【摘要】：渦流制動器(Eddy Current Brake,ECB)是一種基于電磁感應(yīng)定律和洛倫茲力公式產(chǎn)生制動力或制動轉(zhuǎn)矩的電磁裝置。與傳統(tǒng)的制動裝置相比,渦流制動器具有初、次級之間無接觸、可靠性高、控制方便、噪聲小、維護(hù)方便、系統(tǒng)壽命長、對環(huán)境不會造成污染等優(yōu)點(diǎn)。因此,ECB在制動、抑振和傳動等工程領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛。本文以直線電機(jī)測試平臺為應(yīng)用背景,提出一種新型串聯(lián)磁路混合勵磁直線ECB結(jié)構(gòu)方案,針對其精確解析模型、關(guān)鍵技術(shù)問題、設(shè)計(jì)方法和溫升特性開展研究工作。此研究工作對于直線電機(jī)測試系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)都有重大的意義。首先,利用串聯(lián)磁路混合勵磁直線ECB的等效磁路模型,求出了氣隙磁密幅值的表達(dá)式。針對等效磁路模型只能計(jì)算氣隙磁密幅值,而不能得出完整的氣隙磁密分布的局限性,本文引入了一個由經(jīng)驗(yàn)公式得到的分段函數(shù),用該分段函數(shù)來擬合氣隙磁密波形,即通過結(jié)合等效磁路模型和經(jīng)驗(yàn)擬合函數(shù)就可以得出混合勵磁直線ECB的氣隙磁場幅值以及其波形。隨后,建立了串聯(lián)磁路混合勵磁直線ECB的分層模型,并用卡特系數(shù)考慮了初級鐵心開槽的影響。通過求解分層模型中每個區(qū)域的控制方程與區(qū)域之間的邊界條件,推導(dǎo)出了次級導(dǎo)體板中的渦流幅值與分布、渦流損耗、制動力以及法向力的表達(dá)式,即建立了完整的串聯(lián)磁路混合勵磁直線ECB的解析模型。為了提高該解析模型的精度以及適用范圍,考慮了初、次級鐵心飽和對解析模型的影響,并采用二維有限元法驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。其次,采用解析法對直線ECB特有的縱向端部效應(yīng),以及橫向端部效應(yīng)進(jìn)行了研究。即采用一維場理論分析了縱向動態(tài)端部效應(yīng)的影響;采用許-克變換分析了橫向靜態(tài)端部效應(yīng)的影響;采用導(dǎo)體板分區(qū)的方法分析了橫向動態(tài)端部效應(yīng)的影響。根據(jù)理論分析的結(jié)果,分別提出了修正以上端部效應(yīng)的方法,得出串聯(lián)磁路混合勵磁直線ECB修正的解析模型,并且其有效性和準(zhǔn)確性分別采用有限元法和實(shí)驗(yàn)測試進(jìn)行了驗(yàn)證。勵磁電流和制動力的動態(tài)響應(yīng)作為衡量ECB動態(tài)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo),對直線電機(jī)測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全運(yùn)行有很大的影響。本文通過有限元法詳細(xì)分析了勵磁電流和制動力的動態(tài)響應(yīng)隨各電磁參數(shù)的變化趨勢以及其原因,為其在直線電機(jī)測試平臺中的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。此外,為驗(yàn)證混合勵磁結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點(diǎn),比較了混合勵磁與電勵磁渦流制動器的制動力特性,得出相比于電勵磁結(jié)構(gòu)制動力密度大,相比于永磁式結(jié)構(gòu)具有可調(diào)性的結(jié)論。再次,研究了串聯(lián)磁路混合勵磁直線ECB的設(shè)計(jì)方法。首先根據(jù)ECB的實(shí)際應(yīng)用場合提出了其主要設(shè)計(jì)指標(biāo),并分析了其在設(shè)計(jì)時應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原則,提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)流程。隨后,利用解析模型推導(dǎo)出了串聯(lián)磁路混合勵磁直線ECB的主要尺寸方程的基礎(chǔ)上,根據(jù)電磁參數(shù)對ECB制動力特性的影響,逐步選取了極距、氣隙長度、導(dǎo)體板材料及尺寸、永磁體尺寸、繞組參數(shù)和齒槽尺寸等電磁參數(shù),完成了串聯(lián)磁路混合勵磁直線ECB的設(shè)計(jì)。研制了一臺串聯(lián)磁路混合勵磁直線ECB樣機(jī),并搭建制動力測試平臺,測試了其制動性能隨速度和勵磁電流的變化曲線。最后,研究了串聯(lián)磁路混合勵磁直線ECB的溫度場特性。利用三維流體場模型計(jì)算了串聯(lián)磁路混合勵磁直線ECB的周圍空氣流場分布,并根據(jù)該空氣流場分布以及無量綱分析法計(jì)算了ECB的各散熱面的對流傳熱系數(shù)以及對流熱阻。在此基礎(chǔ)上計(jì)算各組件的傳導(dǎo)熱阻、熱源和熱容,建立了完整的熱網(wǎng)絡(luò)模型。利用三維溫度場有限元模型計(jì)算了串聯(lián)磁路混合勵磁直線ECB的溫度隨著時間的變化,以驗(yàn)證熱網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性。針對串聯(lián)磁路混合勵磁直線ECB樣機(jī),測試其靜態(tài)、動態(tài)溫升特性,驗(yàn)證了熱網(wǎng)絡(luò)模型以及有限元模型的準(zhǔn)確性和有效性。
[Abstract]:Eddy Current Brake (ECB) is an electromagnetic device based on electromagnetic induction law and Lorentz force formula to generate brake force or brake torque. Compared with traditional brake device, ECB has the advantages of no contact between the primary and secondary, high reliability, convenient control, low noise, easy maintenance, long system life and no environmental impact. Therefore, ECB is widely used in braking, vibration suppression and transmission engineering. In this paper, based on the application of linear motor test platform, a new series magnetic circuit hybrid excitation linear ECB structure scheme is proposed. This work is of great significance to the development and production of linear motor test system. Firstly, the expression of air gap magnetic density amplitude is obtained by using the equivalent magnetic circuit model of hybrid excitation linear ECB with series magnetic circuit. In this paper, a piecewise function derived from the empirical formula is introduced to fit the air-gap magnetic density waveform, that is, the air-gap magnetic field amplitude and its waveform of the hybrid excitation line ECB can be obtained by combining the equivalent magnetic circuit model with the empirical fitting function. By solving the governing equations of each region and the boundary conditions between regions in the layered model, the expressions of eddy current amplitude and distribution, eddy current loss, braking force and normal force in the secondary conductor plate are derived, that is, the complete series magnetic circuit hybrid excitation is established. In order to improve the accuracy and applicability of the analytical model for linear ECB, the influence of initial and secondary core saturation on the analytical model is considered, and its accuracy is verified by two-dimensional finite element method. Secondly, the longitudinal end effect and transverse end effect of linear ECB are studied by analytical method. The influence of longitudinal dynamic end effect is analyzed by the theory of dimensional field, the influence of transverse static end effect is analyzed by Schucker transform, and the influence of transverse dynamic end effect is analyzed by the method of conductor plate partition. The validity and accuracy of the analytical model modified by linear ECB are validated by finite element method and experimental test respectively. The dynamic response of excitation current and braking force, as an important index to evaluate the dynamic performance of ECB, has a great influence on the stability and safe operation of linear motor test system. The variation trend of excitation current and dynamic response of brake force with electromagnetic parameters and its reasons are analyzed in detail, which provides a theoretical basis for its practical application in linear motor test platform. Thirdly, the design method of hybrid excitation linear ECB with series magnetic circuit is studied. Firstly, according to the practical application of ECB, the main design indexes are put forward, and the design principles that should be followed in the design are analyzed. Secondly, the main dimension equation of hybrid excitation linear ECB in series magnetic circuit is deduced by using analytical model. According to the influence of electromagnetic parameters on the braking force characteristics of ECB, the electromagnetic parameters such as pole distance, air gap length, conductor plate material and size, permanent magnet size, winding parameters and cogging size are selected step by step. A prototype of hybrid excitation linear ECB with series magnetic circuit is developed, and a braking force test platform is set up to test the braking performance of hybrid excitation linear ECB with series magnetic circuit. According to the distribution of air flow field around the hybrid excitation linear ECB, the convective heat transfer coefficients and the convective heat resistance of each heat dissipation surface of the ECB are calculated by the non-dimensional analysis method. In order to verify the accuracy of the thermal network model, the finite element model is used to calculate the temperature variation of the hybrid excitation linear ECB with series magnetic circuit over time.The static and dynamic temperature rise characteristics of the hybrid excitation linear ECB prototype with series magnetic circuit are tested to verify the accuracy and validity of the thermal network model and the finite element model.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM359.4

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本文編號：2201908