楊忠良 劉哲民

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.天津市西青區(qū)華興電機(jī)制造有限公司，天津 300380）

在自動(dòng)扶梯中制動(dòng)器是其重要的組成部件，而制動(dòng)器中電磁鐵是主要的部件。自動(dòng)扶梯制動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動(dòng)扶梯制動(dòng)器基本結(jié)構(gòu)

其工作原理為，自動(dòng)扶梯起動(dòng)時(shí)電磁鐵得電，此時(shí)電磁鐵的推力大于彈簧的壓力，即FE＞FM。電磁鐵閉合頂開(kāi)制動(dòng)臂脫離輪轂。自動(dòng)扶梯關(guān)閉時(shí)電磁鐵失電，電磁力為零，彈簧壓制動(dòng)臂鎖緊輪轂。由于自動(dòng)扶梯在無(wú)故障情況下每天僅起動(dòng)關(guān)閉一次，電磁鐵長(zhǎng)時(shí)間處于得電情況下，并且在此狀態(tài)下電磁鐵的氣隙近似為0，這時(shí)電磁鐵的磁阻很小，但電磁鐵的設(shè)計(jì)需按起動(dòng)時(shí)氣隙最大時(shí)計(jì)算，這樣在電磁鐵運(yùn)行過(guò)程中如果按起動(dòng)狀態(tài)供電，發(fā)熱量大，電磁鐵體積一般設(shè)計(jì)較大，造成原材料和能源的浪費(fèi)。

為解決這個(gè)問(wèn)題，相關(guān)科技人員做了大量工作。在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)外的一些產(chǎn)品主要采用并聯(lián)強(qiáng)勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)和無(wú)觸點(diǎn)電子調(diào)壓電流反饋控制技術(shù)及PLC或單片機(jī)等智能控制系統(tǒng)的控制技術(shù)[1]。在電磁鐵的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)方面，主要是通過(guò)電磁場(chǎng)分析對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[2-4]。這些方法主要是通過(guò)電力電子技術(shù)來(lái)控制電磁鐵輸入電壓或輸入電流從而使電磁鐵在閉合狀態(tài)時(shí)發(fā)熱量減少及通過(guò)結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)的分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)從而使電磁鐵的溫升及磁力滿足要求并且節(jié)約電能。

1 混合勵(lì)磁電磁鐵的結(jié)構(gòu)、原理

本文分析的混合勵(lì)磁電磁鐵主要為在銜鐵中增加與磁通方向一致的永磁體，并且在磁路中還保持原有的一部分磁路，使永磁磁路與電勵(lì)磁磁路并聯(lián)[5]。其原理為由永磁體提供電磁力 Fmagnet，勵(lì)磁線圈提供電磁力 Fcoil，這個(gè)兩個(gè)力之和大于彈簧的壓力，即 Fcoil+Fmagnet＞FM，并且永磁體產(chǎn)生的力和勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的力都小于彈簧壓力，即 Fcoil＜FM，F(xiàn)magnet＜FM。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該電磁鐵在未通電時(shí)，端部氣隙最大，永磁體本身產(chǎn)生的磁通在很大部分不通過(guò)端部氣隙，沿銜鐵本身閉合，磁力很小，此時(shí)彈簧的壓力遠(yuǎn)大于電磁鐵的磁力，銜鐵不動(dòng)作，如圖3所示。

圖2 混合勵(lì)磁電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 未通電狀態(tài)磁力線分布

在通電保持情況下，端部氣隙接近 0，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體產(chǎn)生的磁通經(jīng)過(guò)端部氣隙循環(huán)如圖4所示。這時(shí)主要依靠永磁體產(chǎn)生的磁力，線圈產(chǎn)生電磁力可以很小，即需要很小的電流，從而降低電磁鐵的發(fā)熱。

圖4 通電保持狀態(tài)磁力線分布

在電磁鐵的勵(lì)磁線圈斷電后，僅銜鐵中的永磁體的磁勢(shì)在氣隙處產(chǎn)生磁力，但設(shè)計(jì)上使此磁力小于彈簧的壓力，即Fmagnet＜FM，銜鐵動(dòng)作，電磁鐵打開(kāi)。

同電勵(lì)磁電磁鐵相比，混合勵(lì)磁電磁鐵勵(lì)磁線圈中的電流可以減小，有效的降低了電功率，發(fā)熱量減少，適合用自動(dòng)扶梯等環(huán)境中使用。

2 混合勵(lì)磁電磁鐵的設(shè)計(jì)與分析

2.1 設(shè)計(jì)要求（見(jiàn)表1和表2）

表1 混合勵(lì)磁電磁鐵樣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 混合勵(lì)磁電磁鐵的設(shè)計(jì)方案

2.2 電磁場(chǎng)分析結(jié)果

混合勵(lì)磁電磁鐵的磁路復(fù)雜，為對(duì)磁路進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)，需要對(duì)其電磁場(chǎng)分析。圖5所示為當(dāng)電磁鐵處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)即氣隙最大時(shí)磁通密度在電磁鐵內(nèi)部的分布情況。圖6所示為當(dāng)電磁鐵處于閉合狀態(tài)時(shí)即氣隙最小時(shí)磁場(chǎng)在電磁鐵內(nèi)部的分布情況。

圖5 電磁鐵打開(kāi)狀態(tài)磁場(chǎng)圖

圖6 電磁鐵閉合狀態(tài)磁場(chǎng)圖

2.3 測(cè)試結(jié)果

圖7和表3為常規(guī)電勵(lì)磁電磁鐵的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。圖8和表4為混合勵(lì)磁電磁鐵的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖7 常規(guī)電勵(lì)磁電磁鐵力特性曲線

圖8 混合勵(lì)磁電磁鐵力特性曲線

表3 常規(guī)電勵(lì)磁電磁鐵溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 混合勵(lì)磁電磁鐵溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由測(cè)試結(jié)果可以看出，混合勵(lì)磁電磁鐵在保持狀態(tài)主要依靠永磁體勵(lì)磁，需要的勵(lì)磁電流很小，減小了電磁鐵的發(fā)熱損耗，可以顯著降低電磁鐵的溫升，進(jìn)一步在溫升允許情況下，電磁鐵體積可以減小以減低材料消耗。

3 結(jié)論

采用并聯(lián)永磁體磁路，混合勵(lì)磁電磁鐵提高了電磁鐵的效率，降低電磁鐵的發(fā)熱和溫升，適合于自動(dòng)扶梯制動(dòng)器等工業(yè)領(lǐng)域。

[1]吳泰龍.國(guó)外電磁制動(dòng)器的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].電氣應(yīng)用,1988(7): 41-42.

[2]錢(qián)秀英,倪光正.螺管式電磁鐵吸力特性的數(shù)值分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),1983,17(2):61-71.

[3]計(jì)生君.新型盆口式電磁鐵吸力的分析計(jì)算[J].鐵道學(xué)報(bào),1982(4):24-33.

[4]Miroslav Markovic,Marcel Jufer,,Yves Perriard.Analytical Force Determination in an Electromagnetic Actuator[J].IEEE Transactions On Magnetics,2008,9(44):2181-2185.

[5]夏天偉,曹云東,孫鵬,來(lái)常學(xué).稀土永磁在起重電磁鐵中的應(yīng)用[J].電氣開(kāi)關(guān),1994(4):14-20.