修宇翔，文洪兵，關俊峰

（廣東電網(wǎng)有限責任公司江門供電局，廣東江門 529000）

0 引言

電磁制動器是現(xiàn)代工業(yè)設備中一種理想的自動化執(zhí)行元件，其憑借制動力矩大、制動快捷、噪聲小等優(yōu)點在生產(chǎn)自動化、集成制造、智能控制等方面中有著非?？善诘倪\用[1]。且電磁制動器憑借其抗干擾能力強、工作穩(wěn)定能夠為整個生產(chǎn)運作系統(tǒng)帶來非常重要的安全保障[2]。

目前，國內(nèi)外的學者對電磁制動器力學性能進行了大量的研究，其中主要包括電磁磁路的優(yōu)化、電磁力的影響因素以及節(jié)能性的研究。且其中利用的關鍵技術有ANSYS 有限元模擬、麥克斯韋計算、Ansoft 模擬以及有限元數(shù)值模擬。國內(nèi)與國外學者對磁制動器磁力的計算和仿真存在明顯不同。后者能夠通過使用模擬程序、實驗測試、有限元算法等方法，對磁力及相應關鍵的磁場變量實現(xiàn)精確的計算，前者盡管對上面的領域的鉆研沒有達到同樣的精準，但是一樣具有參考價值。國內(nèi)的探索方法在某些方面參考了國外的經(jīng)驗。國內(nèi)探索電磁制動器的研究機構(gòu)能夠?qū)Σ煌ぷ鲄?shù)下的電磁制動器進行數(shù)值計算和研究，從而得到相應狀態(tài)下電磁吸力，進而通過有限元模擬和仿真分析實現(xiàn)精準電磁力的定量。但是其研究只能粗略地分析磁體的結(jié)構(gòu)參數(shù)對磁體性能的影響，沒有深入分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)與整個磁體的動靜態(tài)性能之間的定量關系。

本文將對某款電梯用電磁失電安全制動器進行建模，并運用ANSYS 軟件對該電磁制動器進行有限元分析，并在分析電梯用電磁制動器工作特性的基礎上，提出了一種降低電磁制動器能耗的設計辦法。

1 電磁制動器

彈簧加壓式電磁制動器、電渦流式電磁制動器以及永磁式電磁制動器是目前應用較為廣泛的電磁制動器[3]。本文簡要地對這3種電磁制動器進行介紹。

彈簧加壓式電磁制動器，本質(zhì)是一種斷電式電磁制動器，其工作模式為斷電鎖死、通電解鎖，制動時主要靠彈簧力施壓產(chǎn)生的摩擦阻力或鎖銷力[4]。如圖1所示，彈簧加壓式電磁制動器主要分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。斷電時，彈簧的彈力作用在銜鐵上，使得摩擦盤與制動盤相互摩擦產(chǎn)生制動力矩，導致轉(zhuǎn)子部分被鎖定；通電后，電磁力與彈簧力相互抵消，銜鐵收回，摩擦盤與制動盤相互分離，轉(zhuǎn)子的鎖定狀態(tài)被解除[5]。

圖1 摩擦阻力制動的彈簧加壓式電磁制動器示意圖

電渦流式電磁制動器，與傳統(tǒng)的接觸式制動器相比，其具有無摩擦、無噪聲、控制簡單和反應迅速等優(yōu)點。由于是無接觸，所以導致了電渦流制動器無法輸出較大的制動力矩，在速度較低時制動力也比較低[6]。如圖2所示，導體板與初級鐵心做相對運動產(chǎn)生渦流，并與初級勵磁磁場相互作用產(chǎn)生制動力[7]。

圖2 電勵磁直線電渦流制動器

永磁式電磁制動器，其工作特點是利用永磁體產(chǎn)生的磁阻力摩擦制動，由于其結(jié)構(gòu)簡單，制動轉(zhuǎn)矩密度大，可靠性高[8]，因此其得到了眾多企業(yè)的青睞。與電渦流式電磁制動器相比，其不需要借助外部力量產(chǎn)生制動力矩，且制動力矩大，既可用于緊急制動，又能用于零位鎖緊[9]。

2 基于ANSYS的電磁制動器電磁力計算

利用ANSYS∕Emag 或ANSYS∕Multiphysics 模塊中的電磁場分析功能對如圖3所示的電磁制動器的進行電磁場分析。有限元方法計算的未知量主要是磁位或通量，其他所需要的物理參數(shù)可以通過這些未知量導出[10]。

圖3 電磁制動器外觀

本文所分析電磁制動器的工作參數(shù)如表1所示。

表1 電磁制動器工作參數(shù)

本文分析所采用的方法是磁標量位方法，在對勵磁線圈即電流源進行處理時以單元的方式進行，從而省去了建模和網(wǎng)格劃分工作。由于有限元網(wǎng)格劃分模型中省去了勵磁線圈這一部分，這將使得建立模型更加快捷方便[11]。

2.1 電磁制動器有限元模型

本文研究的對象為某電梯曳引機用電磁失電安全制動器，其結(jié)構(gòu)為鐵心中裝有電磁線圈與鋼制彈簧，靜鐵心與動鐵心（銜鐵）之間存在空氣間隙。失電時鋼制彈簧推動銜鐵壓緊制動盤，制動器鎖緊，為制動狀態(tài)；通電時，勵磁線圈得到電流，電磁力使銜鐵吸合到靜鐵心上，銜鐵與制動盤解鎖，制動取消，主軸可以自由旋轉(zhuǎn)。此類型電磁制動器采用直流電壓供電沒有渦流損耗，具有制動平穩(wěn)、軸向長度短、結(jié)構(gòu)緊湊、空間體積小、工作安全性、可靠性高等特點[12]。

建立制動器鐵心與銜鐵幾何模型，在ANSYS 軟件中對模型設定單元類型、施加邊界條件以及施加載荷后得到如圖4所示的電磁制動器有限元模型。

圖4 施加載荷勵磁線圈電流源

2.2 有限元求解及結(jié)果分析

由于模型為有線圈和鐵心沒有閉合（單連通區(qū)域）的模型，因此本文選擇DSP求解器。

有限元求解結(jié)果如表2所示，由于本次分析的電磁制動器有限元模型為實際的一半，因此電磁力的實際計算結(jié)果為表中所示結(jié)果的2倍。

表2 麥克斯韋應力張量方法的計算結(jié)果

磁流矢量密度如圖5所示。從圖中可以看出鐵心心部及線圈周圍的磁流密度較大，銜鐵外圍的磁流密度最小。電磁制動器的磁通主要集中在線圈附近的鐵區(qū)。

圖5 電磁制動器的磁流矢量密度

3 空氣間隙和勵磁電流對電磁力的影響分析

由于電磁制動器磁路材料的深度非線性與方向異性，其電磁力隨空氣間隙與勵磁電流的變化也具有明顯的非線性。對電磁制動器的電磁力特性分析需要大量的分析數(shù)據(jù)進行支撐。本節(jié)將通過第2 節(jié)所示的ANSYS 有限元計算方法并運用ANSYS 參數(shù)化設計語言APDL，以激勵電流和空氣間隙厚度為變量計算得到的電磁制動器電磁力的特性。

3.1 電磁力參數(shù)化分析

本文需要大量的電磁力計算結(jié)果作為分析數(shù)據(jù)，而電磁力計算結(jié)果的差異只因電磁制動器的空氣間隙與勵磁電流的不同而引起。鑒于ANSYS 參數(shù)化設計語言APDL 的優(yōu)缺點，本文采用編寫APDL 文件的方式，將空氣間隙與勵磁電流定義為參數(shù)，通過修改參數(shù)來獲得電磁力分析數(shù)據(jù)。此方法能一定程度上節(jié)約時間，提高效率。

3.2 空氣間隙和勵磁電流對電磁力的影響

通過改變APDL 程序中設定的勵磁電流與空氣間隙參數(shù)，分別得到了如圖6～7 所示的受空氣間隙和勵磁電流影響的電磁制動器電磁力特性曲線。

圖6 受空氣間隙影響的電磁制動器電磁力特性曲線

從圖6可以看出，在勵磁電流恒定的條件下，電磁制動器產(chǎn)生的電磁力隨空氣間隙的增大而減小。從圖7可以得，在空氣間隙恒定的條件下電磁制動器產(chǎn)生的電磁力隨勵磁電流的增加而增大且具有明顯的非線性。

圖7 受勵磁電流影響的電磁力特性曲線

4 電梯用節(jié)能電磁制動器的分析與設計

4.1 電磁制動器的工作特性

當為電磁制動器提供電流時，線圈周圍包括鐵心會產(chǎn)生強大的磁場，此時銜鐵將受到吸力朝鐵心移動，力的大小正比于磁通密度以及氣隙面積，與空氣磁導率成反比[13]。

當電磁制動器通電起動時，線圈中的激勵總電流將消耗在導磁體和工作氣隙上，并且銜鐵與鐵心之間的工作氣隙達到最大，為0.02 mm，此時，系統(tǒng)磁路磁阻需要加上工作氣隙上的磁阻，因此起動時系統(tǒng)磁阻是最大的，當制動保持時，工作空氣間隙為0，電路磁阻極小。此時不計算泄漏磁通量，線圈中的激勵總磁流將全部消耗在磁路中的導磁體上。

4.2 仿真分析結(jié)果

通過ANSYS 麥克斯韋電磁仿真分別計算在靜態(tài)場中空氣間隙為0.02 mm時的啟動階段和空氣間隙為0時的維持階段的電磁力，得到起動和維持時電磁力與電壓的特性曲線，如圖8所示。顯然，在相同線圈電壓下維持狀態(tài)時的電磁吸力遠遠大于起動狀態(tài)。

圖8 起動電磁吸力和維持電磁吸力與電壓曲線

此外，由于空氣間隙為0，磁路磁阻顯著降低，線圈總激勵電流將全部消耗在導磁體上，故只需要較小的線圈電壓就能產(chǎn)生較大的電磁吸力，使銜鐵維持吸合的狀態(tài)。

4.3 電磁制動器能耗分析

進一步對能耗分析，通過查閱相關文獻，在電梯測試試驗準測中對制動器吸合時間做了相關規(guī)定，電梯電磁失電制動器總的電能消耗為：

式中：P1為制動器起動能耗；P2為制動器維持能耗；U1為起動電壓；U2為維持電壓；R為線圈電阻。

本文中線圈電阻R=20 Ω，對于傳統(tǒng)電梯用制動器U1=U2=45 V，對于節(jié)能電梯用制動器U1=45 V，U2=18 V，通過計算可以得到節(jié)能型與傳統(tǒng)型電梯制動器的能耗比較，如表3所示。由表可知，傳統(tǒng)制動器總能耗為67.5 W，節(jié)能型制動器總能耗15.7 W，節(jié)能型制動器能耗明顯低于傳統(tǒng)型，起動時兩者能耗相同，傳統(tǒng)型制動器和節(jié)能型制動器均采用大電流啟動，兩者所不同的是節(jié)能型制動器在完成銜鐵吸合后，將減小電流，采用低電壓維持，由表可知，節(jié)能型電磁制動器相比于傳統(tǒng)型節(jié)能76.7%。此外，較小維持電壓還能改善線圈長時間通電后的溫升效應，使電磁制動器運行更可靠，提高電磁制動器的使用壽命。

表3 節(jié)能型與傳統(tǒng)型參數(shù)對比

5 結(jié)束語

本文以某電梯用電磁失電制動器作為分析對象，通過ANSYS 軟件分別對電磁制動器有限元模型進行了電磁分析與熱分析，并對分析數(shù)據(jù)進行了多項式擬合，得到了電磁制動器在不同氣隙間距、不同勵磁電流下的電磁力特性，對電磁制動器的設計與電磁力的計算、安全工作氣隙范圍的確定具有一定的的指導作用。通過分析電磁制動器的工作特性，并通過ANSYS 仿真得到電磁力和線圈電壓的特性曲線，可以知道通過降低維持時線圈電壓可以實現(xiàn)節(jié)能，并且效果非常明顯。

通過分析有限元方法計算得到的數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論。

（1）當電磁制動器工作氣隙較小時時，電磁力值隨空氣間隙的增大而減小，變化近似成線性；當空氣間隙較大時，隨空氣間隙的增大，電磁力下降速度逐漸衰減。

（2）電磁制動器電磁力隨勵磁電流的單調(diào)遞增且具有明顯的非線性。當勵磁電流值小于0.8 A時，電磁力與勵磁電流近似成線性關系；當勵磁電流值大于1.2 A 時，隨著電流的增大電磁力的增加幅度減小，此時較大的勵磁電流值只能產(chǎn)生較小的電磁力增幅，可見一味的增大勵磁電流對電磁制動器的電磁力貢獻不大。