به ترمز الکترومغناطیسی، ترمز الکترومکانیکی یا ترمز EM نیز می گویند. آنها با استفاده از نیروی الکترومغناطیسی برای اعمال مقاومت مکانیکی یا اصطکاک، حرکت را کند یا متوقف می کنند. جریان الکتریکی از سیم پیچ روی ترمزها عبور می کند تا میدان مغناطیسی به اندازه کافی قوی تولید شود که یک آرمیچر را بر روی یک صفحه مغناطیسی اعمال یا خارج کند.

آنها را نباید با ترمزهای ادی کارنت یا جریان گردابی (eddy current) که از اعمال مستقیم نیروی مغناطیسی برای ایجاد مقاومت استفاده می کنند، اشتباه گرفت. از زمان استفاده رایج ترمز الکترومغناطیسی در اواسط قرن بیستم، به ویژه در قطارها و واگن های برقی، کاربردهای مختلف و طرح‌های ترمز به‌طور چشمگیری افزایش یافته است، اما عملکرد اصلی یکسان است. این مقاله تاریخچه ترمزهای الکترومغناطیسی، نحوه عملکرد آنها و انواع مختلف و همچنین تفاوت آنها با ترمزهای جریان گردابی را توضیح می دهد.

 

معرفی ترمز الکترومغناطیسی

ترمز الکترومغناطیسی به معنای اعمال ترمز با استفاده از نیروی الکترونیکی و مغناطیسی است. در واقع از اصل الکترومغناطیس برای دستیابی به ترمز کمتر با اصطکاک استفاده می شود. این باعث افزایش طول عمر و قابلیت اطمینان ترمزها می شود زیرا عدم وجود اصطکاک، منجر به فرسودگی کمتر ترمزها می شود. همچنین نیاز به نگهداری و روغن کاری کمتری دارد.

ترمزهای الکترومغناطیسی (یا EM) به صورت الکتریکی فعال می شوند اما به طور خاص برای متوقف کردن و نگه داشتن گشتاور مکانیکی طراحی شده اند. ترمزهای EM از میدان الکترومغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ داخلی استاتور، استفاده می کنند. بسته به نوع و طراحی، میدان EM اجزای مکانیکی را درگیر یا جدا می کند.

ترمز الکترومغناطیسیتاریخچه ترمز الکترومغناطیسی

گرانویل تایلر وودز (Granville Tailer Woods) یک مهندس مکانیک و برق خودآموخته و اولین مخترع آفریقایی-آمریکایی پس از جنگ داخلی بود. بیشتر اختراعات او مربوط به قطار و سایر وسایل حمل و نقل مانند واگن برقی بود. یکی از اختراعات قابل توجه او تلگراف راه آهن چندگانه همزمان (Synchronous Multiplex Railway Telegraph) بود، نوعی تلگراف القایی که بر الکتریسیته ساکن محیط از خطوط تلگراف موجود برای ارسال پیام بین ایستگاه های قطار و قطارهای در راه، متکی بود. او بیش از شصت اختراع در ایالات متحده داشت.

او ترمز الکترومغناطیسی را در سال ۱۸۸۷ اختراع کرد که برای استفاده در قطار طراحی شده بود. این ترمزها در ابتدا ترمزهای الکترومکانیکی نامیده می شدند، اما با گذشت زمان، نام آن ها به ترمزهای الکترومغناطیسی تغییر کرد. ترمزهای الکترومغناطیسی کاربردهای متنوعی در صنعت لوکوموتیو، به ویژه برای قطارها و ترامواها (واگن های برقی) دارند. در اوایل قرن بیستم، قطارها و ترامواها از ترمزهای الکترومغناطیسی برای اطمینان از ایمنی و کارایی مسیرهای خود استفاده می کردند. آنها به طور گسترده ای به عنوان سیستم ترمز اضطراری استفاده می شدند.

با این حال پس از گذشت سال ها و پیشرفت تکنولوژی، هم اکنون آنها در رباتیک، ابزارهای برقی، صنایع مهندسی و سایر صنایع حمل و نقل کاربرد فراوانی دارند. با توجه به نوآوری های امروزی، این ترمزها در صنعت هواپیما، ماشین های کپی و درایوهای نوار نقاله نیز کاربرد دارند. از دیگر کاربردهای آنها می توان به ماشین آلات بسته بندی، ماشین آلات چاپ، ماشین آلات پردازش مواد غذایی و اتوماسیون کارخانه اشاره کرد.

 

ترمزهای الکترومغناطیسی چگونه کار می کنند؟

قاعده کلی ترمز مگنتیک، شامل تبدیل انرژی جنبشی به انرژی حرارتی است. هنگام فعال کردن ترمزها، یک نیروی توقف چندین برابر نیرویی که ماشین نقلیه یا وسیله محرک را به حرکت در می آورد، فعال می شود و انرژی جنبشی مرتبط را به عنوان گرما از بین می برد. ترمزها بدون توجه به سرعت حرکت خودرو یا دستگاه، سرعت را در مدت کوتاهی متوقف می کنند.

ترمز الکترومغناطیسی از یک محرک الکتریکی استفاده می کند اما گشتاور را به صورت مکانیکی منتقل می کند. هنگامی که ترمز ولتاژ یا جریان دریافت می کند، سیم پیچ انرژی می گیرد و یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. این میدان سیم پیچ را به یک آهنربای الکتریکی تبدیل می کند که خطوط مغناطیسی شار را ایجاد می کند. شار مغناطیسی، آرمیچر را جذب می کند. آرمیچر و توپی معمولاً روی محور چرخان نصب می شوند. جذب سیم پیچ به آرمیچر و توپی، شفت را در مدت زمان کوتاهی متوقف می کند.

هنگامی که ترمز دیگر جریان را دریافت نمی کند، آرمیچر می تواند با شفت بچرخد. در بیشتر انواع ترمزهای الکترومغناطیسی، فنرها، آرمیچر را از سطح ترمز دور نگه می دارند که نیرو آزاد می شود و یک شکاف هوایی کوچک ایجاد می کند.

 

ترمزهای الکترومغناطیسی در مقابل ترمزهای جریان گردابی (ترمزهای جریان فوکو)

در حالی که یک ترمز الکترومغناطیسی برای چرخاندن یک اهرم فیزیکی روی محور چرخ برای متوقف کردن وسیله نقلیه به مغناطیس متکی است، ترمزهای جریان گردابی تنها از قدرت دو میدان مغناطیسی مخالف برای توقف استفاده می کنند. همانطور که از نام آن پیداست، این ترمزها متکی به جریان گردابی یا ادی کارنت هستند که هنگام عبور یک هادی از میدان مغناطیسی ایجاد می شود. سپس هادی، میدان مغناطیسی مخالف خود را ایجاد می کند که با میدان اصلی واکنش می دهد تا حرکت هادی متحرک را متوقف کند. ترمزهای جریان گردابی به جای آهنربای دائمی، از آهنرباهای الکتریکی استفاده می کنند، زیرا قدرت میدان مغناطیسی را می توان با الکتریسیته بهتر کنترل کرد.

از آنجایی که این سیستم برای عمل به عنوان ترمز به میدان مغناطیسی متکی است، قطعات متحرک کمتری دارد و بنابراین بیشتر از یک ترمز الکترومغناطیسی دوام می آورد. ترمزهای جریان گردابی معمولاً در کاربردهایی مانند خاموش کردن اضطراری، قطارهای پرسرعت و سواری در شهربازی و در تجهیزات ورزشی برای ایجاد سطوح مقاومت مختلف استفاده می‌شوند.

 

اجزای کلیدی سیستم ترمز الکترومغناطیسی

اجزای کلیدی سیستم ترمز الکترومغناطیسی عبارتند از:

  • باتری
  • سیم پیچ الکترومغناطیسی
  • مواد اصطکاک
  • آرماتور
  • فنر صفحه ای
  • آرماتور هاب

اجزای کلیدی سیستم ترمز الکترومغناطیسی در ادامه توضیح مختصر برای هر یک داده شده است:

  1. باتری: هر زمان که برای اعمال ترمز لازم باشد، باتری جریان را به سیم پیچ الکترومغناطیسی می رساند.
  2. سیم پیچ الکترومغناطیسی: سیم پیچ یا سیم مارپیچ معمولاً مسی است که در داخل استاتور قرار دارد. هنگامی که جریان از باتری به سیم پیچ ها می رسد، میدان الکترومغناطیسی در اطراف سیم پیچ ایجاد می شود.
  3. مواد اصطکاک: مواد اصطکاکی به استاتور متصل می شوند تا سرعت چرخش آرمیچر را کاهش دهند یا متوقف کنند.
  4. آرمیچر: آرمیچر از مواد فرومغناطیسی تشکیل شده است (از آنجایی که آرمیچر به سمت میدان مغناطیسی جذب می شود) و با استفاده از نوارهای باریک روی توپی آرمیچر نصب می شود. به دلیل نوارهای باریک، آرمیچر به راحتی می تواند روی آرمیچر هاب بلغزد و آرمیچر نیز به وسیله فنر صفحه ای به آرمیچر هاب متصل می شود. آرمیچر دارای سطح اصطکاک در یک طرف است.
  5. فنر صفحه ای: فنر صفحه ای به آرمیچر کمک می کند تا با حذف میدان مغناطیسی به موقعیت اولیه بازگردد.
  6. توپی آرمیچر: توپی آرمیچر که برای نصب آرمیچر به وسیله نوارهای باریک استفاده می شود. توپی آرمیچر با کمک یک اتصال به شفت خروجی متصل می شود.

 

انواع ترمز الکترومغناطیسی

انواع مختلفی از ترمزهای الکترومغناطیسی وجود دارد. پرکاربردترین نوع طرح، ترمز دستی است. از زمانی که ترمزهای الکترومغناطیسی محبوب شدند، تنوع کاربردها و طراحی ترمزها به طور چشمگیری افزایش یافته است.

  1. ترمز دستی (Single face brake)

ترمزهای دستی از اصطکاک یک صفحه برای درگیر شدن اجزای ورودی و خروجی کلاچ استفاده می کنند. ترمزهای الکترومغناطیسی دستی، حدود ۸۰ درصد از کل ترمزهای اعمال قدرت را تشکیل می دهند.

  1. ترمز قطع جریان (Power off brake)

ترمزهای قطع جریان  هنگام قطع برق، به طور تصادفی یا عمدی، بار را متوقف یا نگه می دارند. آنها معمولاً برروی یا نزدیک یک موتور الکتریکی استفاده می شوند. آنها ممکن است از چندین دیسک برای افزایش گشتاور بدون افزایش قطر ترمز استفاده کنند. دو نوع اصلی از ترمز قطع جریان وجود دارد.

  • اولاً، ترمز فنری (Spring type)است که بدون هیچ گونه الکتریسیته اعمال شده، یک فنر به صفحه فشار، فشار می آورد و دیسک اصطکاک را بین صفحه فشار داخلی و صفحه پوشش بیرونی نگه می دارد. اصطکاک ایجاد شده به توپی منتقل می شود که روی یک شفت نصب شده است. این نوع ترمز اغلب دارای واکنش معکوس است، بنابراین برای کاربردهای با کمتر دقت که زمان پاسخ دقیق حیاتی نیست، بهتر است.
  • دومین نوع ترمز قطع کننده، ترمز آهنربا دائمی (Permanent magnet type)است. این نوع از آهنرباهای دائمی برای جذب آرمیچر از طریق فنرها استفاده می کند. هنگامی که ترمز درگیر است، آهنرباهای دائمی خطوطی از شار مغناطیسی ایجاد می کنند که به نوبه خود می تواند آرمیچر را به محفظه ترمز جذب کند. برق به سیم پیچ اعمال می شود تا ترمز را آزاد کند و یک شکاف هوا ایجاد کند که یک میدان مغناطیسی متناوب ایجاد می کند و شار مغناطیسی آهنرباهای دائمی را خنثی می کند. از آنجایی که این نوع ترمز الکترومغناطیسی، دارای عکس العمل صفر است، بهتر است برای کاربردهایی که نیاز به توقف دقیق دارند، مانند ویژگی های ایمنی استفاده شود. عکس العمل صفر به این معنی است که ترمز دقیقاً زمانی که اعمال می شود متوقف می شود.

ترمز قطع جریان  (Power off brake)

ترمز قدرت هیستریزی  (Hysteresis power brake)

واحدهای هیستریزی الکتریکی، محدوده گشتاور وسیعی دارند. آنها را می توان از راه دور کنترل کرد که آنها را برای کاربردهای پایه آزمایشی که در آن گشتاور متفاوت مورد نیاز است، ایده آل می کند. از آنجایی که گشتاور drag حداقل است، این نوع ترمزها محدوده گشتاور وسیعی را ارائه می دهند. هنگامی که الکتریسیته به میدان اعمال می شود، یک شار مغناطیسی داخلی ایجاد می کند که سپس به یک دیسک هیستریزیس منتقل می شود. دیسک هیستریزیس به شفت ترمز متصل است. کشش مغناطیسی روی دیسک هیستریزیس باعث کشش ثابت یا توقف نهایی شفت خروجی می شود. دیسک هیستریزیس پس از حذف الکتریسیته، آزاد می شود و هیچ نیروی نسبی بین هر یک از اجزا منتقل نمی شود. سپس، تنها گشتاور بین ورودی و خروجی، کشش یاتاقان است.

 

ترمز ذره‌ای  (Particle brake)

ترمزهای ذره ای مغناطیسی، محدوده گشتاور عملیاتی گسترده ای دارند. با ترمز ذره ای مغناطیسی، گشتاور را می توان بسیار دقیق کنترل کرد (در محدوده RPM عملکرد واحد).

این ترمز الکترومغناطیسی حاوی یک حفره پودری با ذرات مغناطیسی است. هنگامی که الکتریسیته به سیم پیچ اعمال می شود، شار بعدی سعی می کند ذرات را به یکدیگر متصل کند تا نوعی دوغاب ذرات مغناطیسی ایجاد کند. اتصال ذرات با افزایش الکتریسیته قوی تر می شود. روتور ترمز از میان این ذرات محدود عبور می کند که نیروی مقاومی ایجاد می کند که شفت خروجی را کند می کند و در نهایت متوقف می شود.

 

کاربردهای ترمز الکترومغناطیسی

ترمزهای الکترومغناطیسی در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می شوند. برخی از کاربردهای رایج عبارتند از:

  • حرکت خطی محور Z
  • رباتیک
  • وسایل نقلیه هدایت شونده خودکار (AGV’s)
  • سروو و استپر موتور
  • تجهیزات اتوماسیون کارخانه
  • بسته بندی و تجهیزات فرآوری مواد غذایی
  • تجهیزات حمل و نقل مواد
  • تجهیزات بازی
  • آسانسور و پله برقی
  • تجهیزات پزشکی

اکثر ترمزهای EM از یک سطح اصطکاکی برای کاهش یا توقف حرکت استفاده می کنند، اما پیکربندی های دیگری مانند نوع دندانه دار یا چند دیسکی میز وجود دارد.

 

ملاحظات ترمز الکترومغناطیسی

ملاحظات مهم در انتخاب ترمز مناسب برای کاربرد و اهداف صنعتی شما عبارتند از:

  • عملکرد (توقف، نگه داشتن، یا هر دو)
  • نوع (روشن، برق خاموش فعال)
  • گشتاور
  • دور در دقیقه
  • ورودی و خروجی مکانیکی
  • اندازه و نوع
  • سبک نصب

 

مزایا و معایب سیستم ترمز الکترومغناطیسی

مزایا

  • تعمیر و نگهداری کمتر
  • ساخت و ساز ساده
  • اصطکاک کمتر
  • سر و صدای کمتر

معایب

  • نیاز به منبع تغذیه بیشتر که باتری را سریع تخلیه می کند
  • احتمال خرابی ترمز به دلیل خرابی در سیستم الکتریکی

 

جمع بندی

  • سیستم ترمز الکترومغناطیسی سیستمی است که برای کاهش سرعت یا توقف چرخش محور ماشین با کمک یک الکترومغناطیس استفاده می شود.
  • سیستم ترمز الکترومغناطیسی از طریق تحریک الکتریکی عمل می کند، اما عمل ترمز را به صورت مکانیکی ایجاد می کند.
  • سیستم ترمز الکترومغناطیسی بر روی میدان الکترومغناطیس تولید شده توسط الکترومغناطیس کار می کند.
  • هنگامی که جریان از سیم پیچ عبور می کند، سیم پیچ یک میدان مغناطیسی در اطراف آن ایجاد می کند که به آن الکترومغناطیس می گویند.
  • در سیستم ترمز الکترومغناطیسی، میدان الکترومغناطیسی تولید شده توسط الکترومغناطیس برای توقف چرخش شفت خروجی استفاده می شود.

در بالا، ما همه چیز را در مورد ترمزهای الکترومغناطیسی، از جمله نحوه عملکرد آنها، انواع آن و تفاوت آنها با ترمزهای جریان گردابی توضیح دادیم. امیدواریم این اطلاعات برای شما مفید بوده باشد.