陳藝峰， 邱華超， 黃 惠， 杜 恒

(1.福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建泉州 362000；2.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108)

引言

曳引型電梯是目前高層建筑應(yīng)用最為廣泛的電梯形式，利用對(duì)重原理調(diào)節(jié)曳引輪上鋼絲繩兩端電梯廂和配重來(lái)平衡轎廂重量，通過(guò)控制兩者重量差實(shí)現(xiàn)電梯的升降。升降過(guò)程中的懸停制動(dòng)主要依靠接觸摩擦式電磁抱閘式制動(dòng)器，該制動(dòng)器利用摩擦墊片剛性摩擦進(jìn)行制動(dòng)。然而，曳引電梯制動(dòng)裝置還存在設(shè)備振動(dòng)沖擊大、耗能大、磨損大和安全保護(hù)不足等缺點(diǎn)，同時(shí)帶來(lái)噪聲擾民、失效、沖頂?shù)蕊L(fēng)險(xiǎn)。因此，為進(jìn)一步提高電梯的舒適性和安全性，研究具有磨損小、噪聲低和能耗少的電梯制動(dòng)裝置具有重要意義。

智能材料的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了更多的途徑，其中，基于磁流變效應(yīng)開(kāi)發(fā)的制動(dòng)器是研究的熱點(diǎn)。磁流變液(MRF)是一種半主動(dòng)智能可控材料，由可磁化的磁性顆粒分散溶于絕緣基礎(chǔ)液中形成懸浮液[1]。當(dāng)磁流變液受到外部磁場(chǎng)的作用時(shí)，其剪切屈服應(yīng)力會(huì)在毫秒級(jí)內(nèi)呈數(shù)量級(jí)變化，且這一過(guò)程可逆，即當(dāng)去掉外加磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液又在幾毫秒內(nèi)恢復(fù)成液體?？梢?jiàn)，磁流變液具有剪切屈服應(yīng)力大且具有可逆和可控性的特點(diǎn)，同時(shí)其工作溫度范圍廣，熱穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，符合工程應(yīng)用的要求而受到廣泛關(guān)注。以磁流變液為制動(dòng)介質(zhì)的制動(dòng)方式，利用處于磁場(chǎng)環(huán)境中磁流變液的剪切屈服應(yīng)力來(lái)產(chǎn)生制動(dòng)力，且其制動(dòng)力可根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度快速調(diào)節(jié)，這種制動(dòng)方式反應(yīng)迅速、控制平穩(wěn)，能耗少且噪聲低[2]。

目前，磁流變制動(dòng)器已在多種場(chǎng)合開(kāi)展了應(yīng)用研究，其結(jié)構(gòu)形式也多樣。LORD公司推出了多種性能優(yōu)良的磁流變制動(dòng)器[3]，在1996年成功設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于傳送帶、制動(dòng)阻力生產(chǎn)裝置的磁流變制動(dòng)裝置[4]；為研究磁流變制動(dòng)器的可控性，1997年又設(shè)計(jì)了一款大轉(zhuǎn)速大功率的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)磁流變制動(dòng)裝置[5]。CALARASU D[6]根據(jù)自己所設(shè)計(jì)的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)磁流變制動(dòng)器推導(dǎo)出制動(dòng)力矩的計(jì)算過(guò)程，這為后制動(dòng)力矩理論研究提供了基礎(chǔ)。為降低磁流變制動(dòng)器的空載力矩，KIKUCHI，TAKEHITO[7]進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，證明誘導(dǎo)黏度阻力可以有效降低制動(dòng)器的空載力矩。為了讓磁流變制動(dòng)器應(yīng)用于工程實(shí)踐，ASSADSANGABI B等[8]在2010年利用遺傳算法優(yōu)化了盤(pán)式磁流變制動(dòng)器模型，并將其應(yīng)用到車輛制動(dòng)。為將磁流變制動(dòng)器應(yīng)用于電梯制動(dòng)，PIECH Z等[9]將多磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)添加到磁流變制動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，兩個(gè)磁場(chǎng)分別實(shí)現(xiàn)提供初始制動(dòng)力和調(diào)控制動(dòng)力大小的功能。2014年CARLOS ROSSA等[10]為研究多層流體的間隙性質(zhì)，基于磁靜態(tài)設(shè)計(jì)方法研制了一種多層流體結(jié)構(gòu)的磁流變制動(dòng)裝置。為增強(qiáng)車輛制動(dòng)的可靠性，2015年NGUYEN Q H等[11]通過(guò)對(duì)多種不同結(jié)構(gòu)的磁流變制動(dòng)器進(jìn)行對(duì)比分析，設(shè)計(jì)了一種多線圈式的磁流變制動(dòng)裝置，具有大制動(dòng)力矩，體積重量比小等優(yōu)點(diǎn)。2018年陳淑梅團(tuán)隊(duì)[12]設(shè)計(jì)了一種具有自保護(hù)功能的電梯磁流變制動(dòng)器，在異常情況下可以產(chǎn)生一定的力矩保護(hù)電梯。除此之外，其他國(guó)家如日本、印度、德國(guó)等[13]都對(duì)磁流變制動(dòng)裝置和其他磁流變器件做了大量的研究。

然而，以上研究不可避免地存在一些問(wèn)題，磁流變制動(dòng)器需要持續(xù)供電，突然斷電會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，存在安全隱患；此外，電梯制動(dòng)軸在非制動(dòng)情況下產(chǎn)生了不容忽視的浪費(fèi)，產(chǎn)生的冗余旋轉(zhuǎn)不僅增加機(jī)械磨損[14]，長(zhǎng)時(shí)間工作下還將降低電梯能效；部分磁流變阻尼器為實(shí)現(xiàn)大的制動(dòng)力犧牲了結(jié)構(gòu)上的緊湊，對(duì)安裝空間的要求較高，適用性不強(qiáng)。

本研究以曳引電梯制動(dòng)器和磁流變技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展為背景，以磁流變制動(dòng)器為研究對(duì)象，在制動(dòng)器中嵌入永磁發(fā)電模塊和隔磁套筒，可以實(shí)現(xiàn)將制動(dòng)軸非制動(dòng)工況下的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿㈦娏績(jī)?chǔ)存至儲(chǔ)備電源上，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論分析和建模仿真，確保了新型磁流變制動(dòng)器的可行性，并制造了樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

1 結(jié)構(gòu)及原理

所設(shè)計(jì)的新型磁流變制動(dòng)器主要由磁流變制動(dòng)器模塊、能量回饋模塊、水冷降溫模塊構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 能量回饋式磁流變制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

制動(dòng)模塊主要包括制動(dòng)軸及用于產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的制動(dòng)器定子結(jié)構(gòu)，制動(dòng)軸為中部具有環(huán)形制動(dòng)部的“屮”字形結(jié)構(gòu)，且其環(huán)形制動(dòng)部嵌設(shè)于制動(dòng)器定子結(jié)構(gòu)中，環(huán)形制動(dòng)部與制動(dòng)器定子結(jié)構(gòu)之間充滿磁流變液，制動(dòng)軸在環(huán)形制動(dòng)部的前后側(cè)位置分別經(jīng)軸承與制動(dòng)器定子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，并在兩者的連接處設(shè)置有防止磁流變液泄漏的密封圈，當(dāng)給外部的勵(lì)磁線圈組一定電流時(shí)，伴隨著勵(lì)磁磁場(chǎng)的產(chǎn)生，流經(jīng)此工作磁場(chǎng)的磁流變液會(huì)發(fā)生磁流變效應(yīng)而變成Bingham狀態(tài)[15]，制動(dòng)器由于磁流變液的剪切應(yīng)力而輸出制動(dòng)力矩。

能量回收模塊包括隔磁套筒以及設(shè)于其內(nèi)的定子繞組、永磁體和轉(zhuǎn)子磁軛，隔磁套筒套設(shè)于制動(dòng)軸前段的外周部，隔磁套筒外周部與制動(dòng)器定子結(jié)構(gòu)固定連接，隔磁套筒內(nèi)部與定子繞組固定連接，定子繞組經(jīng)軸承與轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)軸連接，永磁體固定于轉(zhuǎn)子磁軛上，轉(zhuǎn)子磁軛與制動(dòng)軸固定連接，當(dāng)制動(dòng)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子磁軛及永磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生與定子繞組切割的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在定子繞組中產(chǎn)生可以向外輸出的感應(yīng)電流，再經(jīng)過(guò)換向器的處理就可以得到相應(yīng)的回收電能。

通過(guò)設(shè)計(jì)，冷卻液流道在旋轉(zhuǎn)套筒與制動(dòng)軸上的流動(dòng)路徑如圖2所示，冷卻液通過(guò)入口流入進(jìn)出口端蓋，通過(guò)在其上加工了一個(gè)環(huán)形槽，冷卻液通過(guò)環(huán)形槽流入轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)軸內(nèi)部，通過(guò)制動(dòng)軸內(nèi)部的冷卻液流道流入轉(zhuǎn)子筒內(nèi)部，對(duì)制動(dòng)裝置勵(lì)磁線圈處磁流變液進(jìn)行冷卻換熱后流入制動(dòng)軸內(nèi)，經(jīng)過(guò)制動(dòng)軸流道及進(jìn)出口端蓋流出制動(dòng)裝置，完成一次水與磁流變液熱交換的循環(huán)。

圖2 制動(dòng)裝置冷卻液流道示意圖

2 理論分析及建模仿真

2.1 制動(dòng)器模塊

磁流變制動(dòng)器的2種工作方式分別為圓筒型制動(dòng)和圓盤(pán)型制動(dòng)方式[16]。

如圖3a所示，圓筒壁面填充有磁流變液(半徑r的范圍為rD1～rD2之間,寬度L)，其制動(dòng)力矩為：

(1)

式中，ηs—— 磁流變液黏度

τ—— 磁流變液屈服應(yīng)力

rD1—— 磁流變液流道的內(nèi)半徑

rD2—— 磁流變液流道的外半徑

L—— 圓筒型工作區(qū)域的長(zhǎng)度

τB—— 磁流變液不同磁場(chǎng)下剪切屈服應(yīng)力

μ0—— 磁流變液零場(chǎng)黏度

ω—— 轉(zhuǎn)子盤(pán)角速度

如圖3b所示的圓盤(pán)型制動(dòng)示意圖，其中內(nèi)外盤(pán)之間的圓環(huán)區(qū)域充滿磁流變液，此為制動(dòng)器的工作區(qū)域，圓盤(pán)型制動(dòng)力矩為[17]：

(2)

式中，rC1—— 磁流變液流道的內(nèi)半徑

rC2—— 磁流變液流道的外半徑

i—— 磁流變液工作區(qū)域間隙的個(gè)數(shù)

圖3 磁流變制動(dòng)器工作示意圖

2.2 能量回饋模塊

饋能模塊結(jié)構(gòu)及磁路示意圖，如圖4所示?？紤]有效導(dǎo)體所在的平面,如圖4a所示，用半徑r和極角θ為坐標(biāo)確定單根導(dǎo)體在參考面上的位置，用平均半徑處的氣隙磁密Bδ(θ)表示能量回饋模塊的永磁直流電機(jī)氣隙磁密，用Ω表示永磁直流發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度。

在(r，θ)處，長(zhǎng)度為dr的有效導(dǎo)體產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)[18]為：

de=ΩBδ(θ)rdr

(3)

則有效導(dǎo)體在極角θ位置產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為：

(4)

式中，Dmo，Dmi分別為轉(zhuǎn)子內(nèi)、外徑。

所以每根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢(shì)為：

(5)

式中，Bδav為一個(gè)極距下的氣隙磁密平均值，Bδav=αiBδ，Bδ為磁密幅值，αi為比例系數(shù)；p為發(fā)電模塊磁極對(duì)數(shù)。

設(shè)定定子繞組并聯(lián)支路是a對(duì)，N為繞組總導(dǎo)體數(shù)，推導(dǎo)電動(dòng)勢(shì)E為：

(6)

式中，Φ為忽略漏磁時(shí)磁路總磁通；Ce為發(fā)電模塊電勢(shì)參數(shù)；n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(7)

可得能量回饋模塊的電磁功率：

(8)

式中，Aav為量回饋模塊的平均電負(fù)荷；I為該電動(dòng)勢(shì)下的電流。

從式(8)可以看出，Dmo,Dmi,Bδav是影響電機(jī)功率的主要因素。根據(jù)磁流變制動(dòng)模塊預(yù)留出的工作空間，可以確定合適的能量回饋模塊的體積與轉(zhuǎn)速，所以提高氣隙磁密是提高能量回收效率的最優(yōu)方法[19]。

圖4 饋能模塊結(jié)構(gòu)及磁路示意圖

2.3 磁路分析

1) 磁場(chǎng)計(jì)算

新型磁流變制動(dòng)器采用圖5a雙勵(lì)磁線圈布置方式，以單個(gè)勵(lì)磁線圈為對(duì)象并將其根據(jù)磁路歐姆定律轉(zhuǎn)化為等效磁路[18]，如圖5b、圖5c所示。Rm2,Rm6,Rm3,Rm5分別為不同位置但大小相等的磁阻，Rm4為制動(dòng)模塊轉(zhuǎn)子筒的磁阻，勵(lì)磁線圈等效磁動(dòng)勢(shì)為NeIe，其中Ie為流入勵(lì)磁線圈的電流大小，Ne為勵(lì)磁線圈的匝數(shù)。磁通密度為[20]：

(9)

式中，μyoke為磁軛的導(dǎo)磁率，μMRF為磁流變液的導(dǎo)磁率，μrotor為轉(zhuǎn)子筒的導(dǎo)磁率；l1，l3，l4分別為磁軛磁路、磁流變液磁路和轉(zhuǎn)子筒磁路的有效長(zhǎng)度；各段磁路的有效橫截面積分別為S1，S2，S3，S4。

圖5 制動(dòng)器磁路

2) 磁場(chǎng)仿真建模分析

采用Ansoft Maxwell磁場(chǎng)仿真分析軟件對(duì)能量回饋式曳引電梯制動(dòng)裝置的磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真分析計(jì)算[21]。仿真模型材料的設(shè)置：磁軛、轉(zhuǎn)子筒為采用Q235導(dǎo)磁性材料，勵(lì)磁線圈部分的材料為銅質(zhì)導(dǎo)線，能量回饋模塊中的線圈繞組、永磁體和鐵芯，其相應(yīng)材料設(shè)置為為銅、N42H和Dr510-50，缸壁、制動(dòng)軸以及空氣邊界可直接采用系統(tǒng)庫(kù)對(duì)應(yīng)的steel stainless，copper。

由圖6可知，磁場(chǎng)矢量的方向沿著設(shè)計(jì)的磁回路，二維平面4個(gè)永磁體共同組成一個(gè)閉合的磁回路。關(guān)于漏磁場(chǎng)分布現(xiàn)象，4個(gè)永磁體分別有單獨(dú)的閉合磁路，但是漏磁現(xiàn)象比較微弱，仿真分析驗(yàn)證了磁路設(shè)計(jì)的正確性[22]。

圖6 磁場(chǎng)仿真矢量圖

圖7、圖8為在不同勵(lì)磁電流下磁流變液工作區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度在軸向方向的變化。可以看到，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著勵(lì)磁電流的增大而增大，當(dāng)電流從0.2 A增大至0.8 A時(shí)，工作區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度增幅很大；在0.8～1.2 A階段，磁感應(yīng)強(qiáng)度改變不明顯。施加0.8 A的勵(lì)磁電流時(shí)，磁流變液間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值能達(dá)到0.68 T，滿足最初的制動(dòng)要求；通過(guò)曲線分布可以看出，隔磁環(huán)內(nèi)側(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度高于隔磁環(huán)外部磁感應(yīng)強(qiáng)度，隔磁環(huán)作用明顯[23]。

圖7 磁通密度云圖

圖8 制動(dòng)器模塊軸向工作區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線

2.4 能量回饋模塊仿真分析

利用 Ansoft Maxwell建立能量回饋模塊的有限元模型，并定義相應(yīng)的外加電路來(lái)研究能量回饋模塊在不同負(fù)載條件下的輸出特性，同時(shí)可以求出發(fā)電模塊的輸出電壓U、磁鏈Nψ曲線，如圖9、圖10所示。輸出電壓平均值為24 V，符合設(shè)計(jì)要求，再經(jīng)電刷的換向器即可得到直流電的輸出。

圖9 發(fā)電模塊外電路連接

圖10 發(fā)電模塊外電路輸出特性

2.5 能量回饋式磁流變制動(dòng)裝置的制動(dòng)時(shí)間分析

考慮到磁流變制動(dòng)器是通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈電流來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力大小的半主動(dòng)控制方式，所以建立力矩與制動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的控制數(shù)學(xué)模型，使用MATLAB/Simulink軟件建立制動(dòng)力矩轉(zhuǎn)速模型，如圖11所示。

圖12為勵(lì)磁電流不同時(shí)制動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速與制動(dòng)力矩的變化曲線，在0.2～0.6 A電流區(qū)間內(nèi)，制動(dòng)時(shí)間變化最為明顯；當(dāng)電流在0.6～1.2 A調(diào)節(jié)時(shí)，制動(dòng)時(shí)間變化緩慢并趨向于飽和狀態(tài)；制動(dòng)力矩受電流影響較小，在電流增大的過(guò)程中制動(dòng)力矩呈力矩飽和狀態(tài)。

圖11 制動(dòng)力矩轉(zhuǎn)速Simulink模型

圖12 勵(lì)磁電流不同時(shí)制動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速與制動(dòng)力矩變化曲線

考慮到電梯工作的間歇性，在0.8 A勵(lì)磁電流下，對(duì)電梯不同轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行數(shù)值分析，圖13為制動(dòng)軸100～500 r/min工況下制動(dòng)時(shí)間的變化曲線圖，可以看出，需要的制動(dòng)時(shí)間很小，當(dāng)制動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，制動(dòng)時(shí)間僅為1.65 s左右；制動(dòng)軸轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min逐漸升至500 r/min時(shí)，制動(dòng)力矩也在增大，但增幅較小，僅從346 N·m增大到385 N·m。

圖13 不同初始速度時(shí)制動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速及制動(dòng)力矩曲線

圖14為磁流變液溫升不同時(shí)制動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速與制動(dòng)力矩的變化曲線，制動(dòng)軸初始轉(zhuǎn)速相同時(shí)，隨著磁流變液溫度的升高，制動(dòng)時(shí)間會(huì)延遲，制動(dòng)力矩也會(huì)受溫升影響。

3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 磁流變液制備

τB=-229.74B5+459.130B4-473.096B3+

339.914B2+6.433B+0.185

(10)

制備的磁流變液性能參數(shù)如表1所示。

3.2 樣機(jī)制造

選擇某公司額定載重量為320 kg的曳引電梯作為本研究制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)，可得制動(dòng)裝置所需的制動(dòng)力矩應(yīng)大于312.25 N·m。圖16為裝配完成的能量回饋式制動(dòng)器樣機(jī)和其內(nèi)部的饋能實(shí)際結(jié)構(gòu)，其左側(cè)為發(fā)電結(jié)構(gòu)與饋能輸出線路。

圖14 不同磁流變液溫升時(shí)制動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速及制動(dòng)力矩變化曲線

圖15 磁流變液性能曲線

表1 磁流變液的性能參數(shù)

圖16 樣機(jī)與內(nèi)部饋能結(jié)構(gòu)

3.3 樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)的搭建與方案設(shè)計(jì)

樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖如圖17所示。電機(jī)安裝在消聲室外部，為試驗(yàn)平臺(tái)的動(dòng)力部分，試驗(yàn)臺(tái)上制動(dòng)裝置通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)連接，制動(dòng)軸特性則由扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得。為了更加準(zhǔn)確測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)，擬使用包括數(shù)據(jù)采集卡、溫度傳感器、紅外熱成像儀、噪聲采集系統(tǒng)等器件進(jìn)行輔助測(cè)試。

圖17 樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)

根據(jù)圖18、圖19所示性能測(cè)試方案簡(jiǎn)圖，擬對(duì)制動(dòng)性能、發(fā)電性能、溫升、噪聲特性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)適用于所設(shè)計(jì)的能量回饋型磁流變制動(dòng)器的測(cè)試，并可以對(duì)其饋能進(jìn)行研究。曳引電梯工作過(guò)程具有間歇性和速度不確定性，當(dāng)電梯處于制動(dòng)軸非制動(dòng)工況即制動(dòng)器為空載工況時(shí)，速度傳感器將時(shí)變速度參數(shù)傳遞給電機(jī)，利用變頻系統(tǒng)模擬電梯上下運(yùn)行的速度特性；能量回饋模塊回收能量后會(huì)直接給蓄能裝置充電。試驗(yàn)過(guò)程中，制動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速由速度測(cè)速儀直接測(cè)得；電壓表、電流表可以隨時(shí)讀取不同轉(zhuǎn)速下的電流、電壓值，并且通過(guò)與能量回饋模塊相連的示波器可以測(cè)得其波形變化特性。為同步進(jìn)行噪聲測(cè)試，把制動(dòng)裝置外其他噪聲源降至最小，將變頻系統(tǒng)和電機(jī)部分安置于消聲室外部[21]，利用傳動(dòng)軸和聯(lián)軸器與試驗(yàn)樣機(jī)相連。

圖18 制動(dòng)裝置性能測(cè)試平臺(tái)

圖19 饋能測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖20 空載力矩變化曲線圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 制動(dòng)性能測(cè)試

電梯處于非制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)裝置空載工況0～400 r/min下空載力矩如圖20所示，空載力矩呈線性增大趨勢(shì)，低速運(yùn)行時(shí)空載力矩約為10 N·m；400 r/min 高速運(yùn)行時(shí)，空載力矩可達(dá)43 N·m。

制動(dòng)工況時(shí)，制動(dòng)裝置輸出穩(wěn)定持續(xù)的制動(dòng)力矩使電梯轎廂停止到指定樓層,試驗(yàn)以0.2～0.8 A的勵(lì)磁電流、0～400 r/min轉(zhuǎn)速為參數(shù)變量，對(duì)制動(dòng)裝置的制動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試，如圖21所示。所設(shè)計(jì)的制動(dòng)裝置在調(diào)整到一定電流后，制動(dòng)力矩隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，當(dāng)高速運(yùn)行時(shí)，能夠提供安全可靠的制動(dòng)力矩。

圖21 制動(dòng)力矩與勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)速的變化曲線

4.2 發(fā)電性能測(cè)試

如圖22所示，在制動(dòng)裝置空載運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速?gòu)?開(kāi)始，每增加50 r/min測(cè)量一次電壓值，直至轉(zhuǎn)速達(dá)到400 r/min，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，整理得到電壓電流特性曲線，并通過(guò)直接負(fù)載法測(cè)得測(cè)饋能的實(shí)測(cè)效率隨轉(zhuǎn)速提高而提升，電池兩端電壓的測(cè)量顯示，充電前10 s電壓振蕩較大，振蕩范圍約為0.5 V，但經(jīng)過(guò)持續(xù)充電，振蕩幅值逐漸降低，且基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的電路穩(wěn)壓效果良好。

4.3 溫升和噪聲特性測(cè)試

首先對(duì)制動(dòng)裝置進(jìn)行空載工況下的溫升測(cè)試[24]，設(shè)定制動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為400 r/min。圖23中可以看到，隨著制動(dòng)裝置工作時(shí)間的增加，工作區(qū)域磁流變液的溫度Te也不斷升高，從最開(kāi)始常溫20 ℃到運(yùn)行20 min時(shí)的31 ℃左右，整體狀態(tài)良好。紅外成像儀測(cè)得的溫升變化圖明顯看到，內(nèi)嵌發(fā)電模塊的外殼首先進(jìn)行升溫，并且隨著制動(dòng)裝置運(yùn)行時(shí)間的增加，發(fā)電模塊外殼的溫度不斷增加，連續(xù)運(yùn)行20 min時(shí)達(dá)到39 ℃，由于外殼采用了導(dǎo)熱性能較好的Q235，加之制動(dòng)模塊空載運(yùn)行的溫升，所以制動(dòng)器模塊磁軛部分溫度也相對(duì)較高，達(dá)到25 ℃。結(jié)果表明，制動(dòng)裝置進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間空載運(yùn)行，能量回饋模塊由于工作狀態(tài)會(huì)有大量熱量產(chǎn)生，而制動(dòng)器模塊溫度較低，總體對(duì)磁流變液性能影響不大。

圖22 發(fā)電性能試驗(yàn)結(jié)果圖

制動(dòng)裝置長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)工況下的磁流變液溫升曲線圖，如圖24所示，設(shè)置轉(zhuǎn)速400 r/min、勵(lì)磁電流0.8 A。有水冷系統(tǒng)參與的制動(dòng)工況下的溫升速度比之前自然風(fēng)冷狀態(tài)慢很多，從紅外溫升圖對(duì)制動(dòng)裝置殼體溫升進(jìn)行分析，制動(dòng)裝置處于制動(dòng)工況時(shí)，處于靜止?fàn)顟B(tài)的能量回饋模塊溫度變化不大，但隨著制動(dòng)時(shí)間的增加，制動(dòng)器模塊的溫度持續(xù)升高，熱量由內(nèi)部磁流變液工作區(qū)域通過(guò)熱傳導(dǎo)擴(kuò)散至外部，其中磁軛尤為集中。在制動(dòng)5 min時(shí)，承載發(fā)電模塊的杯腔部分外殼溫度為29 ℃左右，制動(dòng)器模塊磁軛部分溫度已達(dá)到60 ℃，為有效保證水冷的效果，要及時(shí)更換冷卻液以降低溫升速度。綜合制動(dòng)器內(nèi)外溫升變化趨勢(shì)，可以看到制動(dòng)裝置在長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)過(guò)程中仍能保證處于安全工作溫度范圍內(nèi)，滿足制動(dòng)性能要求[25]。

圖23 空載情況下溫升

圖24 長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)情況下溫升

4.4 噪聲特性測(cè)試

制動(dòng)裝置制動(dòng)器模塊處于空載工況下的噪聲分布值，如圖25所示，此過(guò)程中由于電梯沒(méi)有制動(dòng)，所以暫時(shí)關(guān)閉為水冷提供動(dòng)力的水泵，可以看到48.233 dB為最大噪聲值，主要分布在頻率0.450～1.2 kHz之間。

圖25 空載工況時(shí)聲壓級(jí)A計(jì)權(quán)1/3倍頻程分布

制動(dòng)工況下的噪聲分布值，如圖26所示，此時(shí)制動(dòng)器模塊處于制動(dòng)工況，工作間隙會(huì)迅速升溫，水泵開(kāi)啟為裝置進(jìn)行水冷，測(cè)得噪聲主要分布在頻率1～5 kHz之間，最大值57.857 dB。參考GB/T 10059—2009電梯試驗(yàn)方法噪聲級(jí)規(guī)定，一般電梯噪聲不高于80 dB，兩種工況下制動(dòng)裝置噪聲遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)，符合國(guó)標(biāo)規(guī)范，相比于傳統(tǒng)的曳引電磁式制動(dòng)器，能量回饋式磁流變制動(dòng)器具有更低的噪聲。

圖26 制動(dòng)工況時(shí)聲壓級(jí)A計(jì)權(quán)1/3倍頻程分布

5 結(jié)論

研究一種適用于曳引電梯且具有能量回饋功能的新型磁流變制動(dòng)器，并加工樣機(jī)對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，主要結(jié)論如下：

(1) 將制動(dòng)機(jī)構(gòu)與能量回收模塊耦合實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，在不增加額外體積的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)能量回收；

(2) 對(duì)其制動(dòng)性能進(jìn)行理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，空載工況空載力矩達(dá)到了43 N·m，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.65 T時(shí)，制動(dòng)力矩達(dá)到380 N·m；

(3) 能量回收性能測(cè)試結(jié)果表明，40%額定轉(zhuǎn)速下空載電壓18 V左右，饋能效率接近50%，且隨著轉(zhuǎn)速增加呈上升趨向，預(yù)測(cè)額定轉(zhuǎn)速時(shí)饋能效率在70%以上；

(4) 水冷系統(tǒng)可使得制動(dòng)裝置在空載工況下以400 r/min運(yùn)行20 min時(shí)，制動(dòng)器模塊工作區(qū)域的最高溫度達(dá)到39 ℃，當(dāng)制動(dòng)裝置連續(xù)進(jìn)行制動(dòng)5 min時(shí)，測(cè)得制動(dòng)器模塊的工作區(qū)域溫度迅速升高達(dá)到60 ℃ 左右，發(fā)電模塊溫度測(cè)得為29 ℃，兩種工況下的溫升均處于材料的許用溫度范圍；

(5) 饋能式磁流變制動(dòng)器具有更低的噪聲，測(cè)定最大的噪聲為57.875 dB，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的80 dB。