快速電磁制動(dòng)器創(chuàng)新性技術(shù)的研究

韓桂新

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

隨著科技的進(jìn)步和生產(chǎn)、生活水平的提高，對(duì)快速制動(dòng)效果的要求也越來(lái)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(duì)小型電磁制動(dòng)電機(jī)也有著廣泛的需求。所以，中小型電磁制動(dòng)器（電機(jī)）有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 快速電磁制動(dòng)器設(shè)計(jì)思想及工作原理

1.1 制動(dòng)器制動(dòng)方案的確定

根據(jù)機(jī)床電機(jī)、編織電機(jī)頻繁起動(dòng)、間隙運(yùn)行、快速定位的特殊運(yùn)行要求和特點(diǎn)，既要求快速停車定位，又避開(kāi)了以往斷電制動(dòng)時(shí)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行短暫停機(jī)帶來(lái)制動(dòng)器電磁線圈長(zhǎng)期通電的運(yùn)行缺陷，故在制動(dòng)器原理設(shè)計(jì)上，選取了“斷電制動(dòng)”的總體制動(dòng)方案。

1.2 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)方案的確定

快速電磁制動(dòng)器（本快速電磁制動(dòng)器已獲批國(guó)家新型專利，其專利號(hào)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(dòng)電機(jī)接入電源，制動(dòng)器也同時(shí)工作，由于電磁吸力作用電磁鐵吸引銜鐵并壓縮彈簧，制動(dòng)盤與銜鐵、端蓋脫開(kāi)（請(qǐng)注意：此時(shí)銜鐵11 與勵(lì)磁線圈座形成工作間隙），電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)切斷 電源時(shí)，制動(dòng)器電磁鐵失去電磁吸引力，彈簧推動(dòng)銜鐵壓緊制動(dòng)盤，在摩擦力矩的作用下，電動(dòng)機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 快速電磁制動(dòng)器裝配圖

1.3 電磁制動(dòng)器控制電路設(shè)計(jì)

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

本控制器控制電路，在設(shè)計(jì)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(shí)，將制動(dòng)器控制電源與電機(jī)起動(dòng)特性[3]有機(jī)結(jié)合，巧妙而簡(jiǎn)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(dòng)器控制電源，從而實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)器控制電源與制動(dòng)器工作特性的最佳匹配。

2 快速電磁制動(dòng)器創(chuàng)新性技術(shù)特點(diǎn)分析

本快速電磁制動(dòng)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(dòng)過(guò)程初始的5～7 倍額定電流IN的過(guò)電流現(xiàn)象，以及短暫起動(dòng)過(guò)程后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)額定電流IN（及以下）的運(yùn)行這樣一個(gè)電流變化過(guò)程，通過(guò)電流互感器變送，就給電磁制動(dòng)器線圈提供了一個(gè)具有5～7 倍調(diào)節(jié)能力的可調(diào)勵(lì)磁電流源，而且在這個(gè)過(guò)程中，5～7 倍的大電流正好用于制動(dòng)器吸合，額定電流運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)用于制動(dòng)器維持電流，更可貴的是，對(duì)一般小型電機(jī)而言，這一“電流調(diào)節(jié)”過(guò)程由電機(jī)在2～3s 起動(dòng)過(guò)程內(nèi)“自動(dòng)”完成，無(wú)需任何額外的控制調(diào)節(jié)電路，并且實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)器電流控制特性與電機(jī)起動(dòng)電流特性的“最佳匹配”。

2.1 電磁制動(dòng)器的快速性分析與設(shè)計(jì)

1）吸合動(dòng)作分析

傳統(tǒng)電壓源控制制動(dòng)器，是圍繞著吸合電流大小的需要進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)的，滿足需要的吸合電流就是制動(dòng)器的穩(wěn)態(tài)工作電流（因?yàn)殡妷涸床徽{(diào)整）。制動(dòng)器線圈得電后的吸合電流如圖2中線段1 所示，由于制動(dòng)器線圈存在較大的電感，所以勵(lì)磁電流（對(duì)應(yīng)磁勢(shì)）按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)t2時(shí)刻電流上升到制動(dòng)器吸合所需磁動(dòng)勢(shì)（直線6）時(shí)，制動(dòng)器開(kāi)始吸合。

而本設(shè)計(jì)的電流源型制動(dòng)器，在5～7 倍起動(dòng)強(qiáng)電流所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁磁勢(shì)下工作，見(jiàn)圖2中線段2，同樣，在t1時(shí)刻勵(lì)磁磁勢(shì)上升到吸合所需磁勢(shì)，制動(dòng)器開(kāi)始吸合動(dòng)作。圖中明顯看出，t1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于t2，而且達(dá)到吸合磁勢(shì)壓力盤開(kāi)始后動(dòng)作后，線段2 比線段1 的磁動(dòng)勢(shì)上升率快很多，線段2 的全吸合時(shí)間要比線段1 快更多?？梢?jiàn)本電流型制動(dòng)器有著很快的吸合動(dòng)作特性。

圖2 兩種控制方式下制動(dòng)器動(dòng)作磁勢(shì)和時(shí)間分析圖

2）釋放動(dòng)作分析

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

本設(shè)計(jì)的電流源型制動(dòng)器，經(jīng)電機(jī)起動(dòng)強(qiáng)電流吸合后，到釋放動(dòng)作前，實(shí)際工作磁勢(shì)對(duì)應(yīng)于電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流，只要保證電機(jī)空載運(yùn)行電流所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)器勵(lì)磁磁勢(shì)大于制動(dòng)器維持電流磁勢(shì)即可。假定t3時(shí)刻電機(jī)在額定電流下斷電停機(jī)，則制動(dòng)器按照線段4 續(xù)流衰減，到達(dá)t4時(shí)刻后，線圈續(xù)流磁勢(shì)才開(kāi)始小于制動(dòng)器維持磁勢(shì)（見(jiàn)直線8），此時(shí)刻壓力盤6 開(kāi)始釋放移動(dòng)。

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

而制動(dòng)器真正的制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)能力或制動(dòng)精度，正是取決于上述釋放制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)力矩。所以，在同等條件下，制動(dòng)釋放響應(yīng)時(shí)間越快，制動(dòng)性能越好，制動(dòng)定位精度也越高。

2.2 電磁制動(dòng)器的溫升及可靠性分析與設(shè)計(jì)

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

擊電流完成制動(dòng)器的吸合動(dòng)作，經(jīng)過(guò)幾秒鐘的電機(jī)起動(dòng)過(guò)程，電機(jī)電流就回歸到額定電流以內(nèi)了，所以，這種制動(dòng)器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁磁勢(shì)只有起動(dòng)電流所對(duì)應(yīng)的吸合磁勢(shì)的1/5 到1/7（設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證大于維持電流磁勢(shì)），故制動(dòng)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(dòng)器的可靠性。

3 電磁制動(dòng)器設(shè)計(jì)分析與計(jì)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(dòng)器樣機(jī)電磁機(jī)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 制動(dòng)器電磁鐵機(jī)構(gòu)尺寸圖

樣機(jī)電磁制動(dòng)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(dòng)器摩擦片摩擦系數(shù)μ=0.33 計(jì)算，產(chǎn)生與電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩相等的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，所需正壓力為

3.2 三維有限元校核計(jì)算

在上述概算的基礎(chǔ)上，初步確定了制動(dòng)器電磁鐵的基本結(jié)構(gòu)尺寸，然后利用Maxwell3D 瞬態(tài)場(chǎng)求解，精確校核計(jì)算制動(dòng)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(chǎng)求解，為計(jì)算不同氣隙大小時(shí)電磁力大小，設(shè)置銜鐵的運(yùn)行速度為1mm/s，時(shí)間為4s，記錄0s、1s、2s、3s、4s 銜鐵對(duì)應(yīng)的位置所受力，實(shí)際上就是對(duì)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(dòng)器電磁鐵線圈中流過(guò)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(lì)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(jì)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(duì)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(lì)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(duì)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(lì)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(duì)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(jì)算，得出制動(dòng)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(shí)，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(dòng)器的維持電流設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

2#、3#、4#、5#曲線分別是氣隙為1mm、2mm、3mm、4mm 時(shí)的電磁鐵“吸合力——電密”特性曲線，計(jì)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(dòng)器的工作氣隙就設(shè)計(jì)在2mm，所以，由3#曲線可以選擇、校核制動(dòng)器的吸合電流設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

1）普通電磁制動(dòng)器已不能滿足生產(chǎn)生活需要，本快速電磁制動(dòng)器摒棄了傳統(tǒng)的電壓源供電模式，將制動(dòng)器控制電源與電機(jī)起動(dòng)特性有機(jī)結(jié)合，巧妙的運(yùn)用了電機(jī)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的5～7 倍額定電流，而簡(jiǎn)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(dòng)器控制電源的產(chǎn)品創(chuàng)新性。

2）以Y160M-6 樣機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)有限元仿真和定量分析，得出了制動(dòng)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(dòng)器工作氣隙——制動(dòng)器工作氣隙2mm；制動(dòng)轉(zhuǎn)矩=電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；說(shuō)明了分析方法的正確。

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

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