现代电梯用节能电磁制动器的分析与设计

摘要电磁制动器是工矿企业常用的控制设备，广泛应用于冶金、建筑、化工、电梯等机械设备中。传统的电磁制动器在工作过程中，制动电磁铁励磁线圈始终通有额定电流，不仅过多地消耗电能，而且对制动器的使用寿命也有不利影响。本文在分析电梯用电磁制动器工作特性的基础上，提出了一种降低电磁制动器能耗的设计办法。该方法通过控制电磁制动器线圈电压，使制动器在起动时具有较大的电流使之吸合，吸合后只有较小的维持电流保持吸合状态，达到了节能的目的。

关键词电梯；节能电磁制动器；分析与设计

1 电磁制动器的结构和原理

电磁制动器一般采用常闭式制动器，所谓常闭式制动器，是指制动器电磁线圈无电流通过时，制动器处于制动状态，制动力矩由摩擦力产生；当电磁线圈接通电源时，制动器即松开。电磁制动器可分为交流和直流两种，直流电磁制动器制动平稳，体积小，工作可靠，不产生磁滞损耗与涡流损耗，因此，制动器多采用直流电磁制动器。

2 电磁铁动态特性分析

线圈通电时，衔铁产生的电磁吸力为：

F=B2S/μ0（1）

式中，B为工作气隙磁密，S为工作气隙有效面积，μ0为空气磁导率。

此时，线圈激磁总电流（线圈匝数N和线圈电流的乘积NI）等于导磁体各部分磁压降与工作气隙磁压降之和。本文中导磁体包括端盖、机壳、导磁体、衔铁四个部分。

NI=∑HL=∑（H1L1+H2L2+…）+Bδ/μ0（2）

式中，N为线圈匝数，I为线圈电流，H为导磁体磁场强度，L为导磁体磁路长度。

为便于分析讨论，仅讨论制动器起动和维持时的电磁吸力特性。

（1）制动器起动时，综合式（1）、式（2）得起动时的电磁吸力为：

F=[IN-∑（H1L1+H2L2+…）]2Sδμ0/δ2（3）

此时，工作气隙最大，磁路磁阻最大，线圈激磁总电流很大一部分消耗在工作气隙上。本文中线圈激磁总电流为5451A时，Maxwell有限元计算气隙磁压降为3960A，忽略漏磁通，导磁体磁压降为1491A，可见此时线圈激磁总电流很大一部分消耗在工作气隙上，故需要较大的起动电流才能使制动器吸合。此时Maxwell有限元计算的制动器电磁吸力为3881N。（2）制动器维持时，工作气隙为0，磁路磁阻最小，此时NI=∑（H1L1+H2L2+…），忽略漏磁通，线圈激磁总电流完全消耗在导磁体上。本文中线圈激磁总电流为1491A时，等于（1）中导磁体磁压降，此时Maxwell有限元计算电磁吸力为5184N。可见同样大小的导磁体磁压降，维持时的电磁吸力较起动时的大许多，主要原因是起动时漏磁大一些，维持时漏磁较小，可以忽略不计。

可见，电磁制动器起动时，工作气隙消耗了大部分的激磁总电流，此时需要大电流才能起动，制动器维持时无工作气隙的影响，线圈激磁总电流完全消耗在导磁体上，小电流也能将制动器维持住[1]。

3 电磁制动器的有限元分析

3.1 有限元计算

用Maxwell 2D对制动器进行建模，根据制动器尺寸建立的二维有限元模型。建模后给制动器的各个部分指定材料，设定边界条件和求解条件几个步骤后，即可以进行有限元计算。

3.2 仿真分析结果

图2为Maxwell静态场中仿真分析得到的起动和维持时的电磁吸力与线圈电压曲线。从图

2可以看出，制动器起动时，工作气隙最大，磁路磁阻最大，需要较大的起动电流，也即需要较高的线圈电压才能使制动器吸合。此时最低起动电压约为77V。设计时考虑到制动器线圈电压允许±20%的波动，80%额定电压制动器还能正常起动。由图2可知线圈电压88V 起动时的电磁吸力为3836N，约为弹簧反力的1.4倍，可以将制动器顺利起动。

制动器维持时，工作气隙为0，磁路磁阻最小，由图2可得出较小的线圈电压，也即较小的维持电流也能将制动器吸合。此时最低维持电压约为22V。设计时考虑到制动器线圈电压允许±20%的波动，将维持电压设计为35V。此时电磁吸力为5790N，约为弹簧反力的1.8倍，足够维持制动器吸合[2]。

4 电磁制动器能耗分析

電磁制动器是一个感性负载，它可以等效为线圈电阻R和线圈电感L串联，开始通电时，电磁制动器开始起动，线圈中的电流将从0开始，按指数规律增长至最大电流Im=U/R，此时电磁制动器进入维持吸合状态。

在满足制动能力的情况下，制动器开启滞后时间不超过0.8s。计算时假设电磁制动器起动时间为0.8s，计算维持时间时以10层楼高的乘客梯为参考，且假设乘客到达每层楼的概率一样。每层楼高为3.5m，电梯速度1.5m/s，上一层楼制动器维持时间约为2.3s。一个乘客站在1-10层分别到达其他楼层的电磁制动器总起动时间t1=0.8×9×10=72s，电磁制动器总维持时间t2=2.3×（45+37+31+27+25）×2=759s。那么电磁制动器线圈发热总能耗为P=P1t1/（t1+t2）+P2t2（t1+t2）=（U12/R）t1/（t1+t2）+（U22/R）t2（t1+t2）=（U21t1+U22t2）/（R（t1+t2））式中，P1为制动器起动能耗，P2为制动器维持能耗，U1为起动电压，U2为维持电压，R为线圈电阻。制动器线圈热态电阻为37.1Ω，按照上式计算得到传统电磁制动器与节能电磁制动器电气参数对比如表2。

由表2可以得出节能电磁制动器具有大电流起动，小电流维持的优点。较传统电磁制动器

节电80%左右，节能效果显著。同时，由于维持电流很小，从而使线圈的工作发热较小，制动器线圈温升较低，可选用较强的漆包线绕制线圈，节省铜材。由于维持电流很小，从而使衔铁在维持状态断电后，相应的剩磁也减小，容易释放。

5 结束语

针对传统电磁制动器控制中存在的诸多问题，设计了节能控制电路，实现了电磁制动器的节能控制。Maxwell有限元计算表明，电磁制动器大电流起动、小电流维持的设计方法是正确的，线圈起动电压采用直流110V，维持电压采用直流35V是可行的。以10层楼高的乘客电梯用电磁制动器为例，节能电磁制动器较传统电磁制动器节电80%左右，节能效果显著。

参考文献

[1] 陈兴达.新型盘式比例电磁铁的研究[D].杭州：浙江大学，2009.

[2] 李光彬，张雪梅，赵光.基于PWM控制技术的电液比例阀特性的研究[J].中国设备工程，2007，（6）：22-23.

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