涡流技术如何使我们免于摩擦

如今，旅行的需求正在增长 - 随之而来的是绿色的运输替代方案；不那么嘈杂；当然，更快。但是，移动最终必须停止，尽管大多数飞机，火车和汽车都使用机械制动，但这种类型的制动会造成损坏，并在高速上变得不安全。涡流制动并非如此。在这里，我们研究了这种无摩擦制动的潜力以及这种效果背后的现象。

用涡流制动安全地放慢速度

如果火车A离开波士顿，上午8点，每小时35英里（MPH）行驶35英里，并在上午8:30离开纽约市前往波士顿，每小时50英里 /小时，这两列火车在什么时候见面，假设是城市相距约200英里？

一个典型的学校数学问题，涉及两列火车，距离，速度和时间是如此经典，以至于它已经成为电视望远镜。但是，随着运输技术的新发展，教科书作者（和电视作家）可能需要更新一些细节。例如，高速商业火车通常以180英里 /小时的速度行驶，剃了很多时间。因此，未来的火车数学问题可能需要考虑更高的速度，并使用两个与众不同的城市。

上海磁性悬浮列车是世界上最快的商业高速电动火车。Andreas Krebs的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 2.0， 通过Flickr Creative Commons。

如果没有摩擦制动技术，我们实际上无法考虑这些问题。如果传统的火车使用机械制动器以180 mph的速度行驶，则制动器可能不会及时停止它。火车移动的速度越快，摩擦制动器必须越难消散动能，这意味着制动器的完全磨损风险更大。为了解决这个问题，许多火车使用动态制动来减少磨损，但是基于摩擦的组件仍然会失败。

当车辆具有均值时，首选再生制动。对于这种类型的无摩擦制动，（线性）电动机或发电机将动能转换回电能，在以后的阶段，可以将其重复使用以进行加速。能源效率较小（但仍然比机械制动更好）是使用涡流制动。使用涡流制动，所有产生的电能都直接转化为热量。由于能量转换是没有机械接触的情况下进行的，因此这些系统往往比基于摩擦的系统更健壮。另一个优点是，即使车辆和轨道之间没有任何机械接触，这些系统仍将起作用。磁性悬浮（Maglev）的车辆就是这种情况，例如上海岩石和日本铁路火车创纪录的最高时速为374英里 /小时。

现实世界中的涡流制动系统

那么，使用涡流的制动系统如何在现实世界中起作用？一家由德国铁路公司开发和测试的设计使用八个轮子之间安装的八个电磁体的线性阵列，距离铁路约7毫米。火车操作员在想放慢速度时可以打开这些磁铁，这会导致磁铁生成一个扩展到导轨的磁场。由于轨道是静止的，因此它将经历一个以高速移动的集中磁场，并且会发展出强涡流。这些涡流是阻碍磁通量变化的导轨的结果：它们朝着轨道产生自己的磁场的方向流动，该方向试图抵消（驱除）所施加的磁场。两个磁场相互排斥，并产生制动力 - 这意味着火车将无摩擦停止。

这种类型的无摩擦制动的优点包括受到精心控制，相对便宜，并且没有污染和噪音。使用这种制动的缺点是电磁零件有时会干扰火车信号设备。另一个限制是需要有限的速度（例如，它不适用于停车制动器）。而且，如果在同一地点连续迅速制动许多火车，则轨道中消散的热量可能会扩大它们，从而导致结构性问题。总体而言，Eddy Current Brakes有很多提供高速运输系统的功能。在下面，您可以看到高速列车中使用的线性和旋转制动器的示例。

线性涡流在德国高速火车上（左）。Sebastian Terfloth的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。高速日本火车上使用的涡流制动器的特写（右）。通过占用的图像 - 自己的工作。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。

线性与圆形涡流制动器

有两种常用的涡流制动器类型：线性和圆形。线性制动器是您在火车或过山车的轨道上找到的那种，该轨道是制动系统的一部分。在过山车中，将磁铁放在轨道的末端，并将金属条安装在汽车侧面。一旦汽车到达磁铁，刹车就开始工作，因为磁铁会在金属中诱导涡流。作为额外的安全预防措施，过山器通常使用永久磁铁，因此在停电的情况下，制动器仍然可以使用。

过山车轨道上的涡流制动器。Stefan Scheer的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。

圆形制动器还具有一个组件，而另一个则在另一个移动时仍保持静止。在一个版本中，磁铁是固定的，而金属盘则旋转，而在另一个版本中，电磁体移动 - 线圈放在围绕固定轴周围的车轮上。在其他用例中，操作工业机械时，圆形涡流刹车却派上用场，尤其是为了紧急关闭。如果您想停止工厂机器或圆形锯等电动工具，则可以打开电磁体以产生涡流，并迅速将金属轮机构暂停。

让我们仔细研究一下涡流背后的物理学以及两个涵盖线性和圆形制动的模拟示例。

什么是涡流？

涡流是电流的循环通过不同的磁场在导体中诱导。电流是法拉第定律归纳。

涡流的历史

首先观察到涡流^Th- 法国总理弗朗索瓦·阿拉戈（FrançoisArago）。他们以与河流中旋转的涡流相似，但通常在金属板或碟片中观察到涡流漩涡。科学家迈克尔·法拉第能够进一步解释Arago的观察结果并制定了法拉第的入职定律。此后不久，埃米尔·伦茨（Emil Lenz）推定了伦茨（Lenz）的法律。

Heinrich Friedrich Emil Lenz。在美国的公共领域图像Wikimedia Commons。

在法拉第的诱导定律之后，重点是将涡流运动推动的电动力，伦茨定律指示了电流的方向。Lenz意识到，诱导的电流总是会朝着以下方向流动，以至于电流反对诱发的变化。这意味着涡流往往会导致能量损失（或者，制动系统的情况是将动能转化为热量）。尽管涡流损失是许多应用程序不需要的，但对于制动等用途，它们是完美的。

1855年，法国物理学家莱昂·福柯（LéonFoucault）发现了一个专门与制动有关的涡流的发现：为了旋转铜盘，当圆盘与磁盘之间的边缘旋转时，需要增加力量。在发生这种情况时，在金属热旋转盘中诱导的涡流。

1879年，大卫·休斯（David E. Hughes）展示了涡流的第一个用途之一：冶金排序。从那时起，涡流已被用来识别和排序自动售货机中的硬币，并帮助金属检测器感知金属物体。

comsolMultiphysics®中的涡流模拟：线性和旋转制动设计

使用Lenz的法律设备对线性制动进行建模

您可能还记得一个课堂物理实验，该实验使用涡流证明了两种电磁法：

1. 法拉第归纳法
2. 伦茨定律

如果您不记得或从未看过此实验，请不用担心：我们很快就会演示。首先，让我们看一下涡流，以便我们了解实验的工作原理。我们可以看到涡流正在使用Lenz的法律设备模型，其中包括通过金属管掉落的圆柱磁铁（在这种情况下为铜）。

Lenz法律设备的示意图（左）和照片（右）。

正如我们在线性轨道示例中所谈论的那样，涡流在管壁内类似地生成，并且相反的磁场产生了制动力，从而减慢了磁铁的运动。随着磁铁速度的增加，对立力也会增加。这意味着在某个时候，磁铁将达到磁制动力等于重力力的末端速度。

您可以通过使用Lenz的法律设备来发现自己的效果，以找出降落的磁铁的速度和加速度，因为它达到了终端速度。

磁铁通过铜管掉落的3D模拟。

建模旋转制动器

现在，我们已经看到了涡流如何在线性制动器中工作，让我们看一下它们如何在旋转制动器中工作。该模型由旋转盘和永久磁铁组成。正如福柯发现的那样，光盘的导电性能在永久磁铁的磁场内旋转时会产生涡流。然后，由于这些电流的力，圆盘会减慢。

3D模拟涡流制动器。

将系统停止（无论是汽车，火车还是过山车）所花费的总时间取决于磁铁的强度（它们在碟片上施加的力）以及光盘能够消散能量的能力。为了调查此过程，您可以模拟涡流制动器使用可以帮助您将动态方程式（将光盘的旋转定义）与有限元方法（定义扭矩）。例如，在下面的图像中，当圆盘仍在旋转时（左）以及不同制动因子的时间演变时，您可以在圆盘表面上看到圆盘表面的电流密度。

3D模型在t = 0 s（左）时显示了诱导的涡流幅度和方向。涡流制动系统（右）中扭矩的时间演变。

使用电磁建模软件，您可以研究角速度，制动扭矩和消散功率的诱导涡流密度和时间演变。

其他用于涡流制动设计的用例

尽管涡流制动系统尚未广泛使用，但它们的低成本和可靠性使其对：

• 电梯
• 工业钻机
• 游乐园乘车像过山车和落水塔
• 锻炼机中的阻力

由于在配备大型线性或旋转电动机（例如磁磁火车和电动汽车的旋转电动机）的系统中通常首选再生制动，因此涡流制动提供可靠的机械制动器或应急系统的可靠替换选项。

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