PDF《无人机电磁弹射器的综合制动方法 س》

3 运用 H a l b a c h永磁阵列的涡流制动 方式的分析计算 在直线电机末段飞机分离点的两侧布置永磁 阵列, 并在动子上相应地增加次级导体板, 利用永 磁阵列与运动导体板之间的涡流作用来实现制 动.它的特点是不需外加励磁电源, 不存在断电 失效情况.如图 4所示, 当金属板以一定速度通 过永磁体阵列所形成的交变磁场时, 金属板内感 应出电动势和涡流, 涡流磁场与永磁体磁场相互 作用产生水平方向的制动力, 从而达到制动效果. H a l b a c h 结构具有 磁单极子 的特性, 能够让阵 列一侧的磁场很强, 另一侧的磁场很弱, 这样既可 以增强制动装置在磁场强侧的制动力, 又可以解 决磁场弱侧的磁屏蔽问题, 因此, 永磁体阵列采用 了Halbach结构形式[

8 -

1 1 ] . 为简化分析做如下假设: 导体板与永磁体在 X方向均无限延伸;

导体板材料电导率为常数, 不 受温度影响;

导体板材料的磁导率为常数;

磁感应 强度在 Z方向恒定.通过引入假设条件, 将三维 场问题简化为 Y O Z平面上的二维场问题. 图4单边型永磁涡流制动装置示意 F i g .

4 S k e t c hm a po f o n es i d ep e r m a n e n t e d d yc u r r e n t b r a k e 涡流制动力的公式为: F =∫ V J*B (

4 ) 其中, B为磁感应强度, J 导体板中的电流密度. 低 速时不考虑集肤效应, 制动力公式可写为: F =∫ L ∫ H ∫ D σ

1 v B

2 d z d y d x=L H D σ

1 v B a

2 (

5 ) 其中, L 为导体板与永磁体相对面长度, H为导体 板与永磁体相对面宽度, D为导体板厚度, σ 1为导 体板的电导率, B

2 a 为导体板中磁感应强度平方 均值. B

2 a =

1 2 τ ∫

2 τ B

2 d x (

6 ) 由式(

5 ) 可知, 制动力与 B a

2 成正比. 当永磁体总体积确定时, 选择不同的排列方 式, 得到的磁感应强度不同.H a l b a c h阵列的结 构参数有: 极距 τ , Z方向充磁块长度与极距之比 α .称 α为极弧系数.永磁体与导体板间距为

5 m m时, B

2 a与τ,α的关系如图 5所示. 图5磁感应强度平方均值随极距、 极弧系数变化曲面 F i g .

5 V a r i a t i o n s o f m a g n e t i cf l u xd e n s i t ys q u a r e w i t hp o l a r d i s t a n c ea n dm a g n e t d u t y 由图 5可知, 极弧系数 α=

0 5时B2a最大. 永磁体与导体板间距为

5 m m时, 极距 τ=

4 0 m m 时, B

2 a最大.实际中, 磁感应强度在 Z方向上呈 指数递减.但是在高速时, 由于集肤效应, 导体板 电流集中在表面, 可以等效为面电流层, 因此只考 ・

3 6 ・ 国防科技大学学报第37卷 虑永磁体在导体板表面处产生的磁感应强度.为 了在高速时获得更大的制动力, 应选择永磁体极 距为

4 0 m m .利用 A n s o f t M a x w e l l

1 2进行有限元 仿真, 不同极距下制动力随速度变化曲线如图

6 所示, 高速段极距为

4 0 m m时, 制动力更大. 图6不同极距下的制动力曲线 F i g .

6 B r a k ef o r c ec u r v ew i t hd i f f e r e n t p o l a r d i s t a n c e 根据表 2中的参数, 仿真计算条件为: 质量为

5 0 k g , 初速速度为

2 8 m/ s .涡流制动力与速度曲 线如图

7 、 图 8所示, 通过涡流制动, 可以看到, 速 度由

2 8 m/ s 减为

2 2

7 m/ s , 消耗了

3 4

3 %的动能. 表2涡流制动装置的参数 T a b .

2 P a r a m e t e r s o f e d d yc u r r e n t b r a k es y s t e m 永磁体 阵列总长度/ m m