城市軌道交通安全門電磁鎖的設計

白雨坤 王富章 聞勁松 韓鵬飛

(中國鐵道科學研究院電子計算技術研究所，100081，北京∥第一作者，碩士研究生)

安全門作為一種安全、節能、美觀的車站設施，伴隨著城市軌道交通系統的發展而普及到全國各個城市的新建和既有軌道交通系統中。在安全門系統中，電磁鎖作為一種安全保障設備，對安全門的正常工作起著至關重要的作用。然而，在現有的安全門系統中，電磁鎖往往是故障率最高的設備。這種現象既與其特殊的功能密不可分，也與現有設計存在缺陷相關。目前，用于安全門系統的電磁鎖主要分為直軸伸縮型和圓盤旋轉型兩類。直軸伸縮型電磁鎖由于構造簡單、穩定性高、成本低廉等特征，正逐步被業內認可。本文旨在從電氣和機械兩方面介紹如何設計并實現性能優越的直軸伸縮型電磁鎖。

1 主要功能與設計理念

1.1 主要功能

在安全門系統中，電磁鎖的主要功能為:

(1)在未收到開門命令時，電磁鎖鎖舌處于伸出狀態，觸發鎖閉結構，阻止滑動門沿導軌運動，防止不正當理由的開門動作(如個別乘客從站臺側強行開門)。

(2)在收到開門命令后，電磁鎖鎖舌可以迅速(少于200 ms)吸回，使鎖閉結構釋放，不阻擋滑動門的開關動作。

(3)在滑動門從開門狀態轉變為關閉狀態后，電磁鎖鎖舌釋放回伸出狀態，觸發鎖閉機構，同時給出反饋信號，告知監控系統門已鎖緊。

1.2 設計理念

針對地鐵安全門系統的實際需要，電磁鎖應具備以下性能:

(1)高壽命。由于安全門必須伴隨著列車的進出站做多次開關動作，而電磁鎖又是控制安全門開關動作的關鍵器件，所以，在設計過程中，必須考慮電磁鎖的壽命。根據運營部門的相關要求，安全門必須通過百萬次壽命試驗，這就要求電磁鎖應無故障運行100 萬次［1］。

(2)高精確度。電磁鎖的狀態間接反應了滑動門的狀態，所以電磁鎖的每一個動作都必須精確反饋回監控系統。針對運營方的實際需求，其誤報率應低于 10－6。

(3)低能耗。電磁鎖屬于有源耗能器件，尤其是在啟動瞬間，單個電磁鎖的熱功率可達150 W以上，所以，通過合理的電氣設計來降低電磁鐵的熱功率，將會大大減少能耗。

(4)低噪聲。電磁鐵在動作的過程中由于撞擊和摩擦等一系列原因會發出噪聲，如果處理不當，將會對周圍環境造成噪聲污染。根據CJ/T 236—2006中的相關規定:電磁鎖在正常工作時，水平距其1 m處的噪聲測量值必須低于 70 dB［2－3］。

本文將分電氣理論設計和機械功能實現兩部分，詳細介紹如何將上述要求通過計算和反復試驗轉化為具體的設計參數，制造出安全、可靠的電磁鎖。

2 電氣理論設計

電磁鎖的核心部件就是電磁鐵。電磁鎖的壽命、行程、起動力和保持力等重要指標都與電磁鐵的性能直接相關。

2.1 主要設計參數

電磁鐵的參數之間有著相互制約的關系，必須全面考慮，從而實現滿足設計要求的最優參數配置。

(1)行程:由于工程實際需要，電磁鐵的行程一般選擇為8 mm，這樣既可以滿足鎖舌鎖定門體的需求，也在保證安全的情況下降低了電磁鐵的體積、功率等參數。

(2)供電:根據安全門供電系統的特性，電磁鎖的優選供電電壓分為DC 110 V和DC 24 V兩種［4］。在該型電磁鐵的設計中，DC 110 V電源用于啟動電磁鐵使其行程歸零，DC 24 V電源用于保持電磁鐵的吸合狀態。如果單一采用DC 110 V電源為電磁鎖供電，會產生較高的功率損耗，同時產生大量的熱量，使電磁鐵的壽命極大地縮短;如果單一使用DC 24 V電源，就必須加倍增大電磁鐵的體積。

(3)吸合力:考慮電磁鎖內的彈簧強度、傳動機構質量和整體抗振性能，只要電磁鐵的吸合力始終大于23 N，電磁鎖就可以穩定運行。

2.2 理論計算

電磁鐵的核心功能是實現吸合和釋放兩個動作。所以，理論計算的重點，就是確定電磁鐵的理論吸合力是否能夠滿足設計要求。

2.2.1 理想條件下的吸合力計算

電磁鐵的精確吸合力計算需要用到Maxwell電磁吸力計算公式［5］:

式中:

F——螺線管的電磁吸力;

B——氣隙磁感應強度;

Φ——電磁鐵鐵心中的磁通量;

μ0——真空磁導率;

S——電磁鐵鐵心底部面積。

然而，B需要通過畢奧 薩伐爾定律分不同情況進行計算，這將極大地提高計算的復雜度，不僅大幅度延長研發周期，而且容易造成計算錯誤。根據試驗數據的積累和分析，可以得出一個計算電磁鐵吸合力的經驗公式:

式中:

K——比例轉化因子;

N——電磁鐵繞線安培匝數;

I——流過繞線的電流強度。

由式(2)可以看出，電磁鐵的吸合力與安培匝數成正比。對多次改進調整后的試驗電磁鐵進行極限吸合力測量(為電磁鐵加載在各種通電率下所能承受的最大電壓，然后測量在不同行程條件下的吸合力值)，可以得出電磁鐵的電磁動力特性曲線。100%和10%通電率時的電磁鐵動力特性如圖1所示。

圖1 電磁鐵動力學特性曲線

電磁鐵的動力性能是指電磁鐵的初始吸合力和保持吸合力。這兩種力的大小主要與通電電壓相關。圖1中給出的理想數值是在DC 113 V啟動、DC 36V保持的條件下測出的。通過F=KNI=KNU/R(R為電磁鐵繞線電阻，U為電壓)可推導出DC 110 V啟動、DC 24 V保持條件下電磁鐵的初始吸合力和保持吸合力。

設 U1=113 V，U2=110 V，U3=36 V，U4=24 V。由于N、K及R均為常數，可以得出額定初始吸合力F2(溫度為20℃、行程在8 mm處、供電電壓為110 V時的吸合力)的計算式為:

從圖1(b)中可讀出電磁鐵的理想初始吸合力F1=29 N(溫度為20℃、行程在8 mm處、供電電壓為113 V時的吸合力)，則由式(3)可得F2≈28.2 N。

同理可推導出額定保持吸合力F4(溫度為20℃、行程為0、供電電壓為24 V時的吸合力)的計算式為:

從圖1(a)中可讀出理想保持吸合力(溫度為20℃、行程為0、供電電壓為36 V時的吸合力)F3=50 N，則由式(4)得 F4≈33.3 N。

顯然，F2和F4均大于23 N的設計要求。

2.2.2 溫度對吸合力的影響

北方地區冬季寒冷，夏季炎熱，溫度變化劇烈［6］。尤其對于地鐵高架站，冬季和夏季之間的運營溫差可達50℃以上。因此，必須對上述計算結果進行修正才能得到更加符合實際情況的參數。對不同溫度條件下電磁鐵繞線的電阻值進行測量，可以得到電阻變化規律，進而得到安培匝數的變化規律(見表1)。

表1 線圈電阻隨溫度的變化規律

由表1可以看出，隨著溫度由低到高變化，安培匝數系數由大變小。考慮到安培匝數的變化將直接導致電磁鐵吸合力的變化，且在實際運營條件下電磁鎖的工作溫度會在－20℃至40℃之間變化，所以必須對極端溫度條件下電磁鐵的吸合力進行重新評估。通過破壞性高頻率試驗(電磁鐵每分鐘完成18次吸合、釋放動作)，可使電磁鐵線圈溫度在30 min內達到60℃。設此時電磁鎖的初始吸合力為FC1，保持吸合力為FC2。由表1得60℃時的安培匝數系數為 0.865，則有:FC1=0.865F2≈24.4 N;FC2=0.865F4≈28.8 N。

顯然，在溫度上升至60℃后，電磁鐵的吸合力仍然高于23 N的設計指標。另外，隨著溫度的降低，電磁鐵的安培匝數系數將增大，導致電磁鐵的吸合力增大，故溫度降低不會導致電磁鐵失效，反而在一定程度上提高了電磁鐵的電氣動力性能。

2.2.3 能耗計算

現有的安全門電磁鎖啟動功率普遍高于150 W，而重新設計后的電磁鎖啟動功率在120～130 W之間。用電流檢測鉗(將電流強度轉化為電壓大小的儀器，比例參數為100 mV/A)可以測出電磁鐵線圈內的電流強度，并在示波器上得到顯示。圖2中的脈沖高峰是在U=110 V供電條件下產生的電流脈沖，可以讀出高峰均值與初始均值之間相差110 mV;轉化為電流強度I后，可知I=1.1 A。由電壓值和電流值可計算出測試電磁鐵的功率P=UI=121 W。同樣，可測出在DC 24 V保持通電時，電磁鐵的功率僅為6.24 W。

低功耗既節能，又減小了電磁鎖啟動瞬間對供電系統的沖擊，使得供電系統的壽命得以延長，且不會造成由瞬間壓降過大而引起的動作同步性降低。

圖2 電磁鎖通斷電瞬間的線圈電流變化

3 機械結構的設計與實現

3.1 總體外觀設計

電磁鎖的外觀設計必須優先考慮最大限度地發揮電磁鎖的功能，其次做到外形的精致、勻稱和美觀。設計過程中采用了建模軟件SolidWorks，通過對鎖體內部空間的建模分析，得出電磁鎖的最小外部尺寸參數。這些參數將作為約束條件，影響電磁鎖的外形尺寸設計。目前地鐵使用的直軸型電磁鎖均將電磁鐵設計在鎖體內部，這樣將不利于電磁鐵散熱，同時也壓縮了電磁鐵的尺寸，降低了電磁鐵的設計性能。如圖3所示，合理的電磁鎖外形設計應將電磁鐵放在鎖體外部，并對鎖體進行整體美化設計。

圖3 電磁鎖外形設計

3.2 傳動機構與動作檢測裝置

電磁鎖傳動機構的作用是將電磁鎖鎖舌與電磁鐵鐵心進行有效連接，使電磁鐵的鐵心可以帶動鎖舌進行吸合、釋放運動。電磁鐵的動作檢測裝置安裝在傳動機構上，因此，動作檢測裝置的設計與傳動裝置的設計是息息相關的。

3.2.1 傳動機構

電磁鐵工作時，鐵心不能承受側向沖擊力。因為側向沖擊力會極大地增加電磁鐵鐵心與內壁間的摩擦力，造成鐵心與內壁的磨損，降低壽命。同時，由于鐵心的偏心作用，內部氣隙的均勻程度也會發生改變，從而顯著減小電磁鐵的吸合力，甚至引發卡殼。若鎖舌與電磁鐵鐵心直接相連，那么由于杠桿作用，鎖舌上發生的極小側向位移都將導致電磁鐵鐵心發生較大的側向位移。所以，傳動機構必須能夠緩解甚至消除鎖舌側向受力對電磁鐵鐵心的影響。圖4所示的傳動機構可以很好地解決側向沖擊的問題。在電磁鐵鐵心上部留一個凹槽，使得鎖舌下部可以在該凹槽內自由活動，這樣就可以使鎖舌上端的徑向位移變化在這個凹槽內得到消除，不會傳導到電磁鐵鐵心上。

3.2.2 動作檢測裝置

現有電磁鎖的動作感應裝置主要由微動開關和光電開關兩種。主流的做法是將傳感器安裝在鎖體內壁上，在傳動桿上安裝一個伸出的觸片，通過感應這個觸片的動作來實現對鎖舌動作的檢測。然而，該方式需要在電磁鐵鐵心上加裝限位防轉動裝置，這將增大鐵心與電磁鐵內部襯套之間的摩擦，甚至會頻繁引發卡殼。合理的優化措施是將觸片換為360°的環狀擋片(見圖4)，并且采用雙側微動開關設計，這樣就不用加裝鐵心防轉動裝置。

圖4 電磁鎖傳動機構爆炸圖

4 結語

本文對已有電磁鎖的不足進行了分析，并有針對性地進行了全新的設計。在機械結構上，采用了全新的連接結構設計和感應裝置設計;在電氣設計方面，針對安全門系統的需要重新設計了電磁鐵。經過累計近1000萬次動作試驗，得到了大量數據。在分析試驗數據的基礎上，進行理論分析結果與試驗數據的對比。結果表明，全新設計的電磁鎖在傳動、狀態檢測和電磁鐵性能方面都實現了優化配置，解決了誤報頻率高、鎖舌容易卡死等問題，增強了電磁鐵的動力性能并降低了20%的功耗，使電磁鎖整體上達到了理想的設計要求。但直軸式電磁鎖在防水防塵方面還存在一定的不足，需要進一步改進。

［1］GB 50157—2003地鐵設計規范［S］.

［2］CJ/T 236—2006城市軌道交通站臺屏蔽門［S］.

［3］夏美霞，鄧協和，孫斌，等.安全門的噪聲及其測試方法的研究——對標準CJ/T 236—2006有關條文的修改建議［J］.城市軌道交通研究，2011(8):13.

［4］陳海輝，胡躍明，熊建明.地鐵安全門的直流驅動電源設計［J］.華南理工大學學報:自然科學版，2002，30(5):50.

［5］賈起民，鄭永令，陳暨耀.電磁學［M］.3版.北京:高等教育出版社，2010.

［6］李國慶，張春生.城市軌道交通發展中的安全門創新［J］.都市快軌交通，2007，20(5):81.

［7］吳明暉.地鐵站臺屏蔽門系統隱患分析及改進研究［J］.城市軌道交通研究，2011(5):55.