郭峻豪, 汪旭東, 許孝卓, 劉亞平

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南 焦作 454000)

隨動(dòng)直線(xiàn)式制動(dòng)器的特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭峻豪, 汪旭東, 許孝卓, 劉亞平

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南 焦作 454000)

針對(duì)傳統(tǒng)曳引式電梯的工作機(jī)理及制動(dòng)器安裝位置的不同,結(jié)合液壓制動(dòng)器和車(chē)用電磁盤(pán)式制動(dòng)器的特點(diǎn),文章提出了一種適用于直驅(qū)電梯的隨動(dòng)直線(xiàn)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu),以新型雙E型電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)源并通過(guò)增力機(jī)構(gòu)將力放大;建立了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的有限元模型,采用磁路法分析制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的磁密和電磁吸力等特性,并利用有限元的方法對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明,優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁吸力得到顯著提高,對(duì)直驅(qū)電梯電磁制動(dòng)器的研究具有一定的參考價(jià)值。

制動(dòng)器;驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);磁路法;有限元法;電磁吸力

傳統(tǒng)曳引式電梯鋼索的使用是制約電梯進(jìn)一步發(fā)展的根本原因,因此,電梯無(wú)繩化驅(qū)動(dòng)成為人們追求的終極目標(biāo),無(wú)繩化能夠甩掉鋼絲繩的束縛、使得單個(gè)井道可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)轎廂、井道高度不受限制,將是未來(lái)電梯的發(fā)展方向[1-2]。因此對(duì)于研究適用于直驅(qū)電梯的電磁制動(dòng)器具有重要意義。目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成功研制出了電磁盤(pán)式制動(dòng)器,但大多應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域[3],適用于直驅(qū)電梯的制動(dòng)器少之又少,而電梯電磁制動(dòng)器都是傳統(tǒng)曳引式抱閘式制動(dòng)器。因與傳統(tǒng)曳引式(有繩)電梯工作機(jī)理及制動(dòng)器安裝位置的不同,所以傳統(tǒng)的電磁制動(dòng)器不適用在先進(jìn)的直驅(qū)電梯上。

由于直驅(qū)電梯制動(dòng)器使用環(huán)境的特殊性,對(duì)其性能有特殊的要求。首先制動(dòng)器要有良好的制動(dòng)性能,這是電梯運(yùn)行安全的首要標(biāo)準(zhǔn)[4];其次,對(duì)制動(dòng)器的體積、重量、結(jié)構(gòu)等有嚴(yán)格的要求。

永磁同步直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電梯(直驅(qū)電梯)隨動(dòng)直線(xiàn)式制動(dòng)器是以電磁裝置為驅(qū)動(dòng)力的制動(dòng)器,具有動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、安全可靠、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。電磁制動(dòng)器的反應(yīng)速度比液壓制動(dòng)器快了近10倍,電磁制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間為40～50 ms,而液壓制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間為300～400 ms[5]。

本文研究的直驅(qū)電梯隨動(dòng)直線(xiàn)式制動(dòng)器是在傳統(tǒng)液壓盤(pán)式制動(dòng)器和汽車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器的基礎(chǔ)上,以適用于直驅(qū)電梯的設(shè)計(jì)思想,對(duì)機(jī)械增力機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計(jì)[6-9],借助AutoCAD等軟件建立模型,對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究分析,以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為動(dòng)力源,經(jīng)滑觸增力機(jī)構(gòu)將電磁吸力放大數(shù)倍以克服制動(dòng)彈簧彈力,使電梯安全運(yùn)行。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 隨動(dòng)直線(xiàn)制動(dòng)器工作原理

直驅(qū)電梯制動(dòng)器安裝在轎廂上,與直線(xiàn)T型軌作用制動(dòng),區(qū)別于傳統(tǒng)電梯通過(guò)鋼絲繩作用到轎廂。無(wú)配重,期望盡可能減小制動(dòng)器質(zhì)量(自重比大),要遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)鉗盤(pán)式制動(dòng)器的效果。制動(dòng)器是一種常閉式制動(dòng)器,斷電制動(dòng),通電打開(kāi)。

雙邊型PMLSM電梯樣機(jī)如圖1所示。

圖1 雙邊型PMLSM電梯樣機(jī)

圖1中,直驅(qū)電梯的PMLSM(永磁同步直線(xiàn)電機(jī))采用長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)的布置方式,制動(dòng)器固定在轎廂架上,轎廂架與永磁同步直線(xiàn)電機(jī)的次級(jí)(動(dòng)子)相連,制動(dòng)鉗及整個(gè)液壓系統(tǒng)固定在轎廂架上。當(dāng)電梯處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),液壓系統(tǒng)不工作,這時(shí)制動(dòng)鉗在制動(dòng)彈簧彈力作用下,將制動(dòng)軌抱緊,保證電梯停車(chē);當(dāng)直驅(qū)電梯通電瞬間,制動(dòng)器液壓系統(tǒng)通電工作克服制動(dòng)彈簧的彈力,從而帶動(dòng)制動(dòng)臂使制動(dòng)鉗張開(kāi),與制動(dòng)軌脫離,電梯得以運(yùn)行;當(dāng)電梯轎廂到達(dá)所需停站樓層時(shí),在直驅(qū)電梯的永磁同步直線(xiàn)電機(jī)失電同時(shí),制動(dòng)器液壓系統(tǒng)也失電,制動(dòng)鉗在制動(dòng)彈簧彈力的作用下通過(guò)制動(dòng)臂復(fù)位,制動(dòng)鉗再次將制動(dòng)軌抱住,電梯停車(chē)。直驅(qū)電梯制動(dòng)器系統(tǒng)由制動(dòng)鉗、制動(dòng)彈簧和液壓系統(tǒng)組成,整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)特別是液壓系統(tǒng)尺寸大、且笨重。

本文提出如下驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求:① 經(jīng)初步計(jì)算驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁吸力F不小于2 200 N,只有這樣才能經(jīng)過(guò)機(jī)械增力機(jī)構(gòu)放大使F1達(dá)到7 800 N才足以克服制動(dòng)彈簧彈力;② 功率要適當(dāng),電流不易過(guò)大。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在電梯運(yùn)行時(shí)處于通電狀態(tài),防止長(zhǎng)時(shí)間工作驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈溫升過(guò)高絕緣損壞;③ 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)、尺寸合理,選取合適的線(xiàn)圈匝數(shù)和線(xiàn)徑。

本文所提出的隨動(dòng)直線(xiàn)式制動(dòng)器如圖2所示。圖2a所示為制動(dòng)器的整體結(jié)構(gòu),根據(jù)使用需求、體積、重量的限制,該結(jié)構(gòu)通過(guò)滑觸增力機(jī)構(gòu)和杠桿共同作用的二級(jí)增力機(jī)構(gòu)保證電梯的正常運(yùn)行;圖2b所示為制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu),采用新雙E型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),與線(xiàn)圈分別纏繞在2個(gè)E型鐵芯柱相比,其特點(diǎn)是線(xiàn)圈全部纏繞在固定E型電磁鐵體上,這樣可以避免當(dāng)氣隙過(guò)大時(shí)磁力線(xiàn)短路的情況;與傳統(tǒng)E型電磁鐵相比,鐵芯柱采用帶傾角的斜面,對(duì)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以在非常短的時(shí)間內(nèi)獲得極大的電磁吸力,而且充分利用了空間,具有節(jié)能、噪音小等優(yōu)點(diǎn)。

1.減噪片 2.線(xiàn)圈 3.定E型鐵芯4.動(dòng)E型鐵芯 5.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 6.制動(dòng)鉗圖2 隨動(dòng)直線(xiàn)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

1.2 力學(xué)模型分析及計(jì)算

制動(dòng)器力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 制動(dòng)器力學(xué)模型

圖3中,F為固定E型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)可動(dòng)E型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁吸力的大小;FC為對(duì)F折算后有效的電磁吸力的大小,考慮到損耗,折算關(guān)系為:

FC=F/1.4

(1)

制動(dòng)臂反彈力的大小F1與制動(dòng)彈簧反彈力的大小Fk之間應(yīng)滿(mǎn)足:

F1=itFC>Fk

(2)

其中,it為滑觸機(jī)械增力機(jī)構(gòu)的增力系數(shù),即

it=1/(2tanβ)

(3)

實(shí)際工程中,滑觸增力角度β不可能無(wú)限小,本文根據(jù)設(shè)計(jì)需要,取β=6,則增力系數(shù)it=5。

制動(dòng)閘片作用于導(dǎo)軌上的正壓力F0與制動(dòng)臂反彈力F1之間滿(mǎn)足杠桿平衡原理,取力臂比為2,得到F0與F1之間的關(guān)系為:

F0=2F1

(4)

綜合可以得到F與FC的關(guān)系為:

(5)

1.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的磁路計(jì)算

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)磁路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)磁路

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)磁路可以分為如下兩路:① 經(jīng)過(guò)固定主鐵芯、固定E型左鐵軛、左固定鐵芯柱、左氣隙、左動(dòng)鐵芯柱、左動(dòng)鐵軛、動(dòng)主鐵芯及主氣隙,形成回路;② 經(jīng)過(guò)固定主鐵芯、固定E型右鐵軛、右固定鐵芯柱、右氣隙、右動(dòng)鐵芯柱、右動(dòng)鐵軛、動(dòng)主鐵芯及主氣隙,形成回路。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等效磁路如圖5所示,為簡(jiǎn)化計(jì)算,這里計(jì)算各個(gè)氣隙的橫截面積時(shí)不加修正系數(shù),只考慮工作氣隙磁阻,不考慮鐵芯磁阻、漏磁阻。

圖5 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等效磁路

由磁路的歐姆定律得:

Um=φ0R0+φ1R1

(6)

利用基尓霍夫定律得:

φ0=φ1+φ2

(7)

磁阻用磁路的特性和有關(guān)尺寸表示為:

Rm=L/(μS)

(8)

由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)得:

φ1=φ2,R1=R2

(9)

綜合可以得到:

B=μ0NI/(2δsinα)

(10)

根據(jù)電磁吸力經(jīng)典理論知:

(11)

S0的計(jì)算公式為:

S0=(d/cosα-δsinα)D

(12)

則有:

(13)

由電路的歐姆定律得:

(14)

其中,Um為激勵(lì)磁勢(shì);R0為主氣隙磁阻;φ0為主磁通;R1為左氣隙磁阻;φ1為左氣隙磁通;R2為右氣隙磁阻;φ2為右氣隙磁通；F為電磁吸力的大小;B0為工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度;S為等效端面面積;μ0為空氣磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7;I為線(xiàn)圈電流;δ為氣隙;d為左、右鐵芯柱寬度;D為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸向長(zhǎng)度;α為鐵芯柱傾斜角度;N為線(xiàn)圈匝數(shù);Rxq為線(xiàn)圈電阻;ρx為線(xiàn)圈電阻率;Dpj為線(xiàn)圈平均直徑;qx為導(dǎo)線(xiàn)截面積。

2 有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 仿真分析

根據(jù)上文分析,本文所設(shè)計(jì)的電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)基本參數(shù)

建立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元模型，如圖6所示，采用有限元分析方法,分析驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布情況,并且對(duì)整個(gè)吸合過(guò)程中電磁吸力隨氣隙變化情況進(jìn)行研究。

圖6 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元模型

本文設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)螺管式帶傾角電磁鐵的設(shè)計(jì)原理,即

(15)

其中,Fbz為帶傾角鐵芯柱電磁吸力的大小;FbP為平行鐵芯柱(傳統(tǒng)結(jié)構(gòu))電磁吸力的大小。

首先,通過(guò)有限元計(jì)算得到不同氣隙、電流下電磁吸力的特性曲線(xiàn),如圖7所示。

圖7 不同氣隙、電流的電磁吸力特性曲線(xiàn)

由圖7可以看出,在電流10 A、氣隙6～8 mm時(shí),電磁吸力的增長(zhǎng)幅度很大,但隨著氣隙的減小,增長(zhǎng)幅值也減小。電流10、1.35 A磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖的對(duì)比如圖8所示,雖然電流10 A、氣隙1 mm和電流1.35 A、氣隙1 mm的電磁磁力都達(dá)到設(shè)計(jì)所需制動(dòng)力，但由圖8可以看出電流10 A、氣隙1 mm時(shí),驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度大面積飽和,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)效率大幅下降,而1.35 A、氣隙1 mm時(shí)磁密得到充分利用。

圖8 不同電流的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖

2.2 不同結(jié)構(gòu)對(duì)電磁吸力的影響

10 A、 8 mm不同結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖如圖9所示。以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖9a作為對(duì)比基準(zhǔn),提出圖9b所示的弧形結(jié)構(gòu)和圖9c、圖9d所示的傾角結(jié)構(gòu),利用有限元分析來(lái)驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。

由于受驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、尺寸等其他因素,特別是鐵心柱的長(zhǎng)度、寬度、高度的影響,10 A 、8 mm下不同角度對(duì)應(yīng)的電磁吸力如圖10所示。由圖10可知,在相同的激勵(lì)電流下,不同角度的鐵芯對(duì)磁路的影響比較大。

圖9 10 A 、8 mm不同結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖

圖10 10 A 、8 mm下不同角度對(duì)應(yīng)的電磁吸力

圖10結(jié)果表明:當(dāng)鐵芯柱傾斜角度小于51°時(shí)電磁吸力隨著角度的減小吸力也在不斷減小;當(dāng)鐵芯柱傾斜角度大于51°時(shí)電磁吸力隨著角度的增大,吸力也在不斷減小。本文所提傾角結(jié)構(gòu)在δ=51°時(shí)電磁吸力達(dá)到最大值2 882.6 N。此時(shí)的磁感應(yīng)矢量圖僅以33°和51°為例,如圖9c、9d所示,51°磁密要優(yōu)于33°時(shí)的磁密。

10 A不同氣隙對(duì)應(yīng)電磁吸力特性曲線(xiàn)如圖11所示,圖11仿真結(jié)果表明,在初始電流10 A、初始?xì)庀? mm時(shí),電磁吸力都滿(mǎn)足制動(dòng)所需,帶傾角結(jié)構(gòu)的電磁吸力最大、弧形結(jié)構(gòu)次之、傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)最差。雖然隨著氣隙減到6 mm以下,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電磁吸力最好、弧形結(jié)構(gòu)次之、帶傾角結(jié)構(gòu)的電磁吸力最差,但是由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)從初始到穩(wěn)定狀態(tài)一般也就40～50 ms,時(shí)間極短,并且驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)幾乎工作在穩(wěn)定1 mm狀態(tài),此時(shí)不同電流對(duì)應(yīng)的電磁吸力特性曲線(xiàn)如圖12所示。

圖11 10 A不同氣隙對(duì)應(yīng)電磁吸力特性曲線(xiàn)

綜合可以看出傾角結(jié)構(gòu)為最佳結(jié)構(gòu),最終制動(dòng)器各部件初始、穩(wěn)定受力數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3所列。

圖12 1 mm不同電流對(duì)應(yīng)電磁吸力特性曲線(xiàn)

從圖12可以看出,在激勵(lì)電流1.35A時(shí),3種結(jié)構(gòu)都滿(mǎn)足制動(dòng)所需要求,但傾角結(jié)構(gòu)最好,弧形結(jié)構(gòu)次之,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)最差。

表2 制動(dòng)器初始各部件受力分析

表3 制動(dòng)器穩(wěn)定各部件受力分析

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)磁路分析,與傳統(tǒng)水平結(jié)構(gòu)相比,帶有弧度和傾角的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)具有更高的氣隙磁密。

(2) 采用有限元的方法對(duì)不同驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁吸力進(jìn)行了分析計(jì)算,得到了傾角結(jié)構(gòu)為最優(yōu)結(jié)構(gòu),并對(duì)其結(jié)構(gòu)下的傾角進(jìn)行了優(yōu)化分析,得出在α=51°時(shí)最優(yōu)。

(3) 對(duì)于最優(yōu)傾角結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)水平結(jié)構(gòu)相比,在初始狀態(tài),電磁吸力增大了30.5%;在穩(wěn)定狀態(tài),電磁吸力增大了32.4%。優(yōu)化后制動(dòng)器的性能得到了顯著提高。

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Characteristicanalysisandoptimizationdesignoflinearservobrake

GUO Junhao, WANG Xudong, XU Xiaozhuo, LIU Yaping

(School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

In view of the working mechanism and brake installation position of traditional traction type elevator, and according to the characteristics of hydraulic brake and motor electromagnetic disc brake, a kind of linear servo brake structure which is suitable for direct-drive elevator is proposed. A new type of double E electromagnetic drive mechanism is used as the driving source of the brake and then the electromagnetic force is amplified with reinforcement mechanism. The finite element model of the drive mechanism is established, the magnetic density and electromagnetic force of the brake drive mechanism are analyzed by using magnetic circuit method, and the drive mechanism parameters are optimized through finite element method(FEM).The results show that the electromagnetic force of the optimized drive mechanism is improved significantly, the new structure has a certain reference value for the study of direct-drive motor electromagnetic brake.

brake; drive mechanism; magnetic circuit method; finite element method(FEM); electromagnetic force

2016-04-12；

2016-06-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U150410164);河南省教育廳自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目(13A470337)和河南省國(guó)際合作資助項(xiàng)目(144300510014)

郭峻豪(1990-),男,河南寶豐人,河南理工大學(xué)碩士生; 汪旭東(1967-),男,江西景德鎮(zhèn)人,博士,河南理工大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.10.011

TM574

A

1003-5060(2017)10-1355-05

(責(zé)任編輯 張 镅)