常閉式電磁制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析

李孝坤 董 芳 許寶玉

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車車輛學(xué)院，河南鄭州 450000；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 繼續(xù)教育學(xué)院，河南鄭州 450000；3.河南理工大學(xué) 直驅(qū)電梯產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河南焦作 454000)

1 引 言

常閉式電磁制動(dòng)器具有制動(dòng)力大、響應(yīng)快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在提升系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域[1]。張尊睦等人通過改變制動(dòng)器啟、停時(shí)勵(lì)磁線圈的電壓來降低高耗能的缺點(diǎn)[2]，但并未對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；寇寶泉等人提出了一種新型串聯(lián)磁路混合勵(lì)磁直線渦流制動(dòng)器結(jié)構(gòu)方案[3]，推導(dǎo)出了其解析模型；郭俊豪等人設(shè)計(jì)的隨動(dòng)直線式制動(dòng)器[4]適用于直驅(qū)電梯制動(dòng)系統(tǒng)，并對制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；張振川[5]等人設(shè)計(jì)的可快速分閘、具有混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的新型電磁制動(dòng)器，減小了響應(yīng)時(shí)間。結(jié)合以上新型電磁制動(dòng)器的設(shè)計(jì)理念，以降低能耗及實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器輕量化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，將永磁體引入到常閉式電磁制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，利用電磁與永磁磁通量相互耦合的原理，設(shè)計(jì)出了磁路合理、大推力密度的新型電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2 新型電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)工作原理

圖1 電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 The structural diagram of electromagnetic drive mechanism

新型電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(dòng)子通過動(dòng)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(shí)現(xiàn)左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，右動(dòng)子與制動(dòng)彈簧相接，左動(dòng)子外接制動(dòng)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(dòng)器處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中左動(dòng)子與定子間的氣隙為9mm(右動(dòng)子與定子間的氣隙為1mm)，永磁體對右動(dòng)子的吸力與彈簧的回復(fù)力兩者的合力通過動(dòng)子連接板施加到左動(dòng)子上，施力載體左動(dòng)子將制動(dòng)力作用到制動(dòng)臂上。

制動(dòng)解除時(shí)電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(nèi)部形成閉合磁回路，使磁通量φ0盡可能多的穿過左動(dòng)子(磁通量φ6可忽略)，耦合后的磁通量對其產(chǎn)生較大磁吸力，左動(dòng)子在吸力的作用下推動(dòng)右動(dòng)子壓縮彈簧克服其提供的制動(dòng)力；而處于打開維持狀態(tài)時(shí)(左動(dòng)子與定子間氣隙為1mm)，由較小電流勵(lì)磁出的磁通量φ01和永磁體磁通疊加后對左動(dòng)子的吸力即可克服彈簧的回復(fù)力。

圖2 電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)磁通量分布圖Fig.2 The magnetic flux distribution diagram of electromagnetic drive mechanism

3 新型電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)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(jié)合永磁體工作在最佳磁能積點(diǎn)時(shí)磁能(Fm=Hchm/2)，初步確定電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中通電線圈通過熱輻射對永磁體磁穩(wěn)定性產(chǎn)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(shù)可由式(1)確定

(1)

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

其中，取

Kf=0.65，jrx=23A/mm2，I=38A，SAn=460mm2

計(jì)算可得

單根銅導(dǎo)線直徑為

(2)

式中：qdx——單根導(dǎo)線截面積。

參照圓截面電磁線線徑及其絕緣層的厚度標(biāo)準(zhǔn)，取導(dǎo)線直徑ddx=1.45mm，相應(yīng)絕緣層的厚度為0.04mm。

電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(dǎo)線電阻系數(shù)，ρx=0.0219Ω·mm2/m(80℃)；p——接通時(shí)間百分比，p=HB%=1；μm——線圈散熱系數(shù)(μm=(9.5～12.7)W/m2·℃)；fk——填充系數(shù)；bxq——線圈寬度(bxq=12mm)；l——線圈長度；IN——線圈安匝數(shù)(IN=360安匝)；

其中，fk，l理論值可由式(4)確定

(4)

式中：k——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取k=0.83；d1——漆包線直徑(d1=1.49mm)；Qd——導(dǎo)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(jì)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(rèn)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(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)工作穩(wěn)定。

基于理論計(jì)算確定電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 勵(lì)磁線圈基本參數(shù)Tab.1 The basic parameters of excitation coil參數(shù)數(shù)值N/匝180I/A38I0/A2ddx/mm1.45SAn/mm2460θ/℃14.2

4 新型電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性分析

4.1 電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)模型及磁通量

賦予電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)各部件相關(guān)材料，經(jīng)拉伸形成三維實(shí)體模型，為防止空氣對磁場造成影響以確保有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.3 The finite element model of electromagnetic drive mechanism

勵(lì)磁線圈在兩不同值電流(38A，2A)激勵(lì)下，電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部磁通量分布如圖4所示。

圖4 電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在38A電流激勵(lì)下，永磁體磁通與線圈勵(lì)磁出的磁通相互耦合，疊加后的磁通量經(jīng)過左動(dòng)子并對其產(chǎn)生3 541N吸力，磁路中飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低于2.158T，材料導(dǎo)磁率高；線圈通入2A直流電勵(lì)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(yīng)強(qiáng)度降低。

4.2 電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性分析

永磁體的引入增加了電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)對動(dòng)子產(chǎn)生的吸力為評價(jià)指標(biāo)，重點(diǎn)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(jié)構(gòu)如圖5所示，勵(lì)磁線圈在2A電流激勵(lì)下的磁通量分布。

圖5 T型永磁體電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的磁通均與線圈勵(lì)磁出的磁通較好的耦合，但反T型電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)磁路中飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高于L、T型，相較導(dǎo)磁率降低。以工作維持電流I(A)為橫坐標(biāo)，電磁吸力F(N)為縱坐標(biāo)，繪制驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)對左動(dòng)子的電磁吸力曲線，如圖6所示。

從圖6可知，電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)對左動(dòng)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(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)對左動(dòng)子的吸力大于T形及反T形，而含反T形永磁體的電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(yīng)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(lì)磁線圈通入維持電流后，電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)磁通量矢量圖如圖7所示。

圖7 不同型式的電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的絕大部分磁通量均能在定子與左動(dòng)子間形成封閉磁回路，有少量磁通經(jīng)過右動(dòng)子，且磁路中最大磁感應(yīng)強(qiáng)度均小于材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。從磁路中最大磁感應(yīng)強(qiáng)度角度分析，含反U形永磁體的電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)最小，材料的導(dǎo)磁效率最高，含U形永磁體的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)次之，含反對稱形永磁體的結(jié)構(gòu)略低于U型，相比，含H形永磁體的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，材料的導(dǎo)磁率最低，由其構(gòu)成的電磁制動(dòng)器在性能上最差;而對左動(dòng)子的電磁吸力曲線如圖8所示。

圖8 不同型式的電磁驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)對左動(dòng)子產(chǎn)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(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的吸力相差不大，相比含H形永磁體的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電磁吸力最小。

關(guān)于永磁體的結(jié)構(gòu)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(lì)磁線圈電流、動(dòng)定子間氣隙等因素對電磁力也有所影響；以電磁制動(dòng)器解除制動(dòng)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(dòng)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(shù)值表示勵(lì)磁線圈電流I(A)的大小，Y軸數(shù)值表示位移S(mm)量，Z軸數(shù)值表示電磁吸力F(N)的大小。

由圖9可以看出，電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)對左動(dòng)子的電磁吸力隨勵(lì)磁電流的變大及位移的減小而增加，相反，電磁吸力減小；左動(dòng)子在小位移大電流工況下電磁吸力增幅較大，而右動(dòng)子處于相同狀態(tài)時(shí)其所受電磁吸力增幅趨于零，總體上來看，左動(dòng)子受到的電磁吸力增幅較右動(dòng)子平緩，右動(dòng)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(jié)束語

本文將永磁體引入到電磁制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中提出了一種新型電永磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。采用有限元法分析了其內(nèi)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(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電磁吸力最大，磁路中最大磁感應(yīng)強(qiáng)度值較小，材料導(dǎo)磁率高。變氣隙、變電流工況下動(dòng)子所受電磁吸力增長率低，避免了振動(dòng)、沖擊，保證了系統(tǒng)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(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路對大推力密度、輕量化的制動(dòng)器及作動(dòng)器設(shè)計(jì)研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。