一種自動扶梯用混合勵磁電磁鐵的設計分析

楊忠良 劉哲民

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

在自動扶梯中制動器是其重要的組成部件，而制動器中電磁鐵是主要的部件。自動扶梯制動器的基本結構如圖1所示。

圖1 動扶梯制動器基本結構

其工作原理為，自動扶梯起動時電磁鐵得電，此時電磁鐵的推力大于彈簧的壓力，即FE＞FM。電磁鐵閉合頂開制動臂脫離輪轂。自動扶梯關閉時電磁鐵失電，電磁力為零，彈簧壓制動臂鎖緊輪轂。由于自動扶梯在無故障情況下每天僅起動關閉一次，電磁鐵長時間處于得電情況下，并且在此狀態下電磁鐵的氣隙近似為0，這時電磁鐵的磁阻很小，但電磁鐵的設計需按起動時氣隙最大時計算，這樣在電磁鐵運行過程中如果按起動狀態供電，發熱量大，電磁鐵體積一般設計較大，造成原材料和能源的浪費。

為解決這個問題，相關科技人員做了大量工作。在驅動電路的設計方面，國內外的一些產品主要采用并聯強勵磁驅動和無觸點電子調壓電流反饋控制技術及PLC或單片機等智能控制系統的控制技術[1]。在電磁鐵的磁場設計方面，主要是通過電磁場分析對機械結構進行優化[2-4]。這些方法主要是通過電力電子技術來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時發熱量減少及通過結構和磁場的分析優化結構和磁場從而使電磁鐵的溫升及磁力滿足要求并且節約電能。

1 混合勵磁電磁鐵的結構、原理

本文分析的混合勵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，使永磁磁路與電勵磁磁路并聯[5]。其原理為由永磁體提供電磁力 Fmagnet，勵磁線圈提供電磁力 Fcoil，這個兩個力之和大于彈簧的壓力，即 Fcoil+Fmagnet＞FM，并且永磁體產生的力和勵磁線圈產生的力都小于彈簧壓力，即 Fcoil＜FM，Fmagnet＜FM。其結構如圖2所示。

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

圖2 混合勵磁電磁鐵結構示意圖

圖3 未通電狀態磁力線分布

在通電保持情況下，端部氣隙接近 0，線圈產生的磁場與永磁體產生的磁通經過端部氣隙循環如圖4所示。這時主要依靠永磁體產生的磁力，線圈產生電磁力可以很小，即需要很小的電流，從而降低電磁鐵的發熱。

圖4 通電保持狀態磁力線分布

在電磁鐵的勵磁線圈斷電后，僅銜鐵中的永磁體的磁勢在氣隙處產生磁力，但設計上使此磁力小于彈簧的壓力，即Fmagnet＜FM，銜鐵動作，電磁鐵打開。

同電勵磁電磁鐵相比，混合勵磁電磁鐵勵磁線圈中的電流可以減小，有效的降低了電功率，發熱量減少，適合用自動扶梯等環境中使用。

2 混合勵磁電磁鐵的設計與分析

2.1 設計要求（見表1和表2）

表1 混合勵磁電磁鐵樣機的設計參數

表2 混合勵磁電磁鐵的設計方案

2.2 電磁場分析結果

混合勵磁電磁鐵的磁路復雜，為對磁路進行合理地設計，需要對其電磁場分析。圖5所示為當電磁鐵處于打開狀態時即氣隙最大時磁通密度在電磁鐵內部的分布情況。圖6所示為當電磁鐵處于閉合狀態時即氣隙最小時磁場在電磁鐵內部的分布情況。

圖5 電磁鐵打開狀態磁場圖

圖6 電磁鐵閉合狀態磁場圖

2.3 測試結果

圖7和表3為常規電勵磁電磁鐵的試驗結果數據。圖8和表4為混合勵磁電磁鐵的試驗結果數據。

圖7 常規電勵磁電磁鐵力特性曲線

圖8 混合勵磁電磁鐵力特性曲線

表3 常規電勵磁電磁鐵溫升試驗數據

表4 混合勵磁電磁鐵溫升試驗數據

由測試結果可以看出，混合勵磁電磁鐵在保持狀態主要依靠永磁體勵磁，需要的勵磁電流很小，減小了電磁鐵的發熱損耗，可以顯著降低電磁鐵的溫升，進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 結論

采用并聯永磁體磁路，混合勵磁電磁鐵提高了電磁鐵的效率，降低電磁鐵的發熱和溫升，適合于自動扶梯制動器等工業領域。

[1]吳泰龍.國外電磁制動器的現狀和發展[J].電氣應用,1988(7): 41-42.

[2]錢秀英,倪光正.螺管式電磁鐵吸力特性的數值分析[J].西安交通大學學報,1983,17(2):61-71.

[3]計生君.新型盆口式電磁鐵吸力的分析計算[J].鐵道學報,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,來常學.稀土永磁在起重電磁鐵中的應用[J].電氣開關,1994(4):14-20.