渦流制動(dòng)（ECB，Eddy current brake）是利用導(dǎo)體產(chǎn)生閉合的渦流電流，其磁場(chǎng)與產(chǎn)生渦流的外加磁場(chǎng)相反互作用，形成制動(dòng)力，起到無磨損的制動(dòng)效果。CST軟件的渦流制動(dòng)器還有很多名稱，感應(yīng)制動(dòng)器，電動(dòng)制動(dòng)器或電動(dòng)緩速器。CST和Opera都可以仿真。

 

Step 1. 建模

用感應(yīng)器模板，LF-solver低頻時(shí)域，然后畫個(gè)扁圓柱當(dāng)轉(zhuǎn)盤，兩個(gè)方塊當(dāng)外加磁場(chǎng)源，在轉(zhuǎn)盤上下對(duì)稱，和轉(zhuǎn)盤盤間隔為5px。材料都是銅。

 

 

 

 

 

 

再畫一個(gè)小圓柱，就是為了看清圓盤怎么轉(zhuǎn)的。

 

 

 

Step 2.  仿真設(shè)置

接下來定義轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域，運(yùn)動(dòng)方程中，慣性矩為0.005，阻尼0.008，初始速度600轉(zhuǎn)/分，其他為零。

 

 

 

這里的運(yùn)動(dòng)方程解釋可見help。就是每項(xiàng)都是力矩，θ是位置，一次導(dǎo)數(shù)是速度，二次導(dǎo)數(shù)是加速度，每個(gè)time step算一次這些值，作為下一個(gè)time step的初始位置，初始速度，初始力矩等等。

 

 

 

還有Active gap是運(yùn)動(dòng)區(qū)域，這里用polygon多面體定義圓盤的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，是個(gè)稍微大一點(diǎn)的圓柱。

 

 

 

然后是磁場(chǎng)源，將兩個(gè)方塊都向Z+方向定義1.4T的磁場(chǎng)。這里沒有用非線性BH曲線，為了簡(jiǎn)單。

 

 

 

在CST軟件邊界條件為模板設(shè)好的電邊界，適合磁場(chǎng)平行環(huán)繞。還有背景要加大一些，這里背景加了75px，要想更準(zhǔn)確，需要邊界條件收斂研究，一般大一點(diǎn)更準(zhǔn)，當(dāng)然更慢。

 

 

 

最后設(shè)置求解器，重點(diǎn)是仿真時(shí)長(zhǎng)和采樣數(shù)，這里仿到1.5s，Properties里面默認(rèn)40個(gè)step，想要準(zhǔn)確推薦5ms甚至更小的采樣時(shí)長(zhǎng)，因?yàn)槊總€(gè)step都會(huì)算運(yùn)動(dòng)公式里的力，力矩，加速度，速度，位置等等。所以第一個(gè)step從初始速度算出來這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)就很重要，影響接下來的所有結(jié)果。其實(shí)制動(dòng)速度是很快的，取決于磁鐵的強(qiáng)度和圓盤耗散能量的能力。前期仿真可以放總時(shí)間短一點(diǎn)，步長(zhǎng)大一點(diǎn)，驗(yàn)證結(jié)果有效之后，后期精確仿真再總時(shí)間長(zhǎng)，步長(zhǎng)小點(diǎn)。這里為了準(zhǔn)確就用5ms, 300個(gè)點(diǎn)了。Specials里面也可以調(diào)高階數(shù)。

 

 

 

到這里，運(yùn)動(dòng)方程，磁場(chǎng)，求解器，邊界都設(shè)置完成了。還可以加磁場(chǎng)和電流監(jiān)視器。網(wǎng)格沒提，可以適當(dāng)增加，對(duì)提高精度也有好處，打開CST軟件開始仿真。

 

Step 3.  仿真看結(jié)果

 

速度曲線：

 

因?yàn)榧恿俗枘嵯禂?shù)增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，但也帶來了減速效果。如果同學(xué)想驗(yàn)證仿真結(jié)果是應(yīng)為渦流制動(dòng)還是自然阻尼減速，可以把磁鐵設(shè)成0特斯拉，就是關(guān)掉渦流，然后比較速度曲線或力矩曲線。這里可以直接告訴大家，阻尼和渦流減速效果差不多。

 

力矩曲線：

 

磁場(chǎng)分布：（視頻為401個(gè)采樣點(diǎn)，和文中的300個(gè)點(diǎn)結(jié)果一樣）

 

電流分布：（圖中為401個(gè)采樣點(diǎn)，和文中的300個(gè)點(diǎn)結(jié)果一樣）

 

這里電流有兩個(gè)相反的漩渦，就是渦流，驗(yàn)證了我們的仿真成功計(jì)算了渦流效應(yīng)。

 

補(bǔ)充內(nèi)容：Opera仿真

Step  1. 同樣模型，Opera需要在5px的縫隙處多定義一些圓柱體區(qū)域，進(jìn)行不同的標(biāo)識(shí)：目的是準(zhǔn)確區(qū)分哪里運(yùn)動(dòng)，哪里靜止。

 

 

 

 

Step 2. 定義磁場(chǎng)源（磁鐵），CST用1.4T，Z+方向。這個(gè)是線性的剩磁，用公式B= mu0 * muR * H可算出對(duì)應(yīng)的線性矯頑力-1.114E-6。方向?yàn)轶w積方向和全局方向相同時(shí)的Z方向。

 

 

 

 

Step 3. 運(yùn)動(dòng)公式用Carmen Control 文件完成，初始速度用簡(jiǎn)單的if TTIME ==0, 定義關(guān)鍵字#MO_OMEGAZ為600*pi/30就行。

 

 

 

Step 4. 最后設(shè)置求解器，同樣是時(shí)域采樣非常重要，這里為了精確對(duì)比，也用了5ms，仿真總時(shí)間比較長(zhǎng)。

 

 

 

 

比較結(jié)果：

速度曲線完美匹配，Opera運(yùn)行中能看到計(jì)算結(jié)果，所以我在0.58s的時(shí)候就停了，因?yàn)榻Y(jié)果已經(jīng)很準(zhǔn)確了。

 

 

不放心就看CST軟件場(chǎng)分布，下圖是B-field，匹配結(jié)果同樣很好。Opera為左，CST為右。要注意區(qū)間已經(jīng)相同，但是顏色定義略有不同（Opera最大值是粉色，不是紅色）。結(jié)果非常一致。

 

 

還不放心就看電流密度，下面是0.2秒時(shí)的電流密度，相同平面，相同區(qū)間值，能看出兩個(gè)渦流圈（一對(duì)小藍(lán)點(diǎn)）。

 

仍然不放心就換一個(gè)時(shí)間，0.5s的結(jié)果?？梢姕u流基本上下對(duì)稱了，絕對(duì)值也小了好幾倍，因?yàn)榇丝趟俣嚷?，產(chǎn)生的渦流就小了，旋轉(zhuǎn)對(duì)渦流影響也小了，渦流在磁鐵兩邊更對(duì)稱了。

 

 

*文中部分結(jié)構(gòu)和結(jié)果感謝Zhou Jing提供。

 

（內(nèi)容、圖片來源：CST仿真專家之路公眾號(hào)，侵刪）

 

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