维普资讯 http://www.cqvip.com 微电机２００７年第４Ｏ卷第９期（总第１６５期） 中图分类号：ＴＭ３０３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－６８４８（２００７）０９—００３０—０３ 雷达驱动系统失电电磁制动器设计研究 龚园丁 （西安微电机研究所，西安７１００７７） 摘 要：分析研究了小直径、大制动转矩的多功能失电电磁制动器的结构和原理；探讨了多片 小型制动器研制中应重点考虑的问题；对制动器和电磁铁进行了设计计算。该检测和试验，该 制动器通过了用户部门的评审验收，满足使用要求。 关键词：小直径；大制动转矩；盘式制动器；设计；雷达 Ｄｅａｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ Ｂｒａｋｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｒａｄａｒ Ａｃｔｕａｔｅｓ Ｓｙｓｔｅｍ ＧＯＮＧ Ｙｕａｎ—ｄｉｎｇ （Ｘｉ’ａｎ Ｍｉｃｒｏｍｏｔｏｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ ７ １００７７，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｏｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｂｉｇ ｂｒａｋｅ ｔｏｒｑｕｅ ｍｕｌｔｉ— ｐｕｒｐｏｓｅ ｄｅａｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ ｂｒａｋｅ．Ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｑｕｅｓｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｐｉｅｃｅ ｓｍａｌｌ ｂｒａｋｅ ａｌｅｕｅｌｅｐｍｅｎｔ，ｌａｓ ｃａｒｒｉｅｌ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｂｒａｋｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍａｇｎｅｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｕｓｅｒ’Ｓ ａｐｐｒａｉｓａｌ ａｐｐｒｏｖａ１． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：Ｓｍａｌｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ；Ｂｉｇ ｂｒａｋｅ ｔｏｒｑｕｅ；Ｄｉｓｃ ｂｒａｋｅ；Ｄｅｓｉｇｎ；Ｒａｄａｒ 手动解锁装置 电磁铁 制动部分 ０ 引 言 制动器是用于机构或机器减速或使其停止的 装置，是保证其安全正常工作的重要部件。雷达 驱动系统要求该失电制动器直径小、制动转矩大、 制动灵敏而平稳；具备适应高低温、冲击、振动、 湿热、雨淋等恶劣环境的能力。系统出于调试和 控制灵活的需要，要求制动器具有手动解除制动 的功能，以便在无电或需要时解除制动；同时， 图１ 电磁制动器原理图 制动器应能将其制动或解除制动的状态向控制系 统发送信号＿】 。本电磁制动器就是基于上述性能 该电磁制动器的工作原理为：当制动器未加直 和多种功能要求进行研究和设计制造。 流电时，在弹簧力的作用下，制动器的摩擦片组件 与摩擦环被压紧，产生摩擦力矩，在摩擦力矩的作 １结构和原理 用下，产生制动作用，旋转负载立即停止转动。其 制动器分为制动部分、电磁铁和手动解锁装 中摩擦片组件采用花键配合同静止部分啮合，摩擦 置。制动部分采用干式多片盘式摩擦结构；电磁 环也采用花键配合同旋转部分啮合，摩擦片组件和 铁由励磁线圈、导磁体和动子组成；手动解锁装 摩擦环都可沿轴向滑动。当加上额定直流电压时， 置由与动子相连的杠杆机构及电信号传输部分组 电磁制动器上的电磁铁绕组通过电流，其动子受电 成，如图１所示。 磁力的作用而发生运动，并产生推力。该推力大于 弹簧力并与弹簧力方向相反，压缩弹簧，使摩擦片 与摩擦环分离，从而解除制动。手动解锁装置是在 收稿日期：２００７－０５－２０ 未通电情况下人工解除制动的机构。该装置安装于 —３０一 维普资讯 http://www.cqvip.com 雷达驱动系统失电电磁制动器设计研究龚园丁 电磁制动器的左端。左端面装有橡胶密封罩，当用 手按压橡胶密封罩从而按压其内侧的顶板时，产生 其性能直接影响制动能力和结合过程，选择摩擦 材料时，注意了以下几点： 轴向推力，压缩制动弹簧，使摩擦片组件与摩擦环 分离，解除制动。手动解锁装置上装有杠杆、锥形 块、微动开关等零部件，为用户提供制动器制动和 ａ．摩擦系数高而稳定，要求在一定的温度范 围内具有稳定的摩擦系数和良好的恢复性能； ｂ．具有良好的耐磨性能，以提供制动器的 解除制动的信号。 ２ 设 计 ２．１结构设计 （１）该制动器零部件较多，装配时在轴向会产 生较大的误差积累。在对各部分运动关系和零部 件轴向误差进行定量分析后，采用了分别装配电 磁铁和制动器，总装配时在两者接口处用调整密 封垫调整电磁铁推板与制动器支架（压缩弹簧的零 件）之间的间隙，解决因零部件多而产生的轴向误 差，从而解决了电磁铁与制动器的协调联动问题。 将制动器和电磁铁装配好后，再与手动解锁部分 联调，调整制动器、电磁铁与手动解锁部分的联 动关系，同时满足信号输出的逻辑关系。 （２）多片盘式制动器在机床等较大的设备中应 用较多，而要研制的制动器受外径和体积的， 特别是要求直径不大于４０ ｍｍ，制动转矩大于 １．７ Ｎ・ｍ，增加了制动器的设计制造难度。经分析 论证，采用６组摩擦副的多片盘式结构，用中心放 置的单个压缩弹簧，径向尺寸小、制动平稳、制 动转矩大。 装配制动器部分时，通过改变垫片的厚度来 改变弹簧的压缩量，以调整弹簧压力，从而达到 改变制动转矩的目的。考虑到制动器要在最高达 ＋８５￣Ｃ温度下工作，以及电磁铁工作时还有一定的 温升会使制动部分温度升高，在安装调试时，可 调节弹簧压力使制动转矩比额定值大１５％～２５％， 以弥补高温时摩擦材料摩擦系数的下降对制动转 矩的影响。 （３）考虑到电磁铁体积小、结构紧凑，为使电 磁铁的励磁线圈散热效果好，线圈骨架用黄铜制 造，同时也减少了动子铁心与线圈骨架内孔相对 运动时的摩擦阻力 ｊ。对励磁线圈采用真空浸Ｆ 级无溶剂漆，这样，不仅有利于导热，还提高了 线圈的绝缘性能、耐热耐湿性能，增强了抗冲击 振动等机械性能。 （４）摩擦元件是制动器的主要组成部分＿４ｊ， 寿命； ｃ．有一定的机械强度，如需用压强要大，这 样可增加弹簧压力，从而增加制动转矩。 （５）各部分结合处和出线部位采用全密封设 计，全部零部件采用“三防”设计。 ２．２制动部分计算 根据额定制动转矩，可由式（Ｉ）计算出制动器 摩擦面上的压强ｑ，从而计算制动器所需的正压 力，也就是需要的弹簧压力。 １）摩擦面压强： ｇ ３ × …） 式中， 为制动器额定制动转矩（Ｎ・ＩＴＩ）；ｍ为摩 擦面数； 为摩擦系数；Ｒ 为摩擦面内半径（ｃｍ）； 为摩擦面外半径（ｃｍ）；ｑ为摩擦面上的压强 （Ｎ／ｃｍ ）。 由此计算出摩擦面上的压强不应大于摩擦材 料的许用压强［ｇ］，即ｇ≤［ｇ］。 ２）制动器上弹簧压力： Ｐ１＝ｑＦ （２） 式中，Ｐ 为弹簧压力（Ｎ），Ｆ为受压面积， Ｆ＝７ｒ（ ；一Ｒ ）（ｃｍ ）。 ２．３电磁铁部分计算 电磁铁设计时除保证电磁推力足以克服制动 器弹簧力外，还要考虑适合高温等使用环境的要 求。图２是设计的装甲螺管式电磁铁结构。 图２电磁铁结构图 一３１— 维普资讯 http://www.cqvip.com 微电机２００７年第４Ｏ卷第９期（总第１６５期） （１）磁通量： ＝电磁铁工作电流：， ＝ ｎＵ （８） ￣／ 。ＳⅣ０ （３） 式中， 为磁通量； 。为空气磁导率；Ｓ为气隙处 导磁面积（ｃｍ ）；Ｎｏ为电磁推力（Ｎ），考虑动子运 式中，ｎ为安全系数，考虑到电磁铁设定电压达到额定 电压的６０％－７０％时，电磁铁能产生足够的吸力，以克 服弹簧力、柳械阻力及温升等影响，ｎ取Ｑ ６～Ｑ ７。 根据总磁压降等于安匝数，计算出线圈匝数 Ｆ ＝动时的摩擦等机械阻力，应在制动器弹簧压力的 基础上乘一安全系数。 （２）导磁体中磁压降 气隙中磁压降： ｝ １１ （９） 最后可确定线圈导体的直径，设计出电磁铁 ：０．８× Ｓ （４） 的线圈结构。 式中，８为气隙（ｃｍ）。 ３ 结 语 磁密： 经过几个批次的生产及对该制动器的性能检 Ｂｉ＝ （５） 测和环境试验，各项指标均满足要求。该项目完 式中，Ｂｉ为每段导磁体磁密；Ｓｉ为每段导磁体的 成后，顺利地通过了国家有关部委的评审验收， 截面积（ｃｍ ）。 并获得了较高评价。研制的制动器主要指标为： 由Ｂ；根据材料的磁化曲线查出对应的磁场强 外径 ４０ ｍｍ，额定电压（ＤＣ）２７ Ｖ，电流０．８６ Ａ， 度 。 制动转矩大于１．７ Ｎ・ｍ。 导磁体中磁压降： 参考文献 ６ Ｆ ＝∑日ｉ （６） ［１］徐灏．机械设计手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９１． 式中， 为每段导磁体长度（ｃｍ）；Ｈｉ为每段磁路 ［２］何德誉．曲柄压力机［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８１． 上的磁场强度（Ａ／ｃｍ）。 ［３］ 吴恒颛．电机常用材料手册［Ｍ］．陕西：陕西科学技术出版 社，２００１． 总磁压降： ［４］ 夏天伟，丁明道．电器学［Ｍ］．北京：机械工业出版 Ｆ＝Ｆ８＋Ｆ。 （７） 社，２００４． （３）线圈设计 由电磁铁的额定电压和额定电流可求得线圈 作者简介：龚园丁（１９６１一），男，高级工程师，从事微特电 电阻 。 机工艺技术研究。 （上接第２５页） 向力和转矩，利用所得数据可以进行电机的非线 Ｒｏｔｏｒ Ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ａ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ—ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ［Ｊ］． 性仿真，并为ｓＲ电机的优化设计和抑制噪声振动 １ＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ ＩＡ，１９９２，２８（２）：３６４－３６９． 打下良好基础。 ［４］ 吴建华．开关磁阻电机设计及应用［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，２００１． 参考文献 ［５］ 孙剑波，詹琼华．开关磁阻电机降噪的新结构探索［Ｊ］．微 电机，２００５，（３）：７－９． ［１］Ａｒｕｍｕｇａｍ Ｒ，Ｌｏｗｔｈｅｒ Ｄ Ａ，Ｋｒｉｓｈｎａｎ Ｒ，ｅｔ ａ１．Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ ［６］ 龚曙光，谢桂兰．Ａｎｓｙｓ操作命令与参数化编程［Ｍ］．北京： Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ Ａ Ｔｗｏ Ｄｉｍｅｎｔｉｏｎａｌ 机械工业出版社，２００４． Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒｎａｓ．ｏｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ，１９８５： ｌ９８３一ｌ９８５． 作者简介：沈磊（１９８５一），男，黑龙江省穆棱市人，从事 ［２］ 丁文，周会军，鱼振民．基于ＡＮＳＹＳ二次开发的开关磁阻 电机计算机辅助设计、仿真和优化研究工作。 电机电磁场分析软件［Ｊ］．微电机，２００６，３９（２）：１９－２１． 吴建华（１９６３一），男，教授，从事电机设计方面的研究与教 ［３］Ｍｅｈｄｉ Ｍｏａｌｌｅｍ，Ｃｈｅｅ—Ｍｕｎ Ｏｎｇ，Ｌｅｗｉｓ Ｅ，Ｕ ｅｔ ａ１．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ 学工作。 一３２一
