舵機用抗振動永磁式制動器的研究與設計

曾曉松 魏雪環 劉勇 趙飛

【摘 要】 在航空航天產品應用中，由于傳統摩擦式電磁制動器在振動下，容易出現鎖制力矩消失，動作不靈敏等問題。針對上述問題設計一種新型永磁式電磁制動器，對其結構及工作原理進行研究設計，用Ansoft Maxwell軟件對其制動性能進行仿真分析，對該新型制動器與傳統摩擦式電磁制動器進行振動試驗，對比兩種制動器鎖制力矩變化及抗振動能力。

【關鍵詞】 永磁式 制動器電磁仿真 抗振動

引 言

電磁制動器是現代生產中常見的一種自動化執行元件，具有使運動部件減速、停止或保持停止狀態等功能，其操作簡單、反應較快[1]。電磁制動器多與電機配套使用，主要包括通電解鎖、斷電制動兩個工作過程。電磁制動器主要有摩擦式電磁制動器和粉末電磁制動器等多種形式[2]。由于摩擦式電磁制動器結構及工作原理簡單，使其得到了廣泛應用。但傳統摩擦式電磁制動器體積大，在惡劣環境下，容易出現鎖制力矩消失，動作不靈敏、安全可靠性差等問題。尤其在航空航天產品應用過程中，對制動器的體積、質量、精度、可靠性等方面要求較高，在振動劇烈的情況下，仍需制動器能夠實現可靠制動。然而傳統摩擦式電磁制動器在振動環境下經常出現鎖制力矩消失的情況，無法實現精準制動，進而偏離預設軌跡。針對傳統摩擦式電磁制動器，在振動環境下容易出現鎖制力矩消失的問題。設計一種體積小、安全可靠、便于安裝的新型永磁式電磁制動器。

1 永磁式電磁制動器結構及工作原理

1.1 永磁式電磁制動器結構

永磁式電磁電制動器主要由動鐵芯和靜鐵芯組成，整體結構如圖1所示。其中動鐵芯主要包括動鐵芯基座、彈簧、摩擦片、鉚釘，靜鐵芯主要包括電樞、外殼、內殼、磁鋼、端環，如圖2所示。傳統摩擦式電磁制動器主要由磁軛、銜鐵、摩擦盤、蓋板、軸套、導柱、彈簧、螺釘組成，如圖3所示。

永磁式摩擦制動器與傳統摩擦式電磁制動器結構的主要區別在于，電磁制動器與電機輸出軸之間由傳統的摩擦副連接變為磁性副連接，磁性副在摩擦副的基礎上減少了摩擦盤和銜鐵，結構較為簡單。

1.2 永磁式電磁制動器工作原理

永磁摩擦式電磁制動器工作過程分為制動過程和解鎖過程。

制動原理：制動器斷電時，制動器中只存在磁鋼產生的磁場，動鐵芯上的摩擦片在磁鋼的磁力作用下克服彈簧彈力，與靜鐵芯端面接觸，接觸端面產生正壓力，從而產生摩擦轉矩，鎖住轉軸，實現鎖制功能。

解鎖原理：制動器通電時，靜鐵芯中電樞通電，產生磁場，當磁鋼產生的磁場被線圈產生的磁場疊加抵消時，摩擦片受到的磁力減弱，當磁力小于彈簧的彈力時，摩擦片沿軸線運動，脫離靜鐵芯端面，實現解鎖。

傳統摩擦式電磁制動器制動為彈簧提供摩擦面之間的正壓力，從而在摩擦副上產生摩擦轉矩。解鎖時線圈繞組通電產生電磁吸力，吸引銜鐵壓縮彈簧，釋放摩擦盤，使制動器處于解鎖狀態。

新型制動器與傳統制動器工作的主要卻別在于，提供摩擦副間的壓力由彈簧彈力變為磁鋼磁力，磁鋼磁力在振動情況下較彈簧彈力更為穩定，不受振動、沖擊等力學環境因素影響，工作更穩定

2 制動器性能設計

2.1 靜態鎖制力矩分析

當一內外半徑分別為R1、R2（R1>R2）的圓環受到沿軸向的正壓力F，摩擦系數為u時，其旋轉時所受的摩擦力矩求解如下：

單位面積環所受壓強為：

（1）

取距圓心r處的微圓環，其徑向寬度為dr，則其面積為：

（2）

微環所受壓力：

（3）

摩擦力：

（4）

摩擦力矩：

（5）

對摩擦力矩從R2到R1積分，得圓環受摩擦力矩為：

（6）

2.2 制動器電磁設計

針對某舵機所需制動器性能及尺寸要求，得到制動器基本指標和內外殼尺寸，如表1和表2所示。在Ansoft Maxwell中建立制動器有限元模型，如圖4所示。并對制動器的工作過程進行仿真分析。

2.2.1制動性能分析

制動器制動時，制動器中只存在磁鋼產生的磁場。制動吸合時，磁力線和磁感應強度分布如圖5（a） 、（b）所示。

從圖5（a）可知，磁鋼產生的磁路由兩部分組成，一部分從磁鋼出發，經過內殼凸臺，到達摩擦片，再經過外殼回到磁鋼。這部分的磁路磁阻較小，磁力線分布較為密集；另一部分從磁鋼出發，經過內殼的下端到達制動器的端環，經過墊圈、外殼回到磁鋼。這部分的磁路磁阻較大，磁力線分布較為稀疏。從圖5（b）可知，磁感應強度較大的區域位于上半區域。制動器制動時，主要靠上半區產生的磁力吸引摩擦片產生制動效果。

制動器制動時，摩擦片所受電磁力隨間距變化的曲線，如圖6所示。摩擦片在制動開始和結束時所受到的電磁力分別為4.26N、66.7N。

2.2.2 解鎖性能分析

制動器解鎖時，制動器中的磁場為磁鋼和線圈的疊加磁場。制動器中的磁力線和磁感應強度分布如圖7（a） 、（b）所示。

從圖7（a）可知，制動時磁力線較為密集的部分位于制動器的下端，這部分的磁力線從磁鋼出發，經過內殼的下端到達制動器的端環，再經過外殼回到磁鋼。從圖7（b）可看出，磁感應強度較大的區域位于制動器的下半區域。制動器解鎖時，摩擦片所受電磁力較小。

制動器解鎖時，摩擦片所受的電磁力隨間距變化的曲線，如圖8所示。摩擦片在解鎖開始和結束時所受到的電磁力為0.59N、0.08N。

制動器采用標準彈簧，提供的彈力為1.8N，由上述分析，摩擦片在制動時所受電磁力為4.26N～66.7N，所受最小電磁力4.26N大于1.8N可實現可靠制動。摩擦片在解鎖過程中所受到的電磁力為0.59N～0.08N。所受最大電磁力0.59N小于1.8N，可實現解鎖。