永磁渦流制動技術在游樂設備中的應用

鞠成偉，孫建熙，張更娥

（1.廣西區(qū)特種設備監(jiān)督檢驗院，廣西南寧 530219；2.北京聯(lián)合思力科技有限公司，北京 100016；3.南寧學院，廣西南寧 530001）

0 前言

隨著社會的發(fā)展，游樂行業(yè)在當今社會中所占的比重越來越大，游樂作為一種休閑娛樂方式越來越多地被人們所接受。現代游樂設備依托科技的進步，不斷地追求“新、奇、特”，在保證絕對安全的前提下，帶給游客以最刺激的感官享受。各領域的高新技術被不斷地引入到游樂設備中，現代的游樂設備可以說是集機、電、液壓、氣動、電磁、光、影、聲等領域先進技術于一身的高科技產品。

永磁渦流制動作為一項新型制動技術出現于20世紀90年代，由日本科學家率先研究，最早應用在鐵路機車制動裝置上，依據其結構形式可分為直線型永磁渦流制動和旋轉型永磁渦流制動。目前日本、德國等國家對永磁渦流制動技術的研究和應用已比較成熟，在高速列車、公交車輛、游樂設備等領域的制動系統(tǒng)中已具有許多成功的應用先例[1]。我國此前對永磁渦流制動技術的研究尚處在理論分析及實驗階段。基于永磁渦流制動技術的獨特特點，使線性永磁渦流制動在“過山車”和“自由落體”等直線運動類游樂設備的制動系統(tǒng)中有著很好的應用前景。圖1中的過山車就采用了線性永磁渦流制動技術。

1 線性永磁渦流制動基本原理與結構

圖1 某過山車軌道

永磁渦流制動的基本原理是利用一系列N、S極交替排列的永磁體產生方向交替分布的磁場，當導體板相對于該磁場運動時，導體板切割磁力線產生感應電動勢及渦流，通過渦流磁場與永磁體磁場的相互作用，產生隨速度變化而變化的反向制動力（或制動力矩）。從能量的角度說，制動過程中動能通過永磁體與導體板的電磁作用，在導體板中轉化為熱能，再通過傳導、對流和輻射的方式傳遞給周圍空氣[1]。

線性永磁渦流制動的基本結構形式如圖2所示，為單面線性永磁渦流制動結構；圖3所示結構是目前游樂設備中廣泛采用的雙面線性永磁渦流制動結構，圖4為其三維模型。該制動裝置主體由兩條永磁體單元組成，永磁體鑲嵌在電工純鐵板上，并用不銹鋼隔塊進行分隔，外側采用不銹鋼薄板做成的保護罩進行包裹。電工純鐵的作用是對磁力線進行屏蔽，以盡量減少漏磁。永磁體選用燒結釹鐵硼永磁材料按照設計參數預制成長方體小塊，然后對厚度方向進行充磁，兩個永磁體單元外形及結構形式相同，但磁極排列順序不同，同單元相鄰磁極對方向相反，單元間相對磁極對方向相同。制動導體板為合金銅板，安裝在兩段永磁體條中間，并要求與兩側永磁體保持相同的距離。

2 永磁渦流制動的優(yōu)點

永磁渦流制動作為一種非粘著性制動方式，具有許多傳統(tǒng)制動方式無法比擬的優(yōu)越性能，主要表現在以下工作特性。

（1）結構緊湊，易于實現小型化，能夠大幅度地降低對制動單元安裝空間的要求。

（2）節(jié)能、可靠，由于永磁渦流制動不需要外接電源，大大節(jié)省了制動用電，而且不存在斷電時制動失效的危險；另外永磁渦流是非接觸制動，所以不受粘著重量、粘著系數的影響，制動性能穩(wěn)定。

（3）無噪音、免維護、壽命長：由于永磁渦流制動是通過磁電感應原理來制動，相對運動表面間沒有接觸，不存在摩擦和磨損問題，因此不會產生噪音和制動粉塵，而且基本不需要維護，使用壽命長。

（4）制動過程柔和、平穩(wěn)、舒適性能好[2]。

（5）散熱性能好：對于線性永磁渦流制動多為開式結構，相對運動的兩部分分別安裝在不同的結構上，有利于制動熱量的快速散發(fā)。

3 線性永磁渦流制動在游樂設備中的應用實例

3.1 概述

永磁渦流制動具有上述不可比擬的優(yōu)點，在安全性要求極高的游樂設備中顯然是不二之選，該技術在國外的游樂設備中應用較多并長期處于壟斷，此前國內尚沒有成型的線性永磁制動產品。永磁制動裝置的自主研發(fā)，對于提高我國游樂產品的競爭力，展示中國的設計實力，具有劃時代的歷史意義。

圖3 雙面線性永磁渦流制動結構

圖4 研發(fā)雙面線性永磁渦流制動三維模型

3.2 設備描述

國內某游樂設備設計方案如圖5所示，設備總高7.5 m，提升高度5.2 m，承載人數2人，由塔架、滑車、座椅、提升架、卷揚機、制動系統(tǒng)等組成，結構如圖6所示。座椅固定在滑車上構成自由下落部分，由卷揚機通過鋼絲繩驅動提升架實現滑車的沿塔架軌道勻速上升，當提升到設定高度后執(zhí)行脫鉤動作，滑車在重力作用下做自由落體運動，當進入制動區(qū)域后開始減速，隨著速度的降低制動力也減小，當速度降至1 m/s時制動力與下落部分平衡，速度不再變化，此后做勻速運動，最終靠液壓緩沖器和緩沖彈簧實現平穩(wěn)停車。該設備為一科普性游樂設備，使兒童在游玩中，體會到失重的真實感受，激發(fā)學習興趣，達到寓教于樂的目的。

圖5 “失重實驗機”方案

圖6 “失重體驗”結構圖及模型

永磁制動裝置安裝在滑車內側（圖7），對應塔體上銅板的位置，一旦安裝到位則制動性能就確定下來，制動過程無需電氣控制的干預，實現零響應時間，安全得以絕對保證。

圖7 永磁制動裝置安裝示意圖

4 有限元磁場耦合分析及設計計算

4.1 永磁制動系統(tǒng)設計參數

（1）永磁體的性能指標

相對磁導率：μr=1.05；

單塊磁體表面中心磁場：≥0.4T；

密度： ρ≥7 300 kg/m3。

（2）電工純鐵的性能指標

永磁體鑲嵌板采用含0.05%雜質的DT4電工純鐵，該材料要求具有高的磁感強度、磁導率和電阻率、磁損耗小，不易產生發(fā)熱現象。其B-H特性曲線如圖8所示，具體數值見表1。

圖8 B-H特性曲線

相對磁導率： μr≥1e3；

電阻率：R=8.7e-8Ω?m。

表1 B-H特性曲線數據表

（3） 銅 合金導體板

采用銅合金作為制動導體板，永磁制動力全部作用此導體板上，必須具有足夠的剛度和強度，確保在沖擊載荷下不發(fā)生破壞和失穩(wěn)。要求如下：

相對磁導率 μr=1.0；電阻率R=3.1e-8Ω ?m 。

（4）空氣和不銹鋼隔塊均當作空氣處理，相對磁導率取 μr=1.0。

4.2 電磁場分析

ANSYS軟件是集結構、熱、流體、電磁場、聲場、壓電和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，其ANSYS/Multiphysics是一款多物理場耦合的分析程序包，可以進行結構、熱、流體、電磁等的獨立分析，也可以進行4大物理場耦合分析。如磁場分析的耦合場載荷可以自動耦合到結構單元上，同時也可以計及運動的影響[3]。

ANSYS對運動效應的計算能力較弱，只能適應勻速運動，所以在分析中采用離散的速度值，對瞬態(tài)恒速情況下的制動力進行分析，然后加以整合得到制動力與速度間的關系曲線[4]。

選用具有速度效應的PLANE53單元建立2D模型對在不同速度下的永磁制動力進行計算，最終設計方案確定的永磁體極對數為19對，永磁體的尺寸為110 mm×40 mm×30 mm，相鄰永磁體的間距為60 mm，相對永磁體的間隙為18 mm，工業(yè)純鐵尺寸為1 120 mm×110 mm×22 mm，合金銅板截面尺寸為130 mm×6 mm。該永磁制動系統(tǒng)2D模型見圖9，圖10是其有限元模型。

圖9 “失重體驗”線性永磁制動2D模型

圖10 “失重體驗”線性永磁制動有限元模型

通過定義不同的瞬態(tài)恒定速度，得到一系列磁制動力的數值，將其繪制成制動力-速度曲線如圖11所示。

圖11 “失重體驗”永磁制動F-V曲線

5.3 “失重體驗”線性永磁制動設計原理

“失重體驗”滑車部分在進入永磁制動區(qū)域之前在重力作用下作自由落體運動，下落高度h=2.4 m后進入永磁制動段，此時下落速度最大，其理論速度為：

從圖11的數據中可以看出，進入制動區(qū)域瞬間，滑車即獲得遠大于其自重的磁制動力，滑車開始減速，其數值變化延曲線向左側移動，即隨著速度的減小，制動力也逐漸減小，當制動力減小至與滑車總重平衡時就維持在這一恒定速度勻速下降。對于該設備最終的恒定速度約為1 m/s，隨載荷的大小其數值稍有不同。

由于滑車下落速度和其制動加速度時刻都在變化，難于計算其位移和速度之間的關系，對應空載與滿載兩種工況分別進行速度檢測，將得到的數值繪制成滑車速度-下落位移曲線（見圖12、13），實驗數據與計算數據基本吻合。

5 結論

根據上述設計過程，可以得出這樣的設計思路：首先確定設計方案條件下不同速度能獲得的永磁制動力的大小，即確定永磁制動系統(tǒng)的總制動力與速度之間關系曲線，如圖11所示。然后通過運動學方法計算自由落體進入制動后的運動狀態(tài)，包括運動下落高度、速度、加速度和過程制動力變化。需要校核各種運動參數是否符合設計要求，包括最終的恒定運行速度、制動過程中的最大加速度等。

圖12 “失重體驗”空載工況V-S曲線

圖13 “失重實驗機”滿載工況V-S曲線

在同類形式的線性永磁制動系統(tǒng)設計中應注意以下幾個方面。

（1）影響永磁制動性能的主要參數有：永磁體屬性、磁極對數量、磁極尺寸、氣隙大小、導體板屬性等，其中制動性能對氣隙大小極其敏感。

（2）永磁渦流制動系統(tǒng)的低速制動性能較差，速度不可能降為零，只能將速度將為一個較低的恒定數值，因此需要輔助制動裝置，如液壓緩沖器或彈簧。最終勻速的數值與載荷的重量和制動系統(tǒng)的設計參數有關，一旦制動系統(tǒng)的設計參數確定，則只與載荷重量有關。

（3）從制動力-速度曲線可以看出：制動力隨速度的變化存在一個峰值，因此要求進入制動區(qū)域后的初始制動力必須大于下落部分總重才可以確保載荷速度不斷減小，否則速度將一直增大，無法進行制動。

（4）為了保證制動的平穩(wěn)性，需將制動導體板的端部裁成斜邊（減少有效切割磁力線的寬度），以使其制動力緩緩增加，不至于產生很大的瞬間沖擊。

（5）為了保證良好的制動性能，制動導體板的寬度應大于永磁體的寬度，以超出10～20 mm為宜。

（6）只要永磁制動裝置與導體板之間存在相對運動就會產生制動力，因此從降低設備功率角度出發(fā)，載荷提升速度不宜過快，而且提升過程中還會有各種運動阻力的影響，應當留有更大的提升動力余量。

（7）在實際應用中，為了加工制造與安裝方便，同時降低運行制動沖擊振動和發(fā)熱傳熱效應，建議導體板裁成1～1.5 m的短段，由多段構成總的有效長度，每段之間留有約10 mm的間隙。

6 意義

線性永磁制動裝置的自主成功研發(fā)，對于生產企業(yè)來說，節(jié)省了生產成本，使得永磁渦流制動裝置的備貨周期大大縮短，企業(yè)可以更加靈活地應付瞬息萬變的市場需求；對于整個行業(yè)來說，打破了國外對此技術的長期壟斷，填補了國內空白，展示了我國日益提高的科技水平，在很大程度上促進了行業(yè)的進步，提升了整體綜合水平。

［1］朱仙福.線性渦流制動電磁分析［J］.上海鐵道學院學報，1994，15（2）：55-63.

［2］趙小波.永磁渦流制動技術及其應用研究［J］.新技術新工藝，2007（10）：62-66.

［3］鄧凡平.ANSYS10.0有限元分析自學手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［4］鄧妮.磁浮列車渦流制動系統(tǒng)建模及緊急制動控制策略的研究［D］.杭州：浙江大學，2006.

［5］閻照文.ANSYS工程電磁分析技術與實例詳解［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.