舵機用抗振動永磁式制動器的研究與設計

曾曉松 魏雪環(huán) 劉勇 趙飛

【摘 要】 在航空航天產品應用中，由于傳統(tǒng)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(tǒng)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(zhí)行元件，具有使運動部件減速、停止或保持停止狀態(tài)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(tǒng)摩擦式電磁制動器體積大，在惡劣環(huán)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(tǒng)摩擦式電磁制動器在振動環(huán)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(tǒng)摩擦式電磁制動器，在振動環(huán)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(huán)，如圖2所示。傳統(tǒng)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(tǒng)摩擦式電磁制動器結構的主要區(qū)別在于，電磁制動器與電機輸出軸之間由傳統(tǒng)的摩擦副連接變?yōu)榇判愿边B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(tǒng)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(tài)。

新型制動器與傳統(tǒng)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?yōu)榇配摯帕Γ配摯帕υ谡駝忧闆r下較彈簧彈力更為穩(wěn)定，不受振動、沖擊等力學環(huán)境因素影響，工作更穩(wěn)定

2 制動器性能設計

2.1 靜態(tài)鎖制力矩分析

當一內外半徑分別為R1、R2（R1>R2）的圓環(huán)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(huán)所受壓強為：

（1）

取距圓心r處的微圓環(huán)，其徑向寬度為dr，則其面積為：

（2）

微環(huán)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(huán)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(fā)，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(fā)，經過內殼的下端到達制動器的端環(huán)，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(qū)域位于上半區(qū)域。制動器制動時，主要靠上半區(qū)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(fā)，經過內殼的下端到達制動器的端環(huán)，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(qū)域位于制動器的下半區(qū)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。