基于直流发电机和电磁制动器的新型高楼逃生缓降机

陈品志，姚荣华，何鹏飞

CHEN Pin-zhi, YAO Rong-hua, HE Peng-fei

（北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081）

0 引言

随着经济的发展，城市高楼高度不断增加，密度日益密集，高层建筑的安全隐患也逐渐增多。由于时间、空间等诸多因素限制，在发生火灾或者爆炸等突发灾难时，安全迅速的疏散人群的问题越来越受到人们的重视。

目前市面上已有多种高楼缓降装置，其中有一类是具有备用电源的大型电控多人缓降装置。这类装置相当于是一部额外的应急电梯，在控制电路的作用下，无论负载重量的大小，装置下降速度能保持稳定，但此类装置有成本高，占用空间大等缺陷，因而很少应用。另外一类为无需电源的小型缓降装置，这类装置的缓降原理主要有流体阻尼式、摩擦阻尼式、手控式等。流体阻尼式和摩擦阻尼式的缺陷为下落速度会随使用者体重增加而增大，手控式的缺陷为下落速度需要使用者控制，对使用者身体条件有一定要求，不适用于老人小孩以及行动不便者。

综合分析了各类逃生缓降装置的优缺点，笔者设计制作了一套基于直流发电机与电磁制动器的逃生缓降装置，其兼有电控缓降装置对速度精确控制和小型缓降装置成本低廉、体积重量小、无需外接电源等优点。

1 结构及原理

该逃生缓降装置结构如图1所示。固定不转的心轴3固定在机架8上。绳筒2上绕有钢丝绳，通过滚动轴承支撑于心轴3上并轴向固定。绳筒3的转动通过传动比1：7的NGW型行星齿轮组1传递至空心轴7，空心轴7通过滚针轴承支承于心轴3上，使其能自由周向旋转，并用弹性挡圈进行轴向位置固定。锥齿轮组4将空心轴7的转动换向后传递给直流发电机5。电磁制动器6的固定端与机架8固连，活动端以键的形式与空心轴7相连接，周向固定并能轴向自由滑动。

人下落时带动绳筒2旋转，在行星轮系1的作用下空心轴7的转速为绳筒2的7倍。空心轴7通过锥齿轮组4将旋转运动传递至直流发电机5。直流发电机在外力矩带动下转动时能产生电动势，起到发电机的作用，它发出的电能一方面提供给电磁制动器6，另一方面提供给自动控制电路。空心轴7同时带动电磁制动器6的活动端旋转。当使用者下降速度大于预定值V1时电磁制动器开始工作，其活动端被电磁吸力吸引至固定端的摩擦面上产生制动摩擦力矩，当使用者下降速度小于预定值V2时，电磁制动器停止工作，使用者下降速度上升。通过预先设置合适的V1、V2值即能实现下降速度稳定在V1，V2之间的功能。

2 直流发电机的发电性能测试

2.1 实验设备参数

1）发电机：由于小型24V的直流发电机很少见，因此选用24V永磁有刷直流电动机代替。其型号为直流24V，额定转速7400rpm，经端部减速器减速后额定转速300rpm，最大负载电流2A，减速后额定输出力矩0.76N·m，最大输出力矩2.4N·m，额定功率35W。

图1 主要结构图

2）电磁制动器：直流24V，额定电流0.83A，额定功率20W，额定功率下制动力矩20 N·m。

3）0-500rpm无级变速手持电钻，输出力矩＞40 N·m。

4）数字式万用表。

5）磁传感器式转速表。

2.2 实验方法与结果

方法：用手持电钻将发电机动力输入轴夹紧，手持电钻带动发电机转动，用转速表测发电机转速n，用数字式万用表测发电机的输出电压U。测量两次，第一次发电机空载，第二次接上电磁制动器。

结果：空载时测量数据如表1所示，接负载时测量结果如表2所示。

从数据中能看出电压和转速呈现很强的线性关系，使用MATLAB一阶拟合得：

空载时U=0.0476×n，接负载时U=0.0382×n，如图1所示。

3 电磁制动器阻力矩计算

电磁制动器工作原理是固定端内部线圈通电后产生磁场，可视为一个直流电磁铁，将铁质活动端吸合于固定端摩擦面上产生摩擦力矩T，T的计算公式为：

表1 空载发电机输出电压U与转速n的关系

表2 接负载时发电机输出电压U与转速n的关系

图2 抗冲击原理图

式中 F——电磁吸力

R——摩擦面平均半径

式(1)中R为定值，因此摩擦力矩T仅与电磁吸力F有关，F的计算公式为：

式中 B0气隙中的磁感应强度

S0空气隙的截面积

式(2)中仅B0为变量，其值与通过线圈电流I平方成正比，而直流电磁铁电流I与线圈两端电压U成正比，因此电磁制动器制动力矩与线圈两端电压U的平方成正比。当U=24V，即额定值时，制动器产生制动力矩为额定值20 N·m。据此能推算出任意电压值U1时电磁制动器产生的制动力矩T1为：

根据3.2所求出的U1和n的关系与式(3)能得到任意转速n下电磁制动器能产生的的制动力矩T1。如图2所示。

实际使用中电磁制动器需要提供的制动力矩T1为：

其中m为使用者体重，R=0.1m为绳筒半径，I=7为行星轮系增速比。

图3 转速n与电磁制动器制动力、制动力矩关系图

4 控制电路

控制电路由速度反馈、运算处理和开关控制3部分组成。速度反馈部分由光电码盘和光电传感器组成，运算处理部分由STC51单片机及其附属电路构成，开关控制部分由5V电磁继电器构成。速度反馈部分的功能是按一定比例将空心轴转速n转化成脉冲频率f，通过测量脉冲频率f即能计算出空心轴的转速n。运算处理部分的作用是接收光电传感器发出的脉冲信号f，并与内部程序预设值f1、f2进行比较，f1对应的空心轴转速n1=525rpm，绳筒转速为n2=75rpm，对应使用者下降速度为V1=0.785m/s（绳筒半径0.1m）。f2对应的空心轴转速n1'=400rpm，绳筒转速n2'=57.14rpm，对应使用者下降速度为V2=0.6m/s。当f＞f1时，即使用者下降速度大于0.785m/s时，在单片机的控制下电磁制动器开始工作。当f＜f2时，即使用者下降速度小于0.6m/s时在单片机的控制下电磁制动器停止工作。

图4 控制电路流程图

控制电路工作流程图如图3所示。

5 实机测试结果

为了验证装置的性能，笔者设计制作了一台样机，以下是实际试验得到的数据。

表3 装置下降速度测试结果

6 结论

随着城市化的进行和高楼业的蓬勃发展，为了保证人们的生命安全，目前已经发明了多种逃生缓降器。从社会需求出发，笔者发明了文中所述的高楼逃生缓降机，通过文中对直流发电机，电磁制动器性能的研究，从理论上阐释了此种方法的可行性。并且笔者制作了一台样机进行试验，试验结果表明，此高楼缓降机能很好的完成缓降的功能，使得不同质量的负载均能以几乎相同的速度缓降，此优点是目前绝大多数高楼缓降机所不具备的。并且此缓降机制动部分采用技术成熟，商品化程度高的直流电动机与电磁制动器，有价格低廉、性能稳定、质量轻体积小等优点，具有很强的市场推广价值。并且文中所述的直流电机和电磁制动器组成的转速控制系统不仅能应用于高楼缓降机，也能应用于其他需要控制转速并且不能外接电源的场合。具有很广阔的应用前景。

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