淺談?dòng)来磐?a target="_blank">電機(jī)在電梯技術(shù)上的應(yīng)用

隨著稀土永磁同步電機(jī)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用, 以及和變頻控制實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化, 永磁同步電動(dòng)機(jī)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、 石油、冶金、 建材、 食品、 印刷、 包裝、 造紙、 造船、 塑料、 紡織化纖、 軍工等行業(yè)。其種類(lèi)很多, 用量非常大。永磁同步電動(dòng)機(jī)以其體積小、 節(jié)能、 控制性能好、 又容易做成低速直接驅(qū)動(dòng), 消除齒輪減速裝置, 可通過(guò)頻率的變化進(jìn)行調(diào)速等優(yōu)點(diǎn), 在電梯技術(shù)上也得以開(kāi)發(fā)應(yīng)用。其運(yùn)行低噪聲、 電梯平層精度和乘客舒適感都優(yōu)于以前的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。特別是近幾年來(lái), KONE 電梯公司研發(fā)的無(wú)機(jī)房電梯, 率先應(yīng)用了永磁同步電機(jī), 使得永磁同步電機(jī)無(wú)齒輪曳引技術(shù)嶄露頭角, 顯示了巨大的優(yōu)越性, 得到業(yè)內(nèi)人士的普遍看好, 永磁同步電機(jī)在電梯設(shè)計(jì)上的研發(fā)具有很大的實(shí)用價(jià)值。
2 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子部分與一般的異步電機(jī)無(wú)多大不同, 其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子區(qū)別是多了一套永磁體。其結(jié)構(gòu)隨永磁材料性能不同和應(yīng)用領(lǐng)域的差異而不同, 根據(jù)剩磁密度 Br 和矯頑力 Hc 等技術(shù)參數(shù)的不同, 而磁極結(jié)構(gòu)不同。電梯技術(shù)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用的稀土永磁同步電機(jī)常做成瓦片式, 貼在轉(zhuǎn)子的表面, 或嵌在轉(zhuǎn)子鐵心中, 分內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型兩種。
永磁材料的應(yīng)用是永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。 永磁材料近年來(lái)的開(kāi)發(fā)很快, 現(xiàn)有鋁鎳鈷、 鐵氧體和稀土永磁體三大類(lèi)。 稀土永磁體又有第一代釤鈷 5 （ SmCo5） , 第二代釤鈷 2: 17（ Sm2Co17） 和第三代釹鐵硼 （ Nd- Fe- B） 。鋁鎳鈷是 20 世紀(jì)三十年代研制成功的永磁材料, 具有較高剩磁密度 Br, 剩磁感應(yīng)強(qiáng)度高, 熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn), 但矯頑力 Hc 很低（ 如圖 1 曲線1） , 抗退磁能力差, 而且要用貴重的金屬鈷, 成本高, 大大限制了它在電機(jī)中的應(yīng)用。 鐵氧體磁體是 20 世紀(jì) 50 年代初開(kāi)發(fā)的永磁材料, 價(jià)格低廉, 具有較高矯頑力 Hc, 但剩余磁通密度較低 （ 如圖 1 曲線 2） , 剩磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁能積 BH 都較低, 性能不夠理想。稀土永磁材料在六十年代后期問(wèn)世, 它兼有鋁鎳鈷和鐵氧體兩種永磁材料的優(yōu)點(diǎn), Br 和 Hc 都很高 （ 如圖 1 曲線3） , 具有很高的最大磁能積 （ BH） max。如 SmCo5 的 （ BH） max,240kj/m3, Sm2Co17 （ BH） max, 3300kj/m3。而且退磁曲線基本上是一條直線, 回復(fù)線與退磁曲線基本重合, 不怕丟磁, 性能穩(wěn)定, 且熱穩(wěn)定性較好, 剩磁溫度系數(shù)小。 但釤鈷族稀土材料的鈷價(jià)格較高, 影響其在永磁同步電機(jī)的應(yīng)用。80 年代初開(kāi)發(fā)的釹鐵硼（ Nd- Fe- B） 稀土永磁材料, 性能十分優(yōu)越, （ BH） max,3800kj/m3（ 如圖 1 曲線 4） , 到 90 年代, 其 （ BH） max, 500kj/m3。 Nd- Fe- B稀土材料不含價(jià)格昂貴的鈷, 其可加工性能也比較好, 價(jià)格相對(duì)便宜。我國(guó)又是稀土大國(guó), 儲(chǔ)量世界第一。開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景廣泛, 適合在永磁同步電機(jī)中應(yīng)用。 目前, 廣泛應(yīng)用在電梯技術(shù)領(lǐng)域的永磁同步曳引電機(jī)就是釹鐵硼 （ Nd- Fe- B） 稀土永磁同步電機(jī)。
圖 1

3 電梯永磁同步曳引電機(jī)的控制方式
永磁同步電機(jī)的控制方式與其他電機(jī)的控制方式不同。其控制方式一般有: （ 1 ） id=0 控制方式、 （ 2 ） cosΦ=1 控制方式、（ 3 ） 轉(zhuǎn)矩線性控制方式、 和 （ 4 ） 總磁鏈恒定控制方式四種。電梯永磁同步曳引電機(jī)的控制方式只要是第一種。 其控制相量圖如圖 2。
圖 2

圖中 ψf 是永磁體產(chǎn)生的磁鏈, 由 ψf 引起的電動(dòng)勢(shì)為Eo, 電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)電樞電流為 I, I 可以分成 d 軸分量 Id 和q 軸分量 Iq, d 軸分量 Id 產(chǎn)生去磁磁勢(shì), 引起磁鏈 Ψad, q 軸分量 Iq 產(chǎn)生 q 軸磁勢(shì), 引起磁鏈 Ψaq 這時(shí), 電動(dòng)機(jī)的合成磁鏈為 Ψm, Ψm 引起的電動(dòng)勢(shì)為 Em,Em 也可以看作是 Eo 與Ψad 產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì) jIdXd 及 Ψaq 產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì) jIqxq 之和,由 Em加上電樞繞組的壓降 Ir 就得到電動(dòng)機(jī)的端電壓 U, 圖中U 與 Eo 的夾角 δ 為同步機(jī)的功率, U 與 I 的夾角 θ 為功率因素角, γo是電樞電流與 q 軸的夾角。如控制逆變器的導(dǎo)通相位角 γo=0, 則 id=0, 電樞電流中沒(méi)有勵(lì)磁分量, 圖中的 Ψad=0, 不會(huì)引起永磁電機(jī)退磁現(xiàn)象;此時(shí), 同步電機(jī)的相量圖如圖 3。這時(shí), 電機(jī)的電樞反應(yīng)只存在于交軸 （ q 軸） , 功角和電機(jī)的端電壓均隨負(fù)載的增加而增大。
圖 3

4 電梯永磁同步曳引電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
采用永磁同步電機(jī)的電梯曳引系統(tǒng), 通常為無(wú)齒輪曳引方式。 突顯了永磁同步電機(jī)易于做成低轉(zhuǎn)速、 大功率的優(yōu)點(diǎn)。 其結(jié)構(gòu)緊湊, 功能齊全, 集曳引電機(jī)、 曳引輪、 電磁制動(dòng)器、 光電編碼器于一身, 易于安裝, 便于使用。 特別是在無(wú)機(jī)房電梯的開(kāi)發(fā)應(yīng)用中, 將永磁同步曳引電機(jī)安裝在電梯的井道里, 既節(jié)約了機(jī)房的建造成本, 又美化了建筑物外觀。其控制圖如圖 4。
當(dāng)電梯負(fù)載變化時(shí), 永磁同步電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)夾角 δ 來(lái)適應(yīng), 其響應(yīng)速度很快。 為了使電梯有良好的起、 制動(dòng)舒適性和平層準(zhǔn)確度, 在系統(tǒng)中加入了準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置裝置和電壓電流檢測(cè)裝置, 隨時(shí)確定電機(jī)磁場(chǎng)的大小、 方向。位置檢測(cè)裝置采用轉(zhuǎn)子位置傳感器 （ 光電編碼器器或旋轉(zhuǎn)變壓器等） 。 轎廂負(fù)載檢測(cè)裝置可采用位置型、 壓力型等多種形式, 對(duì)電梯負(fù)載進(jìn)行預(yù)先測(cè)量并計(jì)算,給出恰當(dāng)方向和大小的力矩, 可輸出開(kāi)關(guān)量、 模擬量 （ 電壓） 和頻率量 （ 高頻抗干擾性強(qiáng), 能遠(yuǎn)距離傳送） 等。將反饋的信號(hào)與給定信號(hào)相比較、 運(yùn)算、 按預(yù)定的控制方式加以控制, 可以得到優(yōu)于其它驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。
圖4

5 永磁同步電機(jī)在電梯開(kāi)發(fā)應(yīng)用的安全性和可靠性
永磁同步電機(jī)在電梯的設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)中, 得以開(kāi)發(fā)利用, 較高地提高了電梯曳引系統(tǒng)安全性和可靠性。當(dāng)曳引機(jī)制動(dòng)失靈或其它故障引起電梯向上行方向溜車(chē), 乃至飛車(chē)時(shí), 它具有安全保護(hù)作用, 滿(mǎn)足我國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) GB7588- 2003 《電梯制造與安裝安全規(guī)范》 9.10 轎廂上行超速保護(hù)裝置的要求。使用永磁同步曳引電機(jī)的電梯, 在失電視又解除其長(zhǎng)必出點(diǎn)將電動(dòng)機(jī)電樞繞組短截 （ 或串接可調(diào)電阻器后短接） , 當(dāng)出現(xiàn)超速 （ 不論上行、 下行） 故障時(shí), 控制系統(tǒng)檢測(cè)到超速信號(hào), 立即切斷控制器供電回路, 并將電動(dòng)機(jī)電樞繞組短接 （ 或串聯(lián)可調(diào)電阻器后短接） 。這時(shí), 靜止的繞組切割旋轉(zhuǎn)的永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)而感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì), 在閉合的電樞繞組回路中引起電流, 該電流在磁場(chǎng)作用下引起力矩, 企圖帶動(dòng)電樞繞組隨磁極一起旋轉(zhuǎn); 同時(shí), 該轉(zhuǎn)矩受反力矩則作用在轉(zhuǎn)子磁極上, 力圖使轉(zhuǎn)子隨定子電樞繞組一起停止下來(lái), 是一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。該過(guò)程類(lèi)似于直流電機(jī)的能耗制動(dòng), 從而實(shí)現(xiàn)了防墜落防飛車(chē) （ 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過(guò)電阻器調(diào)節(jié)使溜車(chē)速度可控） 。永磁體和閉合的電樞繞組相互作用, 產(chǎn)生停車(chē)自閉這種非接觸雙向保護(hù), 大大增加了電梯的安全性和可靠性, 特別減小了各類(lèi)超高速電梯的安全鉗鍥塊在高速動(dòng)作時(shí)因高溫?fù)p毀所引起的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于無(wú)齒輪曳引機(jī)的曳引輪與電動(dòng)機(jī)同軸, 通常曳引輪與制動(dòng)輪同體, 因此, 采用永磁同步無(wú)齒輪曳引電機(jī)技術(shù), 可不設(shè)上行超速保護(hù)系統(tǒng), 在電梯驗(yàn)收檢驗(yàn)中當(dāng)然也就可以不作要求。另外, 同步電機(jī)可以通過(guò)向電樞繞組供直流電來(lái)實(shí)現(xiàn)帶負(fù)載零速停車(chē), 從而可以真正做到無(wú)須抱閘的機(jī)械制動(dòng), 實(shí)現(xiàn)電氣的零速停車(chē)。這樣可防止由于抱閘失靈造成溜車(chē)的故障, 進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。
6 結(jié)束語(yǔ)
在電梯的設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)中, 開(kāi)發(fā)應(yīng)用永磁同步電機(jī), 作為電梯的曳引電機(jī), 是一種技術(shù)的進(jìn)步。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在: 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊, 少維護(hù); 安全可靠性高; 對(duì)環(huán)境的噪聲污染低、 無(wú)油脂污染, 并能提高電力功率因素, 是理想的環(huán)保產(chǎn)品; 提高機(jī)械傳動(dòng)效率, 使用節(jié)能、 經(jīng)濟(jì), 具有較高的性?xún)r(jià)比; 與交流無(wú)齒輪異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比, 低速性、 快速性、 硬機(jī)械特性和停車(chē)自閉等優(yōu)點(diǎn), 是異步電動(dòng)機(jī)所無(wú)法相比的; 與直流無(wú)齒輪電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比, 具有更高的低速性能、 調(diào)速精度、 快速響應(yīng)性能,且壽命長(zhǎng)、 耗電少、 維護(hù)簡(jiǎn)單; 此外, 還易于實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、 大轉(zhuǎn)矩的電梯理想驅(qū)動(dòng)模型。