基于SIMULINK的高速动力汽车和机车磁制动(涡流制动)的参数分析

Er。Shrivastava Shivanshu
印度维洛尔VIT大学电气与电子工程系B.Tech

摘要

涡流制动技术是利用磁场实现高效制动的典型例子。涡流制动是基于磁源和金属之间的相对运动原理。本文在SIMULINK中对涡流制动系统进行建模，观察各参数对系统整体制动的影响。这将提供各种参数之间的比较研究，并了解制动系统。

介绍

制动是任何汽车或机车运动的重要组成部分。有效的制动能确保汽车或火车头所载乘客和货物的安全。因此，需要新的有效的制动技术，通过替换旧系统或在需要时提供辅助支撑来提高现有制动系统的效率。涡流制动器的主要优点在于，金属和磁源之间的相对运动越大，金属盘观察到的制动力就越大。由于它们在非常高速时的效率，这些制动器用于高速机车，其范围可以进一步扩大到高性能/赛车。另一个重要的优点是没有摩擦造成的损失，从而提高了系统的整体效率。因此，了解影响制动力的各种参数是很重要的。

背景

当导体以可变磁通引入时，就会产生电流。这可以通过在静态导体上施加时变磁场或在移动导体上施加静态磁场来实现。在涡流制动系统中，导电盘在永磁体或电磁铁产生的磁场的气隙中旋转。使用电磁铁是一种非常有效的方法，因为;安装可以根据需要激活。当圆盘在磁场中旋转时，涡流被诱导进入导体，其方式与产生涡流的原因相反。由于感应涡流产生的磁场与电磁铁磁场之间的相互作用，产生制动力，导致圆盘制动或减速。这个制动力取决于旋转圆盘的速度。制动力随着圆盘速度的增加而增加。

当金属板进入磁场，一个洛伦兹力，

圆盘中电子所经历的力引起感应电流，这种电流与产生电流的原因相反。因此，感应电流在封闭路径中流动。一些论文提到了所提出的涡流制动模型和方程。他们提议W.R. Smythe?s Model, D.Schieber?s模型和J.H. Wouterse?年代模型。

前两个模型在低速情况下是有效的，而第三个模型在高速情况下也是可以接受的。它指出，在低速时:

高速时制动力为:

表1列出了所使用的各种符号:

观察

SIMULINK模型在高速和低速时均采用上述“Fe”方程进行建模。为了确定制动力矩Fe对特定参数的依赖性，该参数作为Ramp信号变化，保持其他参数不变。通过这一方法，我们生成了考虑参数的时变信号。例如，如果要建立制动力矩对制动盘速度的依赖关系，则将制动盘速度作为一个随正斜率时间变化的Ramp信号馈送。结果可以用任意坡度的任何时变信号得到，作者选择时变斜坡信号。基本的SIMULINK模型如下所示:

速度变化效应v:

在图2中，速度变化范围为0-250 m/s，即0-900km/hr。下图以速度为y轴，时间为x轴。坡度为5的斜坡信号用于提供随时间变化的速度。最高速度为250m/s。

在图3中，可以清楚地观察到，随着车速的增加，制动力矩(y轴上)也随之增大。在高速时，即大于100m /s时，根据高速时制动力方程进行建模。由图4可知，制动力矩随着速度的增加而增大，当圆盘速度为零时，制动力矩停止作用。图中出现上述趋势的原因是，根据洛伦兹定律，随着相对速度的增加，盘内感应涡流的大小也随之增大，感应涡流会试图与产生原因相反，从而获得更高的制动力矩值。制动力矩与源对旋转金属的相对速度成正比。当两者之间的相对速度增加时，会产生更大的制动力。这一特殊的原因有助于涡流制动器在高速应用中使用，因为可以产生高量级的制动力。

磁场变化效应，Bo:

在图4中，磁场在0-2T范围内增大，其对制动力矩的影响分别在低速和高速时如图5和图6所示。从图5和图6可以看出，制动力随磁场大小的增大而增大。由于制动力增加，因此刹车系统会在车轮上工作更多，以阻止车轮旋转，有效地降低其速度，比传统制动系统快得多。图5和图6中得到的趋势的原因也可以用洛伦兹定律来解释。因为，产生的涡流也取决于产生涡流的源的磁场。随着磁场的增加，涡流也会产生，因此，涡流强度的增加与产生涡流的原因相反。源的两个磁场与感应涡流产生的磁场相互作用，会产生与磁场变化成正比的制动转矩。因此，磁场的增加导致制动力的增加。

在图4中，通过提供斜率为0.04的斜坡信号，可以得到随时间变化的磁场，产生的值为0-2T。

增大气隙宽度x的影响:

如果磁体两极间的气隙随时间增大，则低速时，气隙的变化对制动力影响不大，如图7所示。但是，在高速行驶时，最初增加气隙时制动力会增加，但在某一点之后制动力会减小，如图8所示。在此极大值处，所形成的偶极子强度最大，因而获得最大制动力，该位置可作为高速时的最佳制动位置。图7中观察到的趋势可以解释为，在较低的速度下，气隙的变化对电磁铁两极之间磁场的大小的影响可以忽略不计。因此，得到的制动力的大小是相对恒定的。图8中的趋势是气隙随时间增加的结果。当磁极移动的距离大于磁盘彼此之间的厚度时，有效磁场就会减小。这是因为有效磁场与两极之间的距离成反比。随着距离的增加，有效磁场减小，由于制动力与磁场强度的变化成正比，制动力也减小。

圆盘厚度增加d的影响:

如果Disc的厚度“d”随着时间的增加而增加，那么在低速时，如图9所示，制动力(y轴)随着Disc厚度的增加而增加。同样，在高速下，如图10所示，制动力(y轴)随着盘面厚度的增加而增加。在图10中观察到的趋势可以解释为，通过增加厚度，气隙减小，因此制动力增加，如前一情况所述。如图9所示，在较低的速度下，制动力的作用与盘面厚度成正比，因此，制动力随着盘面厚度的增加而增加。

从圆盘中心到极点中心位置增加r1的影响:

极点的中心是指点的距离，线连接两个极点的中心和圆盘的表面满足，沿着圆盘的表面测量。从图11和图12可以看出，如果增加这个距离，制动力就会减小。这是因为当我们远离中心时，涡流产生的磁场效应不能提供与靠近中心时相同的制动力。这是因为产生涡流的任何一点上的有效场与r1成反比。随着r1的增大，有效磁场的大小减小，因此制动力减小。制动力在中心最大，在边缘最小。

磁极直径的增加会增加圆盘上的磁面积，D的影响:

如果增加软铁杆的直径或增加磁源作用区域的直径，则制动力也会增加，从图13和图14中可以观察到。这是因为随着磁极直径的增大，产生涡流的有效面积也随之增大。这导致涡流的大小增加，产生磁场的方向与产生涡流的原因相反。随着面积的增大，产生涡流的大小也会增大，从而产生与产生涡流源方向相反的力。

优点和缺点

优点:

涡流制动器取决于圆盘的速度。制动力是更多的高速度和减少速度减少和停止作用，如果光盘停止旋转。此外，由于没有移动或滑动部件，摩擦损失大大降低。这甚至降低了维护成本。它可以作为现有制动系统的辅助制动器，在非常高的速度下提供有效的制动。

缺点:

由于它依赖于盘面的速度，因此，它不能保持盘面静止，这与传统制动器的静摩擦提供的保持力相反。此外，制动力随着速度的降低而减小，因此，如果需要更大的制动力，则需要传统的制动器。如果用于低速应用，可能成本较高。

对现有系统的性能影响

根据上面的观察，可以观察到，如果上述参数被改变，它们的影响将在它们所工作的现有系统上观察到。如果磁场的大小增大或减小，则制动力将分别增大或减小，从而使制动更快、更有效。在高速行驶中，两极之间的距离也起着重要作用。两杆应处于最佳制动点的距离上，这样才能获得最有效的制动。此外，圆盘的厚度和极点的定位也起着另一个重要的作用。改变任何一个因素都会改变制动器的性能，从而改变其效率。所有的参数都应该设计成这样使制动力不?T达到一个点，在制动时观察到突动，而没有观察到圆盘滑动。其应用包括用于高速列车和高性能电梯。因此，所有参数的设计都需要考虑到上述观察到的趋势。此外，涡流制动系统可以作为一个非常有效的制动系统在高速，因此，被用作辅助制动器许多高速应用与传统的机械制动器正在使用。 Since, both the brakes would act on the wheel or the shaft responsible for braking, the effective time where the brakes act can be reduced and hence, the automobile or locomotive be stopped in a much lesser time and distance.