舵機(jī)用抗振動(dòng)永磁式制動(dòng)器的研究與設(shè)計(jì)

曾曉松 魏雪環(huán) 劉勇 趙飛

【摘 要】 在航空航天產(chǎn)品應(yīng)用中，由于傳統(tǒng)摩擦式電磁制動(dòng)器在振動(dòng)下，容易出現(xiàn)鎖制力矩消失，動(dòng)作不靈敏等問題。針對上述問題設(shè)計(jì)一種新型永磁式電磁制動(dòng)器，對其結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，用Ansoft Maxwell軟件對其制動(dòng)性能進(jìn)行仿真分析，對該新型制動(dòng)器與傳統(tǒng)摩擦式電磁制動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，對比兩種制動(dòng)器鎖制力矩變化及抗振動(dòng)能力。

【關(guān)鍵詞】 永磁式 制動(dòng)器電磁仿真 抗振動(dòng)

引 言

電磁制動(dòng)器是現(xiàn)代生產(chǎn)中常見的一種自動(dòng)化執(zhí)行元件，具有使運(yùn)動(dòng)部件減速、停止或保持停止?fàn)顟B(tài)等功能，其操作簡單、反應(yīng)較快[1]。電磁制動(dòng)器多與電機(jī)配套使用，主要包括通電解鎖、斷電制動(dòng)兩個(gè)工作過程。電磁制動(dòng)器主要有摩擦式電磁制動(dòng)器和粉末電磁制動(dòng)器等多種形式[2]。由于摩擦式電磁制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及工作原理簡單，使其得到了廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)摩擦式電磁制動(dòng)器體積大，在惡劣環(huán)境下，容易出現(xiàn)鎖制力矩消失，動(dòng)作不靈敏、安全可靠性差等問題。尤其在航空航天產(chǎn)品應(yīng)用過程中，對制動(dòng)器的體積、質(zhì)量、精度、可靠性等方面要求較高，在振動(dòng)劇烈的情況下，仍需制動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)可靠制動(dòng)。然而傳統(tǒng)摩擦式電磁制動(dòng)器在振動(dòng)環(huán)境下經(jīng)常出現(xiàn)鎖制力矩消失的情況，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)制動(dòng)，進(jìn)而偏離預(yù)設(shè)軌跡。針對傳統(tǒng)摩擦式電磁制動(dòng)器，在振動(dòng)環(huán)境下容易出現(xiàn)鎖制力矩消失的問題。設(shè)計(jì)一種體積小、安全可靠、便于安裝的新型永磁式電磁制動(dòng)器。

1 永磁式電磁制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 永磁式電磁制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

永磁式電磁電制動(dòng)器主要由動(dòng)鐵芯和靜鐵芯組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中動(dòng)鐵芯主要包括動(dòng)鐵芯基座、彈簧、摩擦片、鉚釘，靜鐵芯主要包括電樞、外殼、內(nèi)殼、磁鋼、端環(huán)，如圖2所示。傳統(tǒng)摩擦式電磁制動(dòng)器主要由磁軛、銜鐵、摩擦盤、蓋板、軸套、導(dǎo)柱、彈簧、螺釘組成，如圖3所示。

永磁式摩擦制動(dòng)器與傳統(tǒng)摩擦式電磁制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于，電磁制動(dòng)器與電機(jī)輸出軸之間由傳統(tǒng)的摩擦副連接變?yōu)榇判愿边B接，磁性副在摩擦副的基礎(chǔ)上減少了摩擦盤和銜鐵，結(jié)構(gòu)較為簡單。

1.2 永磁式電磁制動(dòng)器工作原理

永磁摩擦式電磁制動(dòng)器工作過程分為制動(dòng)過程和解鎖過程。

制動(dòng)原理：制動(dòng)器斷電時(shí)，制動(dòng)器中只存在磁鋼產(chǎn)生的磁場，動(dòng)鐵芯上的摩擦片在磁鋼的磁力作用下克服彈簧彈力，與靜鐵芯端面接觸，接觸端面產(chǎn)生正壓力，從而產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)矩，鎖住轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)鎖制功能。

解鎖原理：制動(dòng)器通電時(shí)，靜鐵芯中電樞通電，產(chǎn)生磁場，當(dāng)磁鋼產(chǎn)生的磁場被線圈產(chǎn)生的磁場疊加抵消時(shí)，摩擦片受到的磁力減弱，當(dāng)磁力小于彈簧的彈力時(shí)，摩擦片沿軸線運(yùn)動(dòng)，脫離靜鐵芯端面，實(shí)現(xiàn)解鎖。

傳統(tǒng)摩擦式電磁制動(dòng)器制動(dòng)為彈簧提供摩擦面之間的正壓力，從而在摩擦副上產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)矩。解鎖時(shí)線圈繞組通電產(chǎn)生電磁吸力，吸引銜鐵壓縮彈簧，釋放摩擦盤，使制動(dòng)器處于解鎖狀態(tài)。

新型制動(dòng)器與傳統(tǒng)制動(dòng)器工作的主要卻別在于，提供摩擦副間的壓力由彈簧彈力變?yōu)榇配摯帕Γ配摯帕υ谡駝?dòng)情況下較彈簧彈力更為穩(wěn)定，不受振動(dòng)、沖擊等力學(xué)環(huán)境因素影響，工作更穩(wěn)定

2 制動(dòng)器性能設(shè)計(jì)

2.1 靜態(tài)鎖制力矩分析

當(dāng)一內(nèi)外半徑分別為R1、R2（R1>R2）的圓環(huán)受到沿軸向的正壓力F，摩擦系數(shù)為u時(shí)，其旋轉(zhuǎn)時(shí)所受的摩擦力矩求解如下：

單位面積環(huán)所受壓強(qiáng)為：

（1）

取距圓心r處的微圓環(huán)，其徑向?qū)挾葹閐r，則其面積為：

（2）

微環(huán)所受壓力：

（3）

摩擦力：

（4）

摩擦力矩：

（5）

對摩擦力矩從R2到R1積分，得圓環(huán)受摩擦力矩為：

（6）

2.2 制動(dòng)器電磁設(shè)計(jì)

針對某舵機(jī)所需制動(dòng)器性能及尺寸要求，得到制動(dòng)器基本指標(biāo)和內(nèi)外殼尺寸，如表1和表2所示。在Ansoft Maxwell中建立制動(dòng)器有限元模型，如圖4所示。并對制動(dòng)器的工作過程進(jìn)行仿真分析。

2.2.1制動(dòng)性能分析

制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器中只存在磁鋼產(chǎn)生的磁場。制動(dòng)吸合時(shí)，磁力線和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖5（a） 、（b）所示。

從圖5（a）可知，磁鋼產(chǎn)生的磁路由兩部分組成，一部分從磁鋼出發(fā)，經(jīng)過內(nèi)殼凸臺(tái)，到達(dá)摩擦片，再經(jīng)過外殼回到磁鋼。這部分的磁路磁阻較小，磁力線分布較為密集；另一部分從磁鋼出發(fā)，經(jīng)過內(nèi)殼的下端到達(dá)制動(dòng)器的端環(huán)，經(jīng)過墊圈、外殼回到磁鋼。這部分的磁路磁阻較大，磁力線分布較為稀疏。從圖5（b）可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度較大的區(qū)域位于上半?yún)^(qū)域。制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，主要靠上半?yún)^(qū)產(chǎn)生的磁力吸引摩擦片產(chǎn)生制動(dòng)效果。

制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，摩擦片所受電磁力隨間距變化的曲線，如圖6所示。摩擦片在制動(dòng)開始和結(jié)束時(shí)所受到的電磁力分別為4.26N、66.7N。

2.2.2 解鎖性能分析

制動(dòng)器解鎖時(shí)，制動(dòng)器中的磁場為磁鋼和線圈的疊加磁場。制動(dòng)器中的磁力線和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖7（a） 、（b）所示。

從圖7（a）可知，制動(dòng)時(shí)磁力線較為密集的部分位于制動(dòng)器的下端，這部分的磁力線從磁鋼出發(fā)，經(jīng)過內(nèi)殼的下端到達(dá)制動(dòng)器的端環(huán)，再經(jīng)過外殼回到磁鋼。從圖7（b）可看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度較大的區(qū)域位于制動(dòng)器的下半?yún)^(qū)域。制動(dòng)器解鎖時(shí)，摩擦片所受電磁力較小。

制動(dòng)器解鎖時(shí)，摩擦片所受的電磁力隨間距變化的曲線，如圖8所示。摩擦片在解鎖開始和結(jié)束時(shí)所受到的電磁力為0.59N、0.08N。

制動(dòng)器采用標(biāo)準(zhǔn)彈簧，提供的彈力為1.8N，由上述分析，摩擦片在制動(dòng)時(shí)所受電磁力為4.26N～66.7N，所受最小電磁力4.26N大于1.8N可實(shí)現(xiàn)可靠制動(dòng)。摩擦片在解鎖過程中所受到的電磁力為0.59N～0.08N。所受最大電磁力0.59N小于1.8N，可實(shí)現(xiàn)解鎖。