一种自动扶梯用混合励磁电磁铁的设计分析

杨忠良 刘哲民

（1.天津大学，天津 300072；2.天津市西青区华兴电机制造有限公司，天津 300380）

在自动扶梯中制动器是其重要的组成部件，而制动器中电磁铁是主要的部件。自动扶梯制动器的基本结构如图1所示。

图1 动扶梯制动器基本结构

其工作原理为，自动扶梯起动时电磁铁得电，此时电磁铁的推力大于弹簧的压力，即FE＞FM。电磁铁闭合顶开制动臂脱离轮毂。自动扶梯关闭时电磁铁失电，电磁力为零，弹簧压制动臂锁紧轮毂。由于自动扶梯在无故障情况下每天仅起动关闭一次，电磁铁长时间处于得电情况下，并且在此状态下电磁铁的气隙近似为0，这时电磁铁的磁阻很小，但电磁铁的设计需按起动时气隙最大时计算，这样在电磁铁运行过程中如果按起动状态供电，发热量大，电磁铁体积一般设计较大，造成原材料和能源的浪费。

为解决这个问题，相关科技人员做了大量工作。在驱动电路的设计方面，国内外的一些产品主要采用并联强励磁驱动和无触点电子调压电流反馈控制技术及PLC或单片机等智能控制系统的控制技术[1]。在电磁铁的磁场设计方面，主要是通过电磁场分析对机械结构进行优化[2-4]。这些方法主要是通过电力电子技术来控制电磁铁输入电压或输入电流从而使电磁铁在闭合状态时发热量减少及通过结构和磁场的分析优化结构和磁场从而使电磁铁的温升及磁力满足要求并且节约电能。

1 混合励磁电磁铁的结构、原理

本文分析的混合励磁电磁铁主要为在衔铁中增加与磁通方向一致的永磁体，并且在磁路中还保持原有的一部分磁路，使永磁磁路与电励磁磁路并联[5]。其原理为由永磁体提供电磁力 Fmagnet，励磁线圈提供电磁力 Fcoil，这个两个力之和大于弹簧的压力，即 Fcoil+Fmagnet＞FM，并且永磁体产生的力和励磁线圈产生的力都小于弹簧压力，即 Fcoil＜FM，Fmagnet＜FM。其结构如图2所示。

该电磁铁在未通电时，端部气隙最大，永磁体本身产生的磁通在很大部分不通过端部气隙，沿衔铁本身闭合，磁力很小，此时弹簧的压力远大于电磁铁的磁力，衔铁不动作，如图3所示。

图2 混合励磁电磁铁结构示意图

图3 未通电状态磁力线分布

在通电保持情况下，端部气隙接近 0，线圈产生的磁场与永磁体产生的磁通经过端部气隙循环如图4所示。这时主要依靠永磁体产生的磁力，线圈产生电磁力可以很小，即需要很小的电流，从而降低电磁铁的发热。

图4 通电保持状态磁力线分布

在电磁铁的励磁线圈断电后，仅衔铁中的永磁体的磁势在气隙处产生磁力，但设计上使此磁力小于弹簧的压力，即Fmagnet＜FM，衔铁动作，电磁铁打开。

同电励磁电磁铁相比，混合励磁电磁铁励磁线圈中的电流可以减小，有效的降低了电功率，发热量减少，适合用自动扶梯等环境中使用。

2 混合励磁电磁铁的设计与分析

2.1 设计要求（见表1和表2）

表1 混合励磁电磁铁样机的设计参数

表2 混合励磁电磁铁的设计方案

2.2 电磁场分析结果

混合励磁电磁铁的磁路复杂，为对磁路进行合理地设计，需要对其电磁场分析。图5所示为当电磁铁处于打开状态时即气隙最大时磁通密度在电磁铁内部的分布情况。图6所示为当电磁铁处于闭合状态时即气隙最小时磁场在电磁铁内部的分布情况。

图5 电磁铁打开状态磁场图

图6 电磁铁闭合状态磁场图

2.3 测试结果

图7和表3为常规电励磁电磁铁的试验结果数据。图8和表4为混合励磁电磁铁的试验结果数据。

图7 常规电励磁电磁铁力特性曲线

图8 混合励磁电磁铁力特性曲线

表3 常规电励磁电磁铁温升试验数据

表4 混合励磁电磁铁温升试验数据

由测试结果可以看出，混合励磁电磁铁在保持状态主要依靠永磁体励磁，需要的励磁电流很小，减小了电磁铁的发热损耗，可以显著降低电磁铁的温升，进一步在温升允许情况下，电磁铁体积可以减小以减低材料消耗。

3 结论

采用并联永磁体磁路，混合励磁电磁铁提高了电磁铁的效率，降低电磁铁的发热和温升，适合于自动扶梯制动器等工业领域。

[1]吴泰龙.国外电磁制动器的现状和发展[J].电气应用,1988(7): 41-42.

[2]钱秀英,倪光正.螺管式电磁铁吸力特性的数值分析[J].西安交通大学学报,1983,17(2):61-71.

[3]计生君.新型盆口式电磁铁吸力的分析计算[J].铁道学报,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]夏天伟,曹云东,孙鹏,来常学.稀土永磁在起重电磁铁中的应用[J].电气开关,1994(4):14-20.