CN105262314B - 一种旋转主轴电磁制动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转主轴电磁制动装置，包括制动部分、励磁电源和测控部分，制动部分包括设置在主轴上的高导磁电磁制动盘和直流电磁铁，主轴上还连接有电机和联轴器，制动盘位于直流电磁铁的两个磁极之间，与直流电磁铁并不接触，联轴器和电机的位置分别位于制动盘的两侧；在制动盘的右侧端面上对称布置两个相同的圆柱磁体凸出块。解决了传统电磁制动装置电磁损耗很大、温升高、不能长时间运行及不能用于高速主轴设备等问题。

Description

一种旋转主轴电磁制动装置

技术领域

本发明属于动力控制设备技术领域，具体涉及一种旋转主轴电磁制动装置。

背景技术

利用旋转主轴提供动力的发动机、电动机、传送机等设备已广泛应用于装备制造业、交通运输业、冶金和建筑等诸多行业领域，成为工业生产和生活中必不可少的动力设备，制动装置是动力设备安全运行的关键环节，提高制动装置的性能是动力设备技术创新发展的基础。

工业制动器主要用于起重运输机械、建筑工程机械、冶金和矿山设备、风电及核电设备、船舶和海上重工等装备，是机械设备中重要的动力控制装置，市场需求量很大。随着国家实施装备制造业振兴和发展计划，国产制动器需求量将明显增大。但受制于起步晚、技术基础薄弱及资本投资有限，我国制动器产品以低端产品为主。业内少数领先企业坚持自主创新，加大研发投入，正在向科技含量较高的中、高端产品方向发展，产品的市场份额将逐渐增加；而低端产品生产企业则因厂商众多、竞争激烈，价格呈下降趋势，会逐步被淘汰。因此，研究和提高国产制动器产品的技术具有重要意义。

目前，电磁制动器已在旋转主轴设备中得到广泛应用，但传统电磁制动器多为圆环形，制动时磁场与主轴接触面较大，产生的电磁损耗很大、温升较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转主轴电磁制动装置，解决了传统电磁制动装置电磁损耗很大、温升高、不能长时间运行及不能用于高速主轴设备等问题。

本发明所采用的技术方案是，一种旋转主轴电磁制动装置，包括制动部分、励磁电源和测控部分，制动部分包括设置在主轴上的高导磁电磁制动盘和直流电磁铁，主轴上还连接有电机和联轴器，制动盘位于直流电磁铁的两个磁极之间，与直流电磁铁并不接触，联轴器和电机的位置分别位于制动盘的两侧；在制动盘的右侧端面上对称布置两个相同的圆柱磁体凸出块。

本发明的特点还在于，

联轴器用于和其他传动轴相连。

凸出块安装于主轴和磁极之间的中心位置。

励磁电源与直流电磁铁以导线相连接，励磁电源包括相互连接的脉宽调制开关功率放大器和二极管整流装置；脉宽调制开关功率放大器通过导线与直流电磁铁连接。

直流电磁铁主要由磁极铁芯、励磁线圈、电磁铁外壳组成。电磁铁外壳的内的磁极铁芯上设置有励磁线圈，励磁线圈选用较细的漆包线制成，缠绕在U型铁芯两侧，中间增加抽头引出端。

磁极铁芯设计为U型，选用薄矽钢片层压，一次冲压成型，层间涂覆绝缘介质；励磁线圈选用较细的漆包线，在U型铁芯两侧绕制，形成磁极。

测控部分由电磁制动控制器、磁电式速度传感器组成，电磁制动控制器与PWM开关功率放大器的控制回路连接，产生脉宽调制信号，控制开关功率放大器的直流输出。

电磁制动控制器有两个输入端，一个输入端接测速传感器，另一个输入端a接主轴转速设定量，电磁制动控制器的输出端接PWM开关功率放大器的控制端。

本装置还设有备用电源结构，装置还设置有备用电源结构，备用电源结构包括备用电源自动投入装置和直流不间断电源，备用电源自动投入装置的两端分别与交流电源端和直流电磁铁连接，直流不间断电源与备用电源自动投入装置连接。

电磁制动装置设计为开放结构，仅使用单个电磁铁即可产生较大制动转矩，磁极数较少，减少了电磁损耗和温升；装置结构有利于散热，使电磁制动装置可用于高转速的主轴设备，扩大了装置应用范围。

本发明的有益效果是，制动装置使用高导磁材料，减小了磁极截面、增大了电磁制动转矩，磁路设计为轴向磁通，大大降低了电磁损耗，提高了制动性能和主轴转速应用范围，相比于传统电磁制动方式，本装置功率和能源损耗大为减小，节能效果明显；本装置利用非接触电磁转矩实现制动，制动装置零部件无磨损，不需要润滑，制动装置可长时间连续运行，无需使用润滑油和更换零部件；本装置结构设计有利于散热、温升较低，适用于高转速旋转主轴设备，应用范围更广，装置具有高性能、低成本、节能和环保等方面的优势，经济、社会和环境效益显著。

附图说明

图1为本发明的旋转主轴电磁制动装置结构示意图；

图2为本发明的旋转主轴电磁制动装置中的直流电磁铁结构及磁通的结构示意图。

图中，1.电机，2.主轴，3.制动盘，3-1.凸出块，4.联轴器，5.直流电磁铁，6.脉宽调制开关功率放大器，7.二极管整流装置，8.电磁制动控制器，9.测速传感器，10.直流不间断电源，11.备用电源自动投入装置，12.磁极，13.励磁线圈，14.电磁铁外壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的旋转主轴电磁制动装置，其结构如图1所示，包括制动部分、励磁电源和测控部分。制动部分包括设置在主轴2上的高导磁电磁制动盘3和直流电磁铁5，主轴2上还连接有电机1和联轴器4，制动盘3位于直流电磁铁5的两个磁极12之间，与直流电磁铁5并不接触，联轴器4和电机的位置分别位于制动盘3的两侧。在制动盘3的右侧端面上对称布置两个相同的圆柱磁体凸出块，用以检测主轴转速，凸出块尺寸根据主轴2和磁极12间的距离确定，安装于主轴2和磁极12之间的中心位置。

联轴器4用于和其他传动轴相连；直流电磁铁5工作时产生直流磁场，电磁制动盘3位于直流电磁铁5的两磁极之间，形成气隙磁场，当电磁制动盘3随主轴旋转时，在气隙磁场作用下，在电磁制动盘3上产生与主轴1旋转方向相反的电磁转矩，从而实现电磁制动，电磁制动转矩大小可励磁电源进行调节。

励磁电源与直流电磁铁5以导线相连接，励磁电源包括相互连接的脉宽调制开关功率放大器6和二极管整流装置7；脉宽调制开关功率放大器6通过导线与直流电磁铁5连接。

测控部分由电磁制动控制器8、磁电式速度传感器9组成，电磁制动控制器8与PWM开关功率放大器6的控制回路连接，产生脉宽调制信号，控制开关功率放大器6的直流输出。电磁制动控制器8有两个输入端，一个输入端接测速传感器9，另一个输入端a接主轴转速设定量，电磁制动控制器8的输出端接PWM开关功率放大器6的控制端，

测速传感器9与电磁制动控制器8的数据采集端口连接，对主轴实际转速进行实时检测，电磁制动控制器8的另一数据输入端口经串行口接上位机；电磁制动装置工作时，上位机按控制程序向电磁制动控制器8输入主轴转速设定值，电磁制动控制器8同时读入主轴转速实测值，由电磁控制算法计算转速偏差，电磁制动控制器8根据转速偏差量自动调节电磁转矩，完成制动控制。

本装置的直流电磁铁结构及磁通回路如图2所示，直流电磁铁主要由磁极铁芯12、励磁线圈13、电磁铁外壳14组成。电磁铁外壳14内固定安装磁极铁芯12，铁芯12上设置直流励磁线圈13，励磁线圈13选用较细的漆包线制成，缠绕在U型铁芯两侧，中间增加抽头引出端。

本装置还设置有备用电源结构，备用电源结构包括备用电源自动投入装置11和直流不间断电源10，备用电源自动投入装置的两端分别与交流电源端和直流电磁铁5连接，直流不间断电源10与备用电源自动投入装置11连接。

本装置中所采用的磁极铁芯12设计为U型，选用薄矽钢片层压，一次冲压成型，层间涂覆绝缘介质；励磁线圈13选用较细的漆包线，在U型铁芯两侧绕制，形成磁极。为增大磁动势，可增加U型铁芯两侧线圈匝数，中间增加抽头引出端，所需磁动势较大时，U型铁芯两侧线圈串接，所需磁动势较小时，励磁线圈通过抽头引出端单侧接入励磁电源；

本装置中的励磁电源设计为直流开关电源，其中，脉宽调制开关功率放大器6的电路分为主回路和控制回路，二极管整流装置7由外接工频交流电源供电，交流电源由二极管整流装置7进行整流，产生直流电输出，二极管整流装置7输出的直流电源经PWM开关功率放大器6的主回路进行功率放大，主回路的输出接直流电磁铁5的励磁线圈，为直流电磁铁5提供直流励磁电源。PWM开关功率放大器6的主回路输入端与二极管整流装置7连接，输出端接直流电磁铁5的励磁线圈13，为励磁线圈13提供可调节的直流励磁电源，直流励磁电源为励磁线圈13的正常工作电源；PWM开关功率放大器6的控制回路与电磁制动控制器8连接，由电磁制动控制器8产生脉宽调制(PWM)信号，控制PWM开关功率放大器6输出的励磁电源，实现电磁制动转矩的自动调节。

本装置的控制部分由电磁制动控制器8、磁电式速度传感器9组成，电磁制动装置可根据主轴转速大小自动调节制动转矩，使主轴转速达到稳定。电磁制动控制器8与PWM开关功率放大器6的控制回路连接，产生脉宽调制信号，控制开关功率放大器6的直流输出。

电磁制动控制器的具体控制方法为：电磁制动控制器8有两个输入端，一个输入端接测速传感器9，另一个输入端a接主轴转速设定量，电磁制动控制器8的输出端接PWM开关功率放大器6的控制端，测速传感器9用于检测主轴工作转速；电磁制动装置工作时，控制器8分别读取主轴转速测试值和转速设定值，计算转速实测值与设定值的偏差量，控制器8根据输入的转速偏差量执行PID算法，用来控制开关功率放大器6产生PWM信号，PWM信号控制开关功率放大器6主回路输出的励磁电源，即可调节电磁制动转矩，使主轴按设定转速值运行。

装置励磁线圈工作电流仅为毫安级，大大减小了直流电磁铁5的电磁损耗和温升，确保电磁制动装置稳定、可靠运行；虽然直流电磁铁5的励磁电流较小，但其线圈匝数较多，可产生较大的直流电磁场，该磁场经高导磁电磁制动盘3形成较大的电磁制动转矩，改善了制动性能。

如图2所示的直流电磁铁磁极结构，直流电磁铁5产生的磁场经铁芯磁极12、气隙、高导磁电磁制动盘3形成轴向磁通回路，轴向磁通回路相比于横向磁通回路，使电磁制动盘3的电磁损耗大大降低，有效降低了电磁制动盘3的温升，使电磁制动装置可用于高转速主轴设备。

如图2所示的高导磁电磁制动盘3选用铁镍合金材料，铁镍合金的磁导率很高，导磁性能优异，是一种导磁性能优异的软磁材料，能较好地聚集磁力线、对磁场具有明显的放大作用，在磁场中可形成较强的磁通回路，产生较大的电磁制动转矩；较弱的直流电磁场经高导磁电磁制动盘3可产生较大的电磁力及转矩；铁镍合金的磁场穿透性很好，有利于形成较强的轴向磁通，可很好地聚集磁力线，漏磁很小，提高了制动装置的制动效果；高导磁电磁制动盘3端面的结构设计，可使主轴转速测试系统选用磁电式传感器，实现主轴转速的非接触检测，提高了主轴转速测试精度和主轴运行平稳性。

本装置选用块体铁镍合金棒料加工厚度较小、直径较大的制动盘3，为提高电磁制动性能及控制主轴转速，，通过磁电式测速传感器9、电磁制动控制器8构成转速测试系统，用于检测主轴转速、自动调节电磁制动转矩；制动盘3的右侧端面对称布置两个凸出块，其目的是：保持制动盘3的结构对称，提高主轴高速旋转的稳定性，同时可提高主轴转速测试精度。

对于提升设备，如电梯、建筑升降机、矿机提升机等，对设备的安全性要求很高，需提高电磁制动装置的工作可靠性，在提升设备突然断电时，电磁制动装置仍能可靠运行，对提升设备进行可靠制动，防止提升设备突然断电时发生坠落，造成人员伤亡，为此，本装置设计了备用电源。参照图1，备用电源由直流不间断电源10、备用电源自动投入装置11组成。直流不间断电源10采用蓄电池供电，正常工作时由专用交流电源对其充电，直流电源的可靠性较高；电磁制动装置正常工作时，备用电源自动投入装置11检测电磁制动装置交流侧电源线路的电压，当电磁制动装置交流侧线路电压突降，低于设定值时备用电源自动投入装置11接通直流不间断电源10，直接对直流电磁铁5供电，提供直流励磁电源，保证电磁制动装置对主轴进行可靠制动，确保主轴负载设备安全运行。

直流电磁铁5的励磁电源包括工作电源和备用电源。工作电源由脉宽调制(PWM)开关功率放大器6、二极管整流装置7组成，二极管整流装置7接工频交流电源；备用电源由直流不间断电源10、备用电源自动投入装置11组成，当交流电源线路的电压低于备用电源自动投入装置11设定的最低电压时，备用电源自动投入装置11接通直流不间断电源10，直接给直流电磁铁5的励磁线圈供电，使直流电磁铁5可靠工作，提高了电磁制动性能。

电磁制动装置设计为开放结构，电磁制动盘及电磁铁不需使用封闭外壳，外置于工作空间，有利于散热，使装置可适用于高速主轴设备，而传统制动装置需要外壳封闭，难以散热，无法用于高速主轴，仅使用单个电磁铁即可产生较大制动转矩，磁极数较少，减少了电磁损耗和温升；装置敞开式结构有利于散热，使电磁制动装置可用于高转速的主轴设备，扩大了装置应用范围；本设计方法优化了磁通回路，简化了电磁制动装置结构。

本装置主要由高导磁制动盘、直流电磁铁、整流电路和控制器组成。制动装置工作时，电磁铁产生直流磁场，直流磁场经电磁铁磁极穿过高导磁制动盘，经电磁铁的另一磁极及铁芯形成轴向磁通，此结构有效降低了电磁损耗；电磁制动装置仅使用一对磁极，其磁场与制动盘接触面较小；由于制动盘选用高导磁材料，较小的直流磁场即可在高导磁制动盘上产生较大电磁转矩，提高了制动性能；高导磁制动盘的电阻率较高，制动时大大减小制动盘产生的涡流及电磁损耗，有效降低了制动装置的温升；制动装置结构有利于散热，可使装置长时间连续运行，

本发明在旋转主轴上安装电阻率较大的高导磁圆盘，采用一对磁极的开放结构(磁极数较少)，制动时产生强磁场，形成轴向磁通，可产生较大的电磁制动力矩；磁场与制动盘接触面较小，大大降低电磁损耗及温升，制动装置结构有利于散热、温升较低，可用于高速主轴设备的制动。

本发明的安装方法是在电机1的旋转主轴2上套装高导磁制动盘3，主轴2穿过高导磁制动盘3，主轴的端部安装有联轴器4，通过联轴器4连接传动轴负载；电磁制动装置利用直流电磁铁5产生电磁场，高导磁制动盘3置于直流电磁铁5的两磁极之间，形成气隙磁场；当高导磁制动盘3随主轴旋转时，在直流气隙磁场作用下，高导磁制动盘3与直流电磁铁5的磁极12相对的两侧端面上产生电磁力，形成与主轴旋转方向相反的电磁转矩，可对主轴进行非接触制动。

励磁线圈13选用较细的漆包线绕制，线圈匝数可设计为数万匝；本装置有效降低了线圈损耗及温升，可使直流电磁铁5长时间连续运行，提高了电磁制动装置的可靠性，还可产生较大的磁动势和电磁转矩，改善了电磁制动性能。

Claims (8)

1.一种旋转主轴电磁制动装置，其特征在于，包括制动部分、励磁电源和测控部分，所述的制动部分包括设置在主轴(2)上的高导磁电磁制动盘(3)和直流电磁铁(5)，所述的主轴(2)上还连接有电机(1)和联轴器(4)，所述的制动盘(3)位于直流电磁铁(5)的两个磁极(12)之间，与直流电磁铁(5)并不接触，所述的联轴器(4)和电机的位置分别位于制动盘(3)的两侧；在所述的制动盘(3)位于联轴器一侧的端面上对称布置两个相同的圆柱磁体凸出块(3-1)；

所述的联轴器(4)用于和其他传动轴相连；

所述的磁极铁芯(12)设计为U型，选用薄矽钢片层压，一次冲压成型，层间涂覆绝缘介质；励磁线圈(13)选用较细的漆包线，在U型铁芯两侧柱上绕制，形成磁极。

2.根据权利要求1所述的旋转主轴电磁制动装置，其特征在于，所述的凸出块(3-1)与主轴( 2) 的距离和凸出块(3-1)与磁极的距离相等。

3.根据权利要求1所述的旋转主轴电磁制动装置，其特征在于，所述的励磁电源与直流电磁铁(5)以导线相连接，所述的励磁电源包括相互连接的脉宽调制开关功率放大器(6)和二极管整流装置(7)；所述的脉宽调制开关功率放大器(6)通过导线与直流电磁铁(5)连接。

4.根据权利要求3所述的旋转主轴电磁制动装置，其特征在于，所述的直流电磁铁主要由磁极铁芯(12)、励磁线圈(13)、电磁铁外壳(14)组成；所述的电磁铁外壳(14)的内的磁极铁芯(12)上设置有励磁线圈(13)，所述的励磁线圈(13)选用较细的漆包线制成，缠绕在U型铁芯两侧柱上，中间增加抽头引出端。

5.根据权利要求1所述的旋转主轴电磁制动装置，其特征在于，所述的测控部分由电磁制动控制器(8)、磁电式速度传感器(9)组成，电磁制动控制器(8)与PWM开关功率放大器(6)的控制回路连接，产生脉宽调制信号，控制开关功率放大器(6)的直流输出。

6.根据权利要求1所述的旋转主轴电磁制动装置，其特征在于，所述的电磁制动控制器(8)有两个输入端，一个输入端接测速传感器(9)，另一个输入端(a)接主轴转速设定量，电磁制动控制器(8)的输出端接PWM开关功率放大器(6)的控制端。

7.根据权利要求1所述的旋转主轴电磁制动装置，其特征在于，本装置还设有备用电源结构，装置还设置有备用电源结构，所述的备用电源结构包括备用电源自动投入装置(11)和直流不间断电源(10)，所述的备用电源自动投入装置的两端分别与交流电源端和直流电磁铁(5)连接，所述的直流不间断电源(10)与备用电源自动投入装置(11)连接。

8.根据权利要求1所述的旋转主轴电磁制动装置，其特征在于：所述电磁制动装置设计为开放结构，仅使用单个电磁铁即可产生较大制动转矩，磁极数较少，减少了电磁损耗和温升；装置结构有利于散热，使电磁制动装置可用于高转速的主轴设备，扩大了装置应用范围。