基于ANSYS的電磁制動器性能分析

修宇翔，文洪兵，關(guān)俊峰

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東江門 529000）

0 引言

電磁制動器是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中一種理想的自動化執(zhí)行元件，其憑借制動力矩大、制動快捷、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)自動化、集成制造、智能控制等方面中有著非常可期的運(yùn)用[1]。且電磁制動器憑借其抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定能夠?yàn)檎麄€生產(chǎn)運(yùn)作系統(tǒng)帶來非常重要的安全保障[2]。

目前，國內(nèi)外的學(xué)者對電磁制動器力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究，其中主要包括電磁磁路的優(yōu)化、電磁力的影響因素以及節(jié)能性的研究。且其中利用的關(guān)鍵技術(shù)有ANSYS 有限元模擬、麥克斯韋計(jì)算、Ansoft 模擬以及有限元數(shù)值模擬。國內(nèi)與國外學(xué)者對磁制動器磁力的計(jì)算和仿真存在明顯不同。后者能夠通過使用模擬程序、實(shí)驗(yàn)測試、有限元算法等方法，對磁力及相應(yīng)關(guān)鍵的磁場變量實(shí)現(xiàn)精確的計(jì)算，前者盡管對上面的領(lǐng)域的鉆研沒有達(dá)到同樣的精準(zhǔn)，但是一樣具有參考價(jià)值。國內(nèi)的探索方法在某些方面參考了國外的經(jīng)驗(yàn)。國內(nèi)探索電磁制動器的研究機(jī)構(gòu)能夠?qū)Σ煌ぷ鲄?shù)下的電磁制動器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和研究，從而得到相應(yīng)狀態(tài)下電磁吸力，進(jìn)而通過有限元模擬和仿真分析實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)電磁力的定量。但是其研究只能粗略地分析磁體的結(jié)構(gòu)參數(shù)對磁體性能的影響，沒有深入分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)與整個磁體的動靜態(tài)性能之間的定量關(guān)系。

本文將對某款電梯用電磁失電安全制動器進(jìn)行建模，并運(yùn)用ANSYS 軟件對該電磁制動器進(jìn)行有限元分析，并在分析電梯用電磁制動器工作特性的基礎(chǔ)上，提出了一種降低電磁制動器能耗的設(shè)計(jì)辦法。

1 電磁制動器

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是目前應(yīng)用較為廣泛的電磁制動器[3]。本文簡要地對這3種電磁制動器進(jìn)行介紹。

彈簧加壓式電磁制動器，本質(zhì)是一種斷電式電磁制動器，其工作模式為斷電鎖死、通電解鎖，制動時主要靠彈簧力施壓產(chǎn)生的摩擦阻力或鎖銷力[4]。如圖1所示，彈簧加壓式電磁制動器主要分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。斷電時，彈簧的彈力作用在銜鐵上，使得摩擦盤與制動盤相互摩擦產(chǎn)生制動力矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部分被鎖定；通電后，電磁力與彈簧力相互抵消，銜鐵收回，摩擦盤與制動盤相互分離，轉(zhuǎn)子的鎖定狀態(tài)被解除[5]。

圖1 摩擦阻力制動的彈簧加壓式電磁制動器示意圖

電渦流式電磁制動器，與傳統(tǒng)的接觸式制動器相比，其具有無摩擦、無噪聲、控制簡單和反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。由于是無接觸，所以導(dǎo)致了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[6]。如圖2所示，導(dǎo)體板與初級鐵心做相對運(yùn)動產(chǎn)生渦流，并與初級勵磁磁場相互作用產(chǎn)生制動力[7]。

圖2 電勵磁直線電渦流制動器

永磁式電磁制動器，其工作特點(diǎn)是利用永磁體產(chǎn)生的磁阻力摩擦制動，由于其結(jié)構(gòu)簡單，制動轉(zhuǎn)矩密度大，可靠性高[8]，因此其得到了眾多企業(yè)的青睞。與電渦流式電磁制動器相比，其不需要借助外部力量產(chǎn)生制動力矩，且制動力矩大，既可用于緊急制動，又能用于零位鎖緊[9]。

2 基于ANSYS的電磁制動器電磁力計(jì)算

利用ANSYS∕Emag 或ANSYS∕Multiphysics 模塊中的電磁場分析功能對如圖3所示的電磁制動器的進(jìn)行電磁場分析。有限元方法計(jì)算的未知量主要是磁位或通量，其他所需要的物理參數(shù)可以通過這些未知量導(dǎo)出[10]。

圖3 電磁制動器外觀

本文所分析電磁制動器的工作參數(shù)如表1所示。

表1 電磁制動器工作參數(shù)

本文分析所采用的方法是磁標(biāo)量位方法，在對勵磁線圈即電流源進(jìn)行處理時以單元的方式進(jìn)行，從而省去了建模和網(wǎng)格劃分工作。由于有限元網(wǎng)格劃分模型中省去了勵磁線圈這一部分，這將使得建立模型更加快捷方便[11]。

2.1 電磁制動器有限元模型

本文研究的對象為某電梯曳引機(jī)用電磁失電安全制動器，其結(jié)構(gòu)為鐵心中裝有電磁線圈與鋼制彈簧，靜鐵心與動鐵心（銜鐵）之間存在空氣間隙。失電時鋼制彈簧推動銜鐵壓緊制動盤，制動器鎖緊，為制動狀態(tài)；通電時，勵磁線圈得到電流，電磁力使銜鐵吸合到靜鐵心上，銜鐵與制動盤解鎖，制動取消，主軸可以自由旋轉(zhuǎn)。此類型電磁制動器采用直流電壓供電沒有渦流損耗，具有制動平穩(wěn)、軸向長度短、結(jié)構(gòu)緊湊、空間體積小、工作安全性、可靠性高等特點(diǎn)[12]。

建立制動器鐵心與銜鐵幾何模型，在ANSYS 軟件中對模型設(shè)定單元類型、施加邊界條件以及施加載荷后得到如圖4所示的電磁制動器有限元模型。

圖4 施加載荷勵磁線圈電流源

2.2 有限元求解及結(jié)果分析

由于模型為有線圈和鐵心沒有閉合（單連通區(qū)域）的模型，因此本文選擇DSP求解器。

有限元求解結(jié)果如表2所示，由于本次分析的電磁制動器有限元模型為實(shí)際的一半，因此電磁力的實(shí)際計(jì)算結(jié)果為表中所示結(jié)果的2倍。

表2 麥克斯韋應(yīng)力張量方法的計(jì)算結(jié)果

磁流矢量密度如圖5所示。從圖中可以看出鐵心心部及線圈周圍的磁流密度較大，銜鐵外圍的磁流密度最小。電磁制動器的磁通主要集中在線圈附近的鐵區(qū)。

圖5 電磁制動器的磁流矢量密度

3 空氣間隙和勵磁電流對電磁力的影響分析

由于電磁制動器磁路材料的深度非線性與方向異性，其電磁力隨空氣間隙與勵磁電流的變化也具有明顯的非線性。對電磁制動器的電磁力特性分析需要大量的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐。本節(jié)將通過第2 節(jié)所示的ANSYS 有限元計(jì)算方法并運(yùn)用ANSYS 參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL，以激勵電流和空氣間隙厚度為變量計(jì)算得到的電磁制動器電磁力的特性。

3.1 電磁力參數(shù)化分析

本文需要大量的電磁力計(jì)算結(jié)果作為分析數(shù)據(jù)，而電磁力計(jì)算結(jié)果的差異只因電磁制動器的空氣間隙與勵磁電流的不同而引起。鑒于ANSYS 參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL 的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用編寫APDL 文件的方式，將空氣間隙與勵磁電流定義為參數(shù)，通過修改參數(shù)來獲得電磁力分析數(shù)據(jù)。此方法能一定程度上節(jié)約時間，提高效率。

3.2 空氣間隙和勵磁電流對電磁力的影響

通過改變APDL 程序中設(shè)定的勵磁電流與空氣間隙參數(shù)，分別得到了如圖6～7 所示的受空氣間隙和勵磁電流影響的電磁制動器電磁力特性曲線。

圖6 受空氣間隙影響的電磁制動器電磁力特性曲線

從圖6可以看出，在勵磁電流恒定的條件下，電磁制動器產(chǎn)生的電磁力隨空氣間隙的增大而減小。從圖7可以得，在空氣間隙恒定的條件下電磁制動器產(chǎn)生的電磁力隨勵磁電流的增加而增大且具有明顯的非線性。

圖7 受勵磁電流影響的電磁力特性曲線

4 電梯用節(jié)能電磁制動器的分析與設(shè)計(jì)

4.1 電磁制動器的工作特性

當(dāng)為電磁制動器提供電流時，線圈周圍包括鐵心會產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，此時銜鐵將受到吸力朝鐵心移動，力的大小正比于磁通密度以及氣隙面積，與空氣磁導(dǎo)率成反比[13]。

當(dāng)電磁制動器通電起動時，線圈中的激勵總電流將消耗在導(dǎo)磁體和工作氣隙上，并且銜鐵與鐵心之間的工作氣隙達(dá)到最大，為0.02 mm，此時，系統(tǒng)磁路磁阻需要加上工作氣隙上的磁阻，因此起動時系統(tǒng)磁阻是最大的，當(dāng)制動保持時，工作空氣間隙為0，電路磁阻極小。此時不計(jì)算泄漏磁通量，線圈中的激勵總磁流將全部消耗在磁路中的導(dǎo)磁體上。

4.2 仿真分析結(jié)果

通過ANSYS 麥克斯韋電磁仿真分別計(jì)算在靜態(tài)場中空氣間隙為0.02 mm時的啟動階段和空氣間隙為0時的維持階段的電磁力，得到起動和維持時電磁力與電壓的特性曲線，如圖8所示。顯然，在相同線圈電壓下維持狀態(tài)時的電磁吸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于起動狀態(tài)。

圖8 起動電磁吸力和維持電磁吸力與電壓曲線

此外，由于空氣間隙為0，磁路磁阻顯著降低，線圈總激勵電流將全部消耗在導(dǎo)磁體上，故只需要較小的線圈電壓就能產(chǎn)生較大的電磁吸力，使銜鐵維持吸合的狀態(tài)。

4.3 電磁制動器能耗分析

進(jìn)一步對能耗分析，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，在電梯測試試驗(yàn)準(zhǔn)測中對制動器吸合時間做了相關(guān)規(guī)定，電梯電磁失電制動器總的電能消耗為：

式中：P1為制動器起動能耗；P2為制動器維持能耗；U1為起動電壓；U2為維持電壓；R為線圈電阻。

本文中線圈電阻R=20 Ω，對于傳統(tǒng)電梯用制動器U1=U2=45 V，對于節(jié)能電梯用制動器U1=45 V，U2=18 V，通過計(jì)算可以得到節(jié)能型與傳統(tǒng)型電梯制動器的能耗比較，如表3所示。由表可知，傳統(tǒng)制動器總能耗為67.5 W，節(jié)能型制動器總能耗15.7 W，節(jié)能型制動器能耗明顯低于傳統(tǒng)型，起動時兩者能耗相同，傳統(tǒng)型制動器和節(jié)能型制動器均采用大電流啟動，兩者所不同的是節(jié)能型制動器在完成銜鐵吸合后，將減小電流，采用低電壓維持，由表可知，節(jié)能型電磁制動器相比于傳統(tǒng)型節(jié)能76.7%。此外，較小維持電壓還能改善線圈長時間通電后的溫升效應(yīng)，使電磁制動器運(yùn)行更可靠，提高電磁制動器的使用壽命。

表3 節(jié)能型與傳統(tǒng)型參數(shù)對比

5 結(jié)束語

本文以某電梯用電磁失電制動器作為分析對象，通過ANSYS 軟件分別對電磁制動器有限元模型進(jìn)行了電磁分析與熱分析，并對分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合，得到了電磁制動器在不同氣隙間距、不同勵磁電流下的電磁力特性，對電磁制動器的設(shè)計(jì)與電磁力的計(jì)算、安全工作氣隙范圍的確定具有一定的的指導(dǎo)作用。通過分析電磁制動器的工作特性，并通過ANSYS 仿真得到電磁力和線圈電壓的特性曲線，可以知道通過降低維持時線圈電壓可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，并且效果非常明顯。

通過分析有限元方法計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論。

（1）當(dāng)電磁制動器工作氣隙較小時時，電磁力值隨空氣間隙的增大而減小，變化近似成線性；當(dāng)空氣間隙較大時，隨空氣間隙的增大，電磁力下降速度逐漸衰減。

（2）電磁制動器電磁力隨勵磁電流的單調(diào)遞增且具有明顯的非線性。當(dāng)勵磁電流值小于0.8 A時，電磁力與勵磁電流近似成線性關(guān)系；當(dāng)勵磁電流值大于1.2 A 時，隨著電流的增大電磁力的增加幅度減小，此時較大的勵磁電流值只能產(chǎn)生較小的電磁力增幅，可見一味的增大勵磁電流對電磁制動器的電磁力貢獻(xiàn)不大。