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)

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、偏转，或紧急情况下的故障抱死，防止系统非正常操作。

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。与机械式制动器相比，电磁制动器具有结构紧凑、体积小、质量轻、控制方便等特点，广泛应用于航空航天、重型工业、精密机械等领域[1-4〗。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、锁销式电磁制动器和无接触式电磁制动器3种类型。另外，还可以依照施力方式的不同分为弹簧式电磁制动器、永磁式电磁制动器和电涡流式电磁制动器等。电磁制动器性能涉及机、电、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。

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。

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。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。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]。

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]。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。

(a) 可重复电磁锁紧方案

(b) 电磁锁紧装置实物图

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。相比于传统液压刹车系统，全电刹车系统体积小、质量轻、系统可靠性高、刹车力控制精度高。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、减速器、电磁制动器，以及滚珠丝杠组成。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。

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。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]。

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、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。飞行器电动舵机系统中的传动链主要由伺服电动机、减速装置和作动器组成。电磁制动器与伺服电动机一体化设计，属于通电解锁、断电上锁制动器，通过锁定电机轴间接锁定舵面。

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。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。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]。

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

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、高可控、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。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。汽车上应用最广泛的辅助制动装置是电涡流制动器。电涡流制动器具有响应快、噪声小、无接触摩擦、制动平稳、无粉尘污染等优点，为非接触式制动器。

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。

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]。

(a) 仿真模型

(b) 结构示意图

1.5 空间机械臂

空间机械臂在国际空间站、卫星、飞行器等空间设备中应用广泛，承担了抓取空间设备、清理太空垃圾、建设空间站，以及维护空间设备等任务。为了防止机械臂在紧急情况下对周围宇航员、空间设备及自身安全造成威胁，一般在机械臂关节模组中安装电磁制动器。空间机械臂使用环境特殊，对制动器性能有特殊要求。制动器摩擦材料在连续真空环境下摩擦系数要稳定，摩擦磨损率小，且温度稳定性要好。制动性能上，要具有较高制动力矩密度和较快的制动响应时间，以满足空间使用要求。

图8为机械臂驱动组件一体化结构示意图，其中制动器为弹簧加压摩擦式制动器[12]。

图8 关节驱动组件结构图和制动器示意图

1.6 电梯制动器

电梯制动器是电梯最重要的安全部件之一。电梯制动器有多种类型，叠式制动器为目前使用最广泛的一种，如图9所示[13]。叠式制动器制动时，电磁线圈断电，电磁力消失，制动弹簧产生的弹簧力将动板与刹车片推向制动轮毂，实现制动。叠式制动器解锁时，电磁线圈通电，电磁力克服弹簧力，将动板和刹车片推离制动轮毂实现解锁。

图9 叠式制动器结构图

2 电磁制动器研究现状

随着伺服电动机的普及，电磁制动器正广泛应用于不同的工程领域中。现有的各类电磁制动器中，应用比较典型的电磁制动器主要有弹簧加压式电磁制动器、电涡流式电磁制动器以及永磁式电磁制动器。本文对国内外电磁制动器的特点和研究现状进行了总结和扩展。

2.1 弹簧加压式电磁制动器

弹簧加压式电磁制动器是一种失电式电磁制动器，采用失电锁定、上电解锁的工作模式，主要依靠弹簧力施压产生的摩擦阻力或锁销力制动。图10为一种利用摩擦阻力制动的弹簧加压式电磁制动器，主要分为定子和转子两部分。不通电时，弹簧施压在衔铁上，使摩擦盘与制动盘相互摩擦产生制动力矩，锁定转子部分；上电后，电磁力抵消弹簧力，衔铁收回，摩擦盘与制动盘分离，解除锁定。

图10 摩擦阻力制动的弹簧加压式电磁制动器示意图

国内外对弹簧加压式电磁制动器的研究工作开展得非常深入，采用新结构、新工艺、新材料来提高产品性能。弹簧加压式电磁制动器如图11所示，其性能涉及机、电、磁和材料等多学科，文献[14]提出了一整套制动器综合设计步骤，建立有效的电磁、机械、热模型，优化提高产品性能。

图11 弹簧加压式制动器爆破图

图12为哈尔滨工业大学开发的一种使用陶瓷摩擦副的弹簧加压摩擦式制动器，可应用在空间机械臂上。制动器使用4Cr13不锈钢材料作为摩擦副基底，表面喷涂Cr2O3陶瓷材料。通过热喷涂方法涂覆在4Cr13表面的Cr2O3陶瓷材料可以提高制动器的使用寿命[15]。

图12 弹簧加压摩擦式制动器结构及样机

在弹簧式电磁制动器研究领域，如德国KEB，MAYR，INTORQ等国外公司在市场和技术上均领先。天津机床电器总厂、天津怡和、天津永恒泰等企业借鉴国外成品，研制出一系列适应国内市场低成本产品[16]。

2.2 电涡流式电磁制动器

电涡流式电磁制动器，简称电涡流制动器，是一种非接触式的电磁制动器，具有无摩擦、无噪声、控制简单和反应迅速等特点。

电涡流制动器根据激励源的不同，可以分为电励磁式、永磁式、混合激励式电涡流制动器。另外，根据制动器主磁通磁路的不同，还可以分为直线电涡流制动器、轴向电涡流制动器和径向电涡流制动器[17]。与传统的接触式制动器相比，电涡流制动器无法输出较大的制动力矩，在速度较低时制动力也比较低.因而，电涡流制动器只用于紧急制动，而在低速时辅以机械制动。必须指出的是，电涡流制动器在工作期间需要消耗大量电能，且以热能的形式耗散，导致温度升高。

图13为电励磁直线电涡流制动器的一般结构。导体板与初级铁心相对运动感应出涡流，并与初级励磁磁场相互作用产生制动力。电励磁直线电涡流制动器经常应用于轨道制动领域，无摩擦、制动响应快。通过调节励磁电流，可方便地控制制动力的大小。

图13 电励磁直线电涡流制动器

图14为韩国忠南国立大学的CHOI J等提出的一种永磁式径向电涡流制动器[18]。该制动器的永磁体是可以移动的，通过调节永磁体和导体环的对齐状态，来改变制动力的大小。

图14 永磁式径向电涡流制动器

2.3 永磁式电磁制动器

永磁式电磁制动器是一种新型的电磁制动器，利用永磁体产生的磁阻力摩擦制动，结构简单，制动转矩密度大，可靠性高。不通电时，永磁体产生的磁阻力将衔铁吸合，摩擦力矩锁定转子部分；上电后，电磁力抵消永磁力，弹簧力将衔铁与定子分离，实现解锁。

与弹簧施压式电磁制动器相比，永磁式电磁制动器不受限于弹簧性能的设计，体积小、质量轻、结构更为紧凑。由于永磁式电磁制动器完全依靠永磁体产生的磁吸合力制动，制动时无噪声、无振动、性能可靠。与电涡流式电磁制动器相比，永磁式电磁制动器无需消耗外部能量产生制动力矩，制动力矩大，既可用于紧急制动，又能用于零位锁紧。

随着应用领域的不断扩展，对电磁制动器的安全可靠性、低噪声、低功耗、抗振能力、环境适应性等提出了更高要求。永磁式制动器因其独特的优势受到越来越广泛关注，德国BINDER[19]，台湾STEKI，美国Warner等公司对永磁式制动器投入了大量研究，并形成了产品化，制动器制动扭矩从0.4 N·m到160 N·m，有十几个型号产品可供选择。国内天津永恒泰[20]、天津怡和等企业借鉴国外永磁式电磁制动器技术，申请了永磁制动器实用新型专利，但并未有成熟产品应用于市场，国内对于永磁式制动器的需求，完全依赖进口产品。

图15、图16分别为台湾STEKI和德国BINDER的永磁式制动器产品。

图15 台湾STEKI永磁式制动器

图16 德国BINDER永磁式制动器

文献[21]提出了一种新型永磁式制动器，用于航天飞行器中伺服系统的零位锁定，如图17所示。该制动器工作时无需消耗电能，只在解除制动和执行制动的短时状态通电。制动状态时，依靠永磁体产生吸合力，利用锁销锁紧转子；解锁状态时，利用弹簧力克服永磁体吸合力，保持解锁状态。

图17 永磁式制动器模型

3 电磁制动器的发展趋势

随着应用领域的不断扩展，对电磁制动器提出了更高的要求。不同的应用领域对电磁制动器的性能要求各有不同，使得电磁制动器向着多样性方向发展，可归纳以下几个方面：

1)轻质化设计

在航空航天等领域中应用的电磁制动器，由于空间极度有限，对制动器的功率密度、体积、制动能力等方面要求严格，需要具备高制动转矩密度，以实现轻质化特点。

2)极端环境适应性设计

对于在高低温变化范围大、盐雾霉菌或者振动冲击强烈等极端环境中使用的电磁制动器，需综合电磁、力、热、摩擦、材料等多方面进行特殊环境适应性设计。

3)集成化设计

在机电伺服技术应用领域，电磁制动器可与电机集成一体化设计，以实现机电伺服作动器的防差错或冗余功能。电磁制动器和电机均由定子和转子两部分组成，集成一体化设计使得结构更为简单、紧凑。

在电磁制动器的设计分析研究中，主要技术发展方向有：新材料、新工艺、新结构在制动器定、转子上的应用；定、转子摩擦磨损机理的深入探究与实用计算技术；结合电磁场、温度场、应力场的多物理场分析与优化设计技术。随着国内外相关技术的发展以及电磁制动器的推广应用，实现电磁制动器的多样性覆盖。

4 结 语

本文对电磁制动器研究和应用现状进行了综述，且展望了电磁制动器的发展趋势。电磁制动器结构多样、性能优越，在不同的工程领域应用前景广阔。随着对电磁制动器的深入研究，将不断提高其综合性能，推动制动技术的发展。因此，研究电磁制动器具有非常大的工程价值。