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

 

Step 1. 建模

用感應(yīng)器模板，LF-solver低頻時域，然后畫個扁圓柱當(dāng)轉(zhuǎn)盤，兩個方塊當(dāng)外加磁場源，在轉(zhuǎn)盤上下對稱，和轉(zhuǎn)盤盤間隔為5px。材料都是銅。

 

 

 

 

 

 

再畫一個小圓柱，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)動區(qū)域，運動方程中，慣性矩為0.005，阻尼0.008，初始速度600轉(zhuǎn)/分，其他為零。

 

 

 

這里的運動方程解釋可見help。就是每項都是力矩，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time step算一次這些值，作為下一個time step的初始位置，初始速度，初始力矩等等。

 

 

 

還有Active gap是運動區(qū)域，這里用polygon多面體定義圓盤的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，是個稍微大一點的圓柱。

 

 

 

然后是磁場源，將兩個方塊都向Z+方向定義1.4T的磁場。這里沒有用非線性BH曲線，為了簡單。

 

 

 

在CST軟件邊界條件為模板設(shè)好的電邊界，適合磁場平行環(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，一般大一點更準(zhǔn)，當(dāng)然更慢。

 

 

 

最后設(shè)置求解器，重點是仿真時長和采樣數(shù)，這里仿到1.5s，Properties里面默認(rèn)40個step，想要準(zhǔn)確推薦5ms甚至更小的采樣時長，因為每個step都會算運動公式里的力，力矩，加速度，速度，位置等等。所以第一個step從初始速度算出來這些運動參數(shù)就很重要，影響接下來的所有結(jié)果。其實制動速度是很快的，取決于磁鐵的強度和圓盤耗散能量的能力。前期仿真可以放總時間短一點，步長大一點，驗證結(jié)果有效之后，后期精確仿真再總時間長，步長小點。這里為了準(zhǔn)確就用5ms, 300個點了。Specials里面也可以調(diào)高階數(shù)。

 

 

 

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

 

Step 3.  仿真看結(jié)果

 

速度曲線：

 

因為加了阻尼系數(shù)增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，但也帶來了減速效果。如果同學(xué)想驗證仿真結(jié)果是應(yīng)為渦流制動還是自然阻尼減速，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：

 

磁場分布：（視頻為401個采樣點，和文中的300個點結(jié)果一樣）

 

電流分布：（圖中為401個采樣點，和文中的300個點結(jié)果一樣）

 

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

 

補充內(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：目的是準(zhǔn)確區(qū)分哪里運動，哪里靜止。

 

 

 

 

Step 2. 定義磁場源（磁鐵），CST用1.4T，Z+方向。這個是線性的剩磁，用公式B= mu0 * muR * H可算出對應(yīng)的線性矯頑力-1.114E-6。方向為體積方向和全局方向相同時的Z方向。

 

 

 

 

Step 3. 運動公式用Carmen Control 文件完成，初始速度用簡單的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，同樣是時域采樣非常重要，這里為了精確對比，也用了5ms，仿真總時間比較長。

 

 

 

 

比較結(jié)果：

速度曲線完美匹配，Opera運行中能看到計算結(jié)果，所以我在0.58s的時候就停了，因為結(jié)果已經(jīng)很準(zhǔn)確了。

 

 

不放心就看CST軟件場分布，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秒時的電流密度，相同平面，相同區(qū)間值，能看出兩個渦流圈（一對小藍(lán)點）。

 

仍然不放心就換一個時間，0.5s的結(jié)果?？梢姕u流基本上下對稱了，絕對值也小了好幾倍，因為此刻速度慢了，產(chǎn)生的渦流就小了，旋轉(zhuǎn)對渦流影響也小了，渦流在磁鐵兩邊更對稱了。

 

 

*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，侵刪）

 

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