永磁制動器動制動力矩仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

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 550000)

制動器作為零位鎖制設(shè)備，利用彈力、磁力或電磁力等相互作用，在鎖制狀態(tài)下通過相互作用面之間的摩擦力矩起到制動效果。目前應(yīng)用比較廣泛的主要有機(jī)械式制動器、電磁式制動器兩大類，而電磁制動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器、電渦流式電磁制動器以及永磁式電磁制動器等[1-2]。與機(jī)械式制動器相比，電磁制動器具有結(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)某型號微型制動器工作原理進(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)，通過控制器改變電流方向，對該制動器的制動性能進(jìn)行優(yōu)化分析，提高制動器的可靠性。

1 永磁式制動器性能分析

1.1 制動器工作原理

永磁制動器由磁軛、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器磁路結(jié)構(gòu)。通過永磁體對導(dǎo)磁金屬摩擦盤的吸附作用產(chǎn)生制動力矩。制動器工作原理分為制動原理及解鎖原理兩部分[4]。

1.制動原理：斷電時制動器中只存在磁鋼產(chǎn)生的磁場，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：制動器通電時線圈中通過電流，產(chǎn)生磁場，線圈磁場與磁鋼磁場在摩擦盤處耦合疊加，當(dāng)磁鋼產(chǎn)生的磁場被線圈產(chǎn)生的磁場疊加抵消時，摩擦盤受到的磁力減弱，當(dāng)磁力小于片式彈簧的彈力時，摩擦盤沿軸線運(yùn)動，脫離磁軛、端環(huán)端面，實(shí)現(xiàn)解鎖。

1.2 制動力矩分析

根據(jù)制動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）的兩個圓環(huán)物體受到沿軸向的正壓力F，摩擦系數(shù)為μ時，鎖制狀態(tài)下兩個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器在鎖制狀態(tài)下的制動力矩為：

根據(jù)式（3）可以看出，當(dāng)摩擦盤形狀確定后制動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，制動器的制動力矩越大。解鎖狀態(tài)下，彈簧片的彈力大于制動器的磁力，靜、動鐵芯相互脫離，制動器解鎖，電機(jī)等產(chǎn)品可以自由運(yùn)轉(zhuǎn)，因此不進(jìn)行制動力矩分析。

2 仿真驗(yàn)證

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

2.1 樣品仿真驗(yàn)證

當(dāng)進(jìn)行制動狀態(tài)仿真時，摩擦盤在永磁體自身磁力的作用下與靜鐵芯貼合，通過兩者接觸面的摩擦力矩阻礙動鐵芯的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到制動效果；當(dāng)進(jìn)行解鎖狀態(tài)仿真時，線圈通電在永磁體周圍產(chǎn)生相反的磁場，此時摩擦盤所受到的拉力大于靜鐵芯對其的磁力，摩擦盤遠(yuǎn)離靜鐵芯，制動器處于解鎖狀態(tài)。對兩種狀態(tài)進(jìn)行二維仿真分析，其仿真結(jié)果如圖1 所示。

圖1 初始制動器鎖制部件運(yùn)動曲線

根據(jù)制動器運(yùn)動部件的磁力曲線可以看出，制動器的仿真曲線符合制動器的工作原理。根據(jù)圖1 可知當(dāng)制動器處于鎖制狀態(tài)開始進(jìn)行解鎖時，制動器開始進(jìn)行通電，動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)動部件逐漸遠(yuǎn)離靜鐵芯；隨著時間的增加，摩擦盤逐漸遠(yuǎn)離靜鐵芯直到最大位移不再發(fā)生改變，此時制動器可以正常解鎖。同理可以看出，當(dāng)制動器處于解鎖狀態(tài)開始制動時，運(yùn)動部件所受合力和位移逐漸變大，與制動器在進(jìn)行解鎖時曲線運(yùn)動趨勢恰好相反，此時制動器并沒有通電，制動器依靠永磁體的磁力作用對實(shí)現(xiàn)動鐵芯的鎖制。通過對制動器仿真模型分析，并結(jié)合與以往學(xué)者[6-7]對制動器的仿真分析可以得出，對該型號失電制動器進(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

制動器在使用時需要滿足制動需求，對于已經(jīng)成型的產(chǎn)品，在無法改變材料、結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提高產(chǎn)品的可靠性，可以改變制動器的工作方式。針對制動器的工作原理，從原先的失電制動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)一步提高制動器的制動力矩，增大制動器工作時的可靠性。

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

圖2 完善后制動器鎖制部件運(yùn)動曲線

通過對圖2 中制動器鎖制的仿真結(jié)果分析可以看出，在制動狀態(tài)時通反向電流進(jìn)行勵磁，運(yùn)動部件的位移和彈力曲線與原制動器鎖制曲線基本一致，仿真曲線在經(jīng)過100ms 以后達(dá)到最大值196.6N，相比沒有通電增磁情況下制動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，制動力矩與運(yùn)動部件的合力成正比；整個模型鎖制狀態(tài)下所受到的制動力矩提高了約370%，極大地提高了制動器工作時的制動范圍和可靠性。

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、扭矩扳手等裝置對該型號制動器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本文從一批產(chǎn)品中選取5 臺制動器分別對其進(jìn)行制動力矩測試試驗(yàn)，每臺制動器測順逆兩個方向，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

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

3 結(jié)論

本文對永磁制動器的工作原理進(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)對制動器的工作狀態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化，提出在制動器鎖制狀態(tài)時通過控制器進(jìn)行反向充磁增大制動器的制動力矩，并通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證可以得出該方法是合理有效的，不僅可以提高制動器的制動力矩增加產(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。