国外弹簧加压式电磁安全制动器的发展现状

李云玲

（科比传动技术（上海）有限公司，北京 100013）

0 引言

弹簧加压式电磁制动器主要作为安全制动器安装在电机上，以制动电机产品的型式广泛应用于起重、电梯等行业，是保证设备安全正常工作的关键部件之一。随着工业自动化、智能化的飞速发展，对电磁制动器的安全性、可靠性、平稳舒适性、低噪音、耐高温/低温/高湿/腐蚀、寿命等方面不断提出更高的要求。

目前，国内外对电磁制动器研究的重点在于优化设计、稳健设计及制动器控制电路设计等方面。国外对电磁制动系统的研发工作开展得非常深入，在制动器优化设计方面主要致力于制动器的NVH（Noice，Vibration and Harshness）研究[1-2]，即研究方向是低噪音、高抗振、适应严酷环境。国内学者[3-7]对盘式电磁制动器的优化设计研究得比较充分，但在稳健设计方面尚在起步阶段，对弹簧加压式电磁制动器的优化设计等理论研究基本处于空白阶段。近几年，天津机床电器总厂、成都瑞迪机械、天津永恒泰科技等企业借鉴国外弹簧加压式电磁制动器的商业成品技术，研发出了一系列适应中国市场的低成本制动器产品，并申请了实用新型专利保护[8-12]，但保护的内容基本雷同于国外制动器几十年前的技术水平，在产品质量、种类及创新性方面与国际同类产品相比，还有很大的差距。因此，在电梯、舞台、风电等行业对制动器安全性或对寿命要求非常高的行业，主要依赖国外进口。

欧美等发达国家每年都在制动器的研发与创新上投入相当可观的费用。德国KEB、MAYR、INTORQ公司是弹簧加压式电磁安全制动器研发的先导者，他们生产的安全制动器在国际市场和技术上都处于领先地位。采用新设计、新技术、新材料，不断提高产品性能是国外制动器发展的一大特点。为了解国内外电磁安全制动器的技术发展现状，本文对国内外制动器的材料、加工工艺和结构设计特点进行了比较和分析。研究国外电磁安全制动器设计过程中的关键技术及发展现状，对于拓展国内设计人员的思路并指导他们研发出具有自主知识产权的高性能、长寿命的国产制动器具有重要的意义。

1 基本结构及工作原理

弹簧加压式电磁安全制动器又称电磁抱闸或电磁刹车，是一种在干式条件下工作的摩擦式直流电磁制动器，可以在失电情况下使电机轴紧急制动或正常工作停机后使电机轴保持制动状态。具有结构紧凑、响应迅速、制动平稳、性能稳定可靠、安装维修方便、寿命长久、噪音低、易于控制等优点。

1.1 基本结构

弹簧加压式电磁安全制动器的基本结构如图1所示，主要由电磁铁系统和转子系统组成。其中电磁铁系统包括电磁铁2、衔铁3、制动弹簧4、手动释放9等，转子系统包括轴套5和制动摩擦盘6。将制动器用螺钉1安装在电机座或对偶摩擦盘7或法兰上。调节定距螺管8使衔铁和磁铁之间的气隙保持在额定值。

图1 弹簧加压式电磁安全制动器的结构

1.2 工作原理

弹簧加压式电磁安全制动器的制动力来自弹簧，电磁力用于解除制动。制动器失电时，电磁铁2的线圈失去电磁力，压缩弹簧4依靠自身的弹力将衔铁3和制动摩擦盘6压向对偶摩擦盘7，正随电机轴旋转的摩擦盘与衔铁和对偶摩擦盘产生摩擦力而使制动器制动、电机轴停止转动。

制动器接通直流电后，电磁铁的线圈产生一个电磁场，衔铁在电磁力的作用下，抵消弹簧力被吸引到电磁铁上，使衔铁与制动摩擦盘分离，制动器制动被释放，电机轴可以带着摩擦盘正常旋转。

对于突然停电导致制动器制动的情况，可以人工扳动手动释放手柄9，使衔铁压紧弹簧而解除制动，并将悬挂的重物一点点放下。

2 关键零部件的材料和加工工艺研究

电磁铁、衔铁、弹簧、制动摩擦盘是电磁安全制动器中非常关键的零部件。

2.1 电磁铁

电磁铁由外壳、线圈和绝缘填充材料组成。设计时需要选择合适的外壳磁钢材料、漆包线及绝缘填充材料。

为了提高导磁性能和减少剩磁影响，电磁铁外壳多选用导磁性能和加工性能较好、矫顽力较小的低碳钢软磁材料，国内普遍使用10钢、20钢。德国通常采用自动化流水线加工制动器外壳、法兰、衔铁等零件。因此，通常使用适于自动化切削加工的11SMn30圆钢来加工电磁铁的外壳。我们采用国产的Y15易切削钢来替代德国11SMn30钢，取得了很好的效果。

国内多采用镀锌技术对电磁铁外壳进行表面防腐处理，德国普遍采用的是热喷锌的喷涂技术。热喷涂技术由于在热喷锌后又用涂料进行封闭处理，形成了锌层与涂料的复合涂层,大大增强了钢表面的耐腐蚀性能。国际知名的重防腐长效涂料有德国HEMPEL老人牌、International国际牌等。采用不同厚度的环氧富锌底漆、厚浆环氧中间漆和聚氨酯面漆组合方案，可以耐受大气腐蚀等级为C4、C5－M的海上恶劣环境，防腐寿命可达H级（高级15-20年）[13]。

线圈的绕制和绝缘填充材料的浇注制造工艺在国内已经非常成熟。德国通常选择绝缘等级B级（130℃）的聚酯漆包圆铜线，可达到较高的绝缘耐热性能；对于冶金、军工等需要绝缘耐热等级高的行业，可选用F级（155℃）的改性聚酯漆包线或H级（180℃）的聚酯亚胺漆包线等；选用耐高温绝缘等级H级的环氧树脂作为绝缘填充材料。国际知名的漆包线厂家有德国的Synflex Elektro、美国的Essex等，环氧树脂厂家有英国的ALTANA等。

2.2 衔铁/对偶摩擦盘或法兰

衔铁和对偶摩擦盘或法兰是与制动摩擦盘两面产生摩擦的摩擦副中的另一个对偶零件，需要有较高耐热、耐磨、耐腐蚀、耐疲劳的硬质摩擦表面。德国通常选用11SMn30圆钢、C15圆钢等导磁材料来加工衔铁、对偶摩擦盘或法兰。对于中小力矩的制动器，德国通常要对衔铁和对偶摩擦盘进行氮化等表面硬化处理；对于较大力矩的制动器，通常要对衔铁和对偶法兰镀锌或镀镍处理。C15钢是表面经过渗氮硬化处理的优质碳素结构钢，可用国产的15钢、15Mn钢渗碳处理来代替，效果要远好于国内有些厂家为降低成本使用的HT250、Q345等铸铁材料表面镀锌处理。对防腐性能要求高的行业，衔铁和对偶法兰通常要镀镍或镀硬铬，需要注意的是不能将镀铜作为中间镀层，会影响电磁制动器的磁场而降低制动力矩。

2.3 弹簧

安全制动器上使用的弹簧是螺旋型压缩弹簧，是电磁安全制动器中最关键的一个零件。弹簧钢材料应具有优良的综合性能，即较高的力学性能(弹性极限、强度极限、屈强比)、抗弹性减退性能、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)，以保证制动器有可靠的制动力和长效稳定的工作寿命。国内最常用60Si2MnA、50CrVA等合金弹簧钢来制造重要螺旋弹簧，并做镀锌或发黑处理；对于高温、低温和腐蚀性环境，可使用不锈钢、铬镍铁合金等特殊材料的弹簧。目前，国产弹簧钢的工艺水平及质量控制不稳定，强度水平难以满足现代工业发展的要求。弹簧钢未来的发展方向是具有超高强度、超高疲劳强度和耐腐蚀疲劳性能、优良的抗弹减性能和良好的经济性[14]。德国Thyssen Krupp、法国Allevard等国际知名弹簧公司已在中国建厂。

2.4 轴套-摩擦盘系统

电磁制动器中通常使用分体结构的转子系统，即金属材料的轴套（内盘）与摩擦材料的制动摩擦盘（外盘）组成的系统。制动摩擦盘是电磁安全制动器中最关键的一个部件，必须具有较大的摩擦接触面积、良好的耐磨性和热稳定性、较低的硬度、良好的机械性能和物理性能。目前国内使用最多的是钢纤维增强的半金属有机摩擦片，但同时存在易锈蚀、噪声大、寿命短等问题。国外在制动器中广泛采用无石棉的矿物复合有机摩擦材料和在高温下模压成型的加工工艺[15]。为提高机械强度和使用寿命，通常摩擦盘都带金属背板或金属嵌件。德国通常采用不锈钢或硬铝AL－CU－MG－PB轴套，中小力矩的制动器多采用摩擦材料内嵌钢架的矩形花键摩擦盘解决方案，如图2所示；较大力矩的制动器多采用在硬铝合金背板两侧镶嵌摩擦衬片的渐开线花键摩擦盘解决方案，如图3所示。国内可用2A06高强度铝合金来制造轴套和摩擦盘背板。国际知名制动器公司普遍使用德国Bremskerl公司生产的高性能摩擦片。

3 满足特殊行业需求的结构设计研究

3.1 高档电梯/舞台制动器的结构特点

随着人们生活水平的提高，对高档酒店/写字楼、大型舞台/剧院的需求也日益增多，迫切需要能与之配套的高性能制动器。

3.1.1 双倍安全性设计

电梯曳引机和舞台吊机是对制动器安全性能要求最高的起升机构。按照欧洲标准EN81的要求，起升机构必须具有两个相互独立工作的制动器和两个相互独立的控制装置[16]。

为满足这个安全性要求，研发出了各种结构紧凑的双倍制动器。如图4(a)、4(b)所示的双倍制动器有两个几乎完全相同的单制动器和两个监测制动器磨损情况的微动开关；图4(c)所示的双倍制动器外形尺寸与单制动器相同，但具有两个线圈回路、两个半圆形衔铁和两个微动开关。双倍制动器中的每个制动器可以独立制动及控制，在机械和电气设计方面具有高度的安全性。双倍制动器的解决方案已在德国蒂森电梯、日本东芝电梯、国家大剧院吊机、长安大戏院吊机等应用中得到非常高的评价。

3.1.2 低噪音设计

图2 矩形花键轴套-摩擦盘

图3 渐开线花键轴套-摩擦盘

图4 双倍制动器

从设计、制造的根本着手，对制动器的整体结构进行静音设计、合理选用摩擦材料、提高加工制造精度，可有效降低制动器噪音。

降低噪音的解决方案主要有以下3类：

（1）密闭设计：在电磁铁和电机座的外缘采用橡胶防尘罩、制动器内孔与电机轴之间采用端盖或轴封等，使制动器成为一个密闭的结构，在提高防护等级的同时也降低了噪音，如图4(a)图所示。

本系统以MAXIM公司的1024位单总线（1-Wire）EEPROM芯片DS2431为eID芯片，存储每根光纤的连接信息。DS2431内部有4个存储器页，每页256位。DS2431只需要一根带有上拉电阻（0.3～2.2 kΩ）的数据线DQ和一根GND线，即可与MCU正常通信；数据的读写遵循1-Wire协议。

（2） 轴套－摩擦盘之间的抗振动设计：在渐开线花键轴套与摩擦盘之间增加 O形橡胶密封圈，如图4(b)所示。在轴套渐开线齿面上喷涂尼龙防噪涂层。

（3）衔铁与电磁铁之间的抗冲击设计：在衔铁与电磁铁之间增加橡胶球、小O形橡胶圈等弹性阻尼件，如图5(a)所示。在衔铁与电磁铁之间增加防潮、阻燃的特制纸垫片等。

另外还有采用两层衔铁的设计，即在制动摩擦盘与衔铁之间再增加一个铝制的静音衔铁，如图5(b)所示；在衔铁与定距螺管之间增加O形橡胶圈，如图4(b)所示。橡胶圈等的弹性、硬度必须稳定、凹槽必须有较高的精度，否则会影响制动器的制动及释放性能。实验证明，2x525Nm低噪音双倍制动器的实验室噪音低于60dB，在高档楼宇的电梯应用中得到一致认可。

3.1.3 节能设计

传统的电磁安全制动器在电机工作过程中，必须始终给电磁铁线圈通电，不仅消耗电能，也因发热高而影响制动器的使用寿命。因此，制动器的控制电路通常采用节能设计的方案[17]，即在制动器通电的瞬间有较大的电流将衔铁吸引到电磁铁上，吸合后只有较小的维持电流保持衔铁的吸合状态。由于通电瞬间的电流大，制动器释放时间缩短一倍，制动器耐磨损能力增加一倍，寿命延长。由于维持电流小、发热量小，能耗降低75%。同时，电磁铁断电时的剩磁也小，制动器的制动时间缩短30%。国外有这种专门研发的控制器产品——过励磁电源。实际应用证明，该电源动作可靠、故障率低，具有显著的节电效果。

3.2 变桨制动器的结构特点

随着陆地风电行业的技术成熟与蓬勃发展，海上风电的需求也日益增高，对变桨制动器也提出了更高的要求。

3.2.1 安装方式多样性设计

根据客户设计的要求，变桨制动器可以选择安装在电机的前端、内部和尾部，如图6所示。目前，风电机组变桨系统中广泛应用的是将制动器安装在电机的前端，可以对变桨减速箱的高速端进行有效的安全保护。

图5 低噪音设计

海上属于高湿、高腐蚀环境。因此，变桨制动器必须采用防护等级IP65以上的全密闭结构设计，如图7(a)所示。在法兰连接处都有O形密封圈、轴连接处有轴封。KEB有一种不带手动释放、带微动开关的变桨制动器，防护等级可高达IP67。

3.2.3 长寿命设计

风电设备在设计时都要求使用寿命必须在20年以上。因此，变桨制动器也相应进行了长寿命的结构设计，如高强度弹簧采用经过电镀处理并冗余设计，以确保制动器在高温时仍有可靠而稳定的制动力矩，弹簧使用寿命可高达1000万次以上，结构设计具有高抗振性。在制动器100%通电情况下，线圈绝缘等级可达H级（180℃）；制动摩擦盘使用特殊的摩擦材料，在高温时具有稳定的摩擦性能。

为验证制动器的使用寿命，对在极端试验条件下工作的100Nm制动器做了如下的磨损试验：在电机以2000rpm的转速旋转时，给制动器断电，让制动摩擦盘与衔铁和法兰进行摩擦，10.5s后给制动器通电，每隔30min使制动器制动10.5s，测试10个周期。结果显示：摩擦盘的磨损量只有0.1mm，经过计算摩滑功，可以验证制动器的预期使用寿命大于20年。

3.2.4 耐高温、耐低温、耐腐蚀设计

海上的环境，高低温变化大、盐成分高、易生锈，通常要求变桨制动器能适应－40℃ －60℃的环境温度范围、防腐等级C4以上。变桨制动器采用了相应的设计方案，如法兰、衔铁镀镍或镀铬；电磁铁外壳采用热喷锌的技术，重防腐涂料总干膜厚度在240mm以上；安装螺钉镀达克罗；如图7(b)所示的防结露加热器，可防止低温或高湿环境形成冷凝水、结冰；电缆采用可插拔连接头，如图7(c)所示。

图6 制动器的安装位置

图7 变桨制动器

3.2.5 单向制动设计

带有单向轴承（又称单向离合器）的电磁安全制动器又称单向制动器，如图7(c)所示。单向制动器可以在动力缺失、无法对风电机组进行任何调试的失电情况下，为设备提供单向制动的安全保护，只允许叶片沿一个方向自由旋转，释放风险。

3.2.6 节能设计

有的变桨系统要求制动器在300VDC应急电源下安全工作，由于电压高且通电时间长，导致发热高、能耗也高。因此，设计上常用两种解决方案。一是采用耐高温、耐低温和耐腐蚀的过励磁电源。使用一种最新技术的过励磁电源（24V直流输入，瞬间输出24V，800ms后降至6V），对一个400Nm、130W的制动器在不同温度下进行试验，试验数据如表1所示。试验表明：在过励磁电源控制下工作的制动器，在不同温度下开关响应速度变化不大，能可靠制动；线圈保持功率只需8W、保持电流小，最高可降低75%的能耗。

表1 制动器在过励磁电源控制下的试验数据

另一个解决方案是制动器电磁铁里有两个独立的线圈，一个电压300VDC，另一个电压24VDC，300V线圈用来释放，24V线圈用来保持，可有效地降低制动器线圈的温升、节约能源、延长制动器的使用寿命。

电磁制动器的控制回路必须具有低电压穿越（LVRT）性能，即有增大直流母线电容、辅助失电跨越设备等的精密闭环控制策略，以确保即使风电机组发生瞬间掉电，制动器也不会紧急制动，造成工业生产中的损失。

4 结论

目前，国外弹簧加压式电磁安全制动器正向高安全性、高可靠性、低噪音、长寿命、节能等方向发展。通过分析研究国外先进制动器的结构特点及关键技术，可吸收符合我国现实条件的产品结构、技术条件和生产工艺，找出不尽合理的结构和技术，进行改进和创新，降低成本的同时提高产品的性能。我国制动器在选用材料、加工工艺、整体结构设计等方面还有很大的发展空间。

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