开发新的磁性制动器

通过Jim M. Bogdanowicz/高级系统工程师
曼弗雷德·g·迈克尔逊/总统
米arkus G. Michelson/副总裁
磁制动系统，技术薄膜系统公司的一个部门。

由于磁滞制动器存在的一些缺陷，我们设计了一种新型的磁滞制动器。

无接触磁性制动器是理想的应用要求精确的重复性，无磨损的时间，和零灰尘排放。商业上最常见的无接触制动器是滞后制动器。然而，对于我们的胶片运输设备，我们已经与滞后制动器的缺点斗争了三十多年。因此，我们成立了TFS的一个新的部门，称为磁刹车系统(MBS)，并开发了一种新的磁刹车，没有滞后刹车的缺点。这个磁制动器是一个磁滞制动器和一个涡流制动器的组合，图1。

图1：典型磁性制动系统的3-D视图磁性制动器

我们发现滞后制动器的五个缺点是:

他们已经滞后。当滞回制动器的输入电流增加一定量时，制动器的输出转矩就会增加;但当输入电流减小相同幅度时，转矩不会减小相同幅度，如图2所示。
扭矩输出与输入电流不是线性的，如图2所示。
所有传统的迟滞制动器都有齿槽。如果电流加到刹车上，刹车完全停止，然后电流断开，刹车就会有一定的残余磁性。当制动器转子从一极旋转到另一极时，剩余磁性表现为转矩脉冲。这个剩余扭矩可能高达25%的制动器最大扭矩。
传统的迟滞式制动器的扭矩输出与速度并不是独立的，尽管这种说法经常不正确。传统滞回制动器的输出转矩随转子转速的增大而增大，是涡流制动的结果。
与新设计的磁性制动器相比，传统的滞后制动器具有相对低的功耗。
以上这些缺点在MBS磁刹车系统中几乎都被消除了。

消除滞后和非线性
采用嵌入式微控制器消除了磁滞和非线性。用MBS 20型测力计测量了制动器的转矩电流特性。该测力计由一个变速电机、一个转矩臂和一个测力元件组成。

一个PC控制速度和磁制动电流。PC通过所有可能的扭矩和速度范围运行制动器，增加和减少电流约1%的增量。结果是，多达100,000电流扭矩点被测量，然后存储在嵌入式微控制器的各种速度，以最高允许的速度为特定的制动器。

当需要发送预定扭矩时，微控制器在其存储器中插值以确定电流将产生所需的扭矩。微控制器连续感测输入信号是否增加或减小，因此能够在图表上挑选正确的点（图2）。图3示出了作为增加输入信号的函数的扭矩输出的实际测量和降低输入信号。

图2：没有计算机校正的典型制动性能。

图3：示波器记录，显示出增加和降低信号的扭矩输出。图的锯齿外观是由于输入信号的量化。

消除齿槽效果
在迟滞制动器中遇到的齿槽效应或剩磁通常是不用于特定应用的主要缺点和原因。市场上有多种迟滞制动器，消除齿槽效应，但没有一种似乎消除齿槽没有任何运动的拖环。

主要基于经验工作和试验和错误，我们能够提出一个设计，通过应用衰减正弦波制动线圈消除剩磁。衰减正弦波的前几个周期往往会导致阻力环旋转少量。这种轻微的运动导致消磁减弱。因此，拖环通过安装在簧片上的音圈磁铁锁定到位置。这种设计消除了所有滑动移动部件。整个退磁过程不到500毫秒。剩余的磁齿槽扭矩与滚珠轴承摩擦的顺序相同。

利用涡流效应
当材料通过磁场时，在磁性材料中以磁性材料产生涡流。由于能量在热量方面消散，因此可以使用涡流除了滞后制动之外引起制动。涡流制动器的特性是制动扭矩与速度成比例，零速度为零。当制动器需要用于恒定的扭矩目的时，这可能导致潜在的问题，但是当一个人需要以更高的速度具有额外的制动时是一种资产。由于嵌入式微控制器已经用作消除齿槽，滞后和非线性的界面，因此在制动器的适用速度范围内的角速度校正扭矩是简单的。

为了测量磁性制动器的角速度，一个或几个小磁体安装在叶轮的周边上。霍尔效应传感器检测由磁铁产生的脉冲之间的时间间隔。对于微控制器来说是一种微控制器，然后计算制动的角速度并校正扭矩，使得它与制动器的允许速度范围内的速度无关。

增加功率损耗
在磁制动器的功率耗散方面有两个有趣的领域;暂态和稳态功耗。

由制动器耗散的制动能量在拖环中全部转化为热量。热的产生既有滞后效应，也有涡流效应。应该记住，在零速度下涡流效应为零。涡流效应随阻力环厚度(阻力环外径与内径之差除以2)的增大而增大;MBS磁刹车具有比大多数商业可用的磁刹车厚得多的拖环。

瞬时的，或短期的散热，很大程度上是一个函数的热惯性的拖环。在许多应用中，例如减速一个3英尺直径的胶卷卷快速停止，非常短期的高能耗散是必不可少的。以MB-5.50型磁制动系统为例，4.56英寸。拖拽环直径可耗散4700 W，或约6 hp，持续10秒，如图4所示。

图4:8000转/分时各种制动扭矩允许的最大次数。

稳态或连续状态下，功率耗散主要由图1所示的叶轮和通风孔辅助。叶轮，或离心鼓风机，在通气孔相对于环境压力产生一个轻微的负压。这种负压迫使气流通过通风孔。叶轮产生的压力随叶轮角速度的平方而变化。幸运的是，这种现象对我们有利。应该记住，功率是扭矩和角速度的乘积。因此，当制动器以非常低的速度运行时，基本上不会产生热量;在最大速度下，功率最大，气流也最大。

为了从制动器获得最大的功率耗散，它应该通过齿轮或皮带，以最大允许的速度运行。

一旦系统中有了微控制器…
有许多工业应用，其中薄膜，电线或布料的物品从供应辊展开，并且辊的半径变小，因为元件展开。磁性制动器在保持恒定的扭矩下很大，但是随着可变半径卷保持恒定张力且何时何地呢？

展开张力是制动扭矩和半径的函数。通过从系统中的第二辊中感测到具有恒定半径的第二滚子的时序脉冲来测量半径的变化。张力现在是来自来自变量半径辊的固定半径滚动的脉冲之间的时间与脉冲之间的时间的比率。如上所述，微处理器调节制动信号以获得恒定的张力。

同样，卷绕辊上的张力也可以测量和调整。

在工程交流中讨论: