多耦合失電型電磁制動器的設計

李華鋒 ，趙康康

（1.河南肯萊森電子科技有限公司，河南鄭州，450000；2.黃河科技學院，河南鄭州，450000）

0 引言

失電型電磁制動器是現(xiàn)代電機內(nèi)常用的一種自動化執(zhí)行元件，在傳動系統(tǒng)中能實現(xiàn)制動停止、或者在短期內(nèi)減低運轉(zhuǎn)速度的作用。具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，控制靈活、制動速度快、壽命長久，使用可靠，易于實現(xiàn)遠距離控制等優(yōu)點。

目前市場對其制動性能要求也在不斷提高。電磁制動器的制動響應時間、制動力矩和耐熱性都是決定制動性能的關(guān)鍵因素。如果制動時間過長，負載轉(zhuǎn)動能所轉(zhuǎn)化的熱能就越大，溜車路程也越長，這樣就會加劇制動器的轉(zhuǎn)子磨損，嚴重縮短制動器的使用壽命。同樣如果電磁制動器的耐熱性能不佳，制動器的線圈在斷電時的反電動勢下則很容易被擊穿燒毀。對于制動器的制動力矩，用戶需求的制動力矩是越大越好，這也意味著產(chǎn)生電磁力的線圈電流也要增大，制動功率也隨之增加。

1 電磁鐵吸力分析

1.1 摩擦式失電型電磁制動器工作原理

電磁失電制動器是電機中常用的附加裝置，有通電制動和斷電制動兩種。兩種方式可以根據(jù)電機工作制決定，電機處于長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，選擇通電制動的方式會極大的節(jié)省制動器的能耗。通電制動方式定位快速準確。用于需要精確定位的自動化智能控制設備。斷電制動意味著設備在電源意外失控時也能安全制動，確保人員和設施的安全。

本文設計以斷電制動結(jié)構(gòu)為例。結(jié)構(gòu)如圖1所示，由磁軛組件、銜鐵、制動盤、彈簧、軸套等組成。當軸工作運轉(zhuǎn)時通電電磁吸合，斷電時彈簧加壓實現(xiàn)摩擦制動，該電磁制動器主要用于微型電機、伺服電機、小型輕型電機等微型執(zhí)行機構(gòu)。

圖1 摩擦式電磁失電制動器結(jié)構(gòu)

它的工作原理是線圈斷電后，在彈簧力作用下，制動盤和摩擦片（聯(lián)結(jié)板）、銜鐵之間產(chǎn)生摩擦力，進而通過軸套將傳動軸制動；而線圈通電后，銜鐵在電磁力作用下被吸向電機端蓋，進而使得制動盤松開，達到解除制動的目的。工程上對于小型電機使用的摩擦式結(jié)構(gòu)，氣隙長度一般為0.15～0.35mm。

該制動器的發(fā)熱源主要是由制動盤與銜鐵相互摩擦和線圈銅耗功率，針對于失電型制動器，處于吸合狀態(tài)時間較長時，發(fā)熱源主要來自線圈銅耗。所以當出現(xiàn)過熱現(xiàn)象是時要及時分析原因，往往由于線圈處熱量散發(fā)不良，造成力矩的下降，導致線圈的燒損。

1.2 摩擦式失電型電磁制動器電磁吸力計算

本次設計將以某低速大扭矩伺服電機制動使用，制動力矩約為80Nm的失電型電磁制動器為設計對象。在確定制動轉(zhuǎn)矩與基本尺寸參數(shù)的前提下，通過摩擦制動器制動力矩計算公式得到電磁吸力的需求值。根據(jù)麥克斯韋吸力公式知電磁吸力由氣隙磁密與氣隙面積決定，氣隙磁密由繞組提供的總磁動勢與磁路決定， 因此電磁吸力解析計算的關(guān)鍵是對電磁制動器磁路的精確計算。

根據(jù)麥克斯韋吸力公式計算穩(wěn)態(tài)工作時電磁鐵的吸力:

式中：Ф為工作氣隙磁通，Wb；B為工作氣隙磁感應強度，T；μ0為真空磁導率，其值為4π×10-7Wb/A·m；S為磁路截面積，m2。

若忽略漏磁和磁導端部效應，認為銜鐵只在主氣隙中運動，則直流電磁鐵的氣隙磁感應強度為：

式中：N為線圈匝數(shù)；I為電流強度，A；U為電源電壓，V；R為繞線電阻，Ω；δ為氣隙長度，m。

將式（2）代入式（1）可得:

由上式易知，在直流電磁鐵結(jié)構(gòu)制成后，電磁吸力僅與工氣隙δ2成反比，而彈簧力近似為直線函數(shù)，簡化彈簧力Ft計算公式為：式中：F0為彈簧初始彈力，N；K為彈簧彈力系數(shù)，N/m。

由圖2可以得到，電磁吸力與工作氣隙δ基本成高次函數(shù)關(guān)系，在氣隙比較小時電磁吸力很大，且遞減呈度相對較小。彈簧力與工作氣隙δ基本成一次函數(shù)關(guān)系，在銜鐵運動時，彈簧力遞增幅度遠小于電磁吸力。當完全吸合且電流平穩(wěn)后，電磁吸力達到最大值。這時電磁吸力已遠遠大于彈簧力。

圖2 電磁吸力和彈簧力與工作氣隙的特性

這樣來說，行程越小，失電型電磁制動器在同樣的體積、通電率和功率的情況下，那么電磁吸力越大。 反之如果行程越長，那么電磁吸力越小。行程與電磁吸力的關(guān)系并不是簡單的反比關(guān)系，而是一個高次函數(shù)曲線。在電機主軸正常工作轉(zhuǎn)動時，電磁鐵需要保持吸合狀態(tài)，產(chǎn)生多余的電磁吸力并不做有效功。這樣浪費一部分電流增大銅耗，使效率降低。

2 多耦合制動器設計

2.1 多耦合制動器原理

相對于傳統(tǒng)的單線圈磁軛組件，本設計在原有基礎上改變成四線圈，繞組之間并聯(lián)接嵌入電磁鐵座內(nèi)。線圈沿圓周均布排列，如圖3所示。它的工作原理同單線圈基本一致。工作時，四個線圈同時通電，吸引銜鐵移動。達到完全吸合狀態(tài)后則斷開對稱的兩組繞組線路。這樣既保持了繼續(xù)吸合的能力，同時能節(jié)約大概一半的功率。

圖3 多耦合磁軛組件結(jié)構(gòu)

2.2 多耦合制動器設計

在設計的過程中，制動器需要保證電磁制動器磁路中的磁密在工作時不要處于飽和狀態(tài)，同時繞組中的電流密度不能過大，另外也要滿足一些幾何約束條件。

根據(jù)電磁制動器的應用場合和工作制，其繞組電流密度不得高于12 A/mm2。槽滿率要控制在合理的范圍內(nèi)(0.70 ～0.85)。磁場強度B不能太高，太高會使鐵心中的磁感應強度趨于飽和，從而導致磁阻增加，本型號制動器對磁場強度的限制為不高于1.8 T。制動器安全制動系數(shù)需要大于最低安全值。重新對其結(jié)構(gòu)進行再設計。計算兩款磁軛以同樣總功率得出參數(shù)。制動器參數(shù)如表1所示。

表1 單線圈與多耦合磁軛參數(shù)表

在實際設計中，由于幾何條件約束，包括了匝數(shù)的整數(shù)取值和槽滿率限制，兩者的總功率略有4%的偏差。但作為對照試驗，其偏差可以忽略。

3 多耦合制動器有限元分析

3.1 多耦合制動器仿真前處理

本設計使用業(yè)界最頂級的電磁場仿真分析軟件ANSYS maxwell進行有限元分析。首先對制動器結(jié)構(gòu)進行建模，設置材料，以及邊界條件和網(wǎng)格劃分。其次設置外激勵電路和繞組匝數(shù)參數(shù)。最后求解仿真即可。

多耦合電磁制動器需要在銜鐵吸合后，斷開其中對稱的兩路繞組線，故設置壓控元件配合啟停。這里設置的斷路時間是根據(jù)初步仿真得出，仿真計算后得到吸合過程大概是25ms，這里設置適當延長至40ms時刻斷電。設置完成后兩組外激勵電路如圖4所示。

圖4 多耦合與單線圈外激勵電路

3.2 多耦合制動器仿真結(jié)果分析

通過有限元軟件分析求解得出位移曲線和多耦合電流曲線，如圖5、6所示。

圖5 多耦合與單線圈位移曲線

從圖5看出在同功率條件下，單線圈(position_Single)和多耦合（position_Mulit）吸合響應時間基本一致。吸合過程很短，大約為1～2ms內(nèi)。這說明通過再設計后可以保證電磁制動器響應性能不受影響。

圖6 是多耦合制動器銜鐵吸合狀態(tài)后的磁密分布圖，最大磁密出現(xiàn)在內(nèi)外徑柱壁較薄的位置處。約為1.64T。本設計使用的電磁鐵座和銜鐵均采用電工純鐵DT4，該材料飽和磁感應強度在1.2～1.8T內(nèi)，故無過磁飽和情況。

圖6 多耦合制動器磁密分布

從圖5中看出多耦合吸合過程，直流磁軛電磁鐵接通電源后，在吸力達到足以克服阻力(主要是彈簧力)，使彈簧片運動之前，流過線圈的電流逐漸增長，磁鐵中的磁通也逐漸增長。當在25ms時刻，吸力大于彈簧總力，銜鐵開始運動。這個階段的電流仍在增大，并產(chǎn)生反電勢。這個反電勢和線圈自感電勢一起，共同阻止線圈電流的增長，致使線圈電流在增大到一定程度后不僅不再增大，反而減小。將從銜鐵開始運動到銜鐵閉合所需要時間定義為吸合運動時間，銜鐵完全吸合后，工作氣隙不再變化，反電勢為零。電流按新的指數(shù)曲線上升，直至穩(wěn)態(tài)電流。

從圖7和圖8看出在銜鐵位移前，多耦合磁軛內(nèi)部四個線圈同時通電，產(chǎn)生電磁吸力吸引銜鐵，在完全吸合后，大約在41ms處斷開其中的兩組對稱線圈電路。此時電磁吸力發(fā)生突變躍減。但電磁吸力為87kN，遠遠大于彈簧力，這樣較大的安全系數(shù)保證了吸合狀態(tài)不受震動、加速度、重力等外部環(huán)境的影響。不會發(fā)生意外制動現(xiàn)象。

圖7 多耦合磁軛電流曲線

圖8 多耦合磁軛電磁吸力曲線

同時，多耦合型制動器在繼續(xù)工作后，由于電流支路數(shù)減少，功率也縮短原來的一半，電流曲線上總電流達到穩(wěn)態(tài)值為2.98A，這時功率僅為83.4W。相比原來降低了功耗。使得整個系統(tǒng)效率的提升。

4 總結(jié)

本多耦合電磁制動器設計在原有單線圈基礎上進行改進，通過電磁吸力推導和有限元分析計算降低了整體功耗，提高系統(tǒng)效率。首先由于功率降低，減少了磁軛整體發(fā)熱量，提高了制動器的壽命。另外由于線圈會出現(xiàn)的隱患，例如匝間短路、線圈斷線、絕緣損壞等等，多耦合多線圈比單線圈故障率更低，使得整個電子系統(tǒng)可靠性更高。具有一定使用價值。