韓桂新

（沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110045）

隨著科技的進(jìn)步和生產(chǎn)、生活水平的提高，對快速制動效果的要求也越來越高。特別是在現(xiàn)代工業(yè)中，如紡織、印染行業(yè)的編織設(shè)備或印花設(shè)備等，對小型電磁制動電機(jī)也有著廣泛的需求。所以，中小型電磁制動器（電機(jī)）有著廣闊的市場應(yīng)用前景。

1 快速電磁制動器設(shè)計思想及工作原理

1.1 制動器制動方案的確定

根據(jù)機(jī)床電機(jī)、編織電機(jī)頻繁起動、間隙運行、快速定位的特殊運行要求和特點，既要求快速停車定位，又避開了以往斷電制動時電機(jī)長期運行短暫停機(jī)帶來制動器電磁線圈長期通電的運行缺陷，故在制動器原理設(shè)計上，選取了“斷電制動”的總體制動方案。

1.2 制動器結(jié)構(gòu)方案的確定

快速電磁制動器（本快速電磁制動器已獲批國家新型專利，其專利號為：ZL 2013 2 0068226.6）被安裝在電機(jī)非軸伸端的端蓋上，其裝配圖如圖1所示。當(dāng)制動電機(jī)接入電源，制動器也同時工作，由于電磁吸力作用電磁鐵吸引銜鐵并壓縮彈簧，制動盤與銜鐵、端蓋脫開（請注意：此時銜鐵11 與勵磁線圈座形成工作間隙），電動機(jī)開始運轉(zhuǎn)。當(dāng)切斷 電源時，制動器電磁鐵失去電磁吸引力，彈簧推動銜鐵壓緊制動盤，在摩擦力矩的作用下，電動機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動。

圖1 快速電磁制動器裝配圖

1.3 電磁制動器控制電路設(shè)計

傳統(tǒng)電磁制動器控制電路設(shè)計[1]從供電方式上看，不管是交流勵磁，還是直流勵磁[2]，都是電壓源供電方式。

本控制器控制電路，在設(shè)計思想上摒棄了傳統(tǒng)的電壓源供電模式，而是采用電流源供電方式；同時，將制動器控制電源與電機(jī)起動特性[3]有機(jī)結(jié)合，巧妙而簡單地構(gòu)成一種“大電流吸合小電流維持”的“可調(diào)式”電流源型制動器控制電源，從而實現(xiàn)了制動器控制電源與制動器工作特性的最佳匹配。

2 快速電磁制動器創(chuàng)新性技術(shù)特點分析

本快速電磁制動器的核心關(guān)鍵技術(shù)之一就是巧妙地利用了電機(jī)起動過程初始的5～7 倍額定電流IN的過電流現(xiàn)象，以及短暫起動過程后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)額定電流IN（及以下）的運行這樣一個電流變化過程，通過電流互感器變送，就給電磁制動器線圈提供了一個具有5～7 倍調(diào)節(jié)能力的可調(diào)勵磁電流源，而且在這個過程中，5～7 倍的大電流正好用于制動器吸合，額定電流運行時對應(yīng)用于制動器維持電流，更可貴的是，對一般小型電機(jī)而言，這一“電流調(diào)節(jié)”過程由電機(jī)在2～3s 起動過程內(nèi)“自動”完成，無需任何額外的控制調(diào)節(jié)電路，并且實現(xiàn)了制動器電流控制特性與電機(jī)起動電流特性的“最佳匹配”。

2.1 電磁制動器的快速性分析與設(shè)計

1）吸合動作分析

傳統(tǒng)電壓源控制制動器，是圍繞著吸合電流大小的需要進(jìn)行相關(guān)設(shè)計的，滿足需要的吸合電流就是制動器的穩(wěn)態(tài)工作電流（因為電壓源不調(diào)整）。制動器線圈得電后的吸合電流如圖2中線段1 所示，由于制動器線圈存在較大的電感，所以勵磁電流（對應(yīng)磁勢）按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)t2時刻電流上升到制動器吸合所需磁動勢（直線6）時，制動器開始吸合。

而本設(shè)計的電流源型制動器，在5～7 倍起動強(qiáng)電流所對應(yīng)的勵磁磁勢下工作，見圖2中線段2，同樣，在t1時刻勵磁磁勢上升到吸合所需磁勢，制動器開始吸合動作。圖中明顯看出，t1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于t2，而且達(dá)到吸合磁勢壓力盤開始后動作后，線段2 比線段1 的磁動勢上升率快很多，線段2 的全吸合時間要比線段1 快更多?？梢姳倦娏餍椭苿悠饔兄芸斓奈蟿幼魈匦?。

圖2 兩種控制方式下制動器動作磁勢和時間分析圖

2）釋放動作分析

傳統(tǒng)電壓源控制制動器，在釋放動作前，一直在穩(wěn)態(tài)勵磁磁勢（直線5）下工作，為了保證較快的吸合，這一磁勢要求大于制動器最大氣隙下所需吸合磁勢。設(shè)t3時刻制動器斷電釋放，制動器線圈將在直線5 所示勵磁磁勢下沿線段3 續(xù)流衰減，到達(dá)t5時刻后，線圈續(xù)流磁勢才開始小于制動器維持磁勢（見直線8），此時刻壓力盤6 才開始釋放移動。

本設(shè)計的電流源型制動器，經(jīng)電機(jī)起動強(qiáng)電流吸合后，到釋放動作前，實際工作磁勢對應(yīng)于電機(jī)穩(wěn)態(tài)運行電流，只要保證電機(jī)空載運行電流所對應(yīng)的制動器勵磁磁勢大于制動器維持電流磁勢即可。假定t3時刻電機(jī)在額定電流下斷電停機(jī)，則制動器按照線段4 續(xù)流衰減，到達(dá)t4時刻后，線圈續(xù)流磁勢才開始小于制動器維持磁勢（見直線8），此時刻壓力盤6 開始釋放移動。

上述分析可見，（t4～t3）顯著小于(t5～t3)，本制動器動作響應(yīng)明顯快于傳統(tǒng)電壓源型制動器。特別是在電機(jī)輕載或空載下斷電制動，本方案產(chǎn)品有著更快的制動響應(yīng)時間。

而制動器真正的制動時間、制動能力或制動精度，正是取決于上述釋放制動響應(yīng)時間和制動力矩。所以，在同等條件下，制動釋放響應(yīng)時間越快，制動性能越好，制動定位精度也越高。

2.2 電磁制動器的溫升及可靠性分析與設(shè)計

傳統(tǒng)電壓源控制制動器，在釋放動作前，一直在穩(wěn)態(tài)勵磁磁勢（直線6）下工作，為了保證較快的吸合，這一磁勢要求大于制動器最大氣隙下所需吸合磁勢。所以，制動器穩(wěn)態(tài)工作時的勵磁磁動勢較大，制動器線圈容易發(fā)熱，或有較高的溫升，而本課題設(shè)計的電流型制動器，由于與電機(jī)起動電流形成了匹配性設(shè)計[4]，即利用電機(jī)起動時的短時沖

擊電流完成制動器的吸合動作，經(jīng)過幾秒鐘的電機(jī)起動過程，電機(jī)電流就回歸到額定電流以內(nèi)了，所以，這種制動器穩(wěn)態(tài)運行時的勵磁磁勢只有起動電流所對應(yīng)的吸合磁勢的1/5 到1/7（設(shè)計時應(yīng)保證大于維持電流磁勢），故制動器線圈自然就只有較低的溫升，提高了絕緣材料的壽命和制動器的可靠性。

3 電磁制動器設(shè)計分析與計算

3.1 基本電磁參數(shù)概算

以Y160M-6 電機(jī)為例，電機(jī)額定功率7.5kW，額定轉(zhuǎn)速約970r/min，額定轉(zhuǎn)矩為

制動器樣機(jī)電磁機(jī)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 制動器電磁鐵機(jī)構(gòu)尺寸圖

樣機(jī)電磁制動器環(huán)形摩擦片平均直徑D=0.15m，即摩擦力臂半徑為R=0.075m，按照常規(guī)制動器摩擦片摩擦系數(shù)μ=0.33 計算，產(chǎn)生與電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩相等的制動轉(zhuǎn)矩時，所需正壓力為

3.2 三維有限元校核計算

在上述概算的基礎(chǔ)上，初步確定了制動器電磁鐵的基本結(jié)構(gòu)尺寸，然后利用Maxwell3D 瞬態(tài)場求解，精確校核計算制動器的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)，利用3D建模。

根據(jù)所建模型，有限元采用Maxwell3D 瞬態(tài)場求解，為計算不同氣隙大小時電磁力大小，設(shè)置銜鐵的運行速度為1mm/s，時間為4s，記錄0s、1s、2s、3s、4s 銜鐵對應(yīng)的位置所受力，實際上就是對應(yīng)的0mm、1mm、2mm、3mm 和4mm 氣隙下的電磁鐵壓力盤11 所受到的吸合力。

其結(jié)果如下：

1）制動器電磁鐵線圈中流過穩(wěn)態(tài)電流，當(dāng)電磁鐵線圈槽內(nèi)平均電流密度為3A/mm2，線圈槽滿率約75%，則線圈槽內(nèi)勵磁電流總安匝數(shù)約為1080A。假設(shè)線圈匝數(shù)為ND=300，相當(dāng)于線圈導(dǎo)線電流ID=3.6A。進(jìn)行氣隙0～5mm 的電磁鐵磁密云圖圖形分析。

由上述電磁鐵吸合力有限元分析計算結(jié)果圖形分析可以看出，在線圈槽內(nèi)平均電流密度為3A/mm2，總電流為1080A 的條件下，與間隔0mm、1mm、2mm、3mm、4mm 相對應(yīng)的吸合力分別為：35kN、4.19kN、1.11kN、0.5kN、0.29kN。

2）同上，當(dāng)電磁鐵線圈槽內(nèi)平均電流密度為4A/mm2，線圈槽滿率約75%，則線圈槽內(nèi)勵磁電流總安匝數(shù)約為1440A。假設(shè)線圈匝數(shù)為ND=300，相當(dāng)于線圈導(dǎo)線電流ID=4.8A。

在線圈槽內(nèi)平均電流密度為4A/mm2，總電流為1440A 的條件下，與間隔0mm、1mm、2mm、3mm、4mm 相對應(yīng)的吸合力分別為：37.5kN、7.39kN、1.97kN、0.90kN、0.52kN。

3）當(dāng)電磁鐵線圈槽內(nèi)平均電流密度為5A/mm2，線圈槽滿率約75%，則線圈槽內(nèi)勵磁電流總安匝數(shù)約為1800A。假設(shè)線圈匝數(shù)為ND=300，相當(dāng)于線圈導(dǎo)線電流ID=6.0A。

在線圈槽內(nèi)平均電流密度為5A/mm2，總電流為1800A 的條件下，與間隔0mm、1mm、2mm、3mm、4mm 相對應(yīng)的吸合力：37.5kN、10.84kN、3.09kN、1.41kN、0.81kN。

3.3 電磁鐵吸合力特性分析

根據(jù)上述有限元分析計算，得出制動器電磁鐵結(jié)構(gòu)在不同氣隙下電流密度與吸合力之間的關(guān)系，圖形略。

由分析曲線可知，1#曲線在電密大于5A/mm2后，基本進(jìn)入“水平”狀態(tài)（斜率為零），表明在氣隙為0mm（電磁鐵吸合狀態(tài)）時，隨著電流的進(jìn)一步加大，電磁鐵進(jìn)入包含狀態(tài)，吸合力幾乎不再增加；4A/mm2以下，可以看成是線性變化，即吸合力與電流成比例線性下降。由1#曲線可以選擇、校核制動器的維持電流設(shè)計數(shù)據(jù)。

2#、3#、4#、5#曲線分別是氣隙為1mm、2mm、3mm、4mm 時的電磁鐵“吸合力——電密”特性曲線，計算結(jié)果表明，這一組曲線都具有較好的線性關(guān)系。本次制動器的工作氣隙就設(shè)計在2mm，所以，由3#曲線可以選擇、校核制動器的吸合電流設(shè)計數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

1）普通電磁制動器已不能滿足生產(chǎn)生活需要，本快速電磁制動器摒棄了傳統(tǒng)的電壓源供電模式，將制動器控制電源與電機(jī)起動特性有機(jī)結(jié)合，巧妙的運用了電機(jī)起動時產(chǎn)生的5～7 倍額定電流，而簡單地構(gòu)成一種“大電流吸合小電流維持”的“可調(diào)式”電流源型制動器控制電源的產(chǎn)品創(chuàng)新性。

2）以Y160M-6 樣機(jī)設(shè)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過有限元仿真和定量分析，得出了制動器結(jié)構(gòu)在不同氣隙下電流密度與吸合力之間的關(guān)系，確定了較為合理的制動器工作氣隙——制動器工作氣隙2mm；制動轉(zhuǎn)矩=電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；說明了分析方法的正確。

3）樣機(jī)試驗結(jié)果進(jìn)一步驗證了理論研究成果的正確性。

[1] 盧志剛,楊國良,吳杰,等.電磁制動器類的控制電路設(shè)計和應(yīng)用[J].電力電子技術(shù),2007,41(1): 110-111.

[2] 李鳳祥,朱偉進(jìn).無刷直流電機(jī)雙?？刂萍夹g(shù)研究與應(yīng)用[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2013,17(3): 70-75.

[3] 劉子林.電機(jī)與電氣控制[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2003: 151-183.

[4] 李勇,崔友,陸永平.一種高速電磁制動器制動過程的動態(tài)特性分析[J].電工技術(shù)學(xué)報,2007,22(8): 131-135.