机电一体化锁的优势和应用.docx
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机电一体化锁的优势和应用
新型门禁电控锁：
机电一体化锁的优势和应用
随着门禁系统在各类建筑中的广泛应用，电控锁作为门禁系统的重要组成部分，越来越受到市场的关注。
作为执行终端，系统本身对电控锁的功能完善性和性能可靠性要求日益提高；而作为最前端的人机界面，最终用户则对电控锁的外观和使用舒适性更加重视。
同时，随着GB12955-2008《防火门》新版国家标准于2009年1月1日起正式实施，应用于防火门的电控锁如何也能满足该强制标准中对门锁的防火要求，以及符合现行的消防逃生标准，将成为门禁行业必须严肃面对的又一新课题。
电控锁的主要类型
传统电控锁包括电磁锁、电插锁、电控锁扣板和外装电控锁等几种常见类型。
它们的外观形态、工作原理各不相同，功能和应用场所也有所区别。
电磁锁，也称为磁力锁，分为电磁直吸锁和电磁剪力锁两种。
如图1和图2所示，无论何种锁型结构上一般都是由电磁主锁体和衔铁两部分组成。
其工作原理都是电磁主锁体通电产生电磁吸力吸和衔铁，形成上锁状态。
区别在于直吸锁的上锁方向是前后吸和，一般主锁体安装在门框上，衔铁安装在门扇上，随着门扇的关闭二者自然贴和而上锁，垂直于门扇开启方向的磁吸力即为锁定力。
剪力锁的上锁方向则是上下吸和，当门扇关闭时安装在上方的主锁体通电产生电磁吸力，使安装在下方的衔铁向上运动与主锁体吸和而上锁，二者之间的抗剪切力即为锁定力，因此得名剪力锁。
可见，电磁锁的锁定力都是由通电后生成的磁吸力而产生的，故电磁锁只能是断电开一种形式。
直吸锁只能用于单向开启的门，剪力锁则既可以用于单向开启的门，也可以用于双向开启的门，但门和框之间的门缝间隙不能过大，最大为。
直吸锁和剪力锁都可以安装在木门、金属门或有框玻璃门上，通过使用专用支架也都可以安装无框玻璃门上。
除外露明装方式，剪力锁也可以采用暗藏安装方式。
电磁锁输入电压12~24VDC，工作电流小于1A，可通过门状态监控和磁吸力监控开关向门禁系统提供所需的反馈信号。
电插锁，俗称阳极锁。
顾名思义，其锁定方式为固定插销式。
如图3所示，电插锁由锁体和锁扣板两部分组成。
其工作原理是由锁体中的螺线管通电产生的电磁力驱动螺线管活动杆横向运动，通过锁体中的弹簧和机械装置带动插销上下运动，实现上锁和开锁动作。
因此，电插锁既可以是断电开型，也可以是断电锁型。
既可以用于单向开启的门，也可以用于双向开启的门。
由于插销的行程一般不小于16mm，门缝间隙稍大也能有效锁定。
电插锁可以安装在木门、金属门或有框玻璃门上，通过使用专用支架也都可以安装无框玻璃门上。
电插锁通常采用暗藏安装方式，锁体暗藏在上门框内，锁扣板安装在对应的门扇顶部。
电插锁输入电压12~24VDC，工作电流小于1A，也可通过门状态监控和插销状态监控开关向门禁系统提供所需的反馈信号。
自动重新上锁开关一般有机械顶珠型和电磁型两种。
电控锁扣板，简称电锁扣，俗称阴极锁。
如图4和图5所示，电锁扣仅为安装在门框上的锁扣板部件，自身不能独立完成锁定功能，也可以讲它本身不是一把完整意义上的电控锁。
它必须和安装在门扇上的机械锁体配合共同完成锁定功能。
其工作原理是由电锁扣中的螺线管通电产生的电磁力驱动其活动杆运动，带动机械限位装置，阻止或释放电锁扣活动板的开启，形成上锁和开锁状态。
因此，电锁扣也是既有断电开型，也有断电锁型。
电锁扣活动板上锁状态时的抗拉力，即视为电锁扣的锁定力。
电锁扣一般仅用于单向开启的门。
为配合不同安装位置的机械锁，电锁扣又有明装型和暗装型两种。
为配合不同尺寸的机械锁舌，电锁扣的开口尺寸和深度尺寸也有不同型号。
电锁扣可以安装在木门框、中空金属门框或PVC门框上。
安装在双扇门的从动扇上时，须考虑过线问题。
电锁扣输入电压12~24VDC，工作电流小于1A，可通过内置的锁舌状态监控开关向门禁系统提供所需的反馈信号。
外装电控锁〔如图6〕，通常使用在住宅楼宇和小区单元门上，在公共和商业建筑的门禁系统中很少使用。
本文不再赘述。
相对于上述传统电控锁，我们把在业界关注度日益提高的机电一体化锁定义为新一代门禁电控锁。
本文论述的机电一体化锁，其正式名称实际为“美标插芯式电控把手锁”。
如图7所示，从安装后的外观上看，机电一体化锁与普通机械锁并无二致。
而通过内置于机械锁体里的电控元器件与机械部件的密切配合所实现的各种电控功能，又明确传达了其电控锁的内涵。
机械锁的外观，电控锁的本质，机电一体化锁故而得名。
从结构上看，它包含安装在门扇上的电控锁体、内外把手、机械锁芯和门框上的机械锁扣板等几大部件。
其工作原理是由电控锁体中的螺线管通电产生的电磁力驱动其活动杆运动，带动机械限位装置，阻止或释放门外把手的转动，形成上锁和开锁状态。
上锁状态时，门外把手固定不能转动，不能缩回锁舌；或能空转但不能带动锁舌缩回〔离合器功能把手〕。
开锁状态时，门外把手可以转动，并缩回锁舌开门。
无论在上锁状态，还是在开锁状态，门内把手永远常开，即门内侧始终可以转动把手缩回锁舌开门〔双向门禁型除外〕。
机械钥匙通过机械锁芯随时可以直接缩回锁舌开门，实现应急开启功能。
为防止非法技术开启和钥匙复制，机电一体化锁一般采用获国际专利认证的含多排弹子结构的高保安机械锁芯。
锁舌的侧向抗拉力和防拨插状态下的轴向抗压力，同时被视为机电一体化锁的锁定力。
显然，机电一体化锁也是既有断电开型，也有断电锁型。
工作电压12~24V，高端产品可交流直流通用；峰值电流小于，持续电流小于。
机电一体化锁通过内置在锁体内的独立的锁舌状态监控开关和门内把手监控开关向门禁系统提供所需的反馈信号。
某些产品还可以提供机械锁芯状态监控信号。
机电一体化锁用于单向开启的门，可以安装在木门、金属门或有框玻璃门上，单门或双门均可以使用，但都要考虑过线问题。
一般采用暗藏式过线器或过线电铰链作为安全、美观的过线设备。
除常规机电一体化锁外，复合了消防逃生装置和门禁电控锁两大功能的机电一体化逃生装置，同样深受业界的青睐。
其正式名称为“美标电控把手逃生装置”，也称为机电一体化逃生推杠锁〔如图8〕。
除了与机电一体化锁基本相似的功能外，其最显著的特点就是门内侧几乎与门等宽的长长的推杠，这时作为逃生装置的必要条件。
目的就是为了当使用者的手或身体的其他部位一旦压上推杠的任何位置，即可立即开锁出门。
其实它的功能和锁把手是相同的，只是更方便使用而已。
如果我们把推杠想像成放大加长了的锁把手，应该就容易理解了。
机电一体化逃生装置的门外侧也是断电开型或断电锁型的电控把手，同样通过内置的锁舌状态监控开关和门内推杠状态监控开关向门禁系统提供所需的反馈信号。
机电一体化逃生装置也有双向门禁型，即门内侧推杠的开启也受门禁控制，但只能是短时间内的，常规为5~15秒钟，故其正式名称为“美标电控延时逃生装置”。
机电一体化逃生装置应用集中在消防逃生门上，包括楼梯间门和大型公共场所的紧急疏散门，如会场、展馆、影剧院、歌舞厅、网吧、食堂餐厅、厂房车间等。
机电一体化锁的优势
机电一体化锁与传统电控锁相比，其优势主要表现在功能、性能和外观等三个方面。
功能优势：
机电一体化锁最显著的功能优势就是其内外锁定别离功能，即门外受控、门内常开，有效解决了安保和逃生的矛盾。
国家标准GB50016-2006《建筑设计防火标准》第条第4款明确规定“人员密集场所平时需要控制人员随意出入的疏散用门，或设有门禁系统的居住建筑外门，应保证火灾时不需使用钥匙或任何工具即能从内部易于打开”。
美国NFPA101《生命安全标准》中更是明确提出了“一个动作”出门的逃生要求。
采用机电一体化锁，由于门内人员始终可以随时一个动作开锁出门，解除了门内逃生的后顾之忧，用户就能根据需要放心选择门外采用断电开型或断电锁型。
如会议室门或楼梯间门，可采用断电开型机电一体化锁或机电一体化逃生装置，有助于火警时断电后，人员的双向逃生，或营救人员的反向进入。
而在库房、设备间、财务室、档案室、重点办公室等高保安场所，就可以采用断电锁型机电一体化锁。
无论是火警时断电，还是平时意外断电，或人为破坏断电等情况下，既不影响室内人员逃生，又有效防止了非授权进入。
此时合法的门外进入可以通过机械钥匙开启来实现。
通常该钥匙会纳入整栋建筑物统一的机械总钥匙管理系统，由专人负责管理。
相比之下，电磁锁无论是直吸锁还是剪力锁，都只有断电开型，虽然可以满足逃生功能，但显然不能使用在高保安场所。
断电开型的电插锁同理。
而断电锁型的电插锁，又不能满足逃生功能要求。
同样断电开型的电锁扣不安保，断电锁型的电锁扣不能逃生。
只有配备了门外把手永远固定不动、门内把手永远常开的美标储藏式功能机械锁的断电锁型电锁扣，方能基本到达既安保又能逃生的要求。
传统电控锁不能解决安保和逃生矛盾的根本原因，就在于它们不是内外锁定别离的，要么内外同锁，要么内外同开。
这是其无法克服的原理性缺陷。
此外，即使是断电开型的电插锁，理论上是满足逃生功能的，但在实际应用中，当多人挤压在门上时，常常由于插销与锁扣板孔之间有较大间隙而导致插销因受压后不呈竖直状态而不能缩回。
由于电插锁的这一缺陷，近年来国内外的应用均大量减少。
其次，机电一体化锁的功能优势表达在其状态监控信号的准确性上。
我们知道，门禁系统要求的监控信号出门状态信号外，主要是有效锁定信号和出门动作信号。
电磁锁的磁吸力监控开关大多在磁吸力到达额定磁吸力的60%时就会动作。
而电锁扣的锁舌监控开关是设在电锁扣内的，是机械锁舌伸出后再压到电锁扣内的簧片开关上，经二次机械动作的传递产生的监控信号，可以说不是直接状态信号，而是间接状态信号，误报或不报的可能性大大增加。
例如，当电锁扣内的簧片开关被异物卡住或人为粘住在压回状态，门禁系统收到的监控信号就一直是有效上锁状态，此时机械锁舌可能根本就没有伸出。
至于出门动作信号，传统电控锁都是靠出门按钮来提供的。
前文我们讲过，传统电控锁中能解决安保和逃生的矛盾的，只有配置门内把手常开型机械锁的断电锁型电锁扣。
当使用此类产品时，没有人会先按出门按钮再开门，出门动作信号当然就无从采集。
而机电一体化锁的锁舌监控开关是直接连在锁舌上的，直接由锁舌伸出和缩回的动作而产生，完全反映锁舌的真实状态。
机电一体化锁的出门监控开关是直接与门内把手或逃生装置的推杠相连的，转动门内把手或推动推杠的瞬间即同时发出出门动作信号，既符合一个动作出门的逃生标准要求，又准确提供了出门动作信号。
第三，机电一体化锁的功能优势还表达在其防火功能上。
国标GB50016-2006《建筑设计防火标准》第条及其条文说明规定“防火门应具有自闭功能”，“防火门既是保持建筑防火分隔完整的主要物体之一，又常是人员疏散经过疏散出口或安全出口时需要开启的门”，“为尽量防止火灾时烟气或火势通过门洞窜入人员的疏散通道内，应使防火门在平时处于关闭状态或在火灾时以及人员疏散后能自行关闭。
”可见防火门及其防火锁的功能主要有两点，一是防火分隔，二是人员逃生。
其中人员逃生是短时动作，防火分隔是长期要求。
应用于防火门的门禁电控锁，同样应遵守上述标准。
标准中的“关闭状态”和“自行关闭”，应理解为有效关闭。
所谓有效关闭，即不仅门扇要处于0○关闭状态，门锁也要处于上锁状态。
因为火灾时防火门向火面和背火面会有很大的正负压差，闭门器是不能抵挡这一压力的，如果门锁不在上锁状态或锁扣状态，门仍然会被压开一定角度，导致防火分隔失效。
火灾断电后，电磁锁完全失效，断电开的电插锁和电锁扣同样不能上锁，只有配常开门内把手的断电锁型电锁扣才能既满足人员逃生，又能在门重新关闭后到达锁扣状态。
但电锁扣的耐火时间即这种锁扣状态又能保持多久呢？
本文下面会进一步探讨这一问题。
而机电一体化锁，无论断电开型还是断电锁型，无论通电还是断电状态，一旦门扇关闭，锁舌和机械锁扣板立刻进入稳定的锁扣状态，同时防拨插保险舌工作，有效防止主锁舌的回缩，且门内把手常开。
完全符合标准对防火锁的功能要求。
综上所述，在安保和逃生、防火以及信号反馈等三项功能上，机电一体化锁较之传统电控锁都有明显的优势。
性能优势：
众所周知，产品的品质性能和制造标准密切相关。
对于电控锁的品质性能，最主要的应该是使用寿命和锁定力两方面。
关于传统电控锁的制造标准，只有美国标准《电磁锁》和《电控锁扣板》比较完整。
欧洲标准EN61000《电磁兼容性》只涉及电学性能的要求。
我国目前还没有相关标准。
在《电磁锁》中，一级锁的使用寿命要求是100万次，二级锁50万次，三级锁25万次。
一级锁的静态抗拉力要求是675kgf，二级锁450kgf，三级锁225kgf。
各级别电磁锁的剩磁标准都要求到达断电后1秒钟内剩余磁吸力小于。
到达该标准要求的欧美产品已是寥寥无几，国产电磁锁更是几乎没有。
目前国产电磁锁的质量问题，大部分都是由剩磁问题导致的。
原因就是经过不断磁化后，留在磁铁上剩磁积累越来越大而不能消除，从而影响电磁锁的正常工作。
在《电控锁扣板》中，使用寿命和锁定力的测试方法是沿用UL1034《防盗电锁装置》的，一、二、三级锁的使用寿命要求分别是50万次，30万次和10万次。
静态抗拉力要求也分别是675kgf，450kgf和225kgf。
UL1034的寿命要求是25万次和10万次，静态抗拉力要求与相同。
到达这两个标准要求的产品也是凤毛麟角。
关于电插锁，目前国内都没有相关标准。
个别高端产品，有锁定力的自测数据，范围大致在500~1000kgf；使用寿命的数据也是没有。
机电一体化锁的使用寿命和锁定力性能标准主要有美国标准《插芯锁》和欧洲标准EN12209《建筑五金-门锁-要求和测试方法》。
EN12209的要求相对较低，使用寿命是30，20和10万次，侧向抗拉力是300，200和100kgf。
而《插芯锁》标准要求高，一级锁的使用寿命是100万次，二级锁和三级锁都是80万次。
各级别锁的侧向抗拉力都要求超过608kgf。
到达该标准要求的产品虽然不多，但高端产品的性能则远远高出标准要求，如美国SCHLAGE（西勒奇）机电一体化锁的使用寿命到达600万次，侧向抗拉力到达1350kgf。
表1中列出了各锁型高端代表产品的性能参数。
不难看出，机电一体化锁的品质性能优势是明显的。
电控锁型
使用寿命（万次）
锁定力（kgf）
SCHLAGE390+电磁锁
100
743
effeff843电插锁
--
1,000
ADAMSRITE7400电锁扣
50
675
SCHLAGEL9080PEU/EL机电一体化锁
600
1,350
其次，机电一体化锁的性能优势还表达在其优秀的耐火性能上。
与防火功能不同，电控锁的耐火性能主要取决于锁的材料和结构特点。
新版国家强制标准GB12955-2008《防火门》已于2009年1月1日起正式实施。
这对在建和新建项目的消防验收提供了新的法规依据，也对防火门及其门锁的耐火性能提出了新的要求。
为配合标准的有效贯彻和执行，国家主管单位----公安部消防产品合格评定中心，将认证有效期内的所有通过型式检验的防火锁，生产单位、品牌、型号和检验报告全部公布在其官方网站上，供用户查询和市场监督。
标准中将防火门分为隔热防火门（A类），部分隔热防火门（B类）和非隔热防火门（C类）等三类，耐火隔热性依次递减，但耐火完整性要求相同，即在耐火等级规定的时间内〔如甲级小时、乙级小时等〕，防火门及其门锁等五金件必须保证完整性。
因此，标准第明确规定“防火门安装的门锁应是防火锁。
在门扇的有锁芯机构处，防火锁均应有执手或推杠机构，不允许以圆形或球形旋钮代替执手（特殊部位使用除外，如管道井门等）。
防火锁应经国家认可授权检测机构检验合格，其耐火性能应符合附录A的规定。
”同时附录A规定：
“防火锁的耐火时间应不小于其安装使用的防火门耐火时间。
耐火试验过程中，防火锁应无明显变形和熔融现象。
耐火试验过程中，防火锁处应无窜火现象。
耐火试验过程中，防火锁应能保证防火门门扇处于关闭状态。
”可见，“带执手或推杠机构”和“由耐火材料制成”是确保符合标准并通过测试获得认证的关键。
由于甲级小时防火门的耐火试验炉温可达980OC，常用制锁材料中只有钢和不锈钢的熔点高于该温度，黄铜、铝合金和锌合金等都达不到。
除了无执手或推杠机构等结构上的问题外，绝大多数电磁锁和电插锁都采用铝合金外壳、锁体底座、安装支架或锁孔扣板。
而且耐火试验都是在断电状态下进行的，电磁锁和断电开型的电插锁和电锁扣根本无法保证防火门处于关闭状态。
因此，只有配备机械把手锁的断电锁型电锁扣具备通过防火测试的条件。
然而，大多数的电锁扣都采用锌合金或黄铜锁体底座，甚至包括锁扣活动板。
目前仅有两三款电锁扣产品通过了防火型检认证，而它们都是使用了不锈钢材质的锁体底座、面板和活动板。
而机电一体化锁和机电一体化逃生装置，首先结构上完全符合标准要求，锁体锁舌、锁扣板和把手等部件又和其同系列的机械锁和机械逃生装置一样，常用材料即为不锈钢，锁体内部确保锁定功能的零部件也是不锈钢或钢质材料。
且断电开型或断电锁型，通电或断电状态下，锁的耐火性能相同。
不过由于不同生产厂家其产品性能也有差异，或对标准的认知程度有所不同，目前通过防火型检认证的机电一体化锁只有美国SCHLAGE（西勒奇）L9080PEU/EL一款产品。
外观优势：
从前文图中不难看出，机电一体化锁还具有相当的外观优势。
我们知道，电控锁作为门禁系统最前端的人机界面，是用户日常接触和使用最频繁的系统组件。
在有选择的情况下，用户一定会选择使用最舒适、外观效果最好的产品。
这也是众多设计师和最终用户偏爱机电一体化锁的重要原因。
电磁锁完全外露在门扇门框外，形体突兀，尤其是采用内开门内装支架时，外观很难被客户接受。
暗藏式剪力锁虽然比较美观，但上锁开锁时的声音较大，略显美中不足。
当电锁扣安装在外开门上时，如图5所示，部分底座和活动板完全暴露在室外或走廊上，既不安全，又十分影响外观效果，常常不能被用户和设计师接受。
电插锁须配套使用大拉手，如果安装在办公室、会议室等精装修门上，显然不如机电一体化锁简洁、美观。
如果将同一系列的机电一体化锁和机械锁安装在一条走廊的门上，根本分辨不出，只有门边的读卡器或掌形仪会提示你，这是一把门禁电控锁。
机电一体化锁的应用和发展趋势
基于机电一体化锁较之传统电控锁在功能、性能和外观上的三大优势，以及客户认知度的逐年提高，机电一体化锁在国内门禁市场上的应用也日益广泛，大量使用在交通、金融、能源、科教、文体和工商等众多领域。
以SCHLAGE（西勒奇）机电一体化锁为例，近两三年在国内的应用就已超过10000套。
北京某石化企业总部大楼、上海地铁等项目的应用都在1000套以上。
图9是上海某银行大楼的办公室门，采用的是断电锁型的机电一体化锁，在十几中把手款式中，设计师和用户最终选择了这款平直型长面板的锻纹不锈钢把手，使用三年来无任何质量问题报告。
图10是该项目同时使用的机电一体化逃生装置，安装在办公区域通向消防楼梯间的疏散门上，采用的是断电开型。
图11是北京某写字楼的办公室门，是双扇门应用案例。
主动扇安装了分体圆面板型的机电一体化锁，从动扇安装了同系列的机械虚设把手。
虽然应用案例越来越多，但与传统电控锁相比，目前机电一体化锁占门禁电控锁的市场份额还是很小的。
除市场认知度不高的客观原因外，主要还在于产品自身的一些不足有待改善，同时笔者认为这也是机电一体化锁发展趋势的一部分。
首先是产品的成本问题。
目前市场上的主流机电一体化锁全部为进口产品。
虽然与进口高端品牌的传统电控锁相比，机电一体化锁的成本与之相仿，甚至还略低一些，但与市场主流的国产传统电控锁相比，还是高出很大一块的。
对于目前为数不多的能制造国产美标机械插芯锁的企业来说，如何尽快研发出低成本高性能的国产机电一体化锁，并迅速抢占中高端和中端市场，应该是一项重大课题。
其次是应用门型问题。
由于暗藏锁体尺寸较大，机电一体化锁只能应用在实体木门或金属门上，以及有框玻璃门上，但框宽必须在120mm以上。
占门禁系统门型相当比例的窄框玻璃门和无框玻璃门，机电一体化锁尚无法使用。
因此，窄型的或小尺寸的锁型，甚至是由内置电池供电、用无线通讯方式反馈监控信号的无需任何布线的玻璃门中间型机电一体化锁，将会是一个重要的发展分支方向。
最后，不仅是机电一体化锁，也是其他所有门锁、拉手都会面临的一个问题，就是公共场所的卫生抗菌问题。
目前个别高端厂家已经意识到这一潜在的庞大的市场需求，并已推出了相关产品。
主要有采用了抗菌添加剂的尼龙锁把手和含外表抗菌涂层的金属锁把手两种〔如图12〕，但其市场应用还相当少。
随着市场需求的不断扩大，抗菌把手的发展趋势不容小觑。
一旦克服了上述障碍，机电一体化锁必将迎来更广阔的市场前景。
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