永磁涡流制动技术及应用
来源：－－
作者：－－
浏览：836
时间：2016-08-10 14:18
标签：
摘要：
永磁涡流制动（Permanent Magnet Eddy Current braking，简称PM-ECB）是20世纪90年代初期由日本率先开始研究的一项新型的辅助制动技术，最早应用在铁路机车车辆制动装置上。PM-ECB装置是集机械学、力学、控制学、电磁学、精密加工技术和材料科学于一体的最具代表性的机电一体化产品。传统制动方式，如鼓式制动、盘形制动、闸瓦制动、电阻制动以及再生制动等都属摩擦制动（或
- 永磁涡流制动（Permanent Magnet Eddy Current braking，简称PM-ECB）是20世纪90年代初期由日本率先开始研究的一项新型的辅助制动技术，最早应用在铁路机车车辆制动装置上。PM-ECB装置是集机械学、力学、控制学、电磁学、精密加工技术和材料科学于一体的最具代表性的机电一体化产品。传统制动方式，如鼓式制动、盘形制动、闸瓦制动、电阻制动以及再生制动等都属摩擦制动（或粘着制动）。永磁涡流制动与传统的摩擦制动相比，成功地摆脱了环境变化对制动性能的影响，使得操作和维护非常简单。在当今能源和环境问题日益突出的背景下，随着稀土永磁材料研究不断深入，永磁涡流制动具优势日益显现，并已逐渐成为应用研究领域的主流。
1 永磁涡流制动的分类、工作原理及特点
1.1 永磁涡流制动的分类
永磁涡流制动装置的基本结构主要是由机械装置、控制装置和辅助装置3部分组成。一般来讲，永磁涡流制动可以按照制动装置安装的位置和制动对象驱动装置的结构2种方式分类。
1）依据制动装置安装的位置可分为：直线型永磁涡流制动（LPM-ECB）和旋转型永磁涡流制动（RPM-ECB）。
2）依据制动对象驱动装置的结构形式可分为：轨道式、盘式和鼓式永磁涡流制动3种结构。目前，在磁悬浮和高速列车等直线驱动装置主要以轨道式和盘式永磁涡流制动为研究和应用对象，而在客车和载重货车上主要采用鼓式结构。
1.2 工作原理
制动时制动装置具有2个功能：一是通过制动装置形成制动力，阻止运动物体运动；二是通过制动装置进行能量转移，将运动物体的动能转变为其他形式的能量。
1.2.1 直线型永磁涡流制动
在运行轨道的制动段两侧（或轨道上）布置一系列N、S极交替的永磁体，同时在制动对象上与永磁体正对的地方安装导体板。当制动对象通过此段时，永磁体产生的磁通，在气隙中建立行波磁场，使得导体板内感应出电动势和涡流，通过涡流磁场和永磁体磁场的相互作用，产生切向制动力矩。
1.2.2 旋转型永磁涡流制动
利用永磁体代替电磁铁线圈产生电磁场，旋转导体在永磁体产生的磁场中做切割磁力线时产生电涡流，电涡流在磁场下产生洛伦兹力，而洛伦兹力方向与导体运动方向相反。
从能量的观点来看，上面2种永磁涡流制动方式，其实质都是利用法拉第电磁感应原理把运动物体的动能转化为电能，电能最终转化为热能散发掉，从而使运动物体减速或制动。
1.3 永磁涡流制动的特点
由于永磁涡流制动的工作特点及本身的特性，具有传统制动无法比拟的许多优越性能。主要表现在以下几个方面：
1）结构紧凑，可大幅度地实现轻量化、小型化；连续使用，自身不会产生过热，能持续不断地保持制动力的稳定性和持久性；在高速范围内制动力也不会降低，减小制动距离，进一步优化制动对象的运行质量。
2）维护成本低、寿命长和可靠性高。由于永磁涡流制动是通过电磁感应原理产生的反向制动力矩来制动，与相对运动表面之间没有接触，不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题；由于不需要电流励磁，避免了电磁制动过高过快的温升问题，且又不存在断电时制动失效的危险，所以永磁涡流制动的寿命和可靠性均远高于传统制动。
3）节能与环保。由于永磁涡流制动不需要外加励磁电源和励磁绕组，大大节省了制动用电和用铜；另外，永磁涡流是非接触制动，不会产生制动粉尘和噪声污染。
4）永磁涡流制动过程柔和、平稳，操作更容易、更舒适，可减少操作人员的工作疲劳。
5）与传统的机械制动相比，对制动指令响应快。
2 研究现状
20世纪90年代初，日本学者桑原牵头，五十铃汽车公司联同住友金属工业首次研制成功了一种使用钕铁硼永磁体，不须电力来源，重量轻、简洁紧密、易安装的具有革命性的涡流缓速器。永磁式涡流制动的研究，虽然才短短的十几年，但日本、美国以及中国等国的学者在永磁涡流制动技术研究上却富有成效，取得了很大的突破。
2.1 结构及设计理论研究
为了解决非制动时漏磁和制动力矩小的问题，并使制动装置结构“轻质、紧凑”，日本的学者和企业不断在结构和设计方法上寻求突破。五十铃汽车有限公司研制了一种磁铁轴向滑动式汽车用永磁缓速器，通过操纵机构（气缸）将永磁铁推进或推出工作位置来使缓速器工作或解除制动；它的特点是机构简单，操作方便，无漏磁，但结构不紧凑。Kuwahara等发明了一种铁磁保持架周向转动车用永磁式缓速器，这种永磁式缓速器的结构紧凑，但在解除制动时存在漏磁。为了解决永磁涡流缓速器解除制动时存在漏磁的问题，Kawasaki和Sakamoto等先后设计了一种磁铁周向转动式缓速器。国内，江苏大学的何仁等研制了一种磁铁周向转动式分级控制永磁式缓速器，主要针对定子的结构进行了改进，预计制动力矩将比改进前提高12%。最近，Kanagawa等发明了一种新型的永磁涡流制动缓速器，不仅提高了制动力矩，并且在缓速器解除制动时几乎没有漏磁。美国德克萨斯州农工大学的Gay等分析了客车制动性能要求，运用解析法和数值仿真设计了一种将永磁涡流制动作为基本制动，而摩擦制动仅在高速或低速时作为辅助制动的无接触联合制动，并分析了这种无接触联合制动应用在传统汽车和混合动力汽车上的效果和影响，结果表明无接触联合制动不仅能满足车辆制动要求，而且节能效果十分理想。
永磁涡流装置设计的关键是结构参数的选择。传统的设计方法是建立目标函数，考察设计参数与目标函数之间的关系，由于没有考虑实际工况的影响，其精确性较差。牛润新博士等基于稳健性原则设计的永磁式缓速器较好地改善了制动力矩波动率，取得了满意的效果。Enokizoiio等在永磁式缓冲器设计中运用逆风插值函数有限元方法，为永磁体和轭铁的结构设计提供了很好的帮助。
2.2 设计参数、物理参数以及制动性能分析研究
浙江大学的唐永春等用有限元方法建立2D模型得到线性永磁涡流制动的制动力-速度之间曲线关系，并以此设计了一套试验系统，证明用有限元法分析永磁涡流制动的可行性和准确性。张圣楠指出了线性永磁涡流制动装置的气隙长度、极对数、次级板厚度和宽度等设计参数对制动性能的影响。Noguchi等基于三维有限元方法的瞬态热传递、弹塑性蠕变与热应力分析结果以及转子钢蠕变疲劳性能，利用应变范围划分方法和蠕变-疲劳损伤定律对永磁式缓速器转子的蠕变-疲劳寿命进行预测，预测值同实际缓速器的热循环测试结果一致。Gay在永磁式缓速器2D分析模型的基础上，利用3D有限元方法对影响永磁式缓速器力矩-速度曲线的物理参数和设计参数进行了深入的分析。此外，韩国的Membe利用二维技术，分析比较了永磁体按水平、垂直以及Halbach排列3种方式磁化后产生涡流制动的设计准则、磁场分布、所需磁体数量和制动能力。
2.3 制动力矩的计算
制动力矩是衡量永磁涡流制动装置的主要指标，但是精确计算制动力矩目前是困难的，制动力矩的大小受到很多因素的影响，制动力矩计算是当前研究的热点，同时也是难点。Salon等对旋转传导圆盘上涡流和磁通分布运用有限元方法进行三维瞬态磁场模拟计算，为精确计算制动力矩提供了理论基础。Collan提出一种新的，利用虚构的、类似于二维磁场代替平面上感应出的涡流计算制动力矩的方法，计算过程基于虚构场电流的自感和互感。Muramatsu等运用移动坐标系对车用永磁式缓速器进行了3D直流稳态涡流分析，即使是Peclet网格数目很大时也能获得稳定的涡流分布，制动力矩计算值同试验结果基本一致。
仅仅通过调整改变指定变量并不能达到提高制动力矩。为此，Takahashi运用Rosenbrock’s方法（RBM）对永磁式缓速器进行优化，制动力矩比优化前提高了1.39倍。Natsumeda等将有限元同Rosenbrock’s方法以及直接研究的方法用于永磁式缓速器的3D优化设计，结果表明，制动力矩增加约50%，且迭代次数和CPU运行时间可减少。Gay在永磁式缓速器2D分析模型的基础上，利用3D有限元方法对影响永磁缓速器力矩-速度曲线的参数进行了深入地分析，尽管这种方法受当前有限元分析技术和永磁材料非线性影响有一定的局限性，但优化结果还是能基本满足要求。Jang等考虑初级铁板的B-H非线性特征，运用2D解析方法分别计算了用直流电励磁、Halbach方式磁化和垂直磁化的永磁体为励磁产生的磁力，并与试验数据进行了比较。Edwards等针对双面的非磁性反应板的永磁涡流线性制动，基于永磁体等量体电流提出了一种新的分析模型，并且推导当次级板运动时制动力的表达式。江苏大学的何仁应用复矢量磁位方法，分析了缓速器内部的磁位分布，计算了转子鼓中的涡流损耗，推导了永磁式缓速器的制动力矩计算公式，以反映永磁式缓冲器制动力矩与各设计参数之间的相互关系。
2.4 温度场的计算
赵万忠等建立了转子鼓温度场的计算模型，运用虚拟边界法和传热学理论推导了转子鼓稳态温度场的计算公式；建立了转子鼓瞬态温度场的计算模型，运用Laplace变换法推导了永磁式缓冲器转子鼓瞬态温度场的计算公式，利用Galerkin法推导温度场的有限元方程，分析了转子鼓的瞬态温度场，并分析了径向和轴向方向的温度与时间的分布规律。何仁等建立了转子鼓温度和应力场的计算模型，运用Bessel方程推导了永磁式缓冲器转子鼓温度场和应力场的计算公式。
2.5 试验分析研究
内田清五设计了一种永磁涡流盘形制动装置，在日本铁道综合技术研究所的制动性能试验台上对该制动装置的速度与转矩特性、温度特性、减速时间以及制动力控制进行了试验。试验表明这种永磁涡流盘形制动装置可以用于铁路机车车辆。小原孝则利用试制装置研究了日本铁道综合技术研究所研制成功的旋转型永磁涡流制动装置的基本性能，该装置安装到试验转向架上，在车辆试验台上进行了转向架试验，在铁道综合技术研究所试验线上进行了运行试验，通过一系列的试验表明，这种旋转型永磁涡流制动装置实用化是没有问题的。Gay建立了试验台，将试验结果同2D解析方法以及3D有限元分析方法获得的计算结果进行了比较，最大制动力矩能较好的吻合，而临界速度却远远大于期望值。
3 应用领域
随着人们对永磁涡流制动技术研究的不断深入，永磁涡流制动应用的领域将会不断扩大。下面介绍一些永磁涡流制动涉及到的应用领域。
3.1 客车和大中型货车
目前，永磁涡流制动技术最成功的应用是在国外的客车和大中型货车上。现在欧、美、日等发达国家汽车界已经把永磁涡流制动技术产品化的成果――永磁涡流缓速器作为标准件在多种级别的客车、中型和重型汽车上装用，作为现有汽车制动系统的必要补充装置。永磁涡流缓速器以其无可比拟的优点开始得到各缓速器生产厂家的重视和青睐。目前，国际上生产永磁涡流缓速器的厂商有：德国的Maya公司、美国的Ogura工业公司、日本的Murakami公司和五十铃/住友（ISUZU/SUMITOMO）等。目前国内已有部分汽车厂家装用国外车用永磁式缓速器产品，如广州五十铃客车有限公司的GALA客车、沈阳飞日野汽车制造有限公司的SFQ6125客车和苏州金龙客车有限公司的金龙客车。它们都是选装日本五十铃/住友公司的进口件，目前国内还没有厂商大量生产永磁式缓速器。可以预见，研制和开发永磁涡流制动缓速器在国内将有广阔的市场。
3.2 高速列车
高速列车的动能比普通列车的大几倍，而高速下轮轨间的粘着系数及闸瓦与动轮之间的摩擦因数都降低了一个数量级，故高速列车必须采用新的制动体系。日本新干线列车的拖车采用了以电磁线圈使安装在车轴上的感应盘产生涡流的电磁涡流制动装置（ECB）。2002年科隆―莱茵/美因新建线路开通，在速度至300km/h的ICE3动车组上首次批量使用了革新的制动系统――线性涡流制动系统。法国新一代AGV上采用了轨道型涡流制动装置。但是，这些装置使用电磁线圈，需要大电流，装置的质量也大。如果采用近年来性能大幅度提高的钕系稀土类（Nd-Fe-B）永磁磁铁取代电磁线圈，制动装置将会简单化、轻量化。为此，日本铁道综合研究所成功研制了一种用于铁道机车车辆上的旋转型永磁涡流制动装置，并进行了试验测试，表明永磁涡流制动实用化不存在问题。如果能尽快解决永磁涡流制动低速时制动力过小以及无法实现无级控制的问题，永磁涡流制动技术在高速列车上的应用指日可待。
3.3 磁悬浮列车
磁悬浮列车是21世纪极具竞争力的非接触地面有轨交通工具，磁悬浮列车以其良好的乘坐舒适性、安全性、高速、高效以及低污染等优点，近年来成为世界发达国家在高速交通领域的研究热点之一。为此，磁悬浮列车的制动技术研究也越来越受到人们的关注。高速磁悬浮列车制动时初速度大，具有很大的动能，在规定的制动距离内要转化并耗散这样大的能量，任何一种单独的机械或电气制动系统都难以完成。因此，高速磁悬浮列车的制动由再生制动、踏板摩擦制动和涡流制动3种制动形式组成。磁悬浮列车运行在高速区间时涡流制动的制动特性平坦，制动力大，因而成为磁悬浮列车联合制动方式中的一种。今后，随着永磁涡流制动技术的不断完善，其在磁悬浮列车上的应用必将越来越广泛。
3.4 其他领域
辅助制动系统是石油钻机的重要部件之一。在钻井过程中下放钻柱或套管时，配合司钻操作主刹车，以调整钻具下放速度，满足钻井工艺的要求。永磁涡流制动若能解决好低速制动问题，未来在中、深井钻机中将得到推广和广泛应用。
在大型升降装置（如起重机）的电动机转动机构上加一个永磁体磁场，利用涡流感应出的电磁力矩对电机的转动进行限制，能达到限速、匀速的目的。在游乐设施中，永磁体产生的磁场对信号系统的干扰可以不予考虑。如果将永磁涡流制动运用到游乐设施中将会取得不错的效果。此外，将永磁涡流制动用于城市轻轨以及直线电机这类直线性驱动装置的前景也是非常乐观的。
4 存在的问题和展望
4.1 永磁涡流制动存在问题
综观国内外永磁涡流制动研究现状以及实际应用推广普及情况，大致可总结出目前在研究和应用过程中存在的比较突出的问题有以下几个。
4.1.1 制动装置温升问题
根据能量守恒定律，永磁涡流制动过程将运动物体的动能转化为热能散发掉了，这会引起制动装置温升。若是经常启用紧急制动或长时间的连续制动，由此而产生的周期性的温升，会形成积累效应。经过一段时间后，这一积累效应终将导致更高的温升，再加上外界温度的灼热效应，使得此温升达到或超出制动装置结构稳定性所规定的极限温度。这将会降低永磁涡流制动装置的制动性能，严重时，会使永磁体发生退磁，造成制动失效。
4.1.2 磁场干扰
随着电子技术的发展，制动对象上使用的电子、电器设备越来越多，其所造成的电磁环境也越来越复杂，这种复杂的电磁环境对永磁涡流制动提出了更高的要求。如何避免永磁涡流制动过程产生的电磁场对被制动装置上设备和附近的通信等造成影响，自身又能很好地抵抗外界的干扰，是研究过程中值得重视的问题。
4.1.3 制动特性不易调节、低速性能差
永磁涡流制动装置的设计参数一旦确定，制动力矩的大小不能随意调节，制动特性也将确定，动态性能差。若被制动对象对制动特性要求进行改变，则原制动装置将无法满足新的制动要求。此外，永磁涡流制动在被制动对象的速度减到很小时，制动力也会变得较小，制动性能会很差。
4.2 今后研究的技术热点和目标
1）热强度好、同时又具备合适的相对导磁率和导电率稀土永磁材料的研究。
2）从结构、永磁材料等多种途径解决制动力小的问题。
3）非工作状态时的漏磁问题及工作状态时对永磁体的热屏蔽。
4）启动与断开时磁路结构的有效性和可靠性。
5）用支撑臂结构解决转鼓因反复热胀冷缩引起的裂损和变形。
6）低速时与其他制动系统的联合制动力矩的合理分配。
5 结语
在21世纪，能源与环境保护技术、新材料技术、先进的制造技术、信息与控制技术等已成为科学技术发展的重要领域，这些领域的科技进步对辅助制动系统科学技术的发展将产生重要的推动作用。永磁涡流制动技术有着电涡流制动及其他辅助制动无法比拟的优点，随着永磁涡流制动技术的进步与发展，必将逐渐替代电涡流制动，成为现代交通工具和工程机械辅助制动的主力。
