关闭刹车的新应用的扩散需要新的设计方法，利用领先的刹车制造商积累的设计经验。优化寿命、成本和性能设计的关键是尽早与制动器制造商合作。
通过布莱恩·马瑟•小仓工业公司
运动控制行业的机器设计师通过以下术语来识别关机制动:保持式制动、弹簧制动、故障安全制动、驻车制动、负驱动制动、永磁制动。
不管工程师喜欢怎么称呼它们，这些刹车的作用是相同的。大多数情况下，这些刹车通过管理运动控制，即通过停止、保持或紧急电子停止功能，作为安全装置。它们还提供精度或定位。
弹簧制动器可通过液压、气动、电动或手动驱动，这里我们将重点介绍电动驱动的电磁制动器。这是世界上最普遍的弹簧制动器，而且它们的市场正在迅速增长。
在各种应用中，弹簧电动制动器最常见的应用包括伺服电机、机器人、移动机器人、仓库自动化、车轮驱动、升降机、电梯、门和门、工业自动化、外科工具、夹持器、输送机、执行器、汽车自动化、电梯和自动扶梯。
现在我们将概述顶级设计参数和克服这些问题的方法。
一:关机制动力矩
当指定断电制动时，要回答的第一个问题是:轴需要多少扭矩?制动器的两种额定扭矩是静态扭矩和动态扭矩。在车轮驱动制动等应用中，通常只要求保持-一个与静态扭矩有关的功能。在这里，电机使车辆停下来，然后刹车工作。因此，静力矩是这里主要考虑的问题。
对于电动汽车或类似的应用，工程师还应该考虑车辆的最大重量，包括有效载荷(以及车辆可以停放的斜坡)。在斜坡上保持所需的扭矩要比在平地上保持所需的扭矩大得多。有时有规定或行业标准规定所需的能力，一个给定的制动以及。
另一方面，选择设备需要刹车来停止或e-stop。举个不受欢迎的例子，一辆电动汽车在快速下山时电源中断。在这里，刹车需要适当的扭矩额定值，以使车辆在一定的时间或距离内停止。
请记住，对于特定的制动器，动态停止(通常是紧急停止)的能力远比静态扭矩额定值所暗示的要温和。这种动态停止能力高度依赖于接合速度、散热能力和制动器工作表面使用的材料。转速越高，最大耗能能力越低。对于涉及偶尔动态停止的应用程序，请与制动器制造商进行检查和讨论:
- 应用的条件
- 电子止动或的允许啮合能
- 在产品的生命周期内允许的总接触能量。
降低制动扭矩要求的最佳方法之一是将制动安装在轴的动力传输组件的高速一侧。一个常见的地方安装刹车是在电机的后端。(有些设计允许安装在前端，但安装在后端更常见。)将刹车安装在“下游”低速侧——意味着在变速箱或传动系统的其他减速装置之后——将按比例增加扭矩需求……这就需要一个更大、更昂贵的刹车。相比之下，保持刹车在变速箱的“上游”意味着有效载荷和反馈到刹车的传动系统惯性会减少。
二:下电制动电压
设计的电力系统可提供什么电压?大多数工业应用的最常用电压历史上一直是24 Vdc。对于许多发动机驱动的应用，车载12v电池可以为刹车提供动力，或者发动机也可以提供动力。航空航天应用经常使用28v电源。对于动力移动设备，48v是一个选择。对于较大的制动器，通常使用72 V或90 V，因为P = V·I -，在较高电压下需要更高的功率，从而允许较低的电流。
传统的工厂设备仍然使用交流制动，但趋势是采用直流动力制动。
当为一个新的应用选择一个制动器时，考虑设计的电源，并与制动器供应商合作，以获得该电压的制动线圈。
三:断电制动速度
速度问题与转矩问题类似。这取决于是交战速度还是卸货速度。保持制动设计是为了在0转/分的啮合，所以唯一要考虑的速度是卸载速度。在这方面，刹车速率为最大允许速度。因为气隙很小，部件也没有精确地平衡，所以在速度超过公布的额定速度时，可能会发生无意的碰撞。设备振动等外界参数也会起到一定的作用。因此，重要的是与你的刹车供应商协商，并修改内部设计，以适应更高的速度，如果需要。
对于动态啮合，速度对制动器的寿命变得极其关键。在动态啮合过程中，制动器吸收一定程度的啮合能量。这些能量转化为热量和磨损。能量是速度的平方乘以旋转物体反射的惯量的乘积。对于快速旋转和大惯性，能量和磨损更大。
保持制动通常经得起紧急停车(e-stop)。根据制造商的设计，电子止动器中可能存在最大允许的啮合能量，以防止过热或有害磨损。E-stop周期应受到设计的限制，并在选择过程中考虑，以确保制动器将持续所需的寿命。
四:断电制动尺寸
断电制动的尺寸范围很广。最小的直径为10毫米或更小，主要用于微型电机。升降机或电梯上最大的电磁弹簧制动器是相当大的。最新的趋势是超薄刹车。最薄的刹车在1 / 2英寸的范围内。或12毫米。这在很大程度上是机器人技术繁荣和电动轮驱动市场增长的结果。对于机器人来说，机器人关节上的薄刹车允许更小的组装，更低的惯性和更大的系统吞吐量。对于轮式驱动，两个电机通常内联安装，轴向空间非常有限。通常，超薄的刹车安装在煎饼式驱动电机上。 Specialized brake bodies can even serve as the end bell of the motor to save still more space.
尺寸和扭矩之间的关系是由物理定律定义的。然而，多年来，动力控制已经变得更加复杂和商业实用。此外，与多年前的设计相比，它可以在更小的封装中获得更多的扭矩。选定的制动器现在使用过激励来克服弹簧力来脱离制动器。在快速脱离后，制动器的电感(磁强度)增加，所需的功率减少，同时保持制动器在那个脱离状态。这也有助于减少热量和电能的消耗。
五:断电制动磨损
制动磨损是动态啮合的结果。动态啮合能与摩擦表面磨损有直接关系。设计寿命是基于这个磨损率，结合所需的循环次数。
制动装置的材料只适用于静态接触。它们有很高的摩擦系数，所以它们在较小的尺寸下提供更高的扭矩，但缺点是它们无法承受重复的动态啮合。
为动态停止而设计的制动器的摩擦材料是相当耐用的，重要的是要区分停止应用和仅保持应用，以确定所需寿命的适当制动器的选择。
六:断电制动温度
高温是离合器或刹车最大的敌人。动态接触产生热量。流过制动线圈的电流产生热量。当温度升高时，线圈的电阻增加，电流下降，电压恒定。V =我×R。因此，当磨损增加内部气隙和温度增加线圈电阻时，由于电流相对较低，制动器更难脱离。在寒冷的温度下，制动线圈电阻降低，制动更容易啮合，禁止冰或其他热收缩问题不构成问题。在指定制动器时，重要的是要结合环境和占空比考虑极端温度。
占空比很重要。首先，如果有动态啮合，寿命将取决于循环的数量。参见以前关于磨损的评论。其次，高占空比导致热量增加。通过流经制动线圈的电流产生热量。它产生于动态啮合时，当两个表面接触，并经历瞬间滑移，当负载减缓或停止。重要的是与您的制动器供应商审查占空比，以确保最高温度限制不被超过，并且制动器部件可以设计为所需的产品寿命。
七:功耗和热量
用弹簧制动降低功耗和减少热量积累的一种方法是使用脉冲宽度调制或PWM。当制动器被投入(在它的电源关闭状态)有一个气隙之间的线圈体和压板。当应用电流到制动线圈，它产生电磁通量旅行通过气隙，然后拉压板对线圈体。这就压缩了为制动力矩提供法向力的弹簧。然后刹车就可以自由旋转了。
最初，全功率释放刹车。一旦刹车脱离，气隙不再存在之间的压力板和线圈体。这意味着电感改变了。磁性强。由于这个原因，它现在需要更少的动力来保持制动脱离。
PWM可以大幅降低平均功率(电压)，而制动仍保持在脱离状态- 50%作为经验规则。(当然，每台机器都是不同的。)这使刹车保持凉爽，并降低功耗，后者尤其有助于电池供电的设备。
另一种具有类似结果的方法是使用过激励来解除制动。为此设计的刹车，更小的弹簧应用刹车可以提供更多的扭矩。例如，24V电源12V制动线圈短暂的时期，而制动脱离。一旦脱离完成，电压下降到12v。这不仅可以节省电力和更低的热量，而且还允许更轻的重量和更低的惯性设计。
八:断电制动响应时间
在机器人和医疗应用中，响应时间通常对定位和精度很重要。这与制动接合和脱离时间都有关。对于快速制动接合是关键的应用，a齐纳二极管有助于加速刹车接合。当动力从制动线圈被移除，它自然需要一段时间的通量衰减。通过使用齐纳二极管电路，它可以更快地收缩电磁场，从而帮助弹簧与制动器接合。前面提到过的过激励是一种提高制动释放响应时间的控制方法。
九:刹车断电环境
在过去，大多数室内工业应用很少暴露在恶劣的环境中。今天，更多的应用程序暴露在极端温度、污染物和高相对湿度下。这部分是由于自动化水平的提高，部分是由于电池驱动设备市场的增长。多年来，高尔夫球车上的电动轮驱动，甚至客运电梯刹车都使用橡胶圈来覆盖弹簧刹车上暴露的摩擦材料。这被证明是一种有效的方法。其他方法包括完全封闭制动器，这可能会增加显著的成本。另一种保护制动器摩擦区域的方法是延伸线圈体以配合电机端铃。在这种情况下，槽和o形圈进一步提高了密封性。保护刹车不受环境影响的一个简单的方法是在整个刹车上加一个盖子。这将螺栓到电机或适配器板。
应该在设计过程的早期考虑极端温度。如果相对湿度高，设备发现自己在冰点温度，关键是防止水分进入制动器的摩擦区域。潮湿的表面可以降低扭矩额定值，因为较低的摩擦系数。此外，有露珠的表面可能会结冰，造成问题。
极热的环境也是一个挑战。高温是一个问题，因为温度较高增加线圈电阻，使电磁通量更难通过制动器的气隙。更糟糕的是，制动磨损后气隙增加。随着时间的推移，更高的温度也会降低电线绝缘，减少有用的制动寿命。因此，在为新应用定型和选择刹车片时，必须考虑最高工作温度、占空比和产品寿命。
10:断电制动回隙
在构建高循环应用程序(如机器人)或精密应用程序(如医疗设备或半导体制造)时，反弹(初始和寿命结束时的反弹)是一个特别重要的设计考虑因素。通常，设计质量取决于这个级别的制动回隙。
有特定的设计元素可以产生有限或接近零的反弹。还有制动器的内部特性(与材料、接触区域、公差等有关)有助于保留有限的回隙或不必要的磨损或扩大回隙条件。
如果低回隙是一个关键的设计元素，那么机器制造商最好与刹车专家合作，设计一个适合应用需求的设计。
十一:断电制动手动释放
有时在服务间隔、停机或电源中断期间，需要手动释放刹车。在弹簧制动中，这种驱动是通过电力实现的，但也可以通过机械来实现。较小的刹车可能不需要手动释放，因为它很容易滑倒刹车。高比变速箱可能使这更困难，尽管。对于较大的制动器和较高的扭矩额定值，最简单的方法是在制动器中包括螺纹手动释放孔。释放螺栓手动推动压力板对线圈体释放制动器。
如果需要，手动释放杠杆是可用的，市场上有无数的设计。这些杠杆可以连接到拉索上，这样操作人员就可以在不靠近刹车的情况下释放刹车。压力板的驱动距离相当小，是基于制动器的内部气隙。最后，手动发布通常是意外发生的，最简单的方法往往是最好的方法。
12:断电制动成本
本文的重点是电磁弹簧应用断电刹车。然而，也有电磁永磁制动器。到目前为止，弹簧制动是世界上最受欢迎的选择——因此，更多的制造商生产了更多的量，而且成本更低。相比之下，永磁制动器相对昂贵，但在某些应用中具有优势。它们的扭矩非常密集，所以有时为给定的组件尺寸提供更多的扭矩。永磁制动器也擅长于需要控制停止或软停止的应用。这是因为输入功率控制制动扭矩。
另一方面，弹簧制动要么开要么关，而且啮合时间非常快。
当考虑一个新的应用制动，这是明智的联系制造商的帮助，使制动选择最好的平衡成本，性能，和寿命目标。在设计过程中与制造商早期接触的另一个好处是，有可能获得已发布的目录模型之外的制动器设计。只从目录中选择制动器的工程师可能会错过指定更好替代品的机会。
小仓工业株式会社|ogura-clutch.com
了下:运动控制技巧
