電磁失電制動器機電一體化仿真技術研究

陳開樓，張穩橋，曾曉松，劉 勇

(貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

電磁制動器是現代生產中常見的一種自動化執行元件，具有使運動部件減速、停止或保持停止狀態等功能，其操作簡單、反應較快[1]，國外在制動器設計方面，普遍采用計算機輔助產品設計(CAD)，計算機輔助工程分析(CAE)和計算機仿真技術。近年來，雖然我國制動器設計制造技術在不斷發展，但與發達國家比仍存在一定差距，在理論和工程實踐方面需要開展進一步研究。因此，本文通過Ansys對電磁制動器的電磁吸力隨氣隙的變化規律、響應時間隨氣隙的變化規律、響應時間隨彈簧力的變化規律等進行了仿真分析，提供一種電磁仿制動器的輔助設計方法，對電磁制動器的設計有著重要的意義。

1 電磁失電制動器結構及工作原理

1.1 電磁失電制動器結構

電磁失電制動器具有體積小、重量輕的特點，其制造工序多，涉及精密機械、精細化加工、繞組加工，其生產加工能力需求較高。結構設計是制動器設計的基礎，其決定了整機方案的可行性、工藝性以及可靠性，所以整機的結構設計是關鍵[2-5]。制動器主要由磁軛、線圈、銜鐵、彈簧、制動盤、蓋板、摩擦片等零部件組成，其結構框圖如圖1所示，詳細結構如圖2。

圖1 電磁失電制動器結構框圖

圖2 電磁失電制動器三維結構爆炸圖

1.2 電磁失電制動器工作原理

電磁失電制動器可實現通電快速解鎖，失電迅速制動功能，其工作原理見表1。

表1 制動器工作原理簡述

續表1

2 電磁失電制動器機電一體化仿真技術研究

2.1 仿真模型建立

本項目擬選用常溫下摩擦系數為0.42的摩擦片。根據相關公式，結合制動器體積，確定摩擦片內外徑，采取適當裕量設計，以0.26 N·m為目標力矩，所需彈簧力為52 N。

圖3 制動器三維仿真模型

依據上述結論及彈簧彈力，對電磁吸力進行優化設計。建立制動器磁路結構有限元模型，不斷優化，平衡磁軛內外圈磁密及內外氣隙磁密。優化后磁路結構模型如圖3，并對制動器磁軛殼體、線圈、銜鐵、求解域、運動區域進行網格剖分，其剖分效果分別如圖4-圖6。制動器網格劃分均勻，滿足瞬態場有限元分析的要求。

圖4 殼體與線圈網格剖分圖

圖5 銜鐵與運動區域網格剖分圖

圖6 求解域網格剖分圖

制動器動態響應仿真需要增加外電路，進行場路耦合的機電一體化仿真，電路如圖7。

圖7 制動器動態響應仿真電路圖

2.2 研究內容

電磁失電制動器機電一體化仿真內容見表2，經過機電一體化仿真，確保制動器制動力矩及響應時間等指標滿足要求的前提下，進行磁路優化，提高制動器制動力矩密度，探索響應時間隨氣隙、彈簧彈力、溫度等變量的變化規律，實現具有快響應功能的高制動力矩密度失電制動器設計。

表2 機電一體化仿真分析內容

2.2.1 電磁吸力隨氣隙變化規律研究

仿真時設定摩擦片在運動域內沿著Z軸運動，摩擦片的行程為0.1 mm(氣隙為0.1 mm)，制動器解鎖時，摩擦片沿著Z軸負向運動，逐漸靠近磁軛殼體端面。由前文分析可知，磁場吸力與氣隙大小及內外側平均氣隙有關，對磁軛與銜鐵間氣隙進行了優化設計。圖8為磁吸力隨氣隙大小的變化曲線，可知，隨著氣隙增大，磁吸力逐漸變小。因此，氣隙越小，電磁吸力越大，可實現更高的制動力矩密度。

圖8 磁吸力隨氣隙變化曲線

2.2.2 響應時間隨氣隙變化規律研究

磁路結構及材料相同的情況下，分別對氣隙為0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm時制動器的解鎖和制動過程的電流隨時間變化曲線進行仿真，從而得出不同氣隙對應的制動器響應時間。其中，圖9、圖10分別為氣隙0.1 mm時對應的制動器解鎖過程和制動過程中電流變化曲線。

圖9 制動器解鎖過程電流隨時間變化曲線

圖10 制動器鎖制過程電流隨時間變化曲線

從圖中可以看出，制動器解鎖時間為9.1 ms，滿足指標要求(≤12 ms)，制動時間為11.4 ms，滿足指標要求(≤20 ms)。圖11、圖12分別為制動器解鎖時間、鎖制時間隨氣隙變化曲線，可知，在其他條件相同的情況下，制動器的解鎖時間及鎖制時間隨氣隙變大而線性變大。

圖11 解鎖時間隨氣隙變化規律

圖12 鎖制時間隨氣隙變化曲線

2.2.3 響應時間隨彈力變化規律研究

圖13 解鎖時間隨彈力變化曲線

圖14 鎖制時間隨彈力變化曲線

磁路結構及材料相同情況下，取氣隙0.1 mm，分別對彈力為42 N、45 N、48 N、52 N時制動器的解鎖和制動過程的電流隨時間變化曲線進行仿真，從而得出不同彈力對應的制動器響應時間。分別如圖13、圖14所示?？梢?，隨著彈簧彈力變大，解鎖時間呈現增大趨勢，鎖制時間呈現減小趨勢。因此，制動器設計過程中，制動力矩滿足要求的前提下，盡量減小彈簧彈力，有助于提高制動器響應速度。

2.2.4 響應時間隨溫度變化規律研究

圖15 解鎖時間隨溫度變化曲線

銅電阻與溫度正相關，制動器通電電壓一定的情況下，電阻與電流成反比，因此改變電流值可等效實現溫度的變化。磁路結構及材料相同的情況下，取氣隙0.1 mm，分別對線圈電流為0.18 A、0.165 A、0.13 A、0.12 A(對應環境溫度分別為+115.3 ℃、+88.4 ℃、+20 ℃、-1.3 ℃)時制動器的解鎖過程的電流隨時間變化曲線進行仿真，從而得出解鎖時間隨溫度變化規律。因制動器鎖制過程中制動器處于失電狀態，線圈電阻的變化不會對鎖制時間產生影響，而彈簧彈力幾乎不受溫度影響，因此溫度變化僅影響制動器的解鎖時間。制動器解鎖時間隨溫度變化規律如圖15所示，可知，隨著溫度升高，制動器解鎖時間增大，因此最大環境溫度對應的解鎖時間符合要求，才能保證制動器全溫度范圍內的工作可靠性。

2.2.5 電磁吸力隨磁路內外圈氣隙磁密分布變化規律

制動器氣隙分線圈內側氣隙和線圈外側氣隙，簡稱為內氣隙和外氣隙，文獻[5]中通過解析法理論推導，證明只有當內氣隙平均磁密與外氣隙平均磁密相等時，制動器磁路結構才為最優，具有最大的電磁吸力。此處使用仿真軟件，對該結論形成仿真結果支撐。

經不斷調整制動器磁路結構，發現內外氣隙平均磁密差值越小，電磁吸力越大，當內外氣隙平均磁密值相等時，電磁吸力最大。圖16、圖17分別為內、外氣隙平均磁密相等時的磁密分布圖。

圖16 內側氣隙磁密分布

圖17 外側氣隙磁密分布

2.2.6 磁軛殼體、銜鐵等磁路材料磁密仿真

圖18 磁力線分布圖

磁軛殼體、銜鐵共同組成制動器的磁路，機電一體化仿真過程中，當電磁吸力滿足要求時，受磁路材料飽和磁密限制，必須對磁路材料磁密進行仿真。項目制動器磁路磁密分布如圖18、圖19，可以看出，制動器磁路部分最高磁密僅1.6T，而擬選用高導磁材料飽和磁密大于1.8T，因此磁密無局部飽和問題，制動器可以可靠工作。

圖19 銜鐵和磁軛磁密分布圖

3 仿真結果

通過上述仿真，及綜合考慮結構、電磁、力、熱等因素對制動器響應速度及制動力矩的影響，最終選擇參數如下：額定電壓24 V，額定功率4 W，解鎖電壓小于等于18 V，靜態制動力矩0.26 N·m，氣隙長度0.1 mm，解鎖時間小于等于20 ms，鎖制時間小于等于12 ms。

4 測試結果

對其測試，結果如下，制動器工作電流和解鎖電壓測試接線如圖20所示。測試工作電流為0.162～0.168 A，解鎖電壓為10.3～13.7 V，額定電壓為24 V，計算制動器功率等于額定電壓乘以工作電流得3.98～4.03 W，測試解鎖時間與鎖制時間接線如圖21，解鎖時間波形如圖22，當電流從零上升到第一個峰值時，為銜鐵開始運動的點，此時制動器成解鎖狀態，電流下降到第一個峰值時，此時銜鐵到達解鎖最終位置，最后電流持續上升逐漸到達穩定工作電流，測試得到電流從零上升到第一個峰值的時間為11.5～15.6 ms，即解鎖時間為11.5～15.6 ms；鎖制時間波形如圖23，當電流從最大值下降到最低點然后上升到第一峰值時，制動器完成鎖制，測試得到時間為10.3～13.6 ms，即鎖制時間為10.3～13.6 ms。實測試數據如表4。

圖20 工作電流和解鎖電壓測試接線圖 圖21 解鎖時間與鎖制時間接線圖

圖22 解鎖時間波形圖 圖23 鎖制時間波形圖

表3 仿真與實測對比數據

5 結論

針對電磁失電制動器各指標的機電一體化研究，綜合考慮結構、電磁、力、熱等因素對制動器響應速度及制動力矩的影響，量化研究電磁吸力隨氣隙變化規律及響應時間隨氣隙變化規律、磁吸力最大時鎖制時間隨彈簧彈力變化規律、解鎖時間隨溫度變化規律等，并通過多目標尋優方式，平衡電氣性能與機械性能之間的相互影響與制約，最終對磁路材料磁密進行校核，保證制動器能可靠實現高制動力矩密度，可實現快響應、高制動力矩密度的電磁失電制動器設計。實測結果與仿真結果基本一致，因此，本文所述機電一體化仿真方法對失電制動器精準仿真設計具有重要意義。