پاسخ الکترومکانیکی طراحی ترمز

ما خوشحالیم که وبلاگ نویس مهمان، Mark Yeoman از Continuum Blue را معرفی می کنیم، که نشان می دهد در زمینه ترمز الکترومکانیکی چه کاری می توانند برای مشتریان انجام دهند.

ترمزهای الکترومکانیکی در طرح‌های مختلفی از جمله سیستم‌های اصطکاکی تک تا چندگانه، انواع خاموش‌کننده و روشن‌کننده ، و آن‌هایی که شامل آهنرباهای دائمی هستند، ارائه می‌شوند. با وجود گزینه های بسیار، مهندسان چگونه می توانند انتخاب های طراحی مناسبی را برای کاربرد خود انجام دهند؟ با COMSOL Multiphysics، این کار به راحتی قابل انجام است. در اینجا، من به شما نشان خواهم داد که چگونه.

طراحی ترمز الکترومکانیکی

بنابراین، به هر حال ترمزهای الکترومکانیکی چیست؟ در اصل، آنها ترمزهایی هستند که از میدان های الکترومغناطیسی برای کند کردن یا توقف حرکت جنبشی یا مکانیکی استفاده می کنند. وقتی صحبت از طراحی آنها می شود، اشکال و گزینه های بی شماری در دسترس هستند. برخی از این دیسک‌ها شامل انواع معمولی دیسک‌های تک یا چند اصطکاکی هستند، دیسک‌هایی که از شار مغناطیسی داخلی برای تولید نیروی کندکننده (ترمزهای هیسترزیس) یا ترمزهای ذرات مغناطیسی استفاده می‌کنند.

ما نه تنها روش های مختلفی برای ترمز الکترومکانیکی داریم، بلکه جایی که از آنها استفاده می شود می تواند بر اندازه، گشتاور ترمز و زمان پاسخ مورد نیاز تأثیر بگذارد.

چالش های طراحی

کاربردهای ترمز الکترومکانیکی از وسایل نقلیه لوکوموتیو و خودرویی گرفته تا موتورهای الکتریکی و روباتیک را شامل می شود. این کاربردهای متنوع، همراه با نیاز روزافزون برای حرکت به سمت منابع و مواد انرژی پایدار، مهندسان را مجبور می‌کند تا سیستم‌های الکتریکی بهتر و کارآمدتر را طراحی کنند (چنین سیستم‌هایی می‌توانند تقاضا برای منابع انرژی مانند باتری‌ها را کاهش دهند). علاوه بر این، مهندسان همچنین وظیفه دارند ترمزهای الکترومکانیکی را طراحی کنند که بهتر از آنچه در حال حاضر در بازار وجود دارد، باشد. به نظر می رسد که ما مهندسان هنگام طراحی ترمزهای الکترومکانیکی کار آسانی نداریم!

یک راه حل

نگران نباشید. این همه عذاب و تاریکی نیست زیرا “نور در انتهای تونل” وجود دارد. من قصد دارم به شما نشان دهم که چگونه می‌توانیم با نشان دادن اینکه چگونه نرم‌افزار COMSOL می‌تواند برای مدل‌سازی فیزیک پیچیده طراحی ترمز الکترومکانیکی استفاده شود، به تسهیل فرآیند طراحی کمک کنیم . علاوه بر این، من نشان خواهم داد که چگونه مهندسان می توانند از نرم افزار برای ارزیابی آسان و کمی عملکرد یک طرح استفاده کنند.

یک مثال

بنابراین، اجازه دهید به طرح های ترمز الکترومکانیکی بازگردیم. سیستم های دیسک تک یا چند اصطکاکی رایج ترین هستند. می‌توان آن‌ها را به‌عنوان «روشن روشن» پیکربندی کرد ، جایی که اگر برق روشن باشد، ترمز فعال می‌شود، یا به‌عنوان خاموش‌کننده ، جایی که ترمز زمانی که برق به‌طور تصادفی قطع شده یا عمداً قطع شود، فعال است.

تصویر زیر دو شماتیک مقطعی از سیستم های ترمز روشن و خاموش کننده معمولی را نشان می دهد. هر دو از صفحات اصطکاک تک وجهی برای ایجاد عمل ترمز استفاده می کنند.

شماتیک یک سیستم ترمز الکترومکانیکی از نوع دیسکی تک اصطکاکی (الف) و خاموش شدن برق (ب).

هر دو نوع ترمز از آرمیچرهای فنری استفاده می کنند که در مورد طراحی روشن، صفحه فشار اصطکاک را در حالت خنثی خود در حالت فعال نگه می دارد. در حالی که در طراحی خاموش، فنر صفحه اصطکاک را به دیسک اصطکاک فشار می دهد. علاوه بر نیروی فنر آرمیچر اعمال شده، طرح خاموش کننده دارای یک آهنربای دائمی است که به نیروی اصطکاک اعمال شده در سراسر دیسک اصطکاک کمک می کند.

مدل مولتیفیزیک کامسول یک ترمز خاموش

برای اینکه این پست وبلاگ کمی جالب‌تر شود، روی آنالیز ترمز اصطکاکی نوع خاموش، با فنر آرمیچر و آهنربای دائمی که روی دیسک اصطکاک فشار داده شده است (مشابه آنچه در بالا نشان داده شده است) تمرکز می‌کنم. با این حال، به منظور ساده سازی تحلیل ترمز، شفت و توپی نادیده گرفته می شوند. فقط حرکات دورانی و نیروهای فنر از فنر آرمیچر اعمال شده روی آرمیچر ارزیابی خواهد شد. در زیر، یک نمایش هندسی از سیستم است که با نرم افزار COMSOL ایجاد شده است.

یک مدل هندسی COMSOL Multiphysics از یک ترمز خاموش با آهنربای دائمی.

با COMSOL Multiphysics، نه تنها می توان نیروهای الکترومغناطیسی آهنربای دائمی و سیم پیچ الکترومغناطیسی را مدل کرد، بلکه اثرات همراه حرکت ساختاری، فشار تماس، نیروهای اصطکاک و پاسخ حرارتی ترمز در طول زمان را نیز ممکن می سازد. با استفاده از ماژول‌های AC/DC، مکانیک سازه و انتقال حرارت، می‌توانیم اثرات بلادرنگ این ترمز الکترومکانیکی را به‌طور کامل توصیف و شبیه‌سازی کنیم. در این مثال، من فقط فیزیک AC/DC و مکانیک سازه را با هم جفت کرده ام.

خلاصه ای از جزئیات ترمز و موادی که من اجرا کرده ام در جدول زیر آورده شده است.

به دلیل نیروی فنر آرمیچر، هنگامی که سیم پیچ غیرفعال یا خاموش می شود، صفحه آرمیچر ابتدا 200 میکرومتر جابجا می شود و آن را مجبور می کند با صفحه اصطکاکی تماس پیدا کند. با توجه به نیروهای مغناطیسی از آهنربای دائمی، نیروی اضافی در سراسر آرمیچر و صفحه اصطکاک اعمال می شود. بنابراین، هنگامی که ترمز نیرو می گیرد و ولتاژ روی سیم پیچ افزایش می یابد، ترمز که در ابتدا درگیر می شود، با یک ولتاژ خاص قطع می شود. این باعث می شود که ترمز آزاد شود و آرمیچر بچرخد. افزایش بیشتر ولتاژ در سراسر سیم پیچ، ترمز را دوباره درگیر می کند، بالاتر از یک ولتاژ خاص بالاتر.

از مدل، ما به فاکتورهای عملکرد زیر با افزایش ولتاژ سیم پیچ نگاه می کنیم: حداکثر فشار تماس اصطکاکی در سراسر لنت ترمز. نقاطی که در آن ترمز از کار افتاده و دوباره درگیر می شود. جابجایی و نیروهای وارد بر آرمیچر به دلیل فنر و میدان مغناطیسی؛ و تنش های موجود در آرمیچر.

نتایج تجزیه و تحلیل

ولتاژ سیم پیچ مدل از 0 به 40 ولت در مراحل 0.5 ولت برای ارزیابی پاسخ آن افزایش یافت. از مدل حل شده، داده های عملکرد زیر به دست آمده و به صورت گرافیکی در زیر ارائه شده است.

نمایش گرافیکی نتایج تجزیه و تحلیل به دست آمده از مدل COMSOL Multiphysics.

همانطور که از داده های گرافیکی مشاهده می شود، نیروهای الکترومکانیکی وارد بر آرمیچر در ابتدا 2151 نیوتن است. این نیروها به تدریج به 0.2 نیوتن کاهش می یابند و با افزایش ولتاژ به 5300 نیوتن برمی گردند. این نیرو منجر به روندهای مشابه در حداکثر فشار تماس و تنش های مشاهده شده در آرمیچر می شود. علاوه بر این، می‌توانیم جابه‌جایی حاصل را ارزیابی کنیم و بفهمیم که چه زمانی ترمز از کار افتاده است.

همچنین در نمودار مشاهده می شود، ترمز در ابتدا با جابجایی آرمیچر 200.37 میکرومتر درگیر است. سپس در 11 ولت، زمانی که جابجایی آرمیچر به زیر 200 میکرومتر می‌رود، جدا می‌شود و فشار تماس 0 مگاپاسکال می‌شود. در 20.5 ولت، ترمز دوباره درگیر می شود.

علاوه بر این، ما قادر به ارزیابی تغییر چگالی شار مغناطیسی و نمایه فشار تماس در سراسر صفحه آرمیچر هستیم. مشخصات فشار تماس مهم است. طراحان باید اطمینان حاصل کنند که توزیع فشار تماس یکنواخت بین صفحات اصطکاک دارند (این امر نه تنها گشتاور ترمز را افزایش می دهد، بلکه احتمال ساییدگی بیش از حد مناطق خاصی را در صفحه اصطکاک کاهش می دهد). این امر منجر به نیاز به تعویض مداوم لنت های ترمز در طول عمر ترمز می شود. طراحان همچنین می توانند از این داده ها برای یافتن مقادیر گشتاور ایستاده ترمز استفاده کنند.

در زیر یک انیمیشن از تغییر چگالی شار مغناطیسی (خطوط جریان) و فشار تماس در سراسر صفحه آرمیچر، با تغییر ولتاژ سیم پیچ است.

انیمیشن واکنش ترمز الکترومکانیکی، از جمله چگالی شار مغناطیسی (روشن‌ها) و فشار تماس روی صفحه اصطکاک آرمیچر.

از این مدل، مهندسان به راحتی می توانند طراحی ترمز را ارزیابی کنند. با استفاده از جاروهای پارامتریک یا ماژول بهینه‌سازی ، مهندسان همچنین می‌توانند متغیرهای هندسی، خواص مواد و سیم پیچ طراحی را تغییر دهند تا عملکرد الکترومکانیکی بهینه را پیدا کنند. انجام این کار اندازه، وزن و مصرف انرژی ترمز را کاهش می دهد و در عین حال عملکردی عالی با هزینه های کمتر دارد.

اگرچه من پاسخ حرارتی ترمز را در این مدل جفت نکردم، مهم است بدانید که با اعمال ولتاژ، و کمی جدا شدن ترمز، گرما توسط سیم پیچ و از اصطکاک ایجاد می شود که آرمیچر شروع به چرخش می کند. بسته به گشتاور اعمال شده). اثرات حرارتی واکنش ترمز را تغییر می دهد، بنابراین ارزیابی واکنش های مغناطیسی، الکترومغناطیسی، ساختاری و حرارتی با هم مهم است. با افزودن ژول و گرمایش القایی به مدل COMSOL Multiphysics، می‌توان تغییر در واکنش ترمز را هنگام گرم شدن و تحت سیکل‌های کاری مختلف ارزیابی کرد.

درباره نویسنده مهمان