國外彈簧加壓式電磁安全制動器的發展現狀

李云玲

（科比傳動技術（上海）有限公司，北京 100013）

0 引言

彈簧加壓式電磁制動器主要作為安全制動器安裝在電機上，以制動電機產品的型式廣泛應用于起重、電梯等行業，是保證設備安全正常工作的關鍵部件之一。隨著工業自動化、智能化的飛速發展，對電磁制動器的安全性、可靠性、平穩舒適性、低噪音、耐高溫/低溫/高濕/腐蝕、壽命等方面不斷提出更高的要求。

目前，國內外對電磁制動器研究的重點在于優化設計、穩健設計及制動器控制電路設計等方面。國外對電磁制動系統的研發工作開展得非常深入，在制動器優化設計方面主要致力于制動器的NVH（Noice，Vibration and Harshness）研究[1-2]，即研究方向是低噪音、高抗振、適應嚴酷環境。國內學者[3-7]對盤式電磁制動器的優化設計研究得比較充分，但在穩健設計方面尚在起步階段，對彈簧加壓式電磁制動器的優化設計等理論研究基本處于空白階段。近幾年，天津機床電器總廠、成都瑞迪機械、天津永恒泰科技等企業借鑒國外彈簧加壓式電磁制動器的商業成品技術，研發出了一系列適應中國市場的低成本制動器產品，并申請了實用新型專利保護[8-12]，但保護的內容基本雷同于國外制動器幾十年前的技術水平，在產品質量、種類及創新性方面與國際同類產品相比，還有很大的差距。因此，在電梯、舞臺、風電等行業對制動器安全性或對壽命要求非常高的行業，主要依賴國外進口。

歐美等發達國家每年都在制動器的研發與創新上投入相當可觀的費用。德國KEB、MAYR、INTORQ公司是彈簧加壓式電磁安全制動器研發的先導者，他們生產的安全制動器在國際市場和技術上都處于領先地位。采用新設計、新技術、新材料，不斷提高產品性能是國外制動器發展的一大特點。為了解國內外電磁安全制動器的技術發展現狀，本文對國內外制動器的材料、加工工藝和結構設計特點進行了比較和分析。研究國外電磁安全制動器設計過程中的關鍵技術及發展現狀，對于拓展國內設計人員的思路并指導他們研發出具有自主知識產權的高性能、長壽命的國產制動器具有重要的意義。

1 基本結構及工作原理

彈簧加壓式電磁安全制動器又稱電磁抱閘或電磁剎車，是一種在干式條件下工作的摩擦式直流電磁制動器，可以在失電情況下使電機軸緊急制動或正常工作停機后使電機軸保持制動狀態。具有結構緊湊、響應迅速、制動平穩、性能穩定可靠、安裝維修方便、壽命長久、噪音低、易于控制等優點。

1.1 基本結構

彈簧加壓式電磁安全制動器的基本結構如圖1所示，主要由電磁鐵系統和轉子系統組成。其中電磁鐵系統包括電磁鐵2、銜鐵3、制動彈簧4、手動釋放9等，轉子系統包括軸套5和制動摩擦盤6。將制動器用螺釘1安裝在電機座或對偶摩擦盤7或法蘭上。調節定距螺管8使銜鐵和磁鐵之間的氣隙保持在額定值。

圖1 彈簧加壓式電磁安全制動器的結構

1.2 工作原理

彈簧加壓式電磁安全制動器的制動力來自彈簧，電磁力用于解除制動。制動器失電時，電磁鐵2的線圈失去電磁力，壓縮彈簧4依靠自身的彈力將銜鐵3和制動摩擦盤6壓向對偶摩擦盤7，正隨電機軸旋轉的摩擦盤與銜鐵和對偶摩擦盤產生摩擦力而使制動器制動、電機軸停止轉動。

制動器接通直流電后，電磁鐵的線圈產生一個電磁場，銜鐵在電磁力的作用下，抵消彈簧力被吸引到電磁鐵上，使銜鐵與制動摩擦盤分離，制動器制動被釋放，電機軸可以帶著摩擦盤正常旋轉。

對于突然停電導致制動器制動的情況，可以人工扳動手動釋放手柄9，使銜鐵壓緊彈簧而解除制動，并將懸掛的重物一點點放下。

2 關鍵零部件的材料和加工工藝研究

電磁鐵、銜鐵、彈簧、制動摩擦盤是電磁安全制動器中非常關鍵的零部件。

2.1 電磁鐵

電磁鐵由外殼、線圈和絕緣填充材料組成。設計時需要選擇合適的外殼磁鋼材料、漆包線及絕緣填充材料。

為了提高導磁性能和減少剩磁影響，電磁鐵外殼多選用導磁性能和加工性能較好、矯頑力較小的低碳鋼軟磁材料，國內普遍使用10鋼、20鋼。德國通常采用自動化流水線加工制動器外殼、法蘭、銜鐵等零件。因此，通常使用適于自動化切削加工的11SMn30圓鋼來加工電磁鐵的外殼。我們采用國產的Y15易切削鋼來替代德國11SMn30鋼，取得了很好的效果。

國內多采用鍍鋅技術對電磁鐵外殼進行表面防腐處理，德國普遍采用的是熱噴鋅的噴涂技術。熱噴涂技術由于在熱噴鋅后又用涂料進行封閉處理，形成了鋅層與涂料的復合涂層,大大增強了鋼表面的耐腐蝕性能。國際知名的重防腐長效涂料有德國HEMPEL老人牌、International國際牌等。采用不同厚度的環氧富鋅底漆、厚漿環氧中間漆和聚氨酯面漆組合方案，可以耐受大氣腐蝕等級為C4、C5－M的海上惡劣環境，防腐壽命可達H級（高級15-20年）[13]。

線圈的繞制和絕緣填充材料的澆注制造工藝在國內已經非常成熟。德國通常選擇絕緣等級B級（130℃）的聚酯漆包圓銅線，可達到較高的絕緣耐熱性能；對于冶金、軍工等需要絕緣耐熱等級高的行業，可選用F級（155℃）的改性聚酯漆包線或H級（180℃）的聚酯亞胺漆包線等；選用耐高溫絕緣等級H級的環氧樹脂作為絕緣填充材料。國際知名的漆包線廠家有德國的Synflex Elektro、美國的Essex等，環氧樹脂廠家有英國的ALTANA等。

2.2 銜鐵/對偶摩擦盤或法蘭

銜鐵和對偶摩擦盤或法蘭是與制動摩擦盤兩面產生摩擦的摩擦副中的另一個對偶零件，需要有較高耐熱、耐磨、耐腐蝕、耐疲勞的硬質摩擦表面。德國通常選用11SMn30圓鋼、C15圓鋼等導磁材料來加工銜鐵、對偶摩擦盤或法蘭。對于中小力矩的制動器，德國通常要對銜鐵和對偶摩擦盤進行氮化等表面硬化處理；對于較大力矩的制動器，通常要對銜鐵和對偶法蘭鍍鋅或鍍鎳處理。C15鋼是表面經過滲氮硬化處理的優質碳素結構鋼，可用國產的15鋼、15Mn鋼滲碳處理來代替，效果要遠好于國內有些廠家為降低成本使用的HT250、Q345等鑄鐵材料表面鍍鋅處理。對防腐性能要求高的行業，銜鐵和對偶法蘭通常要鍍鎳或鍍硬鉻，需要注意的是不能將鍍銅作為中間鍍層，會影響電磁制動器的磁場而降低制動力矩。

2.3 彈簧

安全制動器上使用的彈簧是螺旋型壓縮彈簧，是電磁安全制動器中最關鍵的一個零件。彈簧鋼材料應具有優良的綜合性能，即較高的力學性能(彈性極限、強度極限、屈強比)、抗彈性減退性能、疲勞性能、淬透性、物理化學性能(耐熱、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等)，以保證制動器有可靠的制動力和長效穩定的工作壽命。國內最常用60Si2MnA、50CrVA等合金彈簧鋼來制造重要螺旋彈簧，并做鍍鋅或發黑處理；對于高溫、低溫和腐蝕性環境，可使用不銹鋼、鉻鎳鐵合金等特殊材料的彈簧。目前，國產彈簧鋼的工藝水平及質量控制不穩定，強度水平難以滿足現代工業發展的要求。彈簧鋼未來的發展方向是具有超高強度、超高疲勞強度和耐腐蝕疲勞性能、優良的抗彈減性能和良好的經濟性[14]。德國Thyssen Krupp、法國Allevard等國際知名彈簧公司已在中國建廠。

2.4 軸套-摩擦盤系統

電磁制動器中通常使用分體結構的轉子系統，即金屬材料的軸套（內盤）與摩擦材料的制動摩擦盤（外盤）組成的系統。制動摩擦盤是電磁安全制動器中最關鍵的一個部件，必須具有較大的摩擦接觸面積、良好的耐磨性和熱穩定性、較低的硬度、良好的機械性能和物理性能。目前國內使用最多的是鋼纖維增強的半金屬有機摩擦片，但同時存在易銹蝕、噪聲大、壽命短等問題。國外在制動器中廣泛采用無石棉的礦物復合有機摩擦材料和在高溫下模壓成型的加工工藝[15]。為提高機械強度和使用壽命，通常摩擦盤都帶金屬背板或金屬嵌件。德國通常采用不銹鋼或硬鋁AL－CU－MG－PB軸套，中小力矩的制動器多采用摩擦材料內嵌鋼架的矩形花鍵摩擦盤解決方案，如圖2所示；較大力矩的制動器多采用在硬鋁合金背板兩側鑲嵌摩擦襯片的漸開線花鍵摩擦盤解決方案，如圖3所示。國內可用2A06高強度鋁合金來制造軸套和摩擦盤背板。國際知名制動器公司普遍使用德國Bremskerl公司生產的高性能摩擦片。

3 滿足特殊行業需求的結構設計研究

3.1 高檔電梯/舞臺制動器的結構特點

隨著人們生活水平的提高，對高檔酒店/寫字樓、大型舞臺/劇院的需求也日益增多，迫切需要能與之配套的高性能制動器。

3.1.1 雙倍安全性設計

電梯曳引機和舞臺吊機是對制動器安全性能要求最高的起升機構。按照歐洲標準EN81的要求，起升機構必須具有兩個相互獨立工作的制動器和兩個相互獨立的控制裝置[16]。

為滿足這個安全性要求，研發出了各種結構緊湊的雙倍制動器。如圖4(a)、4(b)所示的雙倍制動器有兩個幾乎完全相同的單制動器和兩個監測制動器磨損情況的微動開關；圖4(c)所示的雙倍制動器外形尺寸與單制動器相同，但具有兩個線圈回路、兩個半圓形銜鐵和兩個微動開關。雙倍制動器中的每個制動器可以獨立制動及控制，在機械和電氣設計方面具有高度的安全性。雙倍制動器的解決方案已在德國蒂森電梯、日本東芝電梯、國家大劇院吊機、長安大戲院吊機等應用中得到非常高的評價。

3.1.2 低噪音設計

圖2 矩形花鍵軸套-摩擦盤

圖3 漸開線花鍵軸套-摩擦盤

圖4 雙倍制動器

從設計、制造的根本著手，對制動器的整體結構進行靜音設計、合理選用摩擦材料、提高加工制造精度，可有效降低制動器噪音。

降低噪音的解決方案主要有以下3類：

（1）密閉設計：在電磁鐵和電機座的外緣采用橡膠防塵罩、制動器內孔與電機軸之間采用端蓋或軸封等，使制動器成為一個密閉的結構，在提高防護等級的同時也降低了噪音，如圖4(a)圖所示。

本系統以MAXIM公司的1024位單總線（1-Wire）EEPROM芯片DS2431為eID芯片，存儲每根光纖的連接信息。DS2431內部有4個存儲器頁，每頁256位。DS2431只需要一根帶有上拉電阻（0.3～2.2 kΩ）的數據線DQ和一根GND線，即可與MCU正常通信；數據的讀寫遵循1-Wire協議。

（2） 軸套－摩擦盤之間的抗振動設計：在漸開線花鍵軸套與摩擦盤之間增加 O形橡膠密封圈，如圖4(b)所示。在軸套漸開線齒面上噴涂尼龍防噪涂層。

（3）銜鐵與電磁鐵之間的抗沖擊設計：在銜鐵與電磁鐵之間增加橡膠球、小O形橡膠圈等彈性阻尼件，如圖5(a)所示。在銜鐵與電磁鐵之間增加防潮、阻燃的特制紙墊片等。

另外還有采用兩層銜鐵的設計，即在制動摩擦盤與銜鐵之間再增加一個鋁制的靜音銜鐵，如圖5(b)所示；在銜鐵與定距螺管之間增加O形橡膠圈，如圖4(b)所示。橡膠圈等的彈性、硬度必須穩定、凹槽必須有較高的精度，否則會影響制動器的制動及釋放性能。實驗證明，2x525Nm低噪音雙倍制動器的實驗室噪音低于60dB，在高檔樓宇的電梯應用中得到一致認可。

3.1.3 節能設計

傳統的電磁安全制動器在電機工作過程中，必須始終給電磁鐵線圈通電，不僅消耗電能，也因發熱高而影響制動器的使用壽命。因此，制動器的控制電路通常采用節能設計的方案[17]，即在制動器通電的瞬間有較大的電流將銜鐵吸引到電磁鐵上，吸合后只有較小的維持電流保持銜鐵的吸合狀態。由于通電瞬間的電流大，制動器釋放時間縮短一倍，制動器耐磨損能力增加一倍，壽命延長。由于維持電流小、發熱量小，能耗降低75%。同時，電磁鐵斷電時的剩磁也小，制動器的制動時間縮短30%。國外有這種專門研發的控制器產品——過勵磁電源。實際應用證明，該電源動作可靠、故障率低，具有顯著的節電效果。

3.2 變槳制動器的結構特點

隨著陸地風電行業的技術成熟與蓬勃發展，海上風電的需求也日益增高，對變槳制動器也提出了更高的要求。

3.2.1 安裝方式多樣性設計

根據客戶設計的要求，變槳制動器可以選擇安裝在電機的前端、內部和尾部，如圖6所示。目前，風電機組變槳系統中廣泛應用的是將制動器安裝在電機的前端，可以對變槳減速箱的高速端進行有效的安全保護。

圖5 低噪音設計

海上屬于高濕、高腐蝕環境。因此，變槳制動器必須采用防護等級IP65以上的全密閉結構設計，如圖7(a)所示。在法蘭連接處都有O形密封圈、軸連接處有軸封。KEB有一種不帶手動釋放、帶微動開關的變槳制動器，防護等級可高達IP67。

3.2.3 長壽命設計

風電設備在設計時都要求使用壽命必須在20年以上。因此，變槳制動器也相應進行了長壽命的結構設計，如高強度彈簧采用經過電鍍處理并冗余設計，以確保制動器在高溫時仍有可靠而穩定的制動力矩，彈簧使用壽命可高達1000萬次以上，結構設計具有高抗振性。在制動器100%通電情況下，線圈絕緣等級可達H級（180℃）；制動摩擦盤使用特殊的摩擦材料，在高溫時具有穩定的摩擦性能。

為驗證制動器的使用壽命，對在極端試驗條件下工作的100Nm制動器做了如下的磨損試驗：在電機以2000rpm的轉速旋轉時，給制動器斷電，讓制動摩擦盤與銜鐵和法蘭進行摩擦，10.5s后給制動器通電，每隔30min使制動器制動10.5s，測試10個周期。結果顯示：摩擦盤的磨損量只有0.1mm，經過計算摩滑功，可以驗證制動器的預期使用壽命大于20年。

3.2.4 耐高溫、耐低溫、耐腐蝕設計

海上的環境，高低溫變化大、鹽成分高、易生銹，通常要求變槳制動器能適應－40℃ －60℃的環境溫度范圍、防腐等級C4以上。變槳制動器采用了相應的設計方案，如法蘭、銜鐵鍍鎳或鍍鉻；電磁鐵外殼采用熱噴鋅的技術，重防腐涂料總干膜厚度在240mm以上；安裝螺釘鍍達克羅；如圖7(b)所示的防結露加熱器，可防止低溫或高濕環境形成冷凝水、結冰；電纜采用可插拔連接頭，如圖7(c)所示。

圖6 制動器的安裝位置

圖7 變槳制動器

3.2.5 單向制動設計

帶有單向軸承（又稱單向離合器）的電磁安全制動器又稱單向制動器，如圖7(c)所示。單向制動器可以在動力缺失、無法對風電機組進行任何調試的失電情況下，為設備提供單向制動的安全保護，只允許葉片沿一個方向自由旋轉，釋放風險。

3.2.6 節能設計

有的變槳系統要求制動器在300VDC應急電源下安全工作，由于電壓高且通電時間長，導致發熱高、能耗也高。因此，設計上常用兩種解決方案。一是采用耐高溫、耐低溫和耐腐蝕的過勵磁電源。使用一種最新技術的過勵磁電源（24V直流輸入，瞬間輸出24V，800ms后降至6V），對一個400Nm、130W的制動器在不同溫度下進行試驗，試驗數據如表1所示。試驗表明：在過勵磁電源控制下工作的制動器，在不同溫度下開關響應速度變化不大，能可靠制動；線圈保持功率只需8W、保持電流小，最高可降低75%的能耗。

表1 制動器在過勵磁電源控制下的試驗數據

另一個解決方案是制動器電磁鐵里有兩個獨立的線圈，一個電壓300VDC，另一個電壓24VDC，300V線圈用來釋放，24V線圈用來保持，可有效地降低制動器線圈的溫升、節約能源、延長制動器的使用壽命。

電磁制動器的控制回路必須具有低電壓穿越（LVRT）性能，即有增大直流母線電容、輔助失電跨越設備等的精密閉環控制策略，以確保即使風電機組發生瞬間掉電，制動器也不會緊急制動，造成工業生產中的損失。

4 結論

目前，國外彈簧加壓式電磁安全制動器正向高安全性、高可靠性、低噪音、長壽命、節能等方向發展。通過分析研究國外先進制動器的結構特點及關鍵技術，可吸收符合我國現實條件的產品結構、技術條件和生產工藝，找出不盡合理的結構和技術，進行改進和創新，降低成本的同時提高產品的性能。我國制動器在選用材料、加工工藝、整體結構設計等方面還有很大的發展空間。

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