電磁制動器的發(fā)展現(xiàn)狀及應用前景

胡小飛,王 毅,朱 炎,宋滿存,李國強

(北京精密機電控制設備研究所,北京 100076)

0 引 言

制動器是機械系統(tǒng)安全保障裝置的關鍵元件，可用作機械系統(tǒng)的零位鎖緊，避免系統(tǒng)發(fā)生錯誤的游移、偏轉，或緊急情況下的故障抱死，防止系統(tǒng)非正常操作。

電磁制動器(又名電磁鎖)是一種新型制動器，主要以電流的形式來改變制動力矩的大小，或調節(jié)制動器的開合。與機械式制動器相比，電磁制動器具有結構緊湊、體積小、質量輕、控制方便等特點，廣泛應用于航空航天、重型工業(yè)、精密機械等領域[1-4〗。電磁制動器根據制動方式的不同可分為摩擦式電磁制動器、鎖銷式電磁制動器和無接觸式電磁制動器3種類型。另外，還可以依照施力方式的不同分為彈簧式電磁制動器、永磁式電磁制動器和電渦流式電磁制動器等。電磁制動器性能涉及機、電、磁和材料工程等多個方面，因此要集合多學科理論進行設計。

本文介紹了電磁制動器在各領域的應用現(xiàn)狀，詳細分析了不同類型電磁制動器的特點和研究現(xiàn)狀，最后展望了電磁制動器的未來發(fā)展方向。

1 電磁制動器應用現(xiàn)狀

1.1 磁懸浮飛輪

磁懸浮飛輪是衛(wèi)星等航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中的慣性執(zhí)行機構。磁懸浮飛輪工作時，在磁保護間隙內，轉子與定子采用彈性支承。對于振動與沖擊非常劇烈的發(fā)射段，磁軸承的支承剛度不夠，需采用制動鎖緊裝置施加鎖緊力鎖緊轉子，保護磁軸承，入軌后再釋放施加的鎖緊力，使轉子自由懸浮[2]。

在借鑒國外使用摩擦自鎖來保持鎖緊的一次性鎖緊裝置的基礎上，北京航空航天大學研制出了一種可重復實現(xiàn)鎖緊和解鎖功能的電磁鎖緊方案，如圖1所示[5-6]。該方案中的可重復電磁鎖緊裝置是一種摩擦式電磁制動器，主要通過電磁場與永磁場相互增強和抵消作用，可重復實現(xiàn)飛輪的鎖緊和解鎖功能，只在鎖緊和解鎖的切換過程通電，其余時間不消耗電能。

(a) 可重復電磁鎖緊方案

(b) 電磁鎖緊裝置實物圖

1.2 飛機全電剎車機電作動系統(tǒng)

對于飛機全電剎車作動系統(tǒng)而言，其機輪的制動和剎車力的平衡功能是由機電作動器驅動活塞壓緊剎車盤來實現(xiàn)的。相比于傳統(tǒng)液壓剎車系統(tǒng)，全電剎車系統(tǒng)體積小、質量輕、系統(tǒng)可靠性高、剎車力控制精度高。飛機全電剎車系統(tǒng)的基本結構如圖2所示，機電作動器主要由電機、減速器、電磁制動器，以及滾珠絲杠組成。在飛機停機后，需要剎車系統(tǒng)長時間輸出靜態(tài)剎車力，機電作動器中在電機軸端或齒輪箱部位安裝的失電制動電磁制動器可確保飛機可靠駐停。

圖2 飛機全電剎車系統(tǒng)的基本結構圖

圖3是波音787夢幻客機所用的機電剎車裝置。這兩個全電剎車裝置中的電磁制動器與電機集成為一體，在飛機停機后，抱住電機軸，防止飛機滑動[7]。

圖3 波音787夢幻客機電剎車裝置

1.3 飛行器電動舵機

在飛行器的掛飛、起飛和著陸過程中，由于受到外界力學環(huán)境影響使舵面不停擺動，影響飛行器正常飛行，且會消耗舵機中傳動機構和位置傳感器的使用壽命；某些特定類型的飛行器，飛行前舵面在零位鎖定，飛行時再解鎖，以保證安全發(fā)射。飛行器電動舵機系統(tǒng)中的傳動鏈主要由伺服電動機、減速裝置和作動器組成。電磁制動器與伺服電動機一體化設計，屬于通電解鎖、斷電上鎖制動器，通過鎖定電機軸間接鎖定舵面。

圖4和圖5為兩種用于飛行器電動舵機的電磁制動器，均為彈簧加壓鎖銷式制動器。制動器轉子壓裝在電機軸上，制動器不通電時，鎖銷卡緊制動器轉子的制動盤，電機軸及舵面鎖定在允許零位誤差范圍內，實現(xiàn)鎖定功能。解鎖時，制動器通直流電，鎖銷從制動盤的槽內拔出，解除對電機軸及舵面的鎖定，實現(xiàn)該電磁制動器的解鎖功能[8-9]。

圖4 彈簧加壓鎖銷式制動器1結構示意圖

(a) 鎖制器

(b) 制動盤

1.4 汽車制動系統(tǒng)

制動系統(tǒng)是車輛安全性能的重要保障，快響應、高可控、污染小且高效安全的新型制動系統(tǒng)是改善汽車制動性能的重要研究方向。為保證車輛制動的可靠性高和污染小，最有效的措施是在車輛中使用輔助制動裝置。汽車上應用最廣泛的輔助制動裝置是電渦流制動器。電渦流制動器具有響應快、噪聲小、無接觸摩擦、制動平穩(wěn)、無粉塵污染等優(yōu)點，為非接觸式制動器。

Gay S E等人[10]提出的一種永磁式渦流制動器與摩擦制動器結合為一體的集成制動器概念模型，如圖6所示。

圖6 集成制動器示意圖

圖7為重慶交通大學研制的一種集成了電磁式渦流制動器的汽車電磁摩擦集成制動器[11]。

(a) 仿真模型

(b) 結構示意圖

1.5 空間機械臂

空間機械臂在國際空間站、衛(wèi)星、飛行器等空間設備中應用廣泛，承擔了抓取空間設備、清理太空垃圾、建設空間站，以及維護空間設備等任務。為了防止機械臂在緊急情況下對周圍宇航員、空間設備及自身安全造成威脅，一般在機械臂關節(jié)模組中安裝電磁制動器?？臻g機械臂使用環(huán)境特殊，對制動器性能有特殊要求。制動器摩擦材料在連續(xù)真空環(huán)境下摩擦系數(shù)要穩(wěn)定，摩擦磨損率小，且溫度穩(wěn)定性要好。制動性能上，要具有較高制動力矩密度和較快的制動響應時間，以滿足空間使用要求。

圖8為機械臂驅動組件一體化結構示意圖，其中制動器為彈簧加壓摩擦式制動器[12]。

圖8 關節(jié)驅動組件結構圖和制動器示意圖

1.6 電梯制動器

電梯制動器是電梯最重要的安全部件之一。電梯制動器有多種類型，疊式制動器為目前使用最廣泛的一種，如圖9所示[13]。疊式制動器制動時，電磁線圈斷電，電磁力消失，制動彈簧產生的彈簧力將動板與剎車片推向制動輪轂，實現(xiàn)制動。疊式制動器解鎖時，電磁線圈通電，電磁力克服彈簧力，將動板和剎車片推離制動輪轂實現(xiàn)解鎖。

圖9 疊式制動器結構圖

2 電磁制動器研究現(xiàn)狀

隨著伺服電動機的普及，電磁制動器正廣泛應用于不同的工程領域中?，F(xiàn)有的各類電磁制動器中，應用比較典型的電磁制動器主要有彈簧加壓式電磁制動器、電渦流式電磁制動器以及永磁式電磁制動器。本文對國內外電磁制動器的特點和研究現(xiàn)狀進行了總結和擴展。

2.1 彈簧加壓式電磁制動器

彈簧加壓式電磁制動器是一種失電式電磁制動器，采用失電鎖定、上電解鎖的工作模式，主要依靠彈簧力施壓產生的摩擦阻力或鎖銷力制動。圖10為一種利用摩擦阻力制動的彈簧加壓式電磁制動器，主要分為定子和轉子兩部分。不通電時，彈簧施壓在銜鐵上，使摩擦盤與制動盤相互摩擦產生制動力矩，鎖定轉子部分；上電后，電磁力抵消彈簧力，銜鐵收回，摩擦盤與制動盤分離，解除鎖定。

圖10 摩擦阻力制動的彈簧加壓式電磁制動器示意圖

國內外對彈簧加壓式電磁制動器的研究工作開展得非常深入，采用新結構、新工藝、新材料來提高產品性能。彈簧加壓式電磁制動器如圖11所示，其性能涉及機、電、磁和材料等多學科，文獻[14]提出了一整套制動器綜合設計步驟，建立有效的電磁、機械、熱模型，優(yōu)化提高產品性能。

圖11 彈簧加壓式制動器爆破圖

圖12為哈爾濱工業(yè)大學開發(fā)的一種使用陶瓷摩擦副的彈簧加壓摩擦式制動器，可應用在空間機械臂上。制動器使用4Cr13不銹鋼材料作為摩擦副基底，表面噴涂Cr2O3陶瓷材料。通過熱噴涂方法涂覆在4Cr13表面的Cr2O3陶瓷材料可以提高制動器的使用壽命[15]。

圖12 彈簧加壓摩擦式制動器結構及樣機

在彈簧式電磁制動器研究領域，如德國KEB，MAYR，INTORQ等國外公司在市場和技術上均領先。天津機床電器總廠、天津怡和、天津永恒泰等企業(yè)借鑒國外成品，研制出一系列適應國內市場低成本產品[16]。

2.2 電渦流式電磁制動器

電渦流式電磁制動器，簡稱電渦流制動器，是一種非接觸式的電磁制動器，具有無摩擦、無噪聲、控制簡單和反應迅速等特點。

電渦流制動器根據激勵源的不同，可以分為電勵磁式、永磁式、混合激勵式電渦流制動器。另外，根據制動器主磁通磁路的不同，還可以分為直線電渦流制動器、軸向電渦流制動器和徑向電渦流制動器[17]。與傳統(tǒng)的接觸式制動器相比，電渦流制動器無法輸出較大的制動力矩，在速度較低時制動力也比較低.因而，電渦流制動器只用于緊急制動，而在低速時輔以機械制動。必須指出的是，電渦流制動器在工作期間需要消耗大量電能，且以熱能的形式耗散，導致溫度升高。

圖13為電勵磁直線電渦流制動器的一般結構。導體板與初級鐵心相對運動感應出渦流，并與初級勵磁磁場相互作用產生制動力。電勵磁直線電渦流制動器經常應用于軌道制動領域，無摩擦、制動響應快。通過調節(jié)勵磁電流，可方便地控制制動力的大小。

圖13 電勵磁直線電渦流制動器

圖14為韓國忠南國立大學的CHOI J等提出的一種永磁式徑向電渦流制動器[18]。該制動器的永磁體是可以移動的，通過調節(jié)永磁體和導體環(huán)的對齊狀態(tài)，來改變制動力的大小。

圖14 永磁式徑向電渦流制動器

2.3 永磁式電磁制動器

永磁式電磁制動器是一種新型的電磁制動器，利用永磁體產生的磁阻力摩擦制動，結構簡單，制動轉矩密度大，可靠性高。不通電時，永磁體產生的磁阻力將銜鐵吸合，摩擦力矩鎖定轉子部分；上電后，電磁力抵消永磁力，彈簧力將銜鐵與定子分離，實現(xiàn)解鎖。

與彈簧施壓式電磁制動器相比，永磁式電磁制動器不受限于彈簧性能的設計，體積小、質量輕、結構更為緊湊。由于永磁式電磁制動器完全依靠永磁體產生的磁吸合力制動，制動時無噪聲、無振動、性能可靠。與電渦流式電磁制動器相比，永磁式電磁制動器無需消耗外部能量產生制動力矩，制動力矩大，既可用于緊急制動，又能用于零位鎖緊。

隨著應用領域的不斷擴展，對電磁制動器的安全可靠性、低噪聲、低功耗、抗振能力、環(huán)境適應性等提出了更高要求。永磁式制動器因其獨特的優(yōu)勢受到越來越廣泛關注，德國BINDER[19]，臺灣STEKI，美國Warner等公司對永磁式制動器投入了大量研究，并形成了產品化，制動器制動扭矩從0.4 N·m到160 N·m，有十幾個型號產品可供選擇。國內天津永恒泰[20]、天津怡和等企業(yè)借鑒國外永磁式電磁制動器技術，申請了永磁制動器實用新型專利，但并未有成熟產品應用于市場，國內對于永磁式制動器的需求，完全依賴進口產品。

圖15、圖16分別為臺灣STEKI和德國BINDER的永磁式制動器產品。

圖15 臺灣STEKI永磁式制動器

圖16 德國BINDER永磁式制動器

文獻[21]提出了一種新型永磁式制動器，用于航天飛行器中伺服系統(tǒng)的零位鎖定，如圖17所示。該制動器工作時無需消耗電能，只在解除制動和執(zhí)行制動的短時狀態(tài)通電。制動狀態(tài)時，依靠永磁體產生吸合力，利用鎖銷鎖緊轉子；解鎖狀態(tài)時，利用彈簧力克服永磁體吸合力，保持解鎖狀態(tài)。

圖17 永磁式制動器模型

3 電磁制動器的發(fā)展趨勢

隨著應用領域的不斷擴展，對電磁制動器提出了更高的要求。不同的應用領域對電磁制動器的性能要求各有不同，使得電磁制動器向著多樣性方向發(fā)展，可歸納以下幾個方面：

1)輕質化設計

在航空航天等領域中應用的電磁制動器，由于空間極度有限，對制動器的功率密度、體積、制動能力等方面要求嚴格，需要具備高制動轉矩密度，以實現(xiàn)輕質化特點。

2)極端環(huán)境適應性設計

對于在高低溫變化范圍大、鹽霧霉菌或者振動沖擊強烈等極端環(huán)境中使用的電磁制動器，需綜合電磁、力、熱、摩擦、材料等多方面進行特殊環(huán)境適應性設計。

3)集成化設計

在機電伺服技術應用領域，電磁制動器可與電機集成一體化設計，以實現(xiàn)機電伺服作動器的防差錯或冗余功能。電磁制動器和電機均由定子和轉子兩部分組成，集成一體化設計使得結構更為簡單、緊湊。

在電磁制動器的設計分析研究中，主要技術發(fā)展方向有：新材料、新工藝、新結構在制動器定、轉子上的應用；定、轉子摩擦磨損機理的深入探究與實用計算技術；結合電磁場、溫度場、應力場的多物理場分析與優(yōu)化設計技術。隨著國內外相關技術的發(fā)展以及電磁制動器的推廣應用，實現(xiàn)電磁制動器的多樣性覆蓋。

4 結 語

本文對電磁制動器研究和應用現(xiàn)狀進行了綜述，且展望了電磁制動器的發(fā)展趨勢。電磁制動器結構多樣、性能優(yōu)越，在不同的工程領域應用前景廣闊。隨著對電磁制動器的深入研究，將不斷提高其綜合性能，推動制動技術的發(fā)展。因此，研究電磁制動器具有非常大的工程價值。