Frâne magnetice

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Frână electromagnetică în curent turbionar a unui ICE 3 german [1] .
Schema unui disc de frână în curent turbionar

O frână magnetică , ca o frână obișnuită de frecare , este un dispozitiv folosit pentru a încetini o piesă de mobilier, cum ar fi un vehicul de atracție pentru tren sau parc de distracții. Spre deosebire de frânele de frecare, care aplică o forță între două părți în mișcare relativă, frânele magnetice încetinesc o piesă de mobilier generând curenți turbionari prin inducție electromagnetică . Forța de încetinire intervine fără contact între părți și se datorează transformării în căldură a curenților induși. Prin urmare, frâna magnetică nu este uzată.

Frânele magnetice pot fi magneți electromagnetici sau permanenți : în al doilea caz nu este necesară intervenția unei surse de energie pentru a frâna.

Același principiu fizic poate fi folosit și pentru împingerea unei piese de mobilier, în cazul în care partea fixă ​​normală este deplasată în schimb cu o viteză mai mare decât cea pe care trebuie să o atingă piesa de mobilier. Cu toate acestea, această variantă nu va fi discutată mai jos. Pe de altă parte, același principiu stă la baza motoarelor asincrone în cușcă de veveriță.

Principiul frânei magnetice a fost brevetat în urmă cu peste un secol. [2]

Principiul de funcționare

Când o placă dintr-un metal care este un bun conductor de electricitate ( cupru , aluminiu și chiar oțel carbon) se mișcă într-un câmp magnetic , se creează tensiuni induse în placă care generează curenți turbionari (sau curenți turbionari). Acestea generează un câmp magnetic care, opunându-se celui al generatorului câmpului magnetic inițial, îndeplinește funcția de frânare dorită. Datorită rezistivității electrice a plăcii conductoare, curenții turbionari generează căldură și, prin urmare, mobilierul pierde energie cinetică . Proprietățile magnetice ale tablei nu joacă niciun rol în fenomen: pot fi deranjante datorită atracției magnetice care tinde să deplaseze tabla de pe scaun sau pot fi utilizate pentru a crește acțiunea de frânare, lăsând placa să vină în contact cu magnetul, generând frecare. Conductivitatea electrică a metalului conductor , pe de altă parte, joacă un rol decisiv în acțiunea de frânare.

Forța de frânare [3]

Forța de frânare depinde de mai mulți parametri:

  • Conductivitatea metalului: curenții induși sunt direct proporționali cu conductivitatea electrică a materialului. Deci, o placă de cupru, toate celelalte condiții fiind egale, frânează mai mult decât o placă de aluminiu.
  • Grosimea foii: și aici curenții induși sunt direct proporționali cu grosimea materialului.
  • Intensitatea câmpului magnetic: curenții induși sunt proporționali cu pătratul inducției magnetice . Prin urmare, este deosebit de interesant să folosiți câmpuri magnetice puternice.
  • Direcția câmpului magnetic: acțiunea maximă de frânare se obține atunci când mișcarea are loc într-o direcție perpendiculară pe liniile de forță ale unui câmp magnetic cât mai uniform posibil.
  • Decalajul de aer al circuitului magnetic: alte condiții fiind egale, spațiul rezervat pentru trecerea plăcii conductoare determină intensitatea câmpului magnetic care trece prin el. Creșterea acestuia, de exemplu pentru a crește jocul în trecerea plăcii, scade acțiunea de frânare.
  • Zona plăcii interceptate de câmpul magnetic: pentru a permite circulația liberă a curenților induși, suprafața plăcii care este supusă câmpului magnetic trebuie să fie cât mai mare posibil și ar trebui, de asemenea, să se extindă puțin în afara câmp în sine.
  • Forma plăcii: prezența găurilor sau crestăturilor în placa conductoare poate, de asemenea, împiedica puternic, până aproape de anulare, efectul de frânare, așa cum se știe din experimentele clasice de laborator de fizică (pendulul lui Waltenhofen [4] ).
  • Viteza: efectul de frânare este puternic dependent de viteza relativă dintre câmpul magnetic și placa conductoare.

Mai precis, la viteze mici forța de frânare este proporțională cu viteza în sine și, prin urmare, frânarea este vâscoasă. Cu viteza crescândă, totuși, forța de frânare atinge maximul și apoi scade încet, până când dispare aproape la viteze foarte mari [5] . În această din urmă condiție, câmpul magnetic indus în conductor generează, de asemenea, o forță de respingere care rămâne constantă cu viteza: acest fenomen a condus la imaginarul unor trenuri de levitație magnetică care exploatează principiul de a se menține fără contact cu pista.

O altă consecință a celor de mai sus este că frâna magnetică nu oferă rezistență la viteză zero, adică nu este în măsură să oprească vehiculul. În schimb, are o funcție naturală de tip ABS , deoarece nu suferă de problemele de alunecare pe care le pot prezenta frânele de frecare și, prin urmare, este deosebit de fiabilă.

Forme de construcție

Frână magnetică rotativă

Frână magnetică rotativă folosită pe seria Shinkansen 700
Principiul frânei magnetice liniare

Frânele magnetice rotative au o structură similară cu cea a motoarelor electrice : un disc metalic conductor, de preferință neferomagnetic ( rotor ), se rotește într-un câmp magnetic generat de bobine sau magneți permanenți. În cazul bobinelor (sau electromagnetilor ), forța de frânare poate fi dozată prin reglarea curentului de alimentare. Rezultatul acțiunii de frânare este generarea de căldură pe disc, care este dispersată corespunzător.

Trenurile japoneze Shinkansen au folosit frâne de curgere turbionară încă din seria 100. Cu toate acestea, în seria N700 acestea au fost înlocuite cu frâne regenerative .

Frână magnetică liniară

În frâna magnetică liniară placa conductoare și magneții sunt dispuși de-a lungul căii. Sunt posibile două forme principale de construcție:

  • Magnetul se află pe vehicul și placa conductoare pe pista de rulare: în acest caz placa conductoare poate fi constituită de cale, o soluție adoptată pentru trenuri. În caz contrar, de asemenea, pentru a obține o eficiență mai mare, placa conductivă poate fi autonomă, dar frânarea poate interveni doar în pozițiile în care placa este montată
  • Magnetul este pe pistă și placa conductoare pe vehicul: această soluție evită să cântărească vehiculul, dar poate fi mai scumpă datorită utilizării unui număr mai mare de magneți.

Aplicații

Vehicule feroviare

Frâna magnetică sau cu curenți turbionari a devenit ceva obișnuit în Europa odată cu intrarea în funcțiune a trenului german ICE 3 în 2000. Spre deosebire de trenurile cu suspensie magnetică, câmpul magnetic se dezvoltă longitudinal și nu transversal față de cale. Miezul electromagnetului nu intră în contact cu calea, ci este ținut la o distanță de aproximativ 7 mm de ea. Problema acestei realizări este dată de efectul de piele , care limitează curenții turbionari la o mică parte a secțiunii căii, ca o consecință a frecvențelor ridicate generate de viteza mare a trenului. Frâna de curenți turbionari transformă energia cinetică a vehiculului în căldură. Nu este supus uzurii, iar forța de intervenție este independentă de fricțiunea șină-roată.

Frânele magnetice ale ICE 3 sunt aplicate în principal la viteză mare, dar funcționează și cu puțin timp înainte de oprire. Pentru a le utiliza, pista trebuie adaptată special pentru a evita problemele de siguranță. Pe parcursul întregului traseu, și astfel și ca frână de serviciu, aceste frâne sunt utilizate în prezent doar în Germania pe liniile Köln-Rin / Main și Nürnberg-Ingolstadt. De fapt, numai cu o pistă special adaptată, tensiunile mecanice și termice induse de efectul de frânare pot fi tolerate în siguranță.

Cu toate acestea, cu mult înainte de ICE, frâna electromagnetică a pantofilor a fost utilizată la vehiculele cu tramvai. În Genova, de exemplu, era în uz curent pe cele 94 de tractoare bidirecționale din seria 900 (așa-numitele "Littorine") construite începând din 1938 și pe cele 4 articulate din seria 900 și a rămas acolo până la terminarea tramvaiului serviciu la 27 decembrie 1966.

Dinamometru

Frâna magnetică este utilizată în băncile de testare a motorului . Avantajele unei bune controlabilități și dimensiuni limitate sunt opuse de dezavantajele căldurii generate și de imposibilitatea utilizării acestora ca sistem de împingere.

Echipament de fitness

Frâna magnetică, atât electromagnetică, cât și cu magneți permanenți, este din ce în ce mai utilizată în echipamentele de gimnastică, în special în bicicletele de exerciții și benzile de alergat . În versiunea electromagnetică se distinge prin posibilitatea controlului fin, de asemenea, prin intermediul unui microprocesor.

Atracții

Utilizarea frânelor cu magnet permanent este din ce în ce mai răspândită în domeniul plimbărilor, în special în turnurile de picătură și monturi cu role . Comparativ cu frânele de frecare tradiționale, avantajele constau în netezimea și progresivitatea intervenției, în absența uzurii și în fiabilitatea datorată funcționării fără sursă de energie.

În funcție de tipul de mașină și de traseul din roller coaster, pot exista magneți sub mașină, cu o bară conductoare fixată pe șină sau o lamă conductoare fixată sub sau lângă mașină și magneții pe șină. Acestea din urmă sunt uneori făcute detașabile, pentru a permite reglarea acțiunii de frânare în funcție de sarcină și pentru a facilita repornirea trenului.

Tipul cu magneți sub mașină este utilizat în principal pentru montanții cu viteză mare și, prin urmare, pe distanțe mari de frânare; de fapt realizarea este în general mai ieftină, deoarece cel mai scump element al acestor frâne este reprezentat de magneți. Această amenajare este utilizată și în montanții montați , unde sunt atinse și viteze peste 200 km / h: de fapt, este necesar să se prevadă o frână de siguranță în cazul lansării nereușite și a revenirii trenului înapoi. În acest caz, lame de frânare pe șină sunt coborâte în timpul lansării și ridicate imediat după aceea.

În turnurile de cădere, utilizarea acestui tip de frână este esențială pentru o fiabilitate mare. În general, magneții sunt montați pe mașină, iar lamele conductoare pe șina verticală. Cu înălțimea se folosesc lame conductoare din diferite materiale, pentru a obține o frânare cât mai uniformă.

Vehicule comerciale

Avantajul absenței uzurii face ca aceste frâne să fie și ele interesante pentru utilizarea pe camioane. Unii producători germani sunt: ​​Voith, Telma, Knorr.

Echipament de măsurare

Unele contoare și contoare de electricitate folosesc același principiu pentru a atenua mișcarea acelor indicator.

Notă

  1. ^ "Wirbelstrombremse im ICE 3 als Betriebsbremssystem hoher Leistung" ("Frâne magnetice în ICE 3 ca frână de serviciu extrem de eficientă", de Jürgen Prem, Stefan Haas, Klaus Heckmann, în "electrische bahnen" Vol 102 (2004), Nr. 7, paginile 283ff
  2. ^ Peter Schmied 34. Tagung „Moderne Schienenfahrzeuge“ in Graz . În: Eisenbahn-Revue International , Heft 12/2002, ISSN 1421-2811 ( WC · ACNP ), S. 558-560.
  3. ^ Mark Thompson Frâne electrodinamice cu magnet permanent - Principii de proiectare și legi de scalare
  4. ^ Muzeul virtual de fizică - Liceo Foscarini Veneția.
  5. ^ John R. Reitz Forțele asupra magneților în mișcare din cauza curenților Eddy . În: Journal of Applied Physics, Vol. 41 No. 5 Apr 1970, p. 2067–2071.

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității GND ( DE ) 4190010-8
Inginerie Portal de inginerie : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de inginerie
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Frene_Magnetice&oldid=106261903 ”