2019年第47卷第4期
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综 述echnical review
胡小飞等 电磁制动器的发展现状及应用前景
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收稿日期:2018-08-29
电磁制动器的发展现状及应用前景
胡小飞,王 毅,朱 炎,宋满存,李国强
(北京精密机电控制设备研究所,北京100076)
摘 要:对电磁制动器的应用现状进行了分析,总结和扩展了各类型电磁制动器的特点和研究现状,主要包括弹簧式电磁制动器㊁电涡流式电磁制动器,以及永磁式电磁制动器㊂分析了电磁制动器发展所面临的问题,展望了电磁制动器的发展趋势㊂电磁制动器在工程领域具有广阔的应用前景,对电磁制动器的研究具有重大的工程价值㊂
关键词:电磁制动器;永磁制动器;应用领域;发展现状
中图分类号:TM359.9 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2019)04-0071-05
Development and Application Prospects of the Electromagnetic Brake
HU Xiao -fei ,WANG Yi ,Zhu Yan ,SONG Man -cun ,LI Guo -qiang
(Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment,Beijing 100076,China)
Abstract :The application of electromagnetic brake in the field of engineering was analyzed.The performance charac⁃
teristics and relevant researches of various types of electromagnetic brakes were summarized,such as the spring-applied e⁃lectromagnetic brake,the eddy current electromagnetic brake,and the permanent magnetic electromagnetic brake.The problems of the electromagnetic brake were analyzed and development trends were prospected.Electromagnetic brake has
broad application prospects in engineering field,the research of electromagnetic brake has great engineering value.
Key words :electromagnetic brake,permanent magnetic brake,application field,development trend
0 引 言
制动器是机械系统安全保障装置的关键元件,可用作机械系统的零位锁紧,避免系统发生错误的游移㊁偏转,或紧急情况下的故障抱死,防止系统非正常操作㊂
电磁制动器(又名电磁锁)是一种新型制动器,主要以电流的形式来改变制动力矩的大小,或调节制动器的开合㊂与机械式制动器相比,电磁制动器具有结构紧凑㊁体积小㊁质量轻㊁控制方便等特点,广泛应用于航空航天㊁重型工业㊁精密机械等领域[1-4〛㊂电磁制动器根据制动方式的不同可分为摩擦式电磁制动器㊁锁销式电磁制动器和无接触式电磁制动器3种类型㊂另外,还可以依照施力方式的不同分为弹簧式电磁制动器㊁永磁式电磁制动器和电涡流式电磁制动器等㊂电磁制动器性能涉及机㊁电㊁磁和材料工程等多个方面,因此要集合多学科理论进行设计㊂
本文介绍了电磁制动器在各领域的应用现状,详细分析了不同类型电磁制动器的特点和研究现状,最后展望了电磁制动器的未来发展方向㊂
1 电磁制动器应用现状
1.1 磁悬浮飞轮
磁悬浮飞轮是卫星等航天器姿态控制系统中的
惯性执行机构㊂磁悬浮飞轮工作时,在磁保护间隙内,转子与定子采用弹性支承㊂对于振动与冲击非常剧烈的发射段,磁轴承的支承刚度不够,需采用制动锁紧装置施加锁紧力锁紧转子,保护磁轴承,入轨后再释放施加的锁紧力,使转子自由悬浮[2]㊂
在借鉴国外使用摩擦自锁来保持锁紧的一次性
锁紧装置的基础上,北京航空航天大学研制出了一种可重复实现锁紧和解锁功能的电磁锁紧方案,如图1所示[5-6]㊂该方案中的可重复电磁锁紧装置是
一种摩擦式电磁制动器,主要通过电磁场与永磁场相互增强和抵消作用,可重复实现飞轮的锁紧和解锁功能,只在锁紧和解锁的切换过程通电,其余时间不消耗电能
㊂
(a)可重复电磁锁紧方案
(b)电磁锁紧装置实物图
图1 磁悬浮飞轮可重复电磁锁紧装置
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1.2 飞机全电刹车机电作动系统
对于飞机全电刹车作动系统而言,其机轮的制动和刹车力的平衡功能是由机电作动器驱动活塞压紧刹车盘来实现的㊂相比于传统液压刹车系统,全电刹车系统体积小㊁质量轻㊁系统可靠性高㊁刹车力控制精度高㊂飞机全电刹车系统的基本结构如图2所示,机电作动器主要由电机㊁减速器㊁电磁制动器,以及滚珠丝杠组成㊂在飞机停机后,需要刹车系统长时间输出静态刹车力,机电作动器中在电机轴端或齿轮箱部位安装的失电制动电磁制动器可确保飞机可靠驻停
㊂
图2 飞机全电刹车系统的基本结构图
图3是波音787梦幻客机所用的机电刹车装置㊂这两个全电刹车装置中的电磁制动器与电机集成为一体,在飞机停机后,抱住电机轴,防止飞机滑动[7]
㊂
图3 波音787梦幻客机电刹车装置
1.3 飞行器电动舵机
在飞行器的挂飞㊁起飞和着陆过程中,由于受到外界力学环境影响使舵面不停摆动,影响飞行器正常飞行,且会消耗舵机中传动机构和位置传感器的使用寿命;某些特定类型的飞行器,飞行前舵面在零位锁定,飞行时再解锁,以保证安全发射㊂飞行器电动舵机系统中的传动链主要由伺服电动机㊁减速装置和作动器组成㊂电磁制动器与伺服电动机一体化设计,属于通电解锁㊁断电上锁制动器,通过锁定电机轴间接锁定舵面㊂
图4和图5为两种用于飞行器电动舵机的电磁制动器,均为弹簧加压锁销式制动器㊂制动器转子
压装在电机轴上,制动器不通电时,锁销卡紧制动器转子的制动盘,电机轴及舵面锁定在允许零位误差范围内,实现锁定功能㊂解锁时,制动器通直流电,锁销从制动盘的槽内拔出,解除对电机轴及舵面的锁定,实现该电磁制动器的解锁功能[8-9]㊂
图4 弹簧加压锁销式制动器1
结构示意图
(a)
锁制器(b)制动盘
图5 弹簧加压锁销式制动器2结构示意图
1.4 汽车制动系统
制动系统是车辆安全性能的重要保障,快响应㊁高可控㊁污染小且高效安全的新型制动系统是改善汽车制动性能的重要研究方向㊂为保证车辆制动的
可靠性高和污染小,最有效的措施是在车辆中使用辅助制动装置㊂汽车上应用最广泛的辅助制动装置是电涡流制动器㊂电涡流制动器具有响应快㊁噪声小㊁无接触摩擦㊁制动平稳㊁无粉尘污染等优点,为非接触式制动器㊂
Gay S E 等人[10]提出的一种永磁式涡流制动器
与摩擦制动器结合为一体的集成制动器概念模型,如图6所示
㊂
图6 集成制动器示意图
图7为重庆交通大学研制的一种集成了电磁式涡流制动器的汽车电磁摩擦集成制动器[11]㊂
(a)仿真模型
