李孝坤 董 芳 許寶玉

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術學院 機車車輛學院，河南鄭州 450000；2.鄭州鐵路職業(yè)技術學院 繼續(xù)教育學院，河南鄭州 450000；3.河南理工大學 直驅電梯產業(yè)技術研究院，河南焦作 454000)

1 引 言

常閉式電磁制動器具有制動力大、響應快、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，廣泛應用在提升系統、工業(yè)自動化等領域[1]。張尊睦等人通過改變制動器啟、停時勵磁線圈的電壓來降低高耗能的缺點[2]，但并未對其結構進行設計；寇寶泉等人提出了一種新型串聯磁路混合勵磁直線渦流制動器結構方案[3]，推導出了其解析模型；郭俊豪等人設計的隨動直線式制動器[4]適用于直驅電梯制動系統，并對制動器的驅動結構進行了優(yōu)化；張振川[5]等人設計的可快速分閘、具有混合勵磁結構的新型電磁制動器，減小了響應時間。結合以上新型電磁制動器的設計理念，以降低能耗及實現制動器輕量化為設計目標，將永磁體引入到常閉式電磁制動器驅動結構中，利用電磁與永磁磁通量相互耦合的原理，設計出了磁路合理、大推力密度的新型電磁驅動結構。

2 新型電磁驅動結構工作原理

圖1 電磁驅動結構簡圖Fig.1 The structural diagram of electromagnetic drive mechanism

新型電磁驅動結構簡圖如圖1所示。釹鐵硼永磁體鑲嵌在鐵心之間，極性如圖1中所示；左、右動子通過動子連接板集成一體，相對定子部分(鐵心、永磁體及線圈組成)可實現左右往復運動，右動子與制動彈簧相接，左動子外接制動臂，線圈1與線圈2并列纏繞在鐵心上且兩線圈反向串接。制動器處于制動狀態(tài)時電磁驅動結構中左動子與定子間的氣隙為9mm(右動子與定子間的氣隙為1mm)，永磁體對右動子的吸力與彈簧的回復力兩者的合力通過動子連接板施加到左動子上，施力載體左動子將制動力作用到制動臂上。

制動解除時電磁驅動結構中磁通量分布如圖2所示，永磁體的磁通φ5抑制兩串接線圈的磁通φ0，避免在定子內部形成閉合磁回路，使磁通量φ0盡可能多的穿過左動子(磁通量φ6可忽略)，耦合后的磁通量對其產生較大磁吸力，左動子在吸力的作用下推動右動子壓縮彈簧克服其提供的制動力；而處于打開維持狀態(tài)時(左動子與定子間氣隙為1mm)，由較小電流勵磁出的磁通量φ01和永磁體磁通疊加后對左動子的吸力即可克服彈簧的回復力。

圖2 電磁驅動結構磁通量分布圖Fig.2 The magnetic flux distribution diagram of electromagnetic drive mechanism

3 新型電磁驅動結構技術參數的確定

參照鐵磁材料磁化曲線及釹鐵硼最大磁能BH=314kJ/m3，結合永磁體工作在最佳磁能積點時磁能(Fm=Hchm/2)，初步確定電磁驅動結構中永磁體尺寸為80mm×100mm×18mm。

稀土永磁材料(釹鐵硼)熱穩(wěn)定性較差，溫度過高磁能積降低，磁性能將發(fā)生不可逆變化[6-10]；電磁驅動結構中通電線圈通過熱輻射對永磁體磁穩(wěn)定性產生一定影響，故線圈最大溫升值須控制在退磁溫度以下。

兩線圈并列纏繞在鐵芯上，匝數可由式(1)確定

(1)

式中：SAn——線圈槽面積；I——解除制動時通入勵磁線圈的電流；Kf——槽滿率(0.6～0.85)；jrx為容許電流密度(短時工作制，jrx=(13～30)A/mm2)。

其中，取

Kf=0.65，jrx=23A/mm2，I=38A，SAn=460mm2

計算可得

單根銅導線直徑為

(2)

式中：qdx——單根導線截面積。

參照圓截面電磁線線徑及其絕緣層的厚度標準，取導線直徑ddx=1.45mm，相應絕緣層的厚度為0.04mm。

電磁驅動結構通入2A維持電流，線圈理論溫升值參照電磁鐵發(fā)熱公式確定

(3)

式中：ρx——導線電阻系數，ρx=0.0219Ω·mm2/m(80℃)；p——接通時間百分比，p=HB%=1；μm——線圈散熱系數(μm=(9.5～12.7)W/m2·℃)；fk——填充系數；bxq——線圈寬度(bxq=12mm)；l——線圈長度；IN——線圈安匝數(IN=360安匝)；

其中，fk，l理論值可由式(4)確定

(4)

式中：k——經驗系數，取k=0.83；d1——漆包線直徑(d1=1.49mm)；Qd——導線總截面積，mm2；Qx——線圈橫截面積，mm2。

影響線圈溫升值的各參量確定后，θ的理論計算值為14.2℃，在散熱條件良好的情況下，線圈表面溫度熱傳遞較快，可認為線圈散發(fā)的熱量基本正比于線圈的溫升，永磁體磁性能穩(wěn)定，電磁驅動結構工作穩(wěn)定。

基于理論計算確定電磁驅動結構的主要技術參數見表1。

表1 勵磁線圈基本參數Tab.1 The basic parameters of excitation coil參數數值N/匝180I/A38I0/A2ddx/mm1.45SAn/mm2460θ/℃14.2

4 新型電磁驅動結構靜態(tài)特性分析

4.1 電磁驅動結構模型及磁通量

賦予電磁驅動結構各部件相關材料，經拉伸形成三維實體模型，為防止空氣對磁場造成影響以確保有限元分析結果的準確性，在驅動結構周圍建立了空氣包。采用四面體單元離散模型，氣隙處的剖分精度相對較高，處理后的有限元模型如圖3所示。

圖3 電磁驅動結構有限元模型Fig.3 The finite element model of electromagnetic drive mechanism

勵磁線圈在兩不同值電流(38A，2A)激勵下，電磁驅動結構內部磁通量分布如圖4所示。

圖4 電磁驅動結構磁通量分布矢量圖Fig.4 The magnetic flux distribution vector chart of electromagnetic drive mechanism

由圖4可見，電磁驅動結構在38A電流激勵下，永磁體磁通與線圈勵磁出的磁通相互耦合，疊加后的磁通量經過左動子并對其產生3 541N吸力，磁路中飽和磁感應強度低于2.158T，材料導磁率高；線圈通入2A直流電勵磁出的磁通量與永磁體磁通量耦合后在磁路中分布更合理且飽和磁感應強度降低。

4.2 電磁驅動結構靜態(tài)特性分析

永磁體的引入增加了電磁驅動結構的推力密度，在同等條件下，為使引入的永磁體更合理，以電磁驅動結構對動子產生的吸力為評價指標，重點分析永磁體形狀對磁路的影響。與L形永磁體等永磁量的T、反T形兩種結構如圖5所示，勵磁線圈在2A電流激勵下的磁通量分布。

圖5 T型永磁體電磁驅動結構磁通量矢量圖Fig.5 The magnetic flux vector of electromagnetic drive mechanism with T permanent magnets

由圖5可看出，兩相似形狀的永磁體產生的磁通均與線圈勵磁出的磁通較好的耦合，但反T型電磁驅動結構磁路中飽和磁感應強度高于L、T型，相較導磁率降低。以工作維持電流I(A)為橫坐標，電磁吸力F(N)為縱坐標，繪制驅動結構對左動子的電磁吸力曲線，如圖6所示。

從圖6可知，電磁驅動結構對左動子的吸力隨工作電流的增加而變大，含L形永磁體的電磁驅動結構對左動子的吸力大于T形及反T形，而含反T形永磁體的電磁驅動結構產生的電磁吸力最小，僅為含L型永磁體的0.94倍(4 790N)。與傳統電磁驅動結構相比線圈體積縮減1/2使電流大幅度減小，降低了能耗。

圖6 電磁吸力隨電流變化曲線圖Fig.6 The change curves of electromagnetic force accompanied with current

永磁量的增加理論上應能夠提供更大的電磁力，與L形永磁體相比，U形、H形、反對成形、反U形永磁體較之永磁材料有所增加，將增加材料后的永磁體替換L形永磁體，勵磁線圈通入維持電流后，電磁驅動結構磁通量矢量圖如圖7所示。

圖7 不同型式的電磁驅動結構磁通量矢量圖Fig.7 The magnetic flux vector of electromagnetic drive mechanism with different shapes permanent magnets

由磁通量矢量圖7可看出，電磁驅動結構產生的絕大部分磁通量均能在定子與左動子間形成封閉磁回路，有少量磁通經過右動子，且磁路中最大磁感應強度均小于材料飽和磁感應強度。從磁路中最大磁感應強度角度分析，含反U形永磁體的電磁驅動結構最小，材料的導磁效率最高，含U形永磁體的驅動結構次之，含反對稱形永磁體的結構略低于U型，相比，含H形永磁體的驅動結構磁感應強度最大，材料的導磁率最低，由其構成的電磁制動器在性能上最差;而對左動子的電磁吸力曲線如圖8所示。

圖8 不同型式的電磁驅動部電磁吸力隨電流變化曲線圖Fig.8 The change curves of electromagnetic force accompanied with current

由圖8可以看出，含L形永磁體的電磁驅動結構對左動子產生的電磁吸力高于U、H、反U、反對稱形；含U、反對稱、反U形永磁體的驅動結構產生的吸力相差不大，相比含H形永磁體的驅動結構產生的電磁吸力最小。

關于永磁體的結構形式對電磁力的影響已做了探討分析，并且得出了相對較理想的永磁體形狀，除此之外，勵磁線圈電流、動定子間氣隙等因素對電磁力也有所影響；以電磁制動器解除制動至通電維持狀態(tài)為研究對象，分析變電流、變氣隙工況下左、右動子所受電磁吸力變化情況，基于非線性擬合獲得電磁吸力三維曲線圖，如圖9所示，其中X軸數值表示勵磁線圈電流I(A)的大小，Y軸數值表示位移S(mm)量，Z軸數值表示電磁吸力F(N)的大小。

由圖9可以看出，電磁驅動結構對左動子的電磁吸力隨勵磁電流的變大及位移的減小而增加，相反，電磁吸力減??；左動子在小位移大電流工況下電磁吸力增幅較大，而右動子處于相同狀態(tài)時其所受電磁吸力增幅趨于零，總體上來看，左動子受到的電磁吸力增幅較右動子平緩，右動力所受電磁力衰減幅度較大。

圖9 隨氣隙、電流變化的靜態(tài)電磁吸力示意圖Fig.9 Static electromagnetic force that varies with the current and air

5 結束語

本文將永磁體引入到電磁制動器驅動結構中提出了一種新型電永磁驅動結構。采用有限元法分析了其內部磁通量的變化，電磁與永磁的磁通量耦合程度高且磁路較合理。通過對比分析不同形狀的永磁體對電磁吸力的影響，得出含L形永磁體的電磁驅動結構產生的電磁吸力最大，磁路中最大磁感應強度值較小，材料導磁率高。變氣隙、變電流工況下動子所受電磁吸力增長率低，避免了振動、沖擊，保證了系統的穩(wěn)定性。此外，永磁體的存在降低了線圈能耗，且新型電磁驅動結構的設計思路對大推力密度、輕量化的制動器及作動器設計研發(fā)具有一定的參考價值。