李文正，張穩(wěn)橋，曾曉松，趙 飛

(貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

制動(dòng)器作為零位鎖制設(shè)備，利用彈力、磁力或電磁力等相互作用，在鎖制狀態(tài)下通過(guò)相互作用面之間的摩擦力矩起到制動(dòng)效果。目前應(yīng)用比較廣泛的主要有機(jī)械式制動(dòng)器、電磁式制動(dòng)器兩大類，而電磁制動(dòng)器還可以按照鎖制狀態(tài)下受到的正壓力的方式分為彈簧式電磁制動(dòng)器、電渦流式電磁制動(dòng)器以及永磁式電磁制動(dòng)器等[1-2]。與機(jī)械式制動(dòng)器相比，電磁制動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、控制方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、重型工業(yè)、精密器械等領(lǐng)域[3]。

文章根據(jù)某型號(hào)微型制動(dòng)器工作原理進(jìn)行分析并進(jìn)行仿真建模，在此基礎(chǔ)上結(jié)合電流的磁效應(yīng)，通過(guò)控制器改變電流方向，對(duì)該制動(dòng)器的制動(dòng)性能進(jìn)行優(yōu)化分析，提高制動(dòng)器的可靠性。

1 永磁式制動(dòng)器性能分析

1.1 制動(dòng)器工作原理

永磁制動(dòng)器由磁軛、線圈、端環(huán)、摩擦盤等組成，磁軛、端環(huán)與摩擦盤共同組成制動(dòng)器磁路結(jié)構(gòu)。通過(guò)永磁體對(duì)導(dǎo)磁金屬摩擦盤的吸附作用產(chǎn)生制動(dòng)力矩。制動(dòng)器工作原理分為制動(dòng)原理及解鎖原理兩部分[4]。

1.制動(dòng)原理：斷電時(shí)制動(dòng)器中只存在磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)，摩擦盤在磁鋼的磁力作用下克服片式彈簧的彈力，與端環(huán)接觸，接觸端面產(chǎn)生正壓力，從而在接觸面產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)矩，鎖住轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)鎖制功能。

2.解鎖原理：制動(dòng)器通電時(shí)線圈中通過(guò)電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)，線圈磁場(chǎng)與磁鋼磁場(chǎng)在摩擦盤處耦合疊加，當(dāng)磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)被線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加抵消時(shí)，摩擦盤受到的磁力減弱，當(dāng)磁力小于片式彈簧的彈力時(shí)，摩擦盤沿軸線運(yùn)動(dòng)，脫離磁軛、端環(huán)端面，實(shí)現(xiàn)解鎖。

1.2 制動(dòng)力矩分析

根據(jù)制動(dòng)器工作原理圖可以看出，當(dāng)摩擦盤內(nèi)外半徑分別為R1、R2（R1＞R2）的兩個(gè)圓環(huán)物體受到沿軸向的正壓力F，摩擦系數(shù)為μ時(shí)，鎖制狀態(tài)下兩個(gè)接觸面之間所受到的摩擦力矩如式（1）所示。

摩擦盤在鎖制狀態(tài)下受到的正壓力F如式（2）所示：

將式（2）帶入式（1）中可以得到永磁式失電制動(dòng)器在鎖制狀態(tài)下的制動(dòng)力矩為：

根據(jù)式（3）可以看出，當(dāng)摩擦盤形狀確定后制動(dòng)力矩的大小跟永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度、和解鎖狀態(tài)下兩配合面之間的間隙有關(guān)，且磁感應(yīng)強(qiáng)度越大、間隙越小，制動(dòng)器的制動(dòng)力矩越大。解鎖狀態(tài)下，彈簧片的彈力大于制動(dòng)器的磁力，靜、動(dòng)鐵芯相互脫離，制動(dòng)器解鎖，電機(jī)等產(chǎn)品可以自由運(yùn)轉(zhuǎn)，因此不進(jìn)行制動(dòng)力矩分析。

2 仿真驗(yàn)證

根據(jù)某型號(hào)微型永磁失電制動(dòng)器為依據(jù)。對(duì)該制動(dòng)器建立Maxwell 仿真模型，在制動(dòng)狀態(tài)下通過(guò)控制器通反向電流對(duì)靜鐵芯增磁，增大鎖制狀態(tài)下的電磁力從而提高制動(dòng)器的制動(dòng)力矩，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證[5]。

2.1 樣品仿真驗(yàn)證

當(dāng)進(jìn)行制動(dòng)狀態(tài)仿真時(shí)，摩擦盤在永磁體自身磁力的作用下與靜鐵芯貼合，通過(guò)兩者接觸面的摩擦力矩阻礙動(dòng)鐵芯的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到制動(dòng)效果；當(dāng)進(jìn)行解鎖狀態(tài)仿真時(shí)，線圈通電在永磁體周圍產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)，此時(shí)摩擦盤所受到的拉力大于靜鐵芯對(duì)其的磁力，摩擦盤遠(yuǎn)離靜鐵芯，制動(dòng)器處于解鎖狀態(tài)。對(duì)兩種狀態(tài)進(jìn)行二維仿真分析，其仿真結(jié)果如圖1 所示。

圖1 初始制動(dòng)器鎖制部件運(yùn)動(dòng)曲線

根據(jù)制動(dòng)器運(yùn)動(dòng)部件的磁力曲線可以看出，制動(dòng)器的仿真曲線符合制動(dòng)器的工作原理。根據(jù)圖1 可知當(dāng)制動(dòng)器處于鎖制狀態(tài)開始進(jìn)行解鎖時(shí)，制動(dòng)器開始進(jìn)行通電，動(dòng)摩擦盤并沒有立即受到拉力的作用而產(chǎn)生位移，隨著電流的增大，靜鐵芯受到電流的去磁作用，摩擦盤所受到的磁力逐漸降低，從80ms 后運(yùn)動(dòng)部件所受到彈簧片拉力的作用下逐漸大于摩擦盤所受到的磁力，運(yùn)動(dòng)部件逐漸遠(yuǎn)離靜鐵芯；隨著時(shí)間的增加，摩擦盤逐漸遠(yuǎn)離靜鐵芯直到最大位移不再發(fā)生改變，此時(shí)制動(dòng)器可以正常解鎖。同理可以看出，當(dāng)制動(dòng)器處于解鎖狀態(tài)開始制動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件所受合力和位移逐漸變大，與制動(dòng)器在進(jìn)行解鎖時(shí)曲線運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)恰好相反，此時(shí)制動(dòng)器并沒有通電，制動(dòng)器依靠永磁體的磁力作用對(duì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)鐵芯的鎖制。通過(guò)對(duì)制動(dòng)器仿真模型分析，并結(jié)合與以往學(xué)者[6-7]對(duì)制動(dòng)器的仿真分析可以得出，對(duì)該型號(hào)失電制動(dòng)器進(jìn)行二維有限元仿真分析，其仿真結(jié)果符合建模需求。

2.2 樣品仿真優(yōu)化

制動(dòng)器在使用時(shí)需要滿足制動(dòng)需求，對(duì)于已經(jīng)成型的產(chǎn)品，在無(wú)法改變材料、結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提高產(chǎn)品的可靠性，可以改變制動(dòng)器的工作方式。針對(duì)制動(dòng)器的工作原理，從原先的失電制動(dòng)改為在控制器的作用下通反向電流增大永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度不僅可以給永磁體進(jìn)行充磁，還可以進(jìn)一步提高制動(dòng)器的制動(dòng)力矩，增大制動(dòng)器工作時(shí)的可靠性。

為了驗(yàn)證該理論所能夠提高的實(shí)際工作效果，對(duì)該型號(hào)制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)狀態(tài)二維有限元電磁仿真分析，其制動(dòng)器增磁狀態(tài)下鎖制的仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 完善后制動(dòng)器鎖制部件運(yùn)動(dòng)曲線

通過(guò)對(duì)圖2 中制動(dòng)器鎖制的仿真結(jié)果分析可以看出，在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)通反向電流進(jìn)行勵(lì)磁，運(yùn)動(dòng)部件的位移和彈力曲線與原制動(dòng)器鎖制曲線基本一致，仿真曲線在經(jīng)過(guò)100ms 以后達(dá)到最大值196.6N，相比沒有通電增磁情況下制動(dòng)器的最大磁力增加了約3.7 倍，極大地增加了鎖制狀態(tài)下摩擦盤所受到的合力，由式（3）制動(dòng)力矩?cái)?shù)學(xué)模型可以得出，當(dāng)其他變量不發(fā)生改變時(shí)，制動(dòng)力矩與運(yùn)動(dòng)部件的合力成正比；整個(gè)模型鎖制狀態(tài)下所受到的制動(dòng)力矩提高了約370%，極大地提高了制動(dòng)器工作時(shí)的制動(dòng)范圍和可靠性。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真分析是否準(zhǔn)確可靠，文章利用直流電源控制器、扭矩扳手等裝置對(duì)該型號(hào)制動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本文從一批產(chǎn)品中選取5 臺(tái)制動(dòng)器分別對(duì)其進(jìn)行制動(dòng)力矩測(cè)試試驗(yàn)，每臺(tái)制動(dòng)器測(cè)順逆兩個(gè)方向，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)表1 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可以看出，制動(dòng)器通電鎖制相比原先失電鎖制時(shí)制動(dòng)力矩增幅250%左右，考慮到實(shí)際測(cè)量時(shí)在每臺(tái)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩不僅和磁力合力有關(guān)，還受到靜、動(dòng)鐵芯磨合面、繞線電機(jī)、溫度、測(cè)量等方面存在的影響和誤差，相比二維有限元電磁仿真時(shí)電磁合力提高370%，實(shí)際測(cè)量增幅相比仿真數(shù)據(jù)偏小，結(jié)果數(shù)據(jù)合理，進(jìn)一步驗(yàn)證制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)通過(guò)反向通電勵(lì)磁不僅能夠提高制動(dòng)器的制動(dòng)力矩，增加制動(dòng)力矩的工作范圍，還進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)的可靠性。

3 結(jié)論

本文對(duì)永磁制動(dòng)器的工作原理進(jìn)行了分析，在建模仿真的基礎(chǔ)上結(jié)合電流的磁效應(yīng)對(duì)制動(dòng)器的工作狀態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化，提出在制動(dòng)器鎖制狀態(tài)時(shí)通過(guò)控制器進(jìn)行反向充磁增大制動(dòng)器的制動(dòng)力矩，并通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證可以得出該方法是合理有效的，不僅可以提高制動(dòng)器的制動(dòng)力矩增加產(chǎn)品的可靠性，還可以擴(kuò)大現(xiàn)有產(chǎn)品的使用范圍，增加產(chǎn)品使用效率，降低成本。