Electromagnetic modeling and performance analysis of eddy-current brakes

This thesis presents the analytical and numerical modeling of an eddy-current braking system aimed at analyzing its electromagnetic behavior and performance characteristics. The study begins with the derivation of a simplified analytical model based on Maxwell’s equations and fundamental electromagnetic relations, implemented in MATLAB to estimate the induced current density and braking torque. Despite the necessary simplifications, such as assuming uniform magnetic fields and neglecting edge effects, the analytical approach provides a reliable approximation of the braking performance and a valuable physical insight into the underlying mechanisms. To validate and complement the analytical results, a finite-element simulation of the system was developed in COMSOL Multiphysics. The simulation accounts for realistic geometries, material properties, and boundary conditions, allowing for a detailed visualization of flux distribution, current paths, and magnetic leakage. The comparison between the two approaches shows that, although the analytical model does not capture all local variations, it offers a sufficiently accurate estimation for design and evaluation purposes, especially when the simplifying assumptions are respected. The study also highlights that the generated braking torque is relatively small, which is consistent with the system’s intended purpose of adjusting balancing masses rather than stopping rotation. Additionally, magnetic flux leakage was found to depend strongly on the geometry of the components.

Questa tesi presenta la modellazione analitica e numerica di un sistema di frenatura a correnti parassite, con l’obiettivo di analizzarne il comportamento elettromagnetico e le prestazioni. Lo studio inizia con la derivazione di un modello analitico semplificato basato sulle equazioni di Maxwell e sulle relazioni elettromagnetiche fondamentali, implementato in MATLAB per stimare la densità di corrente indotta e la coppia frenante. Nonostante le necessarie semplificazioni, come l’assunzione di campi magnetici uniformi e la trascurabilità degli effetti di bordo, l’approccio analitico fornisce un’approssimazione affidabile delle prestazioni di frenatura e una preziosa comprensione fisica dei meccanismi alla base del fenomeno. Per validare e integrare i risultati analitici, è stata sviluppata in COMSOL Multiphysics una simulazione agli elementi finiti del sistema. Tale simulazione tiene conto di geometrie realistiche, proprietà dei materiali e condizioni al contorno, consentendo una rappresentazione dettagliata della distribuzione del flusso magnetico, dei percorsi di corrente e delle perdite di flusso. Il confronto tra i due approcci mostra che, sebbene il modello analitico non riesca a cogliere tutte le variazioni locali, esso fornisce una stima sufficientemente accurata per scopi di progettazione e valutazione, specialmente quando vengono rispettate le ipotesi di semplificazione adottate. Lo studio evidenzia inoltre che la coppia frenante generata è relativamente ridotta, caratteristica coerente con lo scopo del sistema, che non è quello di arrestare la rotazione dell’albero ma di regolare le masse di bilanciamento. Inoltre, è stato osservato che le perdite di flusso magnetico dipendono fortemente dalla geometria dei componenti.