при свободном падении. Как объяснили авторы, в типичных экспериментах студенты измеряют большее время падения магнита через медную трубу по сравнению с картонной, и могут использовать осциллограф для наблюдения за импульсом вихревого тока, индуцированного в контуре проволоки, обмотанной вокруг трубы, когда магнит проходит через неё.