一種電機(jī)用大扭矩制動(dòng)器的設(shè)計(jì)

陳 晨， 許志城， 魏 花， 張晟媛

（西安航天動(dòng)力測(cè)控技術(shù)研究所， 陜西西安 710025）

0 引言

工業(yè)制動(dòng)器廣泛應(yīng)用于重運(yùn)輸機(jī)械、冶金設(shè)備、礦山設(shè)備、建筑工程機(jī)械、風(fēng)電及核電設(shè)備、船舶及海上重工等裝備制造業(yè)，受益于這些產(chǎn)業(yè)的振興與發(fā)展，工業(yè)制動(dòng)器行業(yè)將迎來(lái)新一輪的發(fā)展機(jī)遇。 我國(guó)工業(yè)制動(dòng)器行業(yè)在未來(lái)幾年內(nèi)仍將保持10%～20%的年增長(zhǎng)率。 根據(jù)《中國(guó)制動(dòng)器行業(yè)市場(chǎng)需求與投資規(guī)劃分析報(bào)告前瞻》 顯示我國(guó)“十二五”發(fā)展規(guī)范綱要中關(guān)于推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域跨越發(fā)展的相關(guān)部署，高端裝備制造、新能源、新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)依然將是我國(guó)大力發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。 國(guó)家對(duì)裝備制造業(yè)的規(guī)范，將有利推動(dòng)我國(guó)制動(dòng)器行業(yè)的發(fā)展。據(jù)預(yù)計(jì)，我國(guó)制動(dòng)器行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模在未來(lái)5 年內(nèi)，仍將保持15%～25%的年增長(zhǎng)率。

隨著裝備制造業(yè)的振興和發(fā)展， 國(guó)產(chǎn)制動(dòng)器的產(chǎn)量也有明顯增加[1]，制動(dòng)器行業(yè)的銷售收入同步增長(zhǎng)；由于受制于起步晚、技術(shù)基礎(chǔ)薄弱以及資本投資有限，我國(guó)制動(dòng)器產(chǎn)品以低端產(chǎn)品為主， 業(yè)內(nèi)少數(shù)領(lǐng)先企業(yè)堅(jiān)持自主創(chuàng)新，加大研發(fā)投入，正在向科技含量較高的中、高端產(chǎn)品方向發(fā)展，制動(dòng)器中、高端產(chǎn)品的市場(chǎng)份額逐漸增加，中、高端制動(dòng)器企業(yè)的利潤(rùn)率呈上升趨勢(shì)；而低端產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)則因廠商眾多，競(jìng)爭(zhēng)激烈，價(jià)格呈下降趨勢(shì)，同時(shí)鋼材等主要原材料價(jià)格有所波動(dòng)，其利潤(rùn)增長(zhǎng)速度趨緩。

1 電機(jī)制動(dòng)器概述

電機(jī)制動(dòng)器主要分為永磁式制動(dòng)器及彈簧式制動(dòng)器，永磁制動(dòng)器是一種可調(diào)恒扭矩輸出的設(shè)備。 其輸出軸和本體之間通過(guò)磁性副聯(lián)接， 在輸出軸上提供穩(wěn)定的制動(dòng)扭矩。 可以預(yù)設(shè)并精確控制張力，張力穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，安裝、調(diào)整方便。 但永磁式電機(jī)用制動(dòng)器受溫度影響較大，當(dāng)環(huán)境中溫度急劇升高時(shí)，制動(dòng)器內(nèi)部的磁鋼磁性能下降嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器無(wú)法解鎖，制動(dòng)器工作性能下降，更嚴(yán)重的情況下，制動(dòng)器中的磁鋼可能退磁，制動(dòng)器產(chǎn)品失靈。 同時(shí)，永磁式制動(dòng)器在振動(dòng)、沖擊、加速度等力學(xué)環(huán)境下，內(nèi)部磁鋼可能會(huì)破碎，導(dǎo)致制動(dòng)器解鎖性能降低，多余物進(jìn)入電機(jī)或者伺服系統(tǒng)內(nèi)部。因此在溫度范圍廣及力學(xué)環(huán)境較為苛刻的工況下， 而彈簧式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)中不需要磁鋼， 通過(guò)彈簧及摩擦片產(chǎn)生制動(dòng)力矩，摩擦片的種類繁多，可根據(jù)不同的工況選擇合適的摩擦材料， 彈簧的材料也可根據(jù)工況的不同選擇不同的材料，因此彈簧式電機(jī)制動(dòng)器有更好的耐高溫，耐沖擊，耐霉菌，耐鹽霧等優(yōu)勢(shì)。

彈簧式失電制動(dòng)器具有可靠性高、易于裝配、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，常與電機(jī)軸連接實(shí)現(xiàn)電機(jī)的鎖定[2]。 彈簧式制動(dòng)器通過(guò)彈簧及摩擦副提供制動(dòng)力矩，在斷電狀態(tài)下，制動(dòng)器的彈簧作用于摩擦片上， 產(chǎn)生的制動(dòng)力矩通過(guò)與電機(jī)軸連接的摩擦盤傳遞到電機(jī)端進(jìn)行制動(dòng)， 在通電狀態(tài)下， 線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)器的動(dòng)板組件形成電磁力的作用， 這個(gè)電磁力克服彈簧的彈力使動(dòng)板組件向殼體端運(yùn)動(dòng)，此時(shí)彈簧力不作用于摩擦副上，電機(jī)軸帶動(dòng)摩擦盤可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)制動(dòng)器解鎖，制動(dòng)器不產(chǎn)生制動(dòng)力矩。本文設(shè)計(jì)了一款外徑34mm， 制動(dòng)力矩為0.4Nm 的制動(dòng)器，功率為3.1W。 此工況對(duì)制動(dòng)器設(shè)計(jì)提出了很高的要求，需對(duì)制動(dòng)器各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真計(jì)算，得到最優(yōu)方案。

電機(jī)及制動(dòng)器組件空間小，外形尺寸緊張，且要求制動(dòng)器摩擦盤不外露， 因此電機(jī)組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用殼體包裹動(dòng)板、定板的結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該結(jié)構(gòu)制動(dòng)器的定板與電機(jī)殼體進(jìn)行連接，通過(guò)螺釘進(jìn)行緊固。磁路設(shè)計(jì)是制動(dòng)器設(shè)計(jì)的主要部分，需要考慮槽滿率、電流、功耗、磁通量等影響，需進(jìn)行相應(yīng)要求的磁場(chǎng)仿真，對(duì)其磁場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，進(jìn)而優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)。

圖1 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

由圖1 可知，彈簧式制動(dòng)器由殼體、 動(dòng)板組件、摩擦盤、定板組件、導(dǎo)向柱、 彈簧及線圈等組成。 其中線圈骨架材料為鋁，線圈組件在接線后進(jìn)行絕緣真空浸漆處理，殼體及動(dòng)板材料為10 號(hào)鋼，表面處理方式為鍍鎳，可有效防銹。 摩擦盤的材料為0Cr17Ni4Cu4Nb， 該材料是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，該鋼易于調(diào)整強(qiáng)度級(jí)別， 它的強(qiáng)度可通過(guò)變動(dòng)熱處理工藝予以調(diào)整，本文的制動(dòng)器要求硬度為HRC36～38。 馬氏體相變和時(shí)效處理形成沉淀硬化相是其主要強(qiáng)化手段。由于0Cr17Ni4Cu4Nb 的低碳、高鉻且含銅，故其耐蝕性較Cr13 型及9Cr18、1Cr17Ni2 馬氏體鋼為好。 此外，該鋼衰減性能好， 抗腐蝕疲勞及抗水滴沖蝕能力優(yōu)于一些馬氏體鋼，焊接工藝簡(jiǎn)便，易于加工制造。 0Cr17Ni4Cu4Nb 是具有不銹性又耐弱酸、堿、鹽腐蝕的高強(qiáng)度部件。 定板材料為2A12 鋁，可有效減輕產(chǎn)品重量，摩擦料為合成橡膠，摩擦副通過(guò)鐵錨204 膠將摩擦料與動(dòng)板、定板分別粘接。導(dǎo)向柱安裝在定板組件與殼體之間，中間孔穿過(guò)螺釘，導(dǎo)向柱與動(dòng)板組件、 定板組件及摩擦盤之間的尺寸鏈確定了制動(dòng)器的工作行程。 一般制動(dòng)器行程為0.15～0.35mm之間，本文根據(jù)功率、制動(dòng)力矩及外形包絡(luò)尺寸要求，選擇行程為0.2mm，導(dǎo)向柱材料選擇304 不銹鋼。

2 制動(dòng)力矩計(jì)算

2.1 彈簧壓力計(jì)算

本文選擇彈簧式制動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)， 任務(wù)要求制動(dòng)力大于0.4Nm，且外徑不大于34mm，因此設(shè)計(jì)內(nèi)徑17.5mm，外徑22mm 的摩擦片， 選用摩擦系數(shù)為0.45 的合成橡膠摩擦料，根據(jù)公式1，可得彈簧正壓力FN應(yīng)大于90N，式中D 為摩擦中徑。

2.2 彈簧選型

制動(dòng)器殼體設(shè)計(jì)4 個(gè)彈簧孔安裝彈簧， 每個(gè)彈簧分布的壓力為22.5N，設(shè)計(jì)壓縮量為1.6mm 時(shí)壓力為16.5N的彈簧，材料為1Cr18Ni9，進(jìn)行了固溶和時(shí)效處理，并進(jìn)行了鈍化， 提高彈簧的環(huán)境適應(yīng)性并有效提升了使用壽命，彈簧外徑為3.8mm，如圖2 所示，彈簧的自由長(zhǎng)度為6.1mm。 四個(gè)彈簧通過(guò)產(chǎn)生正壓力作用于摩擦副上對(duì)電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力。

圖2 彈簧

3 電磁計(jì)算

3.1 電磁仿真方法

電磁設(shè)計(jì)是制動(dòng)器設(shè)計(jì)的核心。 其中殼體、動(dòng)板的磁密，熱負(fù)荷的大小直接關(guān)系到制動(dòng)器的性能優(yōu)劣及運(yùn)行可靠性。 對(duì)該項(xiàng)目采用場(chǎng)路結(jié)合的方式進(jìn)行仿真計(jì)算。

根據(jù)外形尺寸的要求，確定該制動(dòng)器的安匝數(shù)，通過(guò)Ansoft 軟件進(jìn)行有限元仿真分析，優(yōu)化殼體結(jié)構(gòu)、動(dòng)板厚度等技術(shù)參數(shù)， 在保證制動(dòng)器輸出性能的前提下， 確定最優(yōu)方案， 圖3 為制動(dòng)器三維模型。

圖3 制動(dòng)器三維模型

3.2 仿真模型

Ansoft/Maxwell 3D 軟件是電磁場(chǎng)分析的一種工具， 它基于有限元的數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)制動(dòng)器三維電磁場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算[3]。仿真步驟為：三維模型建立，材料定義，求解參數(shù)設(shè)置，安匝數(shù)設(shè)置，求解。

3.3 條件設(shè)置

（1）采用三維場(chǎng)模擬實(shí)際磁場(chǎng)，選取直角坐標(biāo)系和國(guó)際單位制。

（2）設(shè)置零磁邊界，定義切向方向磁場(chǎng)強(qiáng)度為零的邊界條件： 選擇要添加邊界條件的面-增加切線方向磁場(chǎng)強(qiáng)度為零的磁場(chǎng)，制動(dòng)器外部磁場(chǎng)所占分量極小，可以忽略。

（3）將制動(dòng)器的磁場(chǎng)作為非線性恒定磁場(chǎng)來(lái)處理。

（4）設(shè)置安匝數(shù)為320A。

3.4 仿真結(jié)果

通過(guò)Ansoft 有限元仿真軟件進(jìn)行磁路仿真計(jì)算，對(duì)殼體結(jié)構(gòu)及制動(dòng)器行程進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化， 制動(dòng)器解鎖時(shí)磁密云圖如圖4 所示，除個(gè)殼體個(gè)別點(diǎn)外，所有磁路中磁密均不超過(guò)1.8T。

圖4 電磁仿真磁密圖

制動(dòng)器動(dòng)板力值仿真結(jié)果如圖5 所示， 電磁力為108.3N， 大于制動(dòng)壓力90N，電磁力能夠克服彈簧壓力，因此在100℃高溫環(huán)境下制動(dòng)器能夠解鎖。

圖5 動(dòng)板力值仿真結(jié)果

4 絕緣設(shè)計(jì)

制動(dòng)器絕緣包含兩部分：絕緣電阻和介電強(qiáng)度。

絕緣電阻指的是電源線與殼體間的直流電阻測(cè)試；而絕緣介電強(qiáng)度指的是電源線與殼體間輸入交流電，以檢查絕緣是否擊穿為判定依據(jù)。 常規(guī)制動(dòng)器絕緣措施主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）漆包線自身絕緣：本次所選漆包線為聚酰亞胺漆包線，其具有極佳的耐溫特性和絕緣特性，自身絕緣能力能夠?qū)崿F(xiàn)1000V 以上。

（2）線圈與骨架層絕緣：漆包線在骨架上繞成線圈形成線圈部件， 本次骨架材質(zhì)為考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度選擇鋁合金材質(zhì)，因此為防止漆包線繞制過(guò)程中出現(xiàn)絕緣層破裂，需在骨架表面纏繞聚酰亞胺膠帶， 物理隔離漆包線與金屬骨架的接觸面。

（3）線圈部件二次絕緣：線圈部件完成后，為進(jìn)一步提升絕緣能力，需進(jìn)行浸漆工藝，該工藝不僅提升絕緣性能的可靠性，且能夠固化線圈，防止線圈元件竄動(dòng)；同時(shí)又有利于線圈部件散熱，提高散熱效率。

5 技術(shù)指標(biāo)符合性分析

表1 為制動(dòng)器主要技術(shù)指標(biāo)要求，其中工作電流要求小于0.3A，本文設(shè)計(jì)的制動(dòng)器工作電流為0.11A，功耗低，可長(zhǎng)時(shí)間工作，主要參數(shù)設(shè)計(jì)值及實(shí)測(cè)值如表2 所示。

表1 制動(dòng)器主要技術(shù)指標(biāo)要求

表2 主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖6 為制動(dòng)器實(shí)物圖， 表2 為制動(dòng)器設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比， 由表2可知， 此款制動(dòng)器設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值結(jié)果一致性較好。

圖6 制動(dòng)器實(shí)物圖

6 結(jié)論

本文具體描述了制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)、工作制分析、熱設(shè)計(jì)等各類設(shè)計(jì)參數(shù)。基于各類參數(shù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)及相關(guān)論證形成制動(dòng)器設(shè)計(jì)方案， 詳細(xì)分析其環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、安全性，互換性及壽命等考核要求。最終通過(guò)方案與實(shí)物的符合性對(duì)比，表明了設(shè)計(jì)的合理性。

由本文分析可得出結(jié)論： 彈簧式失電制動(dòng)器的行程與仿真的電磁力緊密相關(guān)，行程越小，電磁力越大，但行程越小對(duì)制動(dòng)器的加工精度，公差及尺寸鏈的要求越高，因此應(yīng)反復(fù)迭代，選擇最佳方案，可根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)摩擦片大小及制動(dòng)器行程， 在滿足磁密不飽和的情況下計(jì)算彈簧力值。 達(dá)到降低機(jī)構(gòu)重量，簡(jiǎn)化舵機(jī)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠度的目的。