快速電磁制動器創(chuàng)新性技術(shù)的研究

韓桂新

（沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，沈陽 110045）

隨著科技的進步和生產(chǎn)、生活水平的提高，對快速制動效果的要求也越來越高。特別是在現(xiàn)代工業(yè)中，如紡織、印染行業(yè)的編織設(shè)備或印花設(shè)備等，對小型電磁制動電機也有著廣泛的需求。所以，中小型電磁制動器（電機）有著廣闊的市場應(yīng)用前景。

1 快速電磁制動器設(shè)計思想及工作原理

1.1 制動器制動方案的確定

根據(jù)機床電機、編織電機頻繁起動、間隙運行、快速定位的特殊運行要求和特點，既要求快速停車定位，又避開了以往斷電制動時電機長期運行短暫停機帶來制動器電磁線圈長期通電的運行缺陷，故在制動器原理設(shè)計上，選取了“斷電制動”的總體制動方案。

1.2 制動器結(jié)構(gòu)方案的確定

快速電磁制動器（本快速電磁制動器已獲批國家新型專利，其專利號為：ZL 2013 2 0068226.6）被安裝在電機非軸伸端的端蓋上，其裝配圖如圖1所示。當(dāng)制動電機接入電源，制動器也同時工作，由于電磁吸力作用電磁鐵吸引銜鐵并壓縮彈簧，制動盤與銜鐵、端蓋脫開（請注意：此時銜鐵11 與勵磁線圈座形成工作間隙），電動機開始運轉(zhuǎn)。當(dāng)切斷 電源時，制動器電磁鐵失去電磁吸引力，彈簧推動銜鐵壓緊制動盤，在摩擦力矩的作用下，電動機立即停止轉(zhuǎn)動。

圖1 快速電磁制動器裝配圖

1.3 電磁制動器控制電路設(shè)計

傳統(tǒng)電磁制動器控制電路設(shè)計[1]從供電方式上看，不管是交流勵磁，還是直流勵磁[2]，都是電壓源供電方式。

本控制器控制電路，在設(shè)計思想上摒棄了傳統(tǒng)的電壓源供電模式，而是采用電流源供電方式；同時，將制動器控制電源與電機起動特性[3]有機結(jié)合，巧妙而簡單地構(gòu)成一種“大電流吸合小電流維持”的“可調(diào)式”電流源型制動器控制電源，從而實現(xiàn)了制動器控制電源與制動器工作特性的最佳匹配。

2 快速電磁制動器創(chuàng)新性技術(shù)特點分析

本快速電磁制動器的核心關(guān)鍵技術(shù)之一就是巧妙地利用了電機起動過程初始的5～7 倍額定電流IN的過電流現(xiàn)象，以及短暫起動過程后進入穩(wěn)態(tài)額定電流IN（及以下）的運行這樣一個電流變化過程，通過電流互感器變送，就給電磁制動器線圈提供了一個具有5～7 倍調(diào)節(jié)能力的可調(diào)勵磁電流源，而且在這個過程中，5～7 倍的大電流正好用于制動器吸合，額定電流運行時對應(yīng)用于制動器維持電流，更可貴的是，對一般小型電機而言，這一“電流調(diào)節(jié)”過程由電機在2～3s 起動過程內(nèi)“自動”完成，無需任何額外的控制調(diào)節(jié)電路，并且實現(xiàn)了制動器電流控制特性與電機起動電流特性的“最佳匹配”。

2.1 電磁制動器的快速性分析與設(shè)計

1）吸合動作分析

傳統(tǒng)電壓源控制制動器，是圍繞著吸合電流大小的需要進行相關(guān)設(shè)計的，滿足需要的吸合電流就是制動器的穩(wěn)態(tài)工作電流（因為電壓源不調(diào)整）。制動器線圈得電后的吸合電流如圖2中線段1 所示，由于制動器線圈存在較大的電感，所以勵磁電流（對應(yīng)磁勢）按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)t2時刻電流上升到制動器吸合所需磁動勢（直線6）時，制動器開始吸合。

而本設(shè)計的電流源型制動器，在5～7 倍起動強電流所對應(yīng)的勵磁磁勢下工作，見圖2中線段2，同樣，在t1時刻勵磁磁勢上升到吸合所需磁勢，制動器開始吸合動作。圖中明顯看出，t1遠遠小于t2，而且達到吸合磁勢壓力盤開始后動作后，線段2 比線段1 的磁動勢上升率快很多，線段2 的全吸合時間要比線段1 快更多?？梢姳倦娏餍椭苿悠饔兄芸斓奈蟿幼魈匦?。

圖2 兩種控制方式下制動器動作磁勢和時間分析圖

2）釋放動作分析

傳統(tǒng)電壓源控制制動器，在釋放動作前，一直在穩(wěn)態(tài)勵磁磁勢（直線5）下工作，為了保證較快的吸合，這一磁勢要求大于制動器最大氣隙下所需吸合磁勢。設(shè)t3時刻制動器斷電釋放，制動器線圈將在直線5 所示勵磁磁勢下沿線段3 續(xù)流衰減，到達t5時刻后，線圈續(xù)流磁勢才開始小于制動器維持磁勢（見直線8），此時刻壓力盤6 才開始釋放移動。

本設(shè)計的電流源型制動器，經(jīng)電機起動強電流吸合后，到釋放動作前，實際工作磁勢對應(yīng)于電機穩(wěn)態(tài)運行電流，只要保證電機空載運行電流所對應(yīng)的制動器勵磁磁勢大于制動器維持電流磁勢即可。假定t3時刻電機在額定電流下斷電停機，則制動器按照線段4 續(xù)流衰減，到達t4時刻后，線圈續(xù)流磁勢才開始小于制動器維持磁勢（見直線8），此時刻壓力盤6 開始釋放移動。

上述分析可見，（t4～t3）顯著小于(t5～t3)，本制動器動作響應(yīng)明顯快于傳統(tǒng)電壓源型制動器。特別是在電機輕載或空載下斷電制動，本方案產(chǎn)品有著更快的制動響應(yīng)時間。

而制動器真正的制動時間、制動能力或制動精度，正是取決于上述釋放制動響應(yīng)時間和制動力矩。所以，在同等條件下，制動釋放響應(yīng)時間越快，制動性能越好，制動定位精度也越高。

2.2 電磁制動器的溫升及可靠性分析與設(shè)計

傳統(tǒng)電壓源控制制動器，在釋放動作前，一直在穩(wěn)態(tài)勵磁磁勢（直線6）下工作，為了保證較快的吸合，這一磁勢要求大于制動器最大氣隙下所需吸合磁勢。所以，制動器穩(wěn)態(tài)工作時的勵磁磁動勢較大，制動器線圈容易發(fā)熱，或有較高的溫升，而本課題設(shè)計的電流型制動器，由于與電機起動電流形成了匹配性設(shè)計[4]，即利用電機起動時的短時沖

擊電流完成制動器的吸合動作，經(jīng)過幾秒鐘的電機起動過程，電機電流就回歸到額定電流以內(nèi)了，所以，這種制動器穩(wěn)態(tài)運行時的勵磁磁勢只有起動電流所對應(yīng)的吸合磁勢的1/5 到1/7（設(shè)計時應(yīng)保證大于維持電流磁勢），故制動器線圈自然就只有較低的溫升，提高了絕緣材料的壽命和制動器的可靠性。

3 電磁制動器設(shè)計分析與計算

3.1 基本電磁參數(shù)概算

以Y160M-6 電機為例，電機額定功率7.5kW，額定轉(zhuǎn)速約970r/min，額定轉(zhuǎn)矩為

制動器樣機電磁機構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 制動器電磁鐵機構(gòu)尺寸圖

樣機電磁制動器環(huán)形摩擦片平均直徑D=0.15m，即摩擦力臂半徑為R=0.075m，按照常規(guī)制動器摩擦片摩擦系數(shù)μ=0.33 計算，產(chǎn)生與電機額定轉(zhuǎn)矩相等的制動轉(zhuǎn)矩時，所需正壓力為

3.2 三維有限元校核計算

在上述概算的基礎(chǔ)上，初步確定了制動器電磁鐵的基本結(jié)構(gòu)尺寸，然后利用Maxwell3D 瞬態(tài)場求解，精確校核計算制動器的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)，利用3D建模。

根據(jù)所建模型，有限元采用Maxwell3D 瞬態(tài)場求解，為計算不同氣隙大小時電磁力大小，設(shè)置銜鐵的運行速度為1mm/s，時間為4s，記錄0s、1s、2s、3s、4s 銜鐵對應(yīng)的位置所受力，實際上就是對應(yīng)的0mm、1mm、2mm、3mm 和4mm 氣隙下的電磁鐵壓力盤11 所受到的吸合力。

其結(jié)果如下：

1）制動器電磁鐵線圈中流過穩(wěn)態(tài)電流，當(dāng)電磁鐵線圈槽內(nèi)平均電流密度為3A/mm2，線圈槽滿率約75%，則線圈槽內(nèi)勵磁電流總安匝數(shù)約為1080A。假設(shè)線圈匝數(shù)為ND=300，相當(dāng)于線圈導(dǎo)線電流ID=3.6A。進行氣隙0～5mm 的電磁鐵磁密云圖圖形分析。

由上述電磁鐵吸合力有限元分析計算結(jié)果圖形分析可以看出，在線圈槽內(nèi)平均電流密度為3A/mm2，總電流為1080A 的條件下，與間隔0mm、1mm、2mm、3mm、4mm 相對應(yīng)的吸合力分別為：35kN、4.19kN、1.11kN、0.5kN、0.29kN。

2）同上，當(dāng)電磁鐵線圈槽內(nèi)平均電流密度為4A/mm2，線圈槽滿率約75%，則線圈槽內(nèi)勵磁電流總安匝數(shù)約為1440A。假設(shè)線圈匝數(shù)為ND=300，相當(dāng)于線圈導(dǎo)線電流ID=4.8A。

在線圈槽內(nèi)平均電流密度為4A/mm2，總電流為1440A 的條件下，與間隔0mm、1mm、2mm、3mm、4mm 相對應(yīng)的吸合力分別為：37.5kN、7.39kN、1.97kN、0.90kN、0.52kN。

3）當(dāng)電磁鐵線圈槽內(nèi)平均電流密度為5A/mm2，線圈槽滿率約75%，則線圈槽內(nèi)勵磁電流總安匝數(shù)約為1800A。假設(shè)線圈匝數(shù)為ND=300，相當(dāng)于線圈導(dǎo)線電流ID=6.0A。

在線圈槽內(nèi)平均電流密度為5A/mm2，總電流為1800A 的條件下，與間隔0mm、1mm、2mm、3mm、4mm 相對應(yīng)的吸合力：37.5kN、10.84kN、3.09kN、1.41kN、0.81kN。

3.3 電磁鐵吸合力特性分析

根據(jù)上述有限元分析計算，得出制動器電磁鐵結(jié)構(gòu)在不同氣隙下電流密度與吸合力之間的關(guān)系，圖形略。

由分析曲線可知，1#曲線在電密大于5A/mm2后，基本進入“水平”狀態(tài)（斜率為零），表明在氣隙為0mm（電磁鐵吸合狀態(tài)）時，隨著電流的進一步加大，電磁鐵進入包含狀態(tài)，吸合力幾乎不再增加；4A/mm2以下，可以看成是線性變化，即吸合力與電流成比例線性下降。由1#曲線可以選擇、校核制動器的維持電流設(shè)計數(shù)據(jù)。

2#、3#、4#、5#曲線分別是氣隙為1mm、2mm、3mm、4mm 時的電磁鐵“吸合力——電密”特性曲線，計算結(jié)果表明，這一組曲線都具有較好的線性關(guān)系。本次制動器的工作氣隙就設(shè)計在2mm，所以，由3#曲線可以選擇、校核制動器的吸合電流設(shè)計數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

1）普通電磁制動器已不能滿足生產(chǎn)生活需要，本快速電磁制動器摒棄了傳統(tǒng)的電壓源供電模式，將制動器控制電源與電機起動特性有機結(jié)合，巧妙的運用了電機起動時產(chǎn)生的5～7 倍額定電流，而簡單地構(gòu)成一種“大電流吸合小電流維持”的“可調(diào)式”電流源型制動器控制電源的產(chǎn)品創(chuàng)新性。

2）以Y160M-6 樣機設(shè)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過有限元仿真和定量分析，得出了制動器結(jié)構(gòu)在不同氣隙下電流密度與吸合力之間的關(guān)系，確定了較為合理的制動器工作氣隙——制動器工作氣隙2mm；制動轉(zhuǎn)矩=電機額定轉(zhuǎn)矩；說明了分析方法的正確。

3）樣機試驗結(jié)果進一步驗證了理論研究成果的正確性。

[1] 盧志剛,楊國良,吳杰,等.電磁制動器類的控制電路設(shè)計和應(yīng)用[J].電力電子技術(shù),2007,41(1): 110-111.

[2] 李鳳祥,朱偉進.無刷直流電機雙?？刂萍夹g(shù)研究與應(yīng)用[J].電機與控制學(xué)報,2013,17(3): 70-75.

[3] 劉子林.電機與電氣控制[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2003: 151-183.

[4] 李勇,崔友,陸永平.一種高速電磁制動器制動過程的動態(tài)特性分析[J].電工技術(shù)學(xué)報,2007,22(8): 131-135.