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换上节能电磁锁,全国每年可省80亿度电!
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技术背景
       电磁门锁大多采用电磁铁加吸附铁板的结构型式,电磁铁和吸附铁板分别装设于需要锁闭的门框和门扇上,也称为磁力锁。其中电磁铁由电磁线圈和铁芯组成,当电磁线圈通电时产生电磁吸力,将吸附铁板吸住,电磁门锁锁闭;当电磁线圈断电时电磁吸力消失,吸附铁板可随意脱离电磁铁,电磁门锁开启。
       此类电磁门锁具有结构简单、安装方便、工作可靠、特殊(如火警)情况下可统一断电开锁以确保安全等优点,因此在建筑中得到了广泛地应用。据相关报道,目前全国此类门锁的年销量有数千万把,保修量达到数亿把。但是,此类电磁门锁也存在着明显的缺陷——电磁门锁处于锁闭状态时需保持持续通电,能量消耗很大。为此很多业内人士对降低磁力锁的能量消耗进行了有益的探索。

案例分析
案例一
       中国专利申请号为200510045781.7的《磁锁》提出的解决方案是:在门扇和门框上分别装设永久磁铁和电磁铁,并且使永久磁铁的磁极与电磁铁的衔铁磁极对应。工作时:利用永久磁铁的磁力替代通常的电磁铁的电磁力吸附衔铁进行锁闭——锁闭状态下不耗电;根据“同性相斥、异性相吸”原理,利用电磁铁产生与永久磁铁同极性的电磁推力进行开锁——开锁时短暂对电磁铁通电。
       该方案较好地解决了功耗问题。但也存在以下问题。
       一般的永久磁铁磁力有限,很难满足安全要求;若使用特殊的强力永久磁铁,又会给运输、安装等带来很大的不便。
       一旦发生电磁铁线圈短路、开路、系统断电等意外情况时,门锁将无法打开,不符合中华人民共和国公共安全行业标准《楼寓对讲系统及电控防盗门通用技术条件》(GA/T72-2005)中的“6.5.1.4电控锁手动开启功能:当主、备电源同时断电时,应具备能实施手动开锁的功能”的要求,从而可能造成另外的危险发生(例如火灾时的逃生等)。
案例二
       中国专利号为ZL200810040417.5的《一种电磁门锁的节能方法和装置》提出的解决方案如下。
1、从人们对电磁门锁的实际需求出发
       在受到欲非法打开门的情况时,具有很强的抵抗力以阻止门被非法打开——需要很大的电磁吸力。
       在有合法开门需求时,门应能轻易被打开——不应有电磁吸力。
       门已锁闭而无上述二种情况时,门只需维持锁闭状态——仅需很小的电磁吸力。
2、应用电磁力理论分析
       电磁铁在未进入磁饱和的情况下,其电磁力与电磁线圈的安匝数成正比,对于同一个电磁铁,其电磁力与通过该电磁铁线圈的电流成正比。换句话说,电磁力需求越大则所需消耗的电能就越大,反之能耗降低。
       已有的电磁门锁为了确保安全性,都将电磁力设计得很大,因此能耗也很大。但在实际使用中,当门锁处于锁闭状态,若此时并无外力欲将其打开,那么电磁力的大小对门锁保持锁闭状态所做的贡献并无多大差别;如果有外力欲打开电磁门锁,那么当外力小于电磁门锁的电磁力时,门锁可保持锁闭状态,反之,当外力大于电磁门锁的电磁力时,门锁将被强行打开,这时电磁力的大小对门锁的安全性起到了至关重要的作用。
3、自动控制电磁铁供给电流
       提出了在门已锁闭而无外力欲将其打开的的情况时,减小电磁铁的供给电流以减小能耗;在门已锁闭而有非法外力欲打开门的情况时,加大电磁铁的供给电流以满足安全的要求的方法。提供了一个利用弹性材料和相关的位移传感器或位置开关来监测非法外力的发生并对电磁铁供给电流进行自动控制的实施案例。
       该方案较好地解决了电磁门锁安全性和能量消耗的矛盾,在保证电磁门锁安全性的前提下大大降低了电磁门锁的能量消耗。但也存在以下问题:
1、电磁门锁的结构相对复杂,安装调试精度要求较高;
2、在突发大力非法开门的情况下,当装置监测到外力并发出激磁电流增大控制信号后,由于电磁铁的电磁常数较大,电流上升有一时间延迟,电磁力还没来得及升到最大值时,门有可能已被非法打开了。
案例三
       中国专利号为ZL201320018938.7的《一种节能型磁力锁》提出的解决方案的基本原理同案例二,即在无非法外力欲打开门时,采用较小的电磁铁激磁电流,以节省能源;在有非法外力欲打开门时,增大电磁铁的激磁电流,增大电磁力,以提高安全性。但在实施方法上不同,案例二是利用位移传感器或位置开关来监测非法外力,在整个监测期间吸附铁板与电磁铁始终保持紧密吸合;而本案例是利用磁场强度传感器来监测门锁是否已经被非法外力打开,即在吸附铁板已经离开电磁铁时才能监测到非法外力,从而再加大电磁铁的激磁电流,以期能使电磁门锁再次锁闭。
       该方案的优点在于可在已有的电磁门锁基础上加装该装置。但该方案是利用磁场强度传感器对电磁铁与吸附衔铁分离时的漏磁进行监测以取得控制依据的,故存在以下问题。
1、磁场强度传感器的安装位置、安装精度、监测灵敏度的控制等都很难达到理想的要求。
2、众所周知,电磁铁的电磁力同电磁铁与吸附衔铁间隙的平方成反比,即在磁场强度传感器监测到电磁铁与吸附衔铁分离时的漏磁时,电磁铁与吸附衔铁之间已经有了较大的间隙,此时即使不考虑电磁铁的电磁常数,电磁力也已大大降低,除非非法外力撤销,否则无法使门锁重新锁闭。

解决方案
       从以上三个案例分析,除案例二外,案例一和案例三基本无实用价值,而案例二也存在一定的不足。本文笔者提出“一种节能型电磁门锁”的技术方案,能集上述三个案例的优点于一身,很好地解决安全与能量消耗的矛盾,并且还能很方便地在已有的电磁门锁上改造实施。
       整个系统由门框、门扇、机械闭门器、电磁铁、吸附铁板、门锁锁闭探测器以及人体探测器、激磁控制装置等组成。其中门框、门扇、机械闭门器、电磁铁、门锁锁闭探测器、人体探测器等都是目前常用的形式,吸附铁板宜采用硬磁材料制成,激磁控制装置见图1。其中电磁铁、门锁锁闭探测器可为一般市售的组合产品,安装于门框上;吸附铁板安装于门扇上;人体探测器可为市售的红外微波双鉴器(也可为其他种类的人体探测器),安装于门的外侧,以监测进入开门区域的人员,激磁控制装置可集成到门禁开门控制器中。系统的工作过程描述如下。
关门
       在无人出入时,门扇在闭门器的作用下自动关闭。门扇完全关闭后,门锁锁闭探测器动作并向激磁控制器发出信号,激磁控制器收到该信号后控制T1、T3导通,T2、T4截止,电磁铁L得电,吸住吸附铁板并对其充磁。延时一段时间后,控制T1~T4全部截止,此时装置基本不消耗电能,门扇依靠闭门器和吸附铁板的剩磁维持吸附铁板与电磁铁的紧密贴合及门扇的锁闭。控制时序见图2的I段。
门外有人靠近时
       当门外有人靠近时,人体探测器动作并向激磁控制器发出信号,激磁控制器收到该信号后控制T1、T3导通,T2、T4截止,电磁铁L得电,使电磁门锁的吸附力增强。由于从人体探测器监测到人员进入开门区域到人员实施开门动作需一小段时间,而这段时间足以让电磁铁的电磁吸力达到最大值,因此装置能有效防止门扇被非法打开;在门外人员离开后,激磁控制器控制T1?T4全部截止,恢复关门后装置基本不消耗电能的状态。控制时序见图2的II段。
合法开门
       当门内按钮开门或门外通过门禁开门时,按钮开门或门禁开门的信号送达激磁控制器,激磁控制器收到该类信号时,短暂控制T1、T3截止,T2、T4导通,给电磁铁L反向通电,使电磁铁L产生的磁场与吸附铁板的剩磁形成“同性相斥”作用力,把门扇推开;若吸附铁板未被推开,控制T1、T3和T2、T4交替导通与截止,为电磁铁提供交变电流,对吸附铁板消磁,以使合法人员能方便地出入。控制时序见图2的III段。

效益分析
       从以上介绍可知,“一种节能型电磁门锁”能在门扇正常关闭情况下,不给电磁铁供电,以节约能源;在门有被非法打开的可能时,提供足够大的电磁力,以确保安全性。装置在整个使用期间,仅在开、闭锁瞬间及门外人员接近并且门锁闭时才有已有电磁门锁的耗电量,其余时间几乎不耗电。总的耗电量小于已有电磁门锁的10%。若以全国电磁门锁保有量1亿把计算,每把已有电磁门锁平均耗电量10W计算,每年消耗的电量=10W×24小时×365天×1亿把=87亿6千万度,若全部按本文介绍的技术方案进行改造,则全国每年可节约近80亿度电!
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