胡小飛,王 毅,朱 炎,宋滿(mǎn)存,李國(guó)強(qiáng)

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所,北京 100076)

0 引 言

制動(dòng)器是機(jī)械系統(tǒng)安全保障裝置的關(guān)鍵元件，可用作機(jī)械系統(tǒng)的零位鎖緊，避免系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤的游移、偏轉(zhuǎn)，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(dòng)器(又名電磁鎖)是一種新型制動(dòng)器，主要以電流的形式來(lái)改變制動(dòng)力矩的大小，或調(diào)節(jié)制動(dòng)器的開(kāi)合。與機(jī)械式制動(dòng)器相比，電磁制動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、控制方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、重型工業(yè)、精密機(jī)械等領(lǐng)域[1-4〗。電磁制動(dòng)器根據(jù)制動(dòng)方式的不同可分為摩擦式電磁制動(dòng)器、鎖銷(xiāo)式電磁制動(dòng)器和無(wú)接觸式電磁制動(dòng)器3種類(lèi)型。另外，還可以依照施力方式的不同分為彈簧式電磁制動(dòng)器、永磁式電磁制動(dòng)器和電渦流式電磁制動(dòng)器等。電磁制動(dòng)器性能涉及機(jī)、電、磁和材料工程等多個(gè)方面，因此要集合多學(xué)科理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文介紹了電磁制動(dòng)器在各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了不同類(lèi)型電磁制動(dòng)器的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀，最后展望了電磁制動(dòng)器的未來(lái)發(fā)展方向。

1 電磁制動(dòng)器應(yīng)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(jī)構(gòu)。磁懸浮飛輪工作時(shí)，在磁保護(hù)間隙內(nèi)，轉(zhuǎn)子與定子采用彈性支承。對(duì)于振動(dòng)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(dòng)鎖緊裝置施加鎖緊力鎖緊轉(zhuǎn)子，保護(hù)磁軸承，入軌后再釋放施加的鎖緊力，使轉(zhuǎn)子自由懸浮[2]。

在借鑒國(guó)外使用摩擦自鎖來(lái)保持鎖緊的一次性鎖緊裝置的基礎(chǔ)上，北京航空航天大學(xué)研制出了一種可重復(fù)實(shí)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(fù)電磁鎖緊裝置是一種摩擦式電磁制動(dòng)器，主要通過(guò)電磁場(chǎng)與永磁場(chǎng)相互增強(qiáng)和抵消作用，可重復(fù)實(shí)現(xiàn)飛輪的鎖緊和解鎖功能，只在鎖緊和解鎖的切換過(guò)程通電，其余時(shí)間不消耗電能。

(a) 可重復(fù)電磁鎖緊方案

(b) 電磁鎖緊裝置實(shí)物圖

1.2 飛機(jī)全電剎車(chē)機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)

對(duì)于飛機(jī)全電剎車(chē)作動(dòng)系統(tǒng)而言，其機(jī)輪的制動(dòng)和剎車(chē)力的平衡功能是由機(jī)電作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)活塞壓緊剎車(chē)盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。相比于傳統(tǒng)液壓剎車(chē)系統(tǒng)，全電剎車(chē)系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、系統(tǒng)可靠性高、剎車(chē)力控制精度高。飛機(jī)全電剎車(chē)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，機(jī)電作動(dòng)器主要由電機(jī)、減速器、電磁制動(dòng)器，以及滾珠絲杠組成。在飛機(jī)停機(jī)后，需要?jiǎng)x車(chē)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間輸出靜態(tài)剎車(chē)力，機(jī)電作動(dòng)器中在電機(jī)軸端或齒輪箱部位安裝的失電制動(dòng)電磁制動(dòng)器可確保飛機(jī)可靠駐停。

圖2 飛機(jī)全電剎車(chē)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖

圖3是波音787夢(mèng)幻客機(jī)所用的機(jī)電剎車(chē)裝置。這兩個(gè)全電剎車(chē)裝置中的電磁制動(dòng)器與電機(jī)集成為一體，在飛機(jī)停機(jī)后，抱住電機(jī)軸，防止飛機(jī)滑動(dòng)[7]。

圖3 波音787夢(mèng)幻客機(jī)電剎車(chē)裝置

1.3 飛行器電動(dòng)舵機(jī)

在飛行器的掛飛、起飛和著陸過(guò)程中，由于受到外界力學(xué)環(huán)境影響使舵面不停擺動(dòng)，影響飛行器正常飛行，且會(huì)消耗舵機(jī)中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和位置傳感器的使用壽命；某些特定類(lèi)型的飛行器，飛行前舵面在零位鎖定，飛行時(shí)再解鎖，以保證安全發(fā)射。飛行器電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)中的傳動(dòng)鏈主要由伺服電動(dòng)機(jī)、減速裝置和作動(dòng)器組成。電磁制動(dòng)器與伺服電動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)，屬于通電解鎖、斷電上鎖制動(dòng)器，通過(guò)鎖定電機(jī)軸間接鎖定舵面。

圖4和圖5為兩種用于飛行器電動(dòng)舵機(jī)的電磁制動(dòng)器，均為彈簧加壓鎖銷(xiāo)式制動(dòng)器。制動(dòng)器轉(zhuǎn)子壓裝在電機(jī)軸上，制動(dòng)器不通電時(shí)，鎖銷(xiāo)卡緊制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的制動(dòng)盤(pán)，電機(jī)軸及舵面鎖定在允許零位誤差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鎖定功能。解鎖時(shí)，制動(dòng)器通直流電，鎖銷(xiāo)從制動(dòng)盤(pán)的槽內(nèi)拔出，解除對(duì)電機(jī)軸及舵面的鎖定，實(shí)現(xiàn)該電磁制動(dòng)器的解鎖功能[8-9]。

圖4 彈簧加壓鎖銷(xiāo)式制動(dòng)器1結(jié)構(gòu)示意圖

(a) 鎖制器

(b) 制動(dòng)盤(pán)

1.4 汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)

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

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

圖6 集成制動(dòng)器示意圖

圖7為重慶交通大學(xué)研制的一種集成了電磁式渦流制動(dòng)器的汽車(chē)電磁摩擦集成制動(dòng)器[11]。

(a) 仿真模型

(b) 結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 空間機(jī)械臂

空間機(jī)械臂在國(guó)際空間站、衛(wèi)星、飛行器等空間設(shè)備中應(yīng)用廣泛，承擔(dān)了抓取空間設(shè)備、清理太空垃圾、建設(shè)空間站，以及維護(hù)空間設(shè)備等任務(wù)。為了防止機(jī)械臂在緊急情況下對(duì)周?chē)詈絾T、空間設(shè)備及自身安全造成威脅，一般在機(jī)械臂關(guān)節(jié)模組中安裝電磁制動(dòng)器?？臻g機(jī)械臂使用環(huán)境特殊，對(duì)制動(dòng)器性能有特殊要求。制動(dòng)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(dòng)性能上，要具有較高制動(dòng)力矩密度和較快的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，以滿(mǎn)足空間使用要求。

圖8為機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)組件一體化結(jié)構(gòu)示意圖，其中制動(dòng)器為彈簧加壓摩擦式制動(dòng)器[12]。

圖8 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)圖和制動(dòng)器示意圖

1.6 電梯制動(dòng)器

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

圖9 疊式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

2 電磁制動(dòng)器研究現(xiàn)狀

隨著伺服電動(dòng)機(jī)的普及，電磁制動(dòng)器正廣泛應(yīng)用于不同的工程領(lǐng)域中。現(xiàn)有的各類(lèi)電磁制動(dòng)器中，應(yīng)用比較典型的電磁制動(dòng)器主要有彈簧加壓式電磁制動(dòng)器、電渦流式電磁制動(dòng)器以及永磁式電磁制動(dòng)器。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外電磁制動(dòng)器的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和擴(kuò)展。

2.1 彈簧加壓式電磁制動(dòng)器

彈簧加壓式電磁制動(dòng)器是一種失電式電磁制動(dòng)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(chǎn)生的摩擦阻力或鎖銷(xiāo)力制動(dòng)。圖10為一種利用摩擦阻力制動(dòng)的彈簧加壓式電磁制動(dòng)器，主要分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。不通電時(shí)，彈簧施壓在銜鐵上，使摩擦盤(pán)與制動(dòng)盤(pán)相互摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力矩，鎖定轉(zhuǎn)子部分；上電后，電磁力抵消彈簧力，銜鐵收回，摩擦盤(pán)與制動(dòng)盤(pán)分離，解除鎖定。

圖10 摩擦阻力制動(dòng)的彈簧加壓式電磁制動(dòng)器示意圖

國(guó)內(nèi)外對(duì)彈簧加壓式電磁制動(dòng)器的研究工作開(kāi)展得非常深入，采用新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料來(lái)提高產(chǎn)品性能。彈簧加壓式電磁制動(dòng)器如圖11所示，其性能涉及機(jī)、電、磁和材料等多學(xué)科，文獻(xiàn)[14]提出了一整套制動(dòng)器綜合設(shè)計(jì)步驟，建立有效的電磁、機(jī)械、熱模型，優(yōu)化提高產(chǎn)品性能。

圖11 彈簧加壓式制動(dòng)器爆破圖

圖12為哈爾濱工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種使用陶瓷摩擦副的彈簧加壓摩擦式制動(dòng)器，可應(yīng)用在空間機(jī)械臂上。制動(dòng)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(guò)熱噴涂方法涂覆在4Cr13表面的Cr2O3陶瓷材料可以提高制動(dòng)器的使用壽命[15]。

圖12 彈簧加壓摩擦式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及樣機(jī)

在彈簧式電磁制動(dòng)器研究領(lǐng)域，如德國(guó)KEB，MAYR，INTORQ等國(guó)外公司在市場(chǎng)和技術(shù)上均領(lǐng)先。天津機(jī)床電器總廠、天津怡和、天津永恒泰等企業(yè)借鑒國(guó)外成品，研制出一系列適應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)低成本產(chǎn)品[16]。

2.2 電渦流式電磁制動(dòng)器

電渦流式電磁制動(dòng)器，簡(jiǎn)稱(chēng)電渦流制動(dòng)器，是一種非接觸式的電磁制動(dòng)器，具有無(wú)摩擦、無(wú)噪聲、控制簡(jiǎn)單和反應(yīng)迅速等特點(diǎn)。

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

圖13為電勵(lì)磁直線電渦流制動(dòng)器的一般結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體板與初級(jí)鐵心相對(duì)運(yùn)動(dòng)感應(yīng)出渦流，并與初級(jí)勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生制動(dòng)力。電勵(lì)磁直線電渦流制動(dòng)器經(jīng)常應(yīng)用于軌道制動(dòng)領(lǐng)域，無(wú)摩擦、制動(dòng)響應(yīng)快。通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，可方便地控制制動(dòng)力的大小。

圖13 電勵(lì)磁直線電渦流制動(dòng)器

圖14為韓國(guó)忠南國(guó)立大學(xué)的CHOI J等提出的一種永磁式徑向電渦流制動(dòng)器[18]。該制動(dòng)器的永磁體是可以移動(dòng)的，通過(guò)調(diào)節(jié)永磁體和導(dǎo)體環(huán)的對(duì)齊狀態(tài)，來(lái)改變制動(dòng)力的大小。

圖14 永磁式徑向電渦流制動(dòng)器

2.3 永磁式電磁制動(dòng)器

永磁式電磁制動(dòng)器是一種新型的電磁制動(dòng)器，利用永磁體產(chǎn)生的磁阻力摩擦制動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩密度大，可靠性高。不通電時(shí)，永磁體產(chǎn)生的磁阻力將銜鐵吸合，摩擦力矩鎖定轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)解鎖。

與彈簧施壓式電磁制動(dòng)器相比，永磁式電磁制動(dòng)器不受限于彈簧性能的設(shè)計(jì)，體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)更為緊湊。由于永磁式電磁制動(dòng)器完全依靠永磁體產(chǎn)生的磁吸合力制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、性能可靠。與電渦流式電磁制動(dòng)器相比，永磁式電磁制動(dòng)器無(wú)需消耗外部能量產(chǎn)生制動(dòng)力矩，制動(dòng)力矩大，既可用于緊急制動(dòng)，又能用于零位鎖緊。

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對(duì)電磁制動(dòng)器的安全可靠性、低噪聲、低功耗、抗振能力、環(huán)境適應(yīng)性等提出了更高要求。永磁式制動(dòng)器因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到越來(lái)越廣泛關(guān)注，德國(guó)BINDER[19]，臺(tái)灣STEKI，美國(guó)Warner等公司對(duì)永磁式制動(dòng)器投入了大量研究，并形成了產(chǎn)品化，制動(dòng)器制動(dòng)扭矩從0.4 N·m到160 N·m，有十幾個(gè)型號(hào)產(chǎn)品可供選擇。國(guó)內(nèi)天津永恒泰[20]、天津怡和等企業(yè)借鑒國(guó)外永磁式電磁制動(dòng)器技術(shù)，申請(qǐng)了永磁制動(dòng)器實(shí)用新型專(zhuān)利，但并未有成熟產(chǎn)品應(yīng)用于市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)對(duì)于永磁式制動(dòng)器的需求，完全依賴(lài)進(jìn)口產(chǎn)品。

圖15、圖16分別為臺(tái)灣STEKI和德國(guó)BINDER的永磁式制動(dòng)器產(chǎn)品。

圖15 臺(tái)灣STEKI永磁式制動(dòng)器

圖16 德國(guó)BINDER永磁式制動(dòng)器

文獻(xiàn)[21]提出了一種新型永磁式制動(dòng)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(dòng)器工作時(shí)無(wú)需消耗電能，只在解除制動(dòng)和執(zhí)行制動(dòng)的短時(shí)狀態(tài)通電。制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，依靠永磁體產(chǎn)生吸合力，利用鎖銷(xiāo)鎖緊轉(zhuǎn)子；解鎖狀態(tài)時(shí)，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(dòng)器模型

3 電磁制動(dòng)器的發(fā)展趨勢(shì)

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對(duì)電磁制動(dòng)器提出了更高的要求。不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄姶胖苿?dòng)器的性能要求各有不同，使得電磁制動(dòng)器向著多樣性方向發(fā)展，可歸納以下幾個(gè)方面：

1)輕質(zhì)化設(shè)計(jì)

在航空航天等領(lǐng)域中應(yīng)用的電磁制動(dòng)器，由于空間極度有限，對(duì)制動(dòng)器的功率密度、體積、制動(dòng)能力等方面要求嚴(yán)格，需要具備高制動(dòng)轉(zhuǎn)矩密度，以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化特點(diǎn)。

2)極端環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

對(duì)于在高低溫變化范圍大、鹽霧霉菌或者振動(dòng)沖擊強(qiáng)烈等極端環(huán)境中使用的電磁制動(dòng)器，需綜合電磁、力、熱、摩擦、材料等多方面進(jìn)行特殊環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

3)集成化設(shè)計(jì)

在機(jī)電伺服技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，電磁制動(dòng)器可與電機(jī)集成一體化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)電伺服作動(dòng)器的防差錯(cuò)或冗余功能。電磁制動(dòng)器和電機(jī)均由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，集成一體化設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、緊湊。

在電磁制動(dòng)器的設(shè)計(jì)分析研究中，主要技術(shù)發(fā)展方向有：新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)在制動(dòng)器定、轉(zhuǎn)子上的應(yīng)用；定、轉(zhuǎn)子摩擦磨損機(jī)理的深入探究與實(shí)用計(jì)算技術(shù)；結(jié)合電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的多物理場(chǎng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。隨著國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及電磁制動(dòng)器的推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電磁制動(dòng)器的多樣性覆蓋。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)電磁制動(dòng)器研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，且展望了電磁制動(dòng)器的發(fā)展趨勢(shì)。電磁制動(dòng)器結(jié)構(gòu)多樣、性能優(yōu)越，在不同的工程領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。隨著對(duì)電磁制動(dòng)器的深入研究，將不斷提高其綜合性能，推動(dòng)制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。因此，研究電磁制動(dòng)器具有非常大的工程價(jià)值。