一种电机用大扭矩制动器的设计

陈 晨， 许志城， 魏 花， 张晟媛

（西安航天动力测控技术研究所， 陕西西安 710025）

0 引言

工业制动器广泛应用于重运输机械、冶金设备、矿山设备、建筑工程机械、风电及核电设备、船舶及海上重工等装备制造业，受益于这些产业的振兴与发展，工业制动器行业将迎来新一轮的发展机遇。 我国工业制动器行业在未来几年内仍将保持10%～20%的年增长率。 根据《中国制动器行业市场需求与投资规划分析报告前瞻》 显示我国“十二五”发展规范纲要中关于推动重点领域跨越发展的相关部署，高端装备制造、新能源、新材料等战略性新兴产业依然将是我国大力发展的重点领域。 国家对装备制造业的规范，将有利推动我国制动器行业的发展。据预计，我国制动器行业市场规模在未来5 年内，仍将保持15%～25%的年增长率。

随着装备制造业的振兴和发展， 国产制动器的产量也有明显增加[1]，制动器行业的销售收入同步增长；由于受制于起步晚、技术基础薄弱以及资本投资有限，我国制动器产品以低端产品为主， 业内少数领先企业坚持自主创新，加大研发投入，正在向科技含量较高的中、高端产品方向发展，制动器中、高端产品的市场份额逐渐增加，中、高端制动器企业的利润率呈上升趋势；而低端产品生产企业则因厂商众多，竞争激烈，价格呈下降趋势，同时钢材等主要原材料价格有所波动，其利润增长速度趋缓。

1 电机制动器概述

电机制动器主要分为永磁式制动器及弹簧式制动器，永磁制动器是一种可调恒扭矩输出的设备。 其输出轴和本体之间通过磁性副联接， 在输出轴上提供稳定的制动扭矩。 可以预设并精确控制张力，张力稳定可靠，结构简单，使用寿命长，安装、调整方便。 但永磁式电机用制动器受温度影响较大，当环境中温度急剧升高时，制动器内部的磁钢磁性能下降严重，会导致制动器无法解锁，制动器工作性能下降，更严重的情况下，制动器中的磁钢可能退磁，制动器产品失灵。 同时，永磁式制动器在振动、冲击、加速度等力学环境下，内部磁钢可能会破碎，导致制动器解锁性能降低，多余物进入电机或者伺服系统内部。因此在温度范围广及力学环境较为苛刻的工况下， 而弹簧式制动器结构中不需要磁钢， 通过弹簧及摩擦片产生制动力矩，摩擦片的种类繁多，可根据不同的工况选择合适的摩擦材料， 弹簧的材料也可根据工况的不同选择不同的材料，因此弹簧式电机制动器有更好的耐高温，耐冲击，耐霉菌，耐盐雾等优势。

弹簧式失电制动器具有可靠性高、易于装配、鲁棒性强等特点，常与电机轴连接实现电机的锁定[2]。 弹簧式制动器通过弹簧及摩擦副提供制动力矩，在断电状态下，制动器的弹簧作用于摩擦片上， 产生的制动力矩通过与电机轴连接的摩擦盘传递到电机端进行制动， 在通电状态下， 线圈产生的磁场对制动器的动板组件形成电磁力的作用， 这个电磁力克服弹簧的弹力使动板组件向壳体端运动，此时弹簧力不作用于摩擦副上，电机轴带动摩擦盘可自由转动，此时制动器解锁，制动器不产生制动力矩。本文设计了一款外径34mm， 制动力矩为0.4Nm 的制动器，功率为3.1W。 此工况对制动器设计提出了很高的要求，需对制动器各项性能参数进行优化仿真计算，得到最优方案。

电机及制动器组件空间小，外形尺寸紧张，且要求制动器摩擦盘不外露， 因此电机组件结构设计采用壳体包裹动板、定板的结构，具体结构如图1 所示，该结构制动器的定板与电机壳体进行连接，通过螺钉进行紧固。磁路设计是制动器设计的主要部分，需要考虑槽满率、电流、功耗、磁通量等影响，需进行相应要求的磁场仿真，对其磁场进行准确的分析，进而优化电磁设计。

图1 制动器结构图

由图1 可知，弹簧式制动器由壳体、 动板组件、摩擦盘、定板组件、导向柱、 弹簧及线圈等组成。 其中线圈骨架材料为铝，线圈组件在接线后进行绝缘真空浸漆处理，壳体及动板材料为10 号钢，表面处理方式为镀镍，可有效防锈。 摩擦盘的材料为0Cr17Ni4Cu4Nb， 该材料是一种马氏体沉淀硬化不锈钢，该钢易于调整强度级别， 它的强度可通过变动热处理工艺予以调整，本文的制动器要求硬度为HRC36～38。 马氏体相变和时效处理形成沉淀硬化相是其主要强化手段。由于0Cr17Ni4Cu4Nb 的低碳、高铬且含铜，故其耐蚀性较Cr13 型及9Cr18、1Cr17Ni2 马氏体钢为好。 此外，该钢衰减性能好， 抗腐蚀疲劳及抗水滴冲蚀能力优于一些马氏体钢，焊接工艺简便，易于加工制造。 0Cr17Ni4Cu4Nb 是具有不锈性又耐弱酸、碱、盐腐蚀的高强度部件。 定板材料为2A12 铝，可有效减轻产品重量，摩擦料为合成橡胶，摩擦副通过铁锚204 胶将摩擦料与动板、定板分别粘接。导向柱安装在定板组件与壳体之间，中间孔穿过螺钉，导向柱与动板组件、 定板组件及摩擦盘之间的尺寸链确定了制动器的工作行程。 一般制动器行程为0.15～0.35mm之间，本文根据功率、制动力矩及外形包络尺寸要求，选择行程为0.2mm，导向柱材料选择304 不锈钢。

2 制动力矩计算

2.1 弹簧压力计算

本文选择弹簧式制动器进行设计， 任务要求制动力大于0.4Nm，且外径不大于34mm，因此设计内径17.5mm，外径22mm 的摩擦片， 选用摩擦系数为0.45 的合成橡胶摩擦料，根据公式1，可得弹簧正压力FN应大于90N，式中D 为摩擦中径。

2.2 弹簧选型

制动器壳体设计4 个弹簧孔安装弹簧， 每个弹簧分布的压力为22.5N，设计压缩量为1.6mm 时压力为16.5N的弹簧，材料为1Cr18Ni9，进行了固溶和时效处理，并进行了钝化， 提高弹簧的环境适应性并有效提升了使用寿命，弹簧外径为3.8mm，如图2 所示，弹簧的自由长度为6.1mm。 四个弹簧通过产生正压力作用于摩擦副上对电机产生制动力。

图2 弹簧

3 电磁计算

3.1 电磁仿真方法

电磁设计是制动器设计的核心。 其中壳体、动板的磁密，热负荷的大小直接关系到制动器的性能优劣及运行可靠性。 对该项目采用场路结合的方式进行仿真计算。

根据外形尺寸的要求，确定该制动器的安匝数，通过Ansoft 软件进行有限元仿真分析，优化壳体结构、动板厚度等技术参数， 在保证制动器输出性能的前提下， 确定最优方案， 图3 为制动器三维模型。

图3 制动器三维模型

3.2 仿真模型

Ansoft/Maxwell 3D 软件是电磁场分析的一种工具， 它基于有限元的数值计算方法，对制动器三维电磁场进行准确的计算[3]。仿真步骤为：三维模型建立，材料定义，求解参数设置，安匝数设置，求解。

3.3 条件设置

（1）采用三维场模拟实际磁场，选取直角坐标系和国际单位制。

（2）设置零磁边界，定义切向方向磁场强度为零的边界条件： 选择要添加边界条件的面-增加切线方向磁场强度为零的磁场，制动器外部磁场所占分量极小，可以忽略。

（3）将制动器的磁场作为非线性恒定磁场来处理。

（4）设置安匝数为320A。

3.4 仿真结果

通过Ansoft 有限元仿真软件进行磁路仿真计算，对壳体结构及制动器行程进行微调优化， 制动器解锁时磁密云图如图4 所示，除个壳体个别点外，所有磁路中磁密均不超过1.8T。

图4 电磁仿真磁密图

制动器动板力值仿真结果如图5 所示， 电磁力为108.3N， 大于制动压力90N，电磁力能够克服弹簧压力，因此在100℃高温环境下制动器能够解锁。

图5 动板力值仿真结果

4 绝缘设计

制动器绝缘包含两部分：绝缘电阻和介电强度。

绝缘电阻指的是电源线与壳体间的直流电阻测试；而绝缘介电强度指的是电源线与壳体间输入交流电，以检查绝缘是否击穿为判定依据。 常规制动器绝缘措施主要包括以下几个方面：

（1）漆包线自身绝缘：本次所选漆包线为聚酰亚胺漆包线，其具有极佳的耐温特性和绝缘特性，自身绝缘能力能够实现1000V 以上。

（2）线圈与骨架层绝缘：漆包线在骨架上绕成线圈形成线圈部件， 本次骨架材质为考虑结构强度选择铝合金材质，因此为防止漆包线绕制过程中出现绝缘层破裂，需在骨架表面缠绕聚酰亚胺胶带， 物理隔离漆包线与金属骨架的接触面。

（3）线圈部件二次绝缘：线圈部件完成后，为进一步提升绝缘能力，需进行浸漆工艺，该工艺不仅提升绝缘性能的可靠性，且能够固化线圈，防止线圈元件窜动；同时又有利于线圈部件散热，提高散热效率。

5 技术指标符合性分析

表1 为制动器主要技术指标要求，其中工作电流要求小于0.3A，本文设计的制动器工作电流为0.11A，功耗低，可长时间工作，主要参数设计值及实测值如表2 所示。

表1 制动器主要技术指标要求

表2 主要参数计算结果

图6 为制动器实物图， 表2 为制动器设计值与实测值的对比， 由表2可知， 此款制动器设计值与实测值结果一致性较好。

图6 制动器实物图

6 结论

本文具体描述了制动器的结构设计、电磁设计、工作制分析、热设计等各类设计参数。基于各类参数的详细设计及相关论证形成制动器设计方案， 详细分析其环境适应性、可靠性、安全性，互换性及寿命等考核要求。最终通过方案与实物的符合性对比，表明了设计的合理性。

由本文分析可得出结论： 弹簧式失电制动器的行程与仿真的电磁力紧密相关，行程越小，电磁力越大，但行程越小对制动器的加工精度，公差及尺寸链的要求越高，因此应反复迭代，选择最佳方案，可根据实际工况设计摩擦片大小及制动器行程， 在满足磁密不饱和的情况下计算弹簧力值。 达到降低机构重量，简化舵机结构，提高系统可靠度的目的。