一種電機用大扭矩制動器的設計

陳 晨， 許志城， 魏 花， 張晟媛

（西安航天動力測控技術研究所， 陜西西安 710025）

0 引言

工業制動器廣泛應用于重運輸機械、冶金設備、礦山設備、建筑工程機械、風電及核電設備、船舶及海上重工等裝備制造業，受益于這些產業的振興與發展，工業制動器行業將迎來新一輪的發展機遇。 我國工業制動器行業在未來幾年內仍將保持10%～20%的年增長率。 根據《中國制動器行業市場需求與投資規劃分析報告前瞻》 顯示我國“十二五”發展規范綱要中關于推動重點領域跨越發展的相關部署，高端裝備制造、新能源、新材料等戰略性新興產業依然將是我國大力發展的重點領域。 國家對裝備制造業的規范，將有利推動我國制動器行業的發展。據預計，我國制動器行業市場規模在未來5 年內，仍將保持15%～25%的年增長率。

隨著裝備制造業的振興和發展， 國產制動器的產量也有明顯增加[1]，制動器行業的銷售收入同步增長；由于受制于起步晚、技術基礎薄弱以及資本投資有限，我國制動器產品以低端產品為主， 業內少數領先企業堅持自主創新，加大研發投入，正在向科技含量較高的中、高端產品方向發展，制動器中、高端產品的市場份額逐漸增加，中、高端制動器企業的利潤率呈上升趨勢；而低端產品生產企業則因廠商眾多，競爭激烈，價格呈下降趨勢，同時鋼材等主要原材料價格有所波動，其利潤增長速度趨緩。

1 電機制動器概述

電機制動器主要分為永磁式制動器及彈簧式制動器，永磁制動器是一種可調恒扭矩輸出的設備。 其輸出軸和本體之間通過磁性副聯接， 在輸出軸上提供穩定的制動扭矩。 可以預設并精確控制張力，張力穩定可靠，結構簡單，使用壽命長，安裝、調整方便。 但永磁式電機用制動器受溫度影響較大，當環境中溫度急劇升高時，制動器內部的磁鋼磁性能下降嚴重，會導致制動器無法解鎖，制動器工作性能下降，更嚴重的情況下，制動器中的磁鋼可能退磁，制動器產品失靈。 同時，永磁式制動器在振動、沖擊、加速度等力學環境下，內部磁鋼可能會破碎，導致制動器解鎖性能降低，多余物進入電機或者伺服系統內部。因此在溫度范圍廣及力學環境較為苛刻的工況下， 而彈簧式制動器結構中不需要磁鋼， 通過彈簧及摩擦片產生制動力矩，摩擦片的種類繁多，可根據不同的工況選擇合適的摩擦材料， 彈簧的材料也可根據工況的不同選擇不同的材料，因此彈簧式電機制動器有更好的耐高溫，耐沖擊，耐霉菌，耐鹽霧等優勢。

彈簧式失電制動器具有可靠性高、易于裝配、魯棒性強等特點，常與電機軸連接實現電機的鎖定[2]。 彈簧式制動器通過彈簧及摩擦副提供制動力矩，在斷電狀態下，制動器的彈簧作用于摩擦片上， 產生的制動力矩通過與電機軸連接的摩擦盤傳遞到電機端進行制動， 在通電狀態下， 線圈產生的磁場對制動器的動板組件形成電磁力的作用， 這個電磁力克服彈簧的彈力使動板組件向殼體端運動，此時彈簧力不作用于摩擦副上，電機軸帶動摩擦盤可自由轉動，此時制動器解鎖，制動器不產生制動力矩。本文設計了一款外徑34mm， 制動力矩為0.4Nm 的制動器，功率為3.1W。 此工況對制動器設計提出了很高的要求，需對制動器各項性能參數進行優化仿真計算，得到最優方案。

電機及制動器組件空間小，外形尺寸緊張，且要求制動器摩擦盤不外露， 因此電機組件結構設計采用殼體包裹動板、定板的結構，具體結構如圖1 所示，該結構制動器的定板與電機殼體進行連接，通過螺釘進行緊固。磁路設計是制動器設計的主要部分，需要考慮槽滿率、電流、功耗、磁通量等影響，需進行相應要求的磁場仿真，對其磁場進行準確的分析，進而優化電磁設計。

圖1 制動器結構圖

由圖1 可知，彈簧式制動器由殼體、 動板組件、摩擦盤、定板組件、導向柱、 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行絕緣真空浸漆處理，殼體及動板材料為10 號鋼，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，該鋼易于調整強度級別， 它的強度可通過變動熱處理工藝予以調整，本文的制動器要求硬度為HRC36～38。 馬氏體相變和時效處理形成沉淀硬化相是其主要強化手段。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于一些馬氏體鋼，焊接工藝簡便，易于加工制造。 0Cr17Ni4Cu4Nb 是具有不銹性又耐弱酸、堿、鹽腐蝕的高強度部件。 定板材料為2A12 鋁，可有效減輕產品重量，摩擦料為合成橡膠，摩擦副通過鐵錨204 膠將摩擦料與動板、定板分別粘接。導向柱安裝在定板組件與殼體之間，中間孔穿過螺釘，導向柱與動板組件、 定板組件及摩擦盤之間的尺寸鏈確定了制動器的工作行程。 一般制動器行程為0.15～0.35mm之間，本文根據功率、制動力矩及外形包絡尺寸要求，選擇行程為0.2mm，導向柱材料選擇304 不銹鋼。

2 制動力矩計算

2.1 彈簧壓力計算

本文選擇彈簧式制動器進行設計， 任務要求制動力大于0.4Nm，且外徑不大于34mm，因此設計內徑17.5mm，外徑22mm 的摩擦片， 選用摩擦系數為0.45 的合成橡膠摩擦料，根據公式1，可得彈簧正壓力FN應大于90N，式中D 為摩擦中徑。

2.2 彈簧選型

制動器殼體設計4 個彈簧孔安裝彈簧， 每個彈簧分布的壓力為22.5N，設計壓縮量為1.6mm 時壓力為16.5N的彈簧，材料為1Cr18Ni9，進行了固溶和時效處理，并進行了鈍化， 提高彈簧的環境適應性并有效提升了使用壽命，彈簧外徑為3.8mm，如圖2 所示，彈簧的自由長度為6.1mm。 四個彈簧通過產生正壓力作用于摩擦副上對電機產生制動力。

圖2 彈簧

3 電磁計算

3.1 電磁仿真方法

電磁設計是制動器設計的核心。 其中殼體、動板的磁密，熱負荷的大小直接關系到制動器的性能優劣及運行可靠性。 對該項目采用場路結合的方式進行仿真計算。

根據外形尺寸的要求，確定該制動器的安匝數，通過Ansoft 軟件進行有限元仿真分析，優化殼體結構、動板厚度等技術參數， 在保證制動器輸出性能的前提下， 確定最優方案， 圖3 為制動器三維模型。

圖3 制動器三維模型

3.2 仿真模型

Ansoft/Maxwell 3D 軟件是電磁場分析的一種工具， 它基于有限元的數值計算方法，對制動器三維電磁場進行準確的計算[3]。仿真步驟為：三維模型建立，材料定義，求解參數設置，安匝數設置，求解。

3.3 條件設置

（1）采用三維場模擬實際磁場，選取直角坐標系和國際單位制。

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

（3）將制動器的磁場作為非線性恒定磁場來處理。

（4）設置安匝數為320A。

3.4 仿真結果

通過Ansoft 有限元仿真軟件進行磁路仿真計算，對殼體結構及制動器行程進行微調優化， 制動器解鎖時磁密云圖如圖4 所示，除個殼體個別點外，所有磁路中磁密均不超過1.8T。

圖4 電磁仿真磁密圖

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

圖5 動板力值仿真結果

4 絕緣設計

制動器絕緣包含兩部分：絕緣電阻和介電強度。

絕緣電阻指的是電源線與殼體間的直流電阻測試；而絕緣介電強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。 常規制動器絕緣措施主要包括以下幾個方面：

（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，自身絕緣能力能夠實現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， 本次骨架材質為考慮結構強度選擇鋁合金材質，因此為防止漆包線繞制過程中出現絕緣層破裂，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，為進一步提升絕緣能力，需進行浸漆工藝，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；同時又有利于線圈部件散熱，提高散熱效率。

5 技術指標符合性分析

表1 為制動器主要技術指標要求，其中工作電流要求小于0.3A，本文設計的制動器工作電流為0.11A，功耗低，可長時間工作，主要參數設計值及實測值如表2 所示。

表1 制動器主要技術指標要求

表2 主要參數計算結果

圖6 為制動器實物圖， 表2 為制動器設計值與實測值的對比， 由表2可知， 此款制動器設計值與實測值結果一致性較好。

圖6 制動器實物圖

6 結論

本文具體描述了制動器的結構設計、電磁設計、工作制分析、熱設計等各類設計參數?；诟黝悈档脑敿氃O計及相關論證形成制動器設計方案， 詳細分析其環境適應性、可靠性、安全性，互換性及壽命等考核要求。最終通過方案與實物的符合性對比，表明了設計的合理性。

由本文分析可得出結論： 彈簧式失電制動器的行程與仿真的電磁力緊密相關，行程越小，電磁力越大，但行程越小對制動器的加工精度，公差及尺寸鏈的要求越高，因此應反復迭代，選擇最佳方案，可根據實際工況設計摩擦片大小及制動器行程， 在滿足磁密不飽和的情況下計算彈簧力值。 達到降低機構重量，簡化舵機結構，提高系統可靠度的目的。