宋振民，蘇 偉，李 雨，寧劍建，朱志強(qiáng)，楊 鏡

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

制動(dòng)器是零位鎖制設(shè)備[1]，傳統(tǒng)的彈簧式制動(dòng)器體積大，力矩密度低，無法滿足小型化與高沖擊的要求。永磁失電制動(dòng)器是近年來應(yīng)用較廣泛的一種新型制動(dòng)器，其具有功耗低、抗沖擊、小型化、制動(dòng)力矩大等優(yōu)點(diǎn)。永磁失電制動(dòng)器是依靠金屬摩擦環(huán)與靜鐵心內(nèi)環(huán)和外環(huán)的相互摩擦而產(chǎn)生制動(dòng)力。

在如今高速發(fā)展的科技領(lǐng)域，永磁失電制動(dòng)器的穩(wěn)定性和安全性對設(shè)備的運(yùn)行至關(guān)重要，因此合理的永磁失電制動(dòng)器設(shè)計(jì)方法對各制動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域有著重要意義。本文以某款永磁失電制動(dòng)器為研究對象，給出了該款制動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合ANSYS-Workbench對片式彈簧進(jìn)行力學(xué)仿真，驗(yàn)證片式彈簧理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，利用ANSYS-Maxwell 電磁仿真軟件對環(huán)形磁鋼進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，然后運(yùn)用求解電路的方法對永磁失電制動(dòng)器的磁路進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合ANSYS-Maxwell電磁仿真軟件驗(yàn)證了磁路計(jì)算的準(zhǔn)確性，最后將仿真分析的結(jié)果和原理樣機(jī)的性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性。

1 永磁式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法

1.1 永磁式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

永磁式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子。定子由定子內(nèi)殼、隔磁墊圈、電樞、定子外殼、磁鋼組成；轉(zhuǎn)子由摩擦環(huán)、片式彈簧、鉚釘、轉(zhuǎn)子基座組成；定子內(nèi)殼、定子外殼位于電樞外；隔磁墊圈位于定子內(nèi)殼和定子外殼之間；定子外殼呈短T形；磁鋼位于定子外殼外側(cè)；壓板呈半包圍狀；電樞位于定子外殼內(nèi)腔，電樞一側(cè)與定子內(nèi)殼側(cè)壁接觸，另一側(cè)與定子外殼相接觸；磁鋼位于定子外殼外側(cè)并與壓板的內(nèi)壁相連；片式彈簧一側(cè)與摩擦片相接觸，另一側(cè)與轉(zhuǎn)子基座相接觸；鉚釘將摩擦片、彈簧、轉(zhuǎn)子基座鉚接為一體。永磁式制動(dòng)器具體結(jié)構(gòu)形式如圖 1所示。

圖1 永磁式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

永磁失電制動(dòng)器主要通過摩擦環(huán)摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力矩。當(dāng)制動(dòng)器處于失電狀態(tài)時(shí)，摩擦環(huán)受到的磁力F磁大于片式彈簧的彈力，制動(dòng)器吸合，此時(shí)摩擦環(huán)與靜鐵心之間的氣隙為X0=0，摩擦環(huán)與靜鐵心之間磁力線最為密集，因此靜鐵心端面所受的正壓力最大，為磁鋼的磁力與片式彈簧的彈力之差，在接觸面上產(chǎn)生靜摩擦力矩，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。

制動(dòng)器通電瞬間，電樞產(chǎn)生磁場，電樞磁場對摩擦環(huán)的磁力與磁鋼對摩擦環(huán)的磁力的合力小于片式彈簧的彈力，此時(shí)氣隙處的磁場大大削弱，摩擦環(huán)與靜鐵心之間磁力線非常稀疏。片式彈簧將摩擦片拉回，氣隙回到X1(X1>0)的狀態(tài)，此時(shí)摩擦環(huán)所受磁力最小，片式彈簧彈力大于通電電樞與磁鋼對摩擦環(huán)的磁拉力合力，制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)解鎖。

1.2 性能要求

該款永磁式制動(dòng)器的性能要求如表1所示。

表1 永磁式制動(dòng)器性能要求

1.3 制動(dòng)器氣隙選擇

該制動(dòng)器的建議氣隙對應(yīng)如表2所示。

表2 氣隙對應(yīng)表

按照氣隙對應(yīng)表及該制動(dòng)器的外形尺寸，該制動(dòng)器氣隙選擇0.25 mm。

1.4 主要零件參數(shù)

該款制動(dòng)器的主要零部件參數(shù)如表3所示。

表3 主要零件參數(shù)表

1.5 片式彈簧彈力計(jì)算

每段片式彈簧慣性矩根據(jù)式(1)得出:

(1)

片式彈簧彈力根據(jù)式(2)得出：

(2)

式中：I0為每段彈簧慣性矩；F彈為片式彈簧力，N；b為片式彈簧寬度，mm；h為片式彈簧厚度，mm；E為材料的彈性模量，MPa;L為每段片式彈簧平均長度，mm;fy為制動(dòng)器失電鎖制時(shí)片式彈簧的變形量，也是制動(dòng)器通電安裝時(shí)設(shè)置的氣隙，mm。

片式彈簧如圖2所示，制動(dòng)器氣隙示意如圖3所示。

圖2 片式彈簧

圖3 制動(dòng)器氣隙示意圖

利用ANSYS-Workbench對片式彈簧進(jìn)行力學(xué)仿真[2],仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 彈簧片力學(xué)仿真

當(dāng)F彈為16.68 N時(shí)，彈簧片的最大變形量為0.26 mm，符合制動(dòng)器氣隙要求。

1.6 正壓力計(jì)算

該永磁失電制動(dòng)器力矩為2 N·m，T1=2 N·m=20.4 kg·cm

根據(jù)式(3)求出制動(dòng)器工作正壓力F[3]：

(3)

根據(jù)F磁=F+F彈求出永磁失電制動(dòng)器所需要的磁吸力F磁=307.02+16.68=323.7 N。

式中：F為制動(dòng)器制動(dòng)需要的工作正壓力，N；F磁為磁鋼對摩擦環(huán)的磁吸力，N；F彈為片式彈簧對摩擦環(huán)的彈力,N；K為磁鋼對摩擦環(huán)產(chǎn)生的制動(dòng)器工作安全系數(shù)；R為制動(dòng)器工作摩擦半徑，mm；fu為摩擦片摩擦系數(shù);

2 制動(dòng)器電磁設(shè)計(jì)

定子外殼和定子內(nèi)殼的導(dǎo)磁材料選用導(dǎo)磁性能較好的電磁純鐵DT4，摩擦環(huán)采用10號(hào)鋼，它們都具有導(dǎo)磁性能良好、矯頑力低、飽和磁感高等特點(diǎn)，在永磁失電制動(dòng)器的設(shè)計(jì)中是常用的材料，但是由于其防銹性能不夠好，所以在使用中需要提前做好表面防銹處理，比如采用鍍鎳磷工藝防銹。

2.1 環(huán)形磁鋼的仿真設(shè)計(jì)

利用有限元分析軟件Maxwell進(jìn)行磁鋼的設(shè)計(jì)仿真[2]，確定好磁鋼的尺寸。為了更好地用于高低溫工作的要求，磁鋼材料采用溫度系數(shù)小的釤鈷，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 制動(dòng)器失電狀態(tài)時(shí)，磁力線分布圖

圖6 制動(dòng)器失電狀態(tài)時(shí)，磁鋼對摩擦環(huán)磁吸力與氣隙關(guān)系圖

圖6中，m1、m2代表摩擦環(huán)與電樞之間氣隙分別為0、250 μm的兩個(gè)位置，X代表的是氣隙的大小，Y代表的是摩擦環(huán)受力的大小。根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，失電狀態(tài)時(shí)，磁鋼對摩擦環(huán)的磁吸力為332.4 N，符合永磁失電制動(dòng)器所需要的磁吸力F磁的要求，確定磁鋼尺寸為φ36 mm×φ29 mm×2.6 mm。

2.2 電磁吸力計(jì)算

永磁失電制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器不同，并不是電樞對摩擦環(huán)的電磁力越大越好，永磁失電制動(dòng)器通電解鎖的條件是磁鋼對摩擦環(huán)產(chǎn)生的磁吸力與電樞對摩擦環(huán)產(chǎn)生的電磁力合力，小于片式彈簧對摩擦環(huán)產(chǎn)生的彈力。各力的關(guān)系如下:

(4)

式中：F磁為磁鋼對摩擦環(huán)的磁吸力，N；F電為電樞對摩擦環(huán)的電磁力，N；F彈為片式彈簧的彈簧力，N。

2.3 計(jì)算磁壓降、磁通及磁密

本文通過運(yùn)用求解電路的方法對永磁失電制動(dòng)器的磁路進(jìn)行計(jì)算，避開了麥克斯韋方程組的非線性及復(fù)雜性。磁路中的總磁通依照式(5) 計(jì)算[4]:

(5)

式中：Φ為磁通，Wb；S外為靜鐵心外圓環(huán)面積，mm2；S內(nèi)為靜鐵心內(nèi)圓環(huán)面積，mm2。計(jì)算得到Φ=5.599×10-5Wb。

再通過磁路分段法計(jì)算磁密，磁路分段法具體步驟如下：

為方便分析靜鐵心電樞通電產(chǎn)生的磁路，在利用磁路分段法時(shí)，忽略磁鋼對磁路產(chǎn)生的影響。如圖7所示，磁路被分為a、b、c、d、e、f、g、h段，其中e、f段為空氣隙，即計(jì)算每段的磁密Bi，如下式：

式中：Bi為每段的磁密，T；Si為每段的截面積，mm2。

圖7 磁路分段法示意圖

按照10號(hào)鋼和電磁純鐵DT4的B-H曲線，得出每段磁感應(yīng)強(qiáng)度Hi，然后根據(jù)下式得出磁壓降W1。

式中：W1是磁路中的磁壓降，A；Hi是磁感應(yīng)強(qiáng)度，A/mm；Li是每段有效長度，mm。經(jīng)計(jì)算，W1=60 A。

根據(jù)下式計(jì)算氣隙磁阻Rair[5]。

式中：Rair為氣隙磁阻，A/Wb;μ0=4π×10-7H/m，為空氣磁導(dǎo)率;δ為氣隙長度，mm；S外為靜鐵心外圓環(huán)面積，mm2；S內(nèi)為靜鐵心內(nèi)圓環(huán)面積，mm2。

再按照下式求出W2。

W2=Φ×Rair=302

式中：W2為氣隙磁壓降，A；Φ為磁通，Mb；Rair為氣隙磁阻，A/Wb;

磁路中的總磁壓降W0，W0=W1+W2=362 A。

2.4 導(dǎo)線截面積、直徑、匝數(shù)、導(dǎo)線電流的計(jì)算

(1)導(dǎo)線的截面積，根據(jù)下式計(jì)算得出：

式中:Sm為導(dǎo)線截面積，mm2；U為直流電壓，V；ρ為20 ℃環(huán)境下的電導(dǎo)率，Ω/m；W0為總磁壓降，A；D1為繞組平均直徑，m;

漆包線直徑由下式得出：

式中：d為漆包線直徑，mm；Sm為導(dǎo)線截面積，mm2。

再通過查閱國家標(biāo)準(zhǔn)中相對應(yīng)的合適的漆包線直徑，確定漆包線直徑為0.18 mm，最后確定實(shí)際的導(dǎo)線截面積Sm1為0.025 mm2。

(2)按照下式得出實(shí)際安匝數(shù)：

式中：W實(shí)為實(shí)際的安匝數(shù)，A；Sm1為實(shí)際的導(dǎo)線截面積，mm2;U為直流電壓，V；ρ為20 ℃環(huán)境下的電導(dǎo)率，Ω/m；D1為繞組平均直徑，m;

(3)導(dǎo)線中電流i，按照下式確定：

i=Jm×Sm1=16×0.025=0.4

式中：Jm為電流密度，此處取16，A/ mm2；Sm1為實(shí)際的導(dǎo)線截面積，mm2；i為導(dǎo)線中電流，A;

(4)繞組匝數(shù)H，按照下式確定：

H=W實(shí)/i=346/0.4=865

式中：W實(shí)為實(shí)際的安匝數(shù)，A。

3 電磁仿真分析

電樞通電后，產(chǎn)生一個(gè)與磁鋼反向的磁場，此時(shí)氣隙處的磁場大大削弱，摩擦環(huán)與靜鐵心之間磁力線非常稀疏，只有電樞磁場對摩擦環(huán)的磁力與磁鋼對摩擦環(huán)的磁力的合力小于此時(shí)片式彈簧的彈力，片式彈簧才能將摩擦環(huán)拉開，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的解鎖。將磁路計(jì)算的結(jié)果代入到ANSYS Maxwell仿真分析軟件，驗(yàn)證磁路計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，并進(jìn)一步仿真分析永磁失電制動(dòng)器的電磁力等性能參數(shù)。

3.1 仿真模型建立

仿真模型如圖8所示[6]。

圖8 電磁制動(dòng)器二維模型圖

3.2 仿真結(jié)果分析

將磁路計(jì)算結(jié)果代入到仿真分析中，在電磁仿真中設(shè)置匝數(shù)為865匝，導(dǎo)線電流0.4 A，磁鋼材料設(shè)置為溫度系數(shù)小的釤鈷，其他材料按照表3設(shè)置，得出仿真結(jié)果。從圖9中看出，制動(dòng)器磁力線在摩擦環(huán)處比較稀疏，在磁鋼處比較緊密。從圖10中可以看出，定子外殼和定子內(nèi)殼中的磁密在1.7 T以下，導(dǎo)磁體未達(dá)到飽和狀態(tài)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 制動(dòng)器通電后，磁力線分布圖

圖10 制動(dòng)器通電后，磁密分布云圖

如圖11所示，m1、m2代表摩擦環(huán)與電樞之間的氣隙分別為0、250 μm的兩個(gè)位置，X代表的是氣隙的大小，Y代表的是摩擦環(huán)受力的大小。當(dāng)制動(dòng)器通電，在氣隙為0時(shí)，磁鋼和電樞對摩擦環(huán)產(chǎn)生的合力為0.677 N，小于彈簧片形變量為0.25 mm時(shí)產(chǎn)生的彈力16.68 N，實(shí)現(xiàn)解鎖。

圖11 制動(dòng)器通電后，磁鋼和電樞對摩擦環(huán)合力與氣隙關(guān)系圖

如圖11所示，當(dāng)摩擦片回到間隙為250 μm自由位置時(shí)，彈簧片在此位置的彈力為52.7 mN，對比制動(dòng)器斷電時(shí)(圖6)，磁鋼在此處對摩擦片產(chǎn)生的吸力為37.4 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈簧片彈力，因此在失電狀態(tài)，摩擦片會(huì)吸合，重新實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

4 與原理樣機(jī)數(shù)據(jù)對比

按照以上設(shè)計(jì)方法，研制了一臺(tái)永磁失電制動(dòng)器樣機(jī)，樣機(jī)性能對比如表4所示。

表4 樣機(jī)性能對比

樣機(jī)的性能測試結(jié)果表明，本文描述的永磁失電制動(dòng)器設(shè)計(jì)方法是合理可行的。

5 結(jié) 語

本文重點(diǎn)介紹了永磁失電制動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合ANSYS對片式彈簧及二維靜態(tài)磁場進(jìn)行分析，給出了影響永磁制動(dòng)器性能的關(guān)鍵參數(shù)及計(jì)算過程，最后將仿真分析的結(jié)果和樣機(jī)的性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了該永磁制動(dòng)器設(shè)計(jì)方法是可行的。本文基于ANSYS的永磁失電制動(dòng)器的設(shè)計(jì)技術(shù)，對該類制動(dòng)器發(fā)展具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。