一种直线型涡流磁制动器的设计方法与流程

本发明属于涡流制动设计领域，特别是一种直线型涡流磁制动器的设计方法。

背景技术：

涡流制动是近几十年发展起来的一种新型的制动方式，因其原理简单、无摩擦和高可靠而在不同领域获得应用。目前，涡流制动已在高速列车、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。在轨道交通车辆领域，正在研究和使用的涡流制动器分为旋转型涡流制动器和线性涡流制动器两大分类。不管是旋转型涡流制动器，还是线性涡流制动器，两种涡流制动的实质都是利用法拉第电磁感应原理把运动物体的动能转化为电能，电能转化为热能散发掉，从而使运动物体减速或制动。

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点，主要表现为：(1)节能、可靠，不需要外接电源，大大节省了制动用电，且可以实现零响应时间，安全性得以保证；(2)无噪音、寿命长，由于不存在表面间接触，不存在摩擦和磨损等问题，因此不会产生噪声和制动粉尘，使用寿命长；(3)制动过程柔和、平稳、舒适性能好；(4)散热性能好，由于制动板及磁组分别安装在不同结构上，有利于制动热量的快速散发。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。现有线性涡流制动系统的设计多基于磁组及制动板的成品结构。

2013年，姚明等公开了《一种永磁盘式制动器及其制动方法》，通过调节转子盘旋转角度的大小来调节制动力大小，此发明方法无法扩展应用到直线型涡流磁制动器设计中。唐永春和叶云岳在《永磁涡流制动的有限元分析与设计》一文中，针对已知磁制动系统，利用有限元法分析了永磁涡流制动器的制动性能，却未给出如何利用有限元结果对制动器进行设计。因此，如何根据已知的制动性能要求设计涡流制动器是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种直线型涡流磁制动器的设计方法，满足需要多种型号磁制动器灵活组合的、适应能力强的直线型涡流磁制动系统的设计要求。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种直线型涡流磁制动器的设计方法，包含如下步骤：

第一步，设定制动力与制动速度曲线，以及制动器外观尺寸；

第二步，设计制动器各模块；

第三步，根据空间磁场和电磁感应定律，以制动力-速度曲线为目标函数，设计计算各模块性能与结构优化算法；

第四步，通过优化算法的计算，耦合设计各组成结构模块，输出直线型涡流磁制动器的设计结果。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)采用模块化设计方法，实现了对磁制动器设计过程的每一个模块进行依次求解，从而设计各模块的功能与结构。

(2)可同时根据磁制动系统的总体设计要求，高效、快速、优化设计出不同型号性能的磁制动器，大幅度提高了直线型涡流磁制动器设计的效率。

附图说明

图1为本发明直线型涡流磁制动器的设计方法的流程图。

图2为本发明直线型涡流磁制动器的设计方法的优化算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

为了解决直线型涡流磁制动器的高效快速设计，本发明实例提供了一种直线型涡流磁制动器的设计方法，总设计思路如下：

第一步，设定制动力与制动速度曲线，以及制动器外观尺寸；第二步，设计制动器各模块性能与结构；第三步，根据空间磁场和电磁感应定律，以制动力-速度曲线为目标函数，设计计算各模块性能与结构优化算法；第四步，通过优化算法的计算，耦合设计各组成结构模块，输出直线型涡流磁制动器的设计结果。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性贡献前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1，本发明所提供的直线型涡流磁制动器的设计方法，包括如下步骤：

s1、设定制动力与制动速度曲线和制动器外观尺寸。

具体的，设定制动力与制动速度曲线包括：设定空载和满载情况下制动过程的制动力-速度曲线关系，设定制动器外观尺寸包括设定制动器外观的长度、宽度及厚度。

s2、设计制动器各模块性能与结构。

具体的，根据制动器外观尺寸，设计制动器所需磁极对数，根据制动力-速度曲线关系，设计气隙、磁体、磁轭、导磁和制动板的性能与结构。

1.具体的，设计制动器各模块包括对气隙、磁体、磁轭和制动板模块进行性能设计，对气隙、制动板模块进行结构设计；所述磁体的性能设计包括：相对磁导率和剩磁感应强度，所述制动板的性能设计包括：电导率、电阻率、相对磁导率和磁感强度b-磁场强度h曲线，所述气隙和磁轭的性能设计包括：相对磁导率和电阻率；制动板模块的结构设计包括制动板的长度、宽度和厚度，气隙的结构设计包括气隙的长度、宽度和厚度。

优选的，由于磁体及磁轭都是由相对磁导率很高的材料制成，所以相对于气隙磁阻来说，他们所产生的磁阻可以忽略不计。故将磁路中的总磁阻等效为气隙磁阻。在气隙中，制动器需满足麦克斯韦方程，

导磁及磁轭中感应涡流可以看作是厚度可忽略的面电流，因此在气隙中j＝0，即

其中，为微分算子，b表示磁通密度，h表示磁场强度，j表示传导电流密度。

s3、根据空间磁场和电磁感应定律，以制动力-速度曲线为目标函数，设计计算各模块性能与结构优化算法。

结合图2，对s3所述的优化算法过程进行描述，具体步骤如下：

s301：建立磁体单体磁场分布控制方程；

s302：根据磁单体磁场控制方程，构建磁组磁场控制方程组；

s303：根据空间磁场分布的边界条件及连续性条件，对磁组磁场控制方程组进行求解；

s304：根据电磁感应定律磁场分布，建立制动板的电涡流控制方程组并对其进行求解；

s305：根据边界条件及连续性条件，对制动力方程组进行求解；

s306：以制动力-速度曲线为目标函数，对制动器各个模块建立优化算法，对制动器空间磁场的分布进行优化调整。

所述优化设计是指对磁制动器的磁极对数、气隙、磁体、磁轭、导磁和制动板的性能与结构的优化设计。

s4、通过优化算法的计算，耦合设计各组成结构模块，输出直线型涡流磁制动器的设计结果。

具体的，通过优化算法的计算，耦合设计各组成结构模块后，还包括输出直线型涡流磁制动器的设计结果；所述设计结果包括：磁极对数、气隙、磁体、磁轭、导磁和制动板的性能与结构。

所述优化算法为多次循环设计过程。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。