基于ANSYS的永磁失電制動器的設計技術

宋振民，蘇 偉，李 雨，寧劍建，朱志強，楊 鏡

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

制動器是零位鎖制設備[1]，傳統(tǒng)的彈簧式制動器體積大，力矩密度低，無法滿足小型化與高沖擊的要求。永磁失電制動器是近年來應用較廣泛的一種新型制動器，其具有功耗低、抗沖擊、小型化、制動力矩大等優(yōu)點。永磁失電制動器是依靠金屬摩擦環(huán)與靜鐵心內環(huán)和外環(huán)的相互摩擦而產生制動力。

在如今高速發(fā)展的科技領域，永磁失電制動器的穩(wěn)定性和安全性對設備的運行至關重要，因此合理的永磁失電制動器設計方法對各制動應用領域有著重要意義。本文以某款永磁失電制動器為研究對象，給出了該款制動器的設計方法，結合ANSYS-Workbench對片式彈簧進行力學仿真，驗證片式彈簧理論計算的準確性，利用ANSYS-Maxwell 電磁仿真軟件對環(huán)形磁鋼進行了仿真設計，然后運用求解電路的方法對永磁失電制動器的磁路進行計算，并結合ANSYS-Maxwell電磁仿真軟件驗證了磁路計算的準確性，最后將仿真分析的結果和原理樣機的性能試驗結果進行了對比，驗證了該設計方法的可行性。

1 永磁式制動器的設計方法

1.1 永磁式制動器結構設計與工作原理

永磁式制動器的結構包括定子、轉子。定子由定子內殼、隔磁墊圈、電樞、定子外殼、磁鋼組成；轉子由摩擦環(huán)、片式彈簧、鉚釘、轉子基座組成；定子內殼、定子外殼位于電樞外；隔磁墊圈位于定子內殼和定子外殼之間；定子外殼呈短T形；磁鋼位于定子外殼外側；壓板呈半包圍狀；電樞位于定子外殼內腔，電樞一側與定子內殼側壁接觸，另一側與定子外殼相接觸；磁鋼位于定子外殼外側并與壓板的內壁相連；片式彈簧一側與摩擦片相接觸，另一側與轉子基座相接觸；鉚釘將摩擦片、彈簧、轉子基座鉚接為一體。永磁式制動器具體結構形式如圖 1所示。

圖1 永磁式制動器結構圖

永磁失電制動器主要通過摩擦環(huán)摩擦產生制動力矩。當制動器處于失電狀態(tài)時，摩擦環(huán)受到的磁力F磁大于片式彈簧的彈力，制動器吸合，此時摩擦環(huán)與靜鐵心之間的氣隙為X0=0，摩擦環(huán)與靜鐵心之間磁力線最為密集，因此靜鐵心端面所受的正壓力最大，為磁鋼的磁力與片式彈簧的彈力之差，在接觸面上產生靜摩擦力矩，實現制動功能。

制動器通電瞬間，電樞產生磁場，電樞磁場對摩擦環(huán)的磁力與磁鋼對摩擦環(huán)的磁力的合力小于片式彈簧的彈力，此時氣隙處的磁場大大削弱，摩擦環(huán)與靜鐵心之間磁力線非常稀疏。片式彈簧將摩擦片拉回，氣隙回到X1(X1>0)的狀態(tài)，此時摩擦環(huán)所受磁力最小，片式彈簧彈力大于通電電樞與磁鋼對摩擦環(huán)的磁拉力合力，制動器實現解鎖。

1.2 性能要求

該款永磁式制動器的性能要求如表1所示。

表1 永磁式制動器性能要求

1.3 制動器氣隙選擇

該制動器的建議氣隙對應如表2所示。

表2 氣隙對應表

按照氣隙對應表及該制動器的外形尺寸，該制動器氣隙選擇0.25 mm。

1.4 主要零件參數

該款制動器的主要零部件參數如表3所示。

表3 主要零件參數表

1.5 片式彈簧彈力計算

每段片式彈簧慣性矩根據式(1)得出:

(1)

片式彈簧彈力根據式(2)得出：

(2)

式中：I0為每段彈簧慣性矩；F彈為片式彈簧力，N；b為片式彈簧寬度，mm；h為片式彈簧厚度，mm；E為材料的彈性模量，MPa;L為每段片式彈簧平均長度，mm;fy為制動器失電鎖制時片式彈簧的變形量，也是制動器通電安裝時設置的氣隙，mm。

片式彈簧如圖2所示，制動器氣隙示意如圖3所示。

圖2 片式彈簧

圖3 制動器氣隙示意圖

利用ANSYS-Workbench對片式彈簧進行力學仿真[2],仿真結果如圖4所示。

圖4 彈簧片力學仿真

當F彈為16.68 N時，彈簧片的最大變形量為0.26 mm，符合制動器氣隙要求。

1.6 正壓力計算

該永磁失電制動器力矩為2 N·m，T1=2 N·m=20.4 kg·cm

根據式(3)求出制動器工作正壓力F[3]：

(3)

根據F磁=F+F彈求出永磁失電制動器所需要的磁吸力F磁=307.02+16.68=323.7 N。

式中：F為制動器制動需要的工作正壓力，N；F磁為磁鋼對摩擦環(huán)的磁吸力，N；F彈為片式彈簧對摩擦環(huán)的彈力,N；K為磁鋼對摩擦環(huán)產生的制動器工作安全系數；R為制動器工作摩擦半徑，mm；fu為摩擦片摩擦系數;

2 制動器電磁設計

定子外殼和定子內殼的導磁材料選用導磁性能較好的電磁純鐵DT4，摩擦環(huán)采用10號鋼，它們都具有導磁性能良好、矯頑力低、飽和磁感高等特點，在永磁失電制動器的設計中是常用的材料，但是由于其防銹性能不夠好，所以在使用中需要提前做好表面防銹處理，比如采用鍍鎳磷工藝防銹。

2.1 環(huán)形磁鋼的仿真設計

利用有限元分析軟件Maxwell進行磁鋼的設計仿真[2]，確定好磁鋼的尺寸。為了更好地用于高低溫工作的要求，磁鋼材料采用溫度系數小的釤鈷，仿真結果如圖5、圖6所示。

圖5 制動器失電狀態(tài)時，磁力線分布圖

圖6 制動器失電狀態(tài)時，磁鋼對摩擦環(huán)磁吸力與氣隙關系圖

圖6中，m1、m2代表摩擦環(huán)與電樞之間氣隙分別為0、250 μm的兩個位置，X代表的是氣隙的大小，Y代表的是摩擦環(huán)受力的大小。根據仿真分析結果可知，失電狀態(tài)時，磁鋼對摩擦環(huán)的磁吸力為332.4 N，符合永磁失電制動器所需要的磁吸力F磁的要求，確定磁鋼尺寸為φ36 mm×φ29 mm×2.6 mm。

2.2 電磁吸力計算

永磁失電制動器和電磁制動器不同，并不是電樞對摩擦環(huán)的電磁力越大越好，永磁失電制動器通電解鎖的條件是磁鋼對摩擦環(huán)產生的磁吸力與電樞對摩擦環(huán)產生的電磁力合力，小于片式彈簧對摩擦環(huán)產生的彈力。各力的關系如下:

(4)

式中：F磁為磁鋼對摩擦環(huán)的磁吸力，N；F電為電樞對摩擦環(huán)的電磁力，N；F彈為片式彈簧的彈簧力，N。

2.3 計算磁壓降、磁通及磁密

本文通過運用求解電路的方法對永磁失電制動器的磁路進行計算，避開了麥克斯韋方程組的非線性及復雜性。磁路中的總磁通依照式(5) 計算[4]:

(5)

式中：Φ為磁通，Wb；S外為靜鐵心外圓環(huán)面積，mm2；S內為靜鐵心內圓環(huán)面積，mm2。計算得到Φ=5.599×10-5Wb。

再通過磁路分段法計算磁密，磁路分段法具體步驟如下：

為方便分析靜鐵心電樞通電產生的磁路，在利用磁路分段法時，忽略磁鋼對磁路產生的影響。如圖7所示，磁路被分為a、b、c、d、e、f、g、h段，其中e、f段為空氣隙，即計算每段的磁密Bi，如下式：

式中：Bi為每段的磁密，T；Si為每段的截面積，mm2。

圖7 磁路分段法示意圖

按照10號鋼和電磁純鐵DT4的B-H曲線，得出每段磁感應強度Hi，然后根據下式得出磁壓降W1。

式中：W1是磁路中的磁壓降，A；Hi是磁感應強度，A/mm；Li是每段有效長度，mm。經計算，W1=60 A。

根據下式計算氣隙磁阻Rair[5]。

式中：Rair為氣隙磁阻，A/Wb;μ0=4π×10-7H/m，為空氣磁導率;δ為氣隙長度，mm；S外為靜鐵心外圓環(huán)面積，mm2；S內為靜鐵心內圓環(huán)面積，mm2。

再按照下式求出W2。

W2=Φ×Rair=302

式中：W2為氣隙磁壓降，A；Φ為磁通，Mb；Rair為氣隙磁阻，A/Wb;

磁路中的總磁壓降W0，W0=W1+W2=362 A。

2.4 導線截面積、直徑、匝數、導線電流的計算

(1)導線的截面積，根據下式計算得出：

式中:Sm為導線截面積，mm2；U為直流電壓，V；ρ為20 ℃環(huán)境下的電導率，Ω/m；W0為總磁壓降，A；D1為繞組平均直徑，m;

漆包線直徑由下式得出：

式中：d為漆包線直徑，mm；Sm為導線截面積，mm2。

再通過查閱國家標準中相對應的合適的漆包線直徑，確定漆包線直徑為0.18 mm，最后確定實際的導線截面積Sm1為0.025 mm2。

(2)按照下式得出實際安匝數：

式中：W實為實際的安匝數，A；Sm1為實際的導線截面積，mm2;U為直流電壓，V；ρ為20 ℃環(huán)境下的電導率，Ω/m；D1為繞組平均直徑，m;

(3)導線中電流i，按照下式確定：

i=Jm×Sm1=16×0.025=0.4

式中：Jm為電流密度，此處取16，A/ mm2；Sm1為實際的導線截面積，mm2；i為導線中電流，A;

(4)繞組匝數H，按照下式確定：

H=W實/i=346/0.4=865

式中：W實為實際的安匝數，A。

3 電磁仿真分析

電樞通電后，產生一個與磁鋼反向的磁場，此時氣隙處的磁場大大削弱，摩擦環(huán)與靜鐵心之間磁力線非常稀疏，只有電樞磁場對摩擦環(huán)的磁力與磁鋼對摩擦環(huán)的磁力的合力小于此時片式彈簧的彈力，片式彈簧才能將摩擦環(huán)拉開，實現制動器的解鎖。將磁路計算的結果代入到ANSYS Maxwell仿真分析軟件，驗證磁路計算結果的準確性，并進一步仿真分析永磁失電制動器的電磁力等性能參數。

3.1 仿真模型建立

仿真模型如圖8所示[6]。

圖8 電磁制動器二維模型圖

3.2 仿真結果分析

將磁路計算結果代入到仿真分析中，在電磁仿真中設置匝數為865匝，導線電流0.4 A，磁鋼材料設置為溫度系數小的釤鈷，其他材料按照表3設置，得出仿真結果。從圖9中看出，制動器磁力線在摩擦環(huán)處比較稀疏，在磁鋼處比較緊密。從圖10中可以看出，定子外殼和定子內殼中的磁密在1.7 T以下，導磁體未達到飽和狀態(tài)，符合設計要求。

圖9 制動器通電后，磁力線分布圖

圖10 制動器通電后，磁密分布云圖

如圖11所示，m1、m2代表摩擦環(huán)與電樞之間的氣隙分別為0、250 μm的兩個位置，X代表的是氣隙的大小，Y代表的是摩擦環(huán)受力的大小。當制動器通電，在氣隙為0時，磁鋼和電樞對摩擦環(huán)產生的合力為0.677 N，小于彈簧片形變量為0.25 mm時產生的彈力16.68 N，實現解鎖。

圖11 制動器通電后，磁鋼和電樞對摩擦環(huán)合力與氣隙關系圖

如圖11所示，當摩擦片回到間隙為250 μm自由位置時，彈簧片在此位置的彈力為52.7 mN，對比制動器斷電時(圖6)，磁鋼在此處對摩擦片產生的吸力為37.4 N，遠遠大于彈簧片彈力，因此在失電狀態(tài)，摩擦片會吸合，重新實現制動。

4 與原理樣機數據對比

按照以上設計方法，研制了一臺永磁失電制動器樣機，樣機性能對比如表4所示。

表4 樣機性能對比

樣機的性能測試結果表明，本文描述的永磁失電制動器設計方法是合理可行的。

5 結 語

本文重點介紹了永磁失電制動器的設計方法，并結合ANSYS對片式彈簧及二維靜態(tài)磁場進行分析，給出了影響永磁制動器性能的關鍵參數及計算過程，最后將仿真分析的結果和樣機的性能試驗結果進行了對比，驗證了該永磁制動器設計方法是可行的。本文基于ANSYS的永磁失電制動器的設計技術，對該類制動器發(fā)展具有重要的工程應用價值。