曾晓松 魏雪环 刘勇 赵飞

【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Ansoft Maxwell软件對其制动性能进行仿真分析，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Ansoft Maxwell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。