電磁失電制動器優化設計與仿真

周金華，李澤世，吳佳浩

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

電磁制動器是一種被廣泛運用于傳動系統中的產品，其主要作用是通過摩擦力抵消傳動機構的動能，從而實現傳動機構的鎖止。隨著應用的不斷升級，對電磁制動器的要求也在不停增加，從最初的制動功能實現到現在的小型化需求、大扭矩需求、快速響應需求等。

本文主要從電磁制動器的制動盤結構及磁路結構入手，設計了一種新型結構，使其可以滿足小型化、大扭矩、快響應的需求。

1 傳統電磁失電制動器原理及結構

傳統電磁失電制動器主要由靜鐵心組件、動鐵心組件、制動盤組件、定板組件構成，如圖1所示。

圖1 傳統制動器結構圖

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

2 新型電磁失電制動器原理及機構

本文設計的新型電磁失電制動器從制動環節和磁路兩部分進行了結構優化，其總裝圖如圖2所示。

圖2 新結構總裝圖

2.1 制動環節結構優化

傳統的制動環節一般由一個制動盤及一個動鐵心組件構成，如圖3所示。

圖3 傳統結構制動環節

當制動盤受到軸向的由彈簧通過動鐵心組件傳遞過來的正壓力后，在摩擦片的作用下，制動盤上將產生一個周向的制動扭矩，從而實現制動器的鎖止功能。其中制動盤、動鐵心組件和定板組件組成一組完整的失電制動摩擦副。

本文設計的制動盤組件部分由多組失電制動摩擦副串聯構成，如圖4所示。

圖4 新型制動器制動環節結構

新型多組失電制動摩擦副的靜環摩擦組件采用齒齒配合，與內齒圈齒部嚙合處于靜止狀態；動環摩擦組件采用齒齒配合，與外齒輪齒部嚙合而處于與電機軸相同的運動狀態。

當多組失電制動摩擦副受到軸向的由彈簧通過動鐵心傳遞過來的正壓力后，每一組失電制動摩擦副都會產生一個周向的制動扭矩。在制動器中采用多層制動盤結構可以有效地提高制動器的制動力矩，使其在相同的彈簧力下，不增加產品直徑，僅通過增加制動盤環節的副數，即能實現迅速增大制動力矩的效果，從而實現制動器對小體積、大扭矩的要求。

2.2 磁路結構優化

由圖1可見，傳統的電磁失電制動器其靜鐵心組件與動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的制動器的功率損耗。本文設計的產品對結構進行了優化，如圖5所示。

圖5 新型靜鐵心與動鐵心接觸面結構

在新型電磁失電動器中其設置了4組失電制動器摩擦副。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。由于電磁失電制動器的能量95%以上損耗在氣隙上，制動器初始氣隙越大則電磁制動器所需的安匝數越大。

為了減小制動器的安匝數且保持必須的工作總氣隙，將動鐵心與靜鐵心原有的平面氣隙(初始氣隙1 mm、工作總氣隙1 mm)改進為動鐵心與靜鐵心配合端面均設置凹凸結構的端面。優化后的初始氣隙為0.15 mm，工作總氣隙為1 mm，大大減小了改進結構后的動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，本制動器所需的安匝數也大大降低，從而也導致靜鐵心組件的體積也大大減小。達到了制動器小體積、大扭矩的要求。

3 磁路仿真結構及分析

3.1 磁路結構仿真對比設計

為驗證本設計產品的電磁結構有效性，將本磁路結構與傳統磁路結構進行了仿真對比，兩種結構的所有參數條件都一致，唯一不同點即動鐵心與靜鐵心的接觸結構，也是本設計的優化點。兩種結構對比圖如圖6所示[3]。

圖6 兩種仿真結構圖

3.2 仿真結果對比

對這兩種結構分別進行仿真，從響應時間、響應速度、電磁力大小等角度進行對比，其對比結果如下表1所示，仿真結果對比圖如表1所示。

表1 結果對比表

圖7為T=0.001 s時，兩模型對比圖。

圖7 傳統結構與新結構仿真結果圖(T=0.001 s)

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

在相同的時間點，新結構的響應位移較傳統結構更大，響應速度更快，但隨著間隙的減少，這種差異會越來越小。這是因為隨著氣隙的減少，氣隙磁阻也在顯著減小，氣隙對電磁力的影響指數級的減弱。

本結構通過減小失電狀態下動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，即使用較少的線圈實現同樣的電磁力，同時可以降低靜鐵心的體積、質量以及產品的電磁功耗。

4 結 語

本文主要從結構及磁路兩方面出發，對本文設計的電磁失電制動器進行了分析及仿真，通過仿真數據發現，本設計方向確實有效，可以減小電磁失電制動器的體積及所需的安匝數，同時可以提高電磁失電制動器的制動力矩。

通常情況下，制動器產品的整個響應時間在25 ms～35 ms之間，每一毫秒的提升都是一種進步。本文設計的磁路結構為初步設計，僅僅從定性的角度驗證了該優化的可行性，后續將通過更多的仿真設計及結構設計尋找到一種效率更高、損耗更小的磁路結構，繼續提升制動器產品的響應速度、減小產品的重量及降低產品的電磁功耗。