舵机用抗振动永磁式制动器的研究与设计

舵机用抗振动永磁式制动器的研究与设计

【摘要】在航空航天产品应用中，由于传统摩擦式电磁制动器在振动下，容易出现锁制力矩消失，动作不灵敏等问题。针对上述问题设计一种新型永磁式电磁制动器，对其结构及工作原理进行研究设计，用AnsoftMaxwell软件?ζ渲贫?性能进行仿真分析，对该新型制动器与传统摩擦式电磁制动器进行振动试验，对比两种制动器锁制力矩变化及抗振动能力。
【关键词】永磁式制动器电磁仿真抗振动
引言
电磁制动器是现代生产中常见的一种自动化执行元件，具有使运动部件减速、停止或保持停止状态等功能，其操作简单、反应较快[1]。电磁制动器多与电机配套使用，主要包括通电解锁、断电制动两个工作过程。电磁制动器主要有摩擦式电磁制动器和粉末电磁制动器等多种形式[2]。由于摩擦式电磁制动器结构及工作原理简单，使其得到了广泛应用。但传统摩擦式电磁制动器体积大，在恶劣环境下，容易出现锁制力矩消失，动作不灵敏、安全可靠性差等问题。尤其在航空航天产品应用过程中，对制动器的体积、质量、精度、可靠性等方面要求较高，在振动剧烈的情况下，仍需制动器能够实现可靠制动。然而传统摩擦式电磁制动器在振动环境下经常出现锁制力矩消失的情况，无法实现精准制动，进而偏离预设轨迹。针对传统摩擦式电磁制动器，在振动环境下容易出现锁制力矩消失的问题。设计一种体积小、安全可靠、便于安装的新型永磁式电磁制动器。
1永磁式电磁制动器结构及工作原理
1.1永磁式电磁制动器结构
永磁式电磁电制动器主要由动铁芯和静铁芯组成，整体结构如图1所示。其中动铁芯主要包括动铁芯基座、弹簧、摩擦片、铆钉，静铁芯主要包括电枢、外壳、内壳、磁钢、端环，如图2所示。传统摩擦式电磁制动器主要由磁轭、衔铁、摩擦盘、盖板、轴套、导柱、弹簧、螺钉组成，如图3所示。
永磁式摩擦制动器与传统摩擦式电磁制动器结构的主要区别在于，电磁制动器与电机输出轴之间由传统的摩擦副连接变为磁性副连接，磁性副在摩擦副的基础上减少了摩擦盘和衔铁，结构较为简单。
1.2永磁式电磁制动器工作原理
永磁摩擦式电磁制动器工作过程分为制动过程和解锁过程。
制动原理：制动器断电时，制动器中只存在磁钢产生的磁场，动铁芯上的摩擦片在磁钢的磁力作用下克服弹簧弹力，与静铁芯端面接触，接触端面产生正压力，从而产生摩擦转矩，锁住转轴，实现锁制功能。
解锁原理：制动器通电时，静铁芯中电枢通电，产生磁场，当磁钢产生的磁场被线圈产生的磁场叠加抵消时，摩擦片受到的磁力减弱，当磁力小于弹簧的弹力时，摩擦片沿轴线运动，脱离静铁芯端面，实现解锁。
传统摩擦式电磁制动器制动为弹簧提供摩擦面之间的正压力，从而在摩擦副上产生摩擦转矩。解锁时线圈绕组通电产生电磁吸力，吸引衔铁压缩弹簧，释放摩擦盘，使制动器处于解锁状态。
新型制动器与传统制动器工作的主要却别在于，提供摩擦副间的压力由弹簧弹力变为磁钢磁力，磁钢磁力在振动情况下较弹簧弹力更为稳定，不受振动、冲击等力学环境因素影响，工作更稳定
2制动器性能设计
2.1静态锁制力矩分析
当一内外半径分别为R1、R2（R1>R2）的圆环受到沿轴向的正压力F，摩擦系数为u时，其旋转时所受的摩擦力矩求解如下：
单位面积环所受压强为：
（1）
取距圆心r处的微圆环，其径向宽度为dr，则其面积为：
（2）
微环所受压力：
（3）
摩擦力：
（4）
摩擦力矩：
（5）
对摩擦力矩从R2到R1积分，得圆环受摩擦力矩为：
（6）
2.2制动器电磁设计
针对某舵机所需制动器性能及尺寸要求，得到制动器基本指标和内外壳尺寸，如表1和表2所示。在AnsoftMaxwell中建立制动器有限元模型，如图4所示。并对制动器的工作过程进行仿真分析。
2.2.1制动性能分析
制动器制动时，制动器中只存在磁钢产生的磁场。制动吸合时，磁力线和磁感应强度分布如图5（a）、（b）所示。
从图5（a）可知，磁钢产生的磁路由两部分组成，一部分从磁钢出发，经过内壳凸台，到达摩擦片，再经过外壳回到磁钢。这部分的磁路磁阻较小，磁力线分布较为密集；另一部分从磁钢出发，经过内壳的下端到达制动器的端环，经过垫圈、外壳回到磁钢。这部分的磁路磁阻较大，磁力线分布较为稀疏。从图5（b）可知，磁感应强度较大的区域位于上半区域。制动器制动时，主要靠上半区产生的磁力吸引摩擦片产生制动效果。
制动器制动时，摩擦片所受电磁力随间距变化的曲线，如图6所示。摩擦片在制动开始和结束时所受到的电磁力分别为4.26N、66.7N。
2.2.2解锁性能分析
制动器解锁时，制动器中的磁场为磁钢和线圈的叠加磁场。制动器中的磁力线和磁感应强度分布如图7（a）、（b）所示。
从图7（a）可知，制动时磁力线较为密集的部分位于制动器的下端，这部分的磁力线从磁钢出发，经过内壳的下端到达制动器的端环，再经过外壳回到磁钢。从图7（b）可看出，磁感应强度较大的区域位于制动器的下半区域。制动器解锁时，摩擦片所受电磁力较小。
制动器解锁时，摩擦片所受的电磁力随间距变化的曲线，如图8所示。摩擦片在解锁开始和结束时所受到的电磁力为0.59N、0.08N。
制动器采用标准弹簧，提供的弹力为1.8N，由上述分析，摩擦片在制动时所受电磁力为4.26N～66.7N，所受最小电磁力4.26N大于1.8N可实现可靠制动。摩擦片在解锁过程中所受到的电磁力为0.59N～0.08N。所受最大电磁力0.59N小于1.8N，可实现解锁。3不同工况下制动器电磁力分析
针对用户所述制动器电压波动指标，及对高低温工作环境的要求，对该永磁式制动器进行仿真分析，得到不同电压、不同环境温度下，制动器解锁过程中摩擦片所受电磁力的分布情况，如表3、表4所示。由于该制动永磁体采用耐高温，且负温度系数较小的钐镨钴磁钢XG24/20，故温度对制动器制动性能影响较小。
由表3、表4可知，在电压波动范围内，制动器无论在高温还是低温情况下工作，摩擦片解锁瞬间所受电磁力均小于弹簧弹力，能实现可靠解锁。
4制动器实物测试与对比
4.1新型制动器实物测试
对该新型制动器进行静态锁制力矩测试、常规性能测试试验及环境摸底试验，试验过程及试验结果如图9和表5、表6所示。
由测试结果可知，解锁过程制动器静态锁制力矩在0.123～0.226之间，能实现可靠解锁。并且制动器的解锁和落锁时间均在要求范围内。在高低温、湿热、低气压等恶劣环境下，制动器各测试结果均合格。
5.2制动器振动对比试验
由于该制动器需在振动环境中实现精准锁制，因此，对多台传统摩擦式电磁制动器与永磁式电磁制动器振动情况下锁制力矩的变化情况进行对比，结果如表7所示。
通过计算得到摩擦片对内外壳端面的摩擦力矩为0.11Nm，由振动试验结果对比可知，两种制动器的锁制力矩均下降。永磁式电磁制动器的锁制力矩下降18.2%，但仍能保证可靠工作，传统摩擦式电磁制动器的锁制力下降73.68%，无法正常工作。由此验证了永磁式电磁制动器工作的可靠性。
结论
本文针对传统摩擦式电磁制动器在恶劣环境下，容易出现锁制力矩消失，动作不灵敏、安全可靠性差等问题，提出一种新型永磁式电磁制动器。对其结构及工作过程进行设计研究，利用AnsoftMaxwell对该新型制动器制动和解锁过程进行有限元分析，并对不同工况下制动器电磁力进行分析，均满足要求，?O计合理。最后，对制动器实物进行静态锁制力矩测试、常规性能测试试验及环境摸底试验，该制动器都能正常工作，体现了其制动可靠、运转平稳等优良性能。对制动器进行振动对比试验，结果证明永磁式电磁制动器制动性能更优于传统摩擦式电磁制动器。为今后伺服电机精准定位提供设计依据。
【参考文献】
[1]解劲东，侯屹.铸造起重机起升机构制动器的选用[J].大连起重机器厂研究所，起重运输机械，1993，（5）：7-11.
[2]孙岩桦，虞烈.实心砖子电磁轴承涡流损耗分析[J].中国电机工程学报。2002，22（2）：116-120.
*基金项目：永磁同步电动机高功率密度及长寿命设计技术研究；航天科工基金项目：技字[2016]49号。
作者简介：曾晓松（1990―），男，中级设计师，研究方向为永磁电机研究与设计。