周金華，李澤世，吳佳浩

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

電磁制動(dòng)器是一種被廣泛運(yùn)用于傳動(dòng)系統(tǒng)中的產(chǎn)品，其主要作用是通過摩擦力抵消傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)能，從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的鎖止。隨著應(yīng)用的不斷升級，對電磁制動(dòng)器的要求也在不停增加，從最初的制動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)到現(xiàn)在的小型化需求、大扭矩需求、快速響應(yīng)需求等。

本文主要從電磁制動(dòng)器的制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)及磁路結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)，使其可以滿足小型化、大扭矩、快響應(yīng)的需求。

1 傳統(tǒng)電磁失電制動(dòng)器原理及結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)電磁失電制動(dòng)器主要由靜鐵心組件、動(dòng)鐵心組件、制動(dòng)盤組件、定板組件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

其工作原理是：通電時(shí)，靜鐵心組件中的線圈產(chǎn)生的電磁吸力將動(dòng)鐵心組件吸引并壓靠靜鐵心組件右端面，同時(shí)壓縮彈簧，使得動(dòng)鐵心與靜鐵心吸合。此時(shí)，制動(dòng)盤組件上由彈簧產(chǎn)生的正壓力被電磁力抵消，制動(dòng)盤組件可以自由旋轉(zhuǎn)。斷電時(shí)，由線圈產(chǎn)生的電磁力消失，動(dòng)鐵心組件在彈簧力的作用下與靜鐵心脫開，制動(dòng)盤組件受到動(dòng)鐵心組件傳遞過來的正壓力后，在摩擦力的作用下，產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)扭矩，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的鎖止功能[1]。

2 新型電磁失電制動(dòng)器原理及機(jī)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的新型電磁失電制動(dòng)器從制動(dòng)環(huán)節(jié)和磁路兩部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其總裝圖如圖2所示。

圖2 新結(jié)構(gòu)總裝圖

2.1 制動(dòng)環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)的制動(dòng)環(huán)節(jié)一般由一個(gè)制動(dòng)盤及一個(gè)動(dòng)鐵心組件構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)制動(dòng)環(huán)節(jié)

當(dāng)制動(dòng)盤受到軸向的由彈簧通過動(dòng)鐵心組件傳遞過來的正壓力后，在摩擦片的作用下，制動(dòng)盤上將產(chǎn)生一個(gè)周向的制動(dòng)扭矩，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的鎖止功能。其中制動(dòng)盤、動(dòng)鐵心組件和定板組件組成一組完整的失電制動(dòng)摩擦副。

本文設(shè)計(jì)的制動(dòng)盤組件部分由多組失電制動(dòng)摩擦副串聯(lián)構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 新型制動(dòng)器制動(dòng)環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)

新型多組失電制動(dòng)摩擦副的靜環(huán)摩擦組件采用齒齒配合，與內(nèi)齒圈齒部嚙合處于靜止?fàn)顟B(tài)；動(dòng)環(huán)摩擦組件采用齒齒配合，與外齒輪齒部嚙合而處于與電機(jī)軸相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

當(dāng)多組失電制動(dòng)摩擦副受到軸向的由彈簧通過動(dòng)鐵心傳遞過來的正壓力后，每一組失電制動(dòng)摩擦副都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周向的制動(dòng)扭矩。在制動(dòng)器中采用多層制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)可以有效地提高制動(dòng)器的制動(dòng)力矩，使其在相同的彈簧力下，不增加產(chǎn)品直徑，僅通過增加制動(dòng)盤環(huán)節(jié)的副數(shù)，即能實(shí)現(xiàn)迅速增大制動(dòng)力矩的效果，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器對小體積、大扭矩的要求。

2.2 磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由圖1可見，傳統(tǒng)的電磁失電制動(dòng)器其靜鐵心組件與動(dòng)鐵心組件的接觸面為平面，其工作間隙即為兩平面之間的間隙，通常不小于0.25 mm。由于氣隙對磁路中的磁壓降影響巨大，因此工作間隙的大小將直接影響工作時(shí)的制動(dòng)器的功率損耗。本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖5所示。

圖5 新型靜鐵心與動(dòng)鐵心接觸面結(jié)構(gòu)

在新型電磁失電動(dòng)器中其設(shè)置了4組失電制動(dòng)器摩擦副。若每組所需的釋放間隙為0.25 mm，則該4組失電制動(dòng)器摩擦副總共需要1 mm的工作總釋放間隙。由于電磁失電制動(dòng)器的能量95%以上損耗在氣隙上，制動(dòng)器初始?xì)庀对酱髣t電磁制動(dòng)器所需的安匝數(shù)越大。

為了減小制動(dòng)器的安匝數(shù)且保持必須的工作總氣隙，將動(dòng)鐵心與靜鐵心原有的平面氣隙(初始?xì)庀? mm、工作總氣隙1 mm)改進(jìn)為動(dòng)鐵心與靜鐵心配合端面均設(shè)置凹凸結(jié)構(gòu)的端面。優(yōu)化后的初始?xì)庀稙?.15 mm，工作總氣隙為1 mm，大大減小了改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的動(dòng)鐵心和靜鐵心之間的初始磁路氣隙，并保持工作總工作總氣隙1 mm不變。

隨著初始磁路氣隙大大減小，本制動(dòng)器所需的安匝數(shù)也大大降低，從而也導(dǎo)致靜鐵心組件的體積也大大減小。達(dá)到了制動(dòng)器小體積、大扭矩的要求。

3 磁路仿真結(jié)構(gòu)及分析

3.1 磁路結(jié)構(gòu)仿真對比設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)產(chǎn)品的電磁結(jié)構(gòu)有效性，將本磁路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真對比，兩種結(jié)構(gòu)的所有參數(shù)條件都一致，唯一不同點(diǎn)即動(dòng)鐵心與靜鐵心的接觸結(jié)構(gòu)，也是本設(shè)計(jì)的優(yōu)化點(diǎn)。兩種結(jié)構(gòu)對比圖如圖6所示[3]。

圖6 兩種仿真結(jié)構(gòu)圖

3.2 仿真結(jié)果對比

對這兩種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行仿真，從響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)速度、電磁力大小等角度進(jìn)行對比，其對比結(jié)果如下表1所示，仿真結(jié)果對比圖如表1所示。

表1 結(jié)果對比表

圖7為T=0.001 s時(shí)，兩模型對比圖。

圖7 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果圖(T=0.001 s)

由表1可見，在T=0.000 10 s時(shí)，新結(jié)構(gòu)的位移為0.266 126 mm，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的位移為0.226 414 mm，提升了17.54%的位移量；在T=0.000 15 s時(shí)，新結(jié)構(gòu)的位移為0.556 942 mm，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的位移為0.505 706 mm，提升了10.1%的位移量；在T=0.000 20 s時(shí)，新結(jié)構(gòu)的位移為0.958 6 mm，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的位移為0.903 543 mm，提升了6.09%的位移量；在T=0.000 25 s時(shí)，新結(jié)構(gòu)的位移為1.477 493 mm，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的位移為1.430 592 mm，提升了3.27%的位移量；

在相同的時(shí)間點(diǎn)，新結(jié)構(gòu)的響應(yīng)位移較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更大，響應(yīng)速度更快，但隨著間隙的減少，這種差異會(huì)越來越小。這是因?yàn)殡S著氣隙的減少，氣隙磁阻也在顯著減小，氣隙對電磁力的影響指數(shù)級的減弱。

本結(jié)構(gòu)通過減小失電狀態(tài)下動(dòng)鐵心與靜鐵心之間的磁路氣隙，大大降低線圈組件所需的安匝數(shù)，即使用較少的線圈實(shí)現(xiàn)同樣的電磁力，同時(shí)可以降低靜鐵心的體積、質(zhì)量以及產(chǎn)品的電磁功耗。

4 結(jié) 語

本文主要從結(jié)構(gòu)及磁路兩方面出發(fā)，對本文設(shè)計(jì)的電磁失電制動(dòng)器進(jìn)行了分析及仿真，通過仿真數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)方向確實(shí)有效，可以減小電磁失電制動(dòng)器的體積及所需的安匝數(shù)，同時(shí)可以提高電磁失電制動(dòng)器的制動(dòng)力矩。

通常情況下，制動(dòng)器產(chǎn)品的整個(gè)響應(yīng)時(shí)間在25 ms～35 ms之間，每一毫秒的提升都是一種進(jìn)步。本文設(shè)計(jì)的磁路結(jié)構(gòu)為初步設(shè)計(jì)，僅僅從定性的角度驗(yàn)證了該優(yōu)化的可行性，后續(xù)將通過更多的仿真設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尋找到一種效率更高、損耗更小的磁路結(jié)構(gòu)，繼續(xù)提升制動(dòng)器產(chǎn)品的響應(yīng)速度、減小產(chǎn)品的重量及降低產(chǎn)品的電磁功耗。