永磁涡流制动技术在游乐设备中的应用

2014-02-07鞠成伟孙建熙张更娥

机电工程技术 2014年6期

鞠成伟，孙建熙，张更娥

（1.广西区特种设备监督检验院，广西南宁 530219；2.北京联合思力科技有限公司，北京 100016；3.南宁学院，广西南宁 530001）

0 前言

随着社会的发展，游乐行业在当今社会中所占的比重越来越大，游乐作为一种休闲娱乐方式越来越多地被人们所接受。现代游乐设备依托科技的进步，不断地追求“新、奇、特”，在保证绝对安全的前提下，带给游客以最刺激的感官享受。各领域的高新技术被不断地引入到游乐设备中，现代的游乐设备可以说是集机、电、液压、气动、电磁、光、影、声等领域先进技术于一身的高科技产品。

永磁涡流制动作为一项新型制动技术出现于20世纪90年代，由日本科学家率先研究，最早应用在铁路机车制动装置上，依据其结构形式可分为直线型永磁涡流制动和旋转型永磁涡流制动。目前日本、德国等国家对永磁涡流制动技术的研究和应用已比较成熟，在高速列车、公交车辆、游乐设备等领域的制动系统中已具有许多成功的应用先例[1]。我国此前对永磁涡流制动技术的研究尚处在理论分析及实验阶段。基于永磁涡流制动技术的独特特点，使线性永磁涡流制动在“过山车”和“自由落体”等直线运动类游乐设备的制动系统中有着很好的应用前景。图1中的过山车就采用了线性永磁涡流制动技术。

1 线性永磁涡流制动基本原理与结构

图1 某过山车轨道

永磁涡流制动的基本原理是利用一系列N、S极交替排列的永磁体产生方向交替分布的磁场，当导体板相对于该磁场运动时，导体板切割磁力线产生感应电动势及涡流，通过涡流磁场与永磁体磁场的相互作用，产生随速度变化而变化的反向制动力（或制动力矩）。从能量的角度说，制动过程中动能通过永磁体与导体板的电磁作用，在导体板中转化为热能，再通过传导、对流和辐射的方式传递给周围空气[1]。

线性永磁涡流制动的基本结构形式如图2所示，为单面线性永磁涡流制动结构；图3所示结构是目前游乐设备中广泛采用的双面线性永磁涡流制动结构，图4为其三维模型。该制动装置主体由两条永磁体单元组成，永磁体镶嵌在电工纯铁板上，并用不锈钢隔块进行分隔，外侧采用不锈钢薄板做成的保护罩进行包裹。电工纯铁的作用是对磁力线进行屏蔽，以尽量减少漏磁。永磁体选用烧结钕铁硼永磁材料按照设计参数预制成长方体小块，然后对厚度方向进行充磁，两个永磁体单元外形及结构形式相同，但磁极排列顺序不同，同单元相邻磁极对方向相反，单元间相对磁极对方向相同。制动导体板为合金铜板，安装在两段永磁体条中间，并要求与两侧永磁体保持相同的距离。

2 永磁涡流制动的优点

永磁涡流制动作为一种非粘着性制动方式，具有许多传统制动方式无法比拟的优越性能，主要表现在以下工作特性。

（1）结构紧凑，易于实现小型化，能够大幅度地降低对制动单元安装空间的要求。

（2）节能、可靠，由于永磁涡流制动不需要外接电源，大大节省了制动用电，而且不存在断电时制动失效的危险；另外永磁涡流是非接触制动，所以不受粘着重量、粘着系数的影响，制动性能稳定。

（3）无噪音、免维护、寿命长：由于永磁涡流制动是通过磁电感应原理来制动，相对运动表面间没有接触，不存在摩擦和磨损问题，因此不会产生噪音和制动粉尘，而且基本不需要维护，使用寿命长。

（4）制动过程柔和、平稳、舒适性能好[2]。

（5）散热性能好：对于线性永磁涡流制动多为开式结构，相对运动的两部分分别安装在不同的结构上，有利于制动热量的快速散发。

3 线性永磁涡流制动在游乐设备中的应用实例

3.1 概述

永磁涡流制动具有上述不可比拟的优点，在安全性要求极高的游乐设备中显然是不二之选，该技术在国外的游乐设备中应用较多并长期处于垄断，此前国内尚没有成型的线性永磁制动产品。永磁制动装置的自主研发，对于提高我国游乐产品的竞争力，展示中国的设计实力，具有划时代的历史意义。

图3 双面线性永磁涡流制动结构

图4 研发双面线性永磁涡流制动三维模型

3.2 设备描述

国内某游乐设备设计方案如图5所示，设备总高7.5 m，提升高度5.2 m，承载人数2人，由塔架、滑车、座椅、提升架、卷扬机、制动系统等组成，结构如图6所示。座椅固定在滑车上构成自由下落部分，由卷扬机通过钢丝绳驱动提升架实现滑车的沿塔架轨道匀速上升，当提升到设定高度后执行脱钩动作，滑车在重力作用下做自由落体运动，当进入制动区域后开始减速，随着速度的降低制动力也减小，当速度降至1 m/s时制动力与下落部分平衡，速度不再变化，此后做匀速运动，最终靠液压缓冲器和缓冲弹簧实现平稳停车。该设备为一科普性游乐设备，使儿童在游玩中，体会到失重的真实感受，激发学习兴趣，达到寓教于乐的目的。

图5 “失重实验机”方案

图6 “失重体验”结构图及模型

永磁制动装置安装在滑车内侧（图7），对应塔体上铜板的位置，一旦安装到位则制动性能就确定下来，制动过程无需电气控制的干预，实现零响应时间，安全得以绝对保证。

图7 永磁制动装置安装示意图

4 有限元磁场耦合分析及设计计算

4.1 永磁制动系统设计参数

（1）永磁体的性能指标

相对磁导率：μr=1.05；

单块磁体表面中心磁场：≥0.4T；

密度： ρ≥7 300 kg/m3。

（2）电工纯铁的性能指标

永磁体镶嵌板采用含0.05%杂质的DT4电工纯铁，该材料要求具有高的磁感强度、磁导率和电阻率、磁损耗小，不易产生发热现象。其B-H特性曲线如图8所示，具体数值见表1。

图8 B-H特性曲线

相对磁导率： μr≥1e3；

电阻率：R=8.7e-8Ω⋅m。

表1 B-H特性曲线数据表

（3）铜合金导体板

采用铜合金作为制动导体板，永磁制动力全部作用此导体板上，必须具有足够的刚度和强度，确保在冲击载荷下不发生破坏和失稳。要求如下：

相对磁导率 μr=1.0；电阻率R=3.1e-8Ω ⋅m 。

（4）空气和不锈钢隔块均当作空气处理，相对磁导率取 μr=1.0。

4.2 电磁场分析

ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场、压电和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，其ANSYS/Multiphysics是一款多物理场耦合的分析程序包，可以进行结构、热、流体、电磁等的独立分析，也可以进行4大物理场耦合分析。如磁场分析的耦合场载荷可以自动耦合到结构单元上，同时也可以计及运动的影响[3]。

ANSYS对运动效应的计算能力较弱，只能适应匀速运动，所以在分析中采用离散的速度值，对瞬态恒速情况下的制动力进行分析，然后加以整合得到制动力与速度间的关系曲线[4]。

选用具有速度效应的PLANE53单元建立2D模型对在不同速度下的永磁制动力进行计算，最终设计方案确定的永磁体极对数为19对，永磁体的尺寸为110 mm×40 mm×30 mm，相邻永磁体的间距为60 mm，相对永磁体的间隙为18 mm，工业纯铁尺寸为1 120 mm×110 mm×22 mm，合金铜板截面尺寸为130 mm×6 mm。该永磁制动系统2D模型见图9，图10是其有限元模型。

图9 “失重体验”线性永磁制动2D模型

图10 “失重体验”线性永磁制动有限元模型

通过定义不同的瞬态恒定速度，得到一系列磁制动力的数值，将其绘制成制动力-速度曲线如图11所示。

图11 “失重体验”永磁制动F-V曲线

5.3 “失重体验”线性永磁制动设计原理

“失重体验”滑车部分在进入永磁制动区域之前在重力作用下作自由落体运动，下落高度h=2.4 m后进入永磁制动段，此时下落速度最大，其理论速度为：

从图11的数据中可以看出，进入制动区域瞬间，滑车即获得远大于其自重的磁制动力，滑车开始减速，其数值变化延曲线向左侧移动，即随着速度的减小，制动力也逐渐减小，当制动力减小至与滑车总重平衡时就维持在这一恒定速度匀速下降。对于该设备最终的恒定速度约为1 m/s，随载荷的大小其数值稍有不同。

由于滑车下落速度和其制动加速度时刻都在变化，难于计算其位移和速度之间的关系，对应空载与满载两种工况分别进行速度检测，将得到的数值绘制成滑车速度-下落位移曲线（见图12、13），实验数据与计算数据基本吻合。

5 结论

根据上述设计过程，可以得出这样的设计思路：首先确定设计方案条件下不同速度能获得的永磁制动力的大小，即确定永磁制动系统的总制动力与速度之间关系曲线，如图11所示。然后通过运动学方法计算自由落体进入制动后的运动状态，包括运动下落高度、速度、加速度和过程制动力变化。需要校核各种运动参数是否符合设计要求，包括最终的恒定运行速度、制动过程中的最大加速度等。