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无齿轮永磁同步曳引机应用的问题探讨
2013年3期目录
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　摘 要：无齿轮永磁同步曳引机具有能耗低、寿命长、维护费用少等优点，现在已经越来越广泛的应用到电梯行业中了，本文对曳引机安全性、永磁体失磁、驱动及控制装置等关键问题进行了分析探讨。 中国论文网 /3/view-4998132.htm　　关键字：曳引机；永磁同步 　　无齿轮永磁同步曳引机，它安装在电梯机房内或电梯井道内，一般在建筑物顶层之上或井道内部，是电梯的动力装置，由主机直接带动绳轮，无减速箱装置。永磁同步曳引机是将无轴承技术运用到永磁同步曳引机上的新型无轴承电动机，本身具有低速大转矩、节省能源、体积小、低速运行平稳、噪声低、免维护等优点，越来越引起电梯行业的广泛关注，近年来，电梯行业许多厂家纷纷开展无齿轮永磁同步曳引机的开发研制工作。目前在中国电梯市场上，无齿轮永磁同步曳引机其发展势头非常迅猛。伴随着电梯市场的竞争和技术竞争，必将进一步促进无齿轮永磁同步曳引机技术及其应用的发展。 　　以下就人们所关心的曳引机安全性、永磁体失磁、驱动及控制装置等关键问题进行分析探讨。 　　1.无齿轮永磁同步曳引机优势 　　无齿轮永磁同步无齿曳引机与传统的蜗轮、蜗杆传动的曳引机相比具有如下优点： 　　（1）无齿轮永磁同步无齿曳引机是直接驱动，没有蜗轮、蜗杆传动副，永磁同步电机没有作异步电机所需非常占地方的定子线圈，所以可以做到体积小和重量轻。 　　（2）由于采用了永磁同步电机直接驱动（没有蜗轮蜗杆传动副）其传动效率可以提高20%～30%。 　　（3）无齿轮永磁同步无齿曳引机由于不存在一个异步电机在高速运行时轴承所发生的噪声和不存在蜗轮蜗杆副接触传动时所发生噪声，所以整机噪声可降低5～10db（A）。 　　（4）从永磁同步电机工作原理可知其励磁是由永磁铁来实现的，不需要定子额外提供励磁电流，因而电机的功率因数可以达到很高（理论上可以达到1）。 　　（5）无齿轮永磁同步无齿曳引机由于不存在齿廓磨损问题和不需要定期更换润滑油，因此其使用寿命长， 　　2、无齿轮永磁同步曳引机结构设计 　　无齿轮永磁同步曳引机的结构形式可以分为径向磁场结构和轴向磁场结构。径向磁场结构按定子和转子的相对位置不同，又可分为内转子结构和外转子结构。轴向磁场结构又称盘式（或碟式）结构，不同结构形式的曳引机应有和场合不同，其磁场分布形式也不同。内转子结构承载能力强，适于大载重量、高速电梯，一般多用于高层住宅和办公楼，外转子结构轴向尺寸相对较小，可用于小机房或无机房电梯应用场合，但其载重量受到限制，而盘式结构曳引机轴向尺寸更小，可直接安装于电梯井道中，最适于无机房电梯使用。 　　3、无齿轮永磁同步曳引机的安全可靠性 　　（1）永磁体失磁（不可逆退磁）问题 　　永磁同步曳引机中采用的永磁材料为高性能钕铁硼永磁材料，钕铁硼永磁材料要发生不可逆退磁，需同时满足以下两个条件：①永磁材料处在一定的高温下，在该温度下，材料的退磁曲线由常温下的直线变为曲线，即退磁曲线发生弯曲。当外加磁势取消后，永磁体工作点将沿着与退磁曲线平行的回复线移动，永磁体发生了不可逆退磁。 　　为保证永磁同步曳引机在实际运行中不发生失磁（不可逆退磁），一方面在设计中考虑永磁体尺寸选择和绕组匝数的选择时，要确保永磁体工作点在最恶劣工况下亦有较高的数值（远大于拐点）。选择的永磁材料具有良好的抗高温特性，在正常使用条件下，其退磁曲线始终为直线；另一方面在永磁同步曳引机绕组中予埋有热敏电阻，当温度达到100℃时，可通过热敏电阻监控器使曳引机暂停工作。通过上述措施可确保永磁同步曳引机的永磁体在电梯运行中（包括最恶劣情况下）不会发生失磁。 　　（2）自发电式能耗制动 　　当曳引机断电时，控制系统可将曳引机定子绕组短接，如果此时曳引机制动器发生失效（断电后未能下闸），电梯将发生自由“溜车”现象。由于永磁体的存在，曳引机定子绕组中将感应出发电制动电流，该制动电流所产生的制动转矩阻止曳引机的“溜车”运动，“溜车”速度越快，制动电流越大，所产生的制动转矩越大，在发电制动转矩作用下，曳引机的“溜车”速度将限制在较小速度下保持匀速运行，不会发生危险。这与传统的有齿轮曳引机相比更加安全。 　　4、无齿轮永磁同步曳引机机驱动装置 　　WYT系列无齿轮永磁同步曳引机具有优良的低速、大转矩特性，能较好地满足电梯曳引要求，这种性能的实现还必须基于与之配套的驱动装置的良好性能和良好匹配性。 　　由于无齿轮曳引机的转速较低（1m/s曳引机额定转速96r/min），为了保证驱动装置速度反馈的精度，要求用于速度检测的编码器具有较高的精度，一般情况下最低4096P/N，最好选择8K-10KP/N编码器或具有同等解析度的正、余弦编码器，这对于无齿轮曳引机获得良好的调速性能是至关重要的。由于无齿轮曳引机没有反向自锁力，在起动时容易发生溜车现象，使电梯起动舒适感变坏，需要负载检测装置进行补偿控制，使曳引机在制动器打开之前就输出和当前负载相对应的转矩，这样在制动器打开后就不会溜车，使起动舒适感得到保证。 　　5、无齿轮永磁同步曳引机现场应用情况 　　目前采用WYT系列无齿轮永磁同步曳引机的电梯已有近千台投入运行，电梯速度0.5-4.0m/s，载重量从450-2000kg.。应用场合包括住宅楼、星级酒店、车站、写字楼等，包括有机房电梯和无机房电梯。共同特点主要有以下几点：噪声下降。由于电机转速很低，又无齿轮传动噪声，加之采用高精度轴承，使电梯机房的噪声比传统曳引机电梯明显降低。减小电机的转矩脉振，使曳引机运行非常平稳，电梯振动很小。此外，没有了齿轮转动产生的扭振，电梯比以前运行更加平稳。节能效果明显。没有了齿轮转动的损耗，再加上永磁电机的高效率，与传统的有齿轮电梯相比节能约40%左右。 　　结论：作为电梯驱动部件的曳引机，其能耗占到电梯耗电量的80%以上，因此节能环保的永磁同步曳引机的应用有着特别重要的意义。跟着我国节能环保事业的推进，以及永磁同步曳引机技术的不断完善，永磁同步无齿轮曳引机产品的应用将更加广泛，其取代传统蜗轮蜗杆曳引机市场地位的速度也必将更快。
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永磁同步曳引机制动器电路及选型
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来源:电工之家
作者:编辑部
制动器是电梯的重要的安全部件，又是电梯的配套部件。制动器电路对制动器的稳定、安全、可靠工作及降低制动器温升、体积至关重要的，本文对传统制动器电路及新型制动器电路进行了试析。
一、 传统电梯制动器电路：
1、 电路结构
图３调火降压灭弧式
以上几种典型电路其结构和原理是基本相同的,均采用时间开关K完成激磁过程,激磁时间通常设为1秒.激磁(启动)时，K闭合,电源的全功率都施加在制动器线圈上；保持时,K断开,电源输出的功率加在R和制动器线圈上,降压电阻R是一个纯耗能元件。
2、电气设计指标
电路设计必须满足国标要求
1) 80%额定电压下能够可靠启动;
2) 55%额定电压以下时才可释放。
电路简单、成本低和制作方便。
1）功率大、温升高。在维持状态，R上消耗的功率和制动器相等。浪费能源，激磁、保持功率无法做大，通常小于2。
2)体积大，浪费材料。仅以漆包线为例：
►对200VDC制动器：启动单边电流2A、保持单边电流1A，选Ф0.62、0.3mm 线，按照3.5A/mm 计算，其截流量为1A。
故线长=100/0.058=1700m（约4.7kg）
►对110VDC制动器：启动单边电流1.7A、保持单边电压0.85A，选Ф0.62、0.3mm 线，按照3.5A/mm 计算，其截流量为1A。
故线长=60/0.058=1000m（约2.8kg）
若增加线径，体积迅速增大，这也是比较难实现大推力的重要原因之一。
3)激磁继电器拉弧。当继电器在断开激磁电流时，线圈上的续流电流要流过继电器触点，该触点断开的瞬间，流过的电流值和激磁电流相等，因此极易烧坏触点或使触点粘连,这是最大的故障点之一。
4)实现大推力比较困难.受温升、体积、拉弧、降压措施的多方面制约。
二、自动调压、稳压控制电路原理分析
1、自动调压原理
对于惰性控制目标，如温度控制等，可改变可控硅的导通时间达到调压目的。见图
对于非惰性控制目标,可用调频调压,但是电路相对复杂，成本高。
改变可控硅的导通角调压，通常用在电机调速上，即由取样电路取样，放大整形，产生移相信号，该信号再加至可控硅控制极上实现，电路方框如下：
2、稳压原理
对于稳压控制，可按上述原理实现，其次是如何实现激励电压和保持电压的自动转换。即采用可控硅无触点开关来代替激磁继电器触点,彻底杜绝拉弧现象,提高抱闸电路的运行可靠性。
三、过激磁整流器简介
基于上述原理，为了解决传统电梯制动器电路的缺点，国内出现了由石家庄五龙制动器有限公司设计的一种具有完全自主知
识产权的&过激磁整流器&，通过5年来在世界各地的使用，证明其有独特的优势：高效能、低温升、小体积、大推力。这一高一低一大一小充分说明了电梯制动器电路的优点。随着永磁同步无齿轮曳引机的发展。对制动器提出了更高的要求。由于无齿轮无减速增力机构，制动器是直接作用于与曳引机同轴的制动轮上，所以它所需要的制动力矩在同载荷、同曳引比和同制动轮径的条件下，比有齿轮曳引机要大十几倍至几十倍。其次，由于无齿轮曳引机的出现，可以实现无机房系统，这又对制动器的体积和噪声提出了较严苛的要求。
对电磁铁而言，电磁推力取决于电磁回路中的磁势IW( I为通过线圈的电流，W为线圈的匝数），直流螺管式电磁铁的吸力计算公式为：
式中：F 电磁铁推力 (N)
S 电磁铁极面面积 (cm )
IW 励磁线圈的总磁势 (A)
& 气隙长度 (cm)
g (单位长度漏磁导）气隙磁导 (H)
& 空气的导磁率 (H/cm)0.4&X10-8
z 铁心伸入线圈的长度 (cm)
lc 励磁线圈的总长度 (cm)
上式中的后半部分和电磁铁的机械结构有关。
当其它参数不变时，要增大吸力，只有增大IW的值。I 大则温升高，且相对要增加线径，体积会增大。W大则体积增大。因此电磁铁的吸力和温升及体积是矛盾的。为了解决这个矛盾，采取了以下几个方法：
1、使用可控硅作无触点开关进行励磁和保持的转换，消除转换时的拉弧现象，通过对直流制动器的分析，拉弧现象只要出现在转换的瞬间（见下图），采用了无触点开关，则保护了抱闸回路继电器的触点,增加了可靠性。
由于磁力器线圈是一个大电感，所以当抱闸继电器闭合瞬间，流过电感的电流不能突变。故励磁电流在缓慢上升的，在接触器上不会出现严重拉弧现象。但当励磁过程结束前，励磁电流已经达到最大值，抱闸继电器触点断开的瞬间，由于电感电流不能突变，续流电流将沿如下路径流过继电器触点.此时会产生严重拉弧现象。见图7：
2、通过改变可控硅的导通角，完成大电流启动和小电流保持。由于电磁铁两铁心开始吸合时，气隙很大，故磁阻也很大，通过大电流产生较大吸力使之吸合。当两铁心吸合后，气隙变小，磁阻变小。上述公式中的（S/& ）项变的很大。这时，可以用很小的电流就能可靠保持，并有足够大的保持力。可控硅在启动和保持时的导通角如下图所示：
3、启动时间内，采用电压补偿的方法使得输入电压变化+/-40% 时，输出电压变化20%，在较宽的电压范围内减小了启动电流的波动。
4、保持时间内，采用移相控制方法使保持电压达到稳定，做到了稳压输出。电路控制过程为：
即: 在保持状态下达到了恒功率，进一步大大降低了温升。磁力器工作中启动仅占很小的时间(通常为0.6~0.7S),所以，降低温升的关键是降低保持时的功率，保持状态占工作总时间的99%以上。关于永磁同步曳引机制动器制动能力的探讨
核心提示：目前市场上广泛使用的电梯大多采用异步主机驱动和同步主机驱动。对其所采用的制动器，业内基本也得到统一认识：即异主机制动器没&目前市场上广泛使用的大多采用异步主机驱动和同步主机驱动。对其所采用的制动器，业内基本也得到统一认识：即异主机制动器没有制动力冗余，只能进行工作制动，如要进行安全制动的话，就必须加装一套轿厢上行超速和轿厢意外移动的安全保护装置；而同步主机驱动的制动器有冗余的制动力，除可以进行工作制动外，还可以对轿厢上行超速和轿厢意外移动进行安全制动。
笔者想通过这篇文章来探讨同步主机驱动的制动器在当下中国的上究竟有没有制动力冗余？这种冗余的制动力能否对轿厢上行超速和轿厢意外移动进行保护？这些问题如果不搞清楚,就会对电梯安全做出错误判断,使我们付出更大的安全代价.
一、GB对机-电式制动器的要求：
1、当轿厢载有125%额定载荷并以额定速度向下运行时，操作制动器应能使曳引机停止运转。轿厢的减速度﹤1g。
2、所有参与向制动轮或盘施加制动力的制动器机械部件应（至少）分两组装设。如果一组不起作用，另一组应仍有足够的制动力使载有额定载重量以额定速度下行的轿厢减速、停止。
3、电磁线圈的铁心被视为机械部件，而线圈不是。也就是说只有具有上述制动能力的主机制动器才被誉为是冗余的制动器。一号修改单还赋予其可以进行除正常的工作制动外，还可以进行上行超速保护制动和轿厢意外移动制动。可见这种即可以进行工作制动，又可以进行安全制动的主机制动器的特点就是这种制动器的机械部分可分为两组设置：当一组不起作用，另一组应仍有足够的制动力使载有额定载重量以额定速度下行的轿厢减速、停止。
二、机-电式制动器冗余的制动力分析
分析：结合标准1、2这种制动器是不是可以这样理解：它的制动能力是每一组制动力最少为125%额定载荷，两组制动力为250%额定载荷，可以单独做125%额定载荷制动力试验。
可见标准对永磁同步主机制动器的设计、制造是非常严格的，对制动能力的冗余度要求也是相当高的。换句话说这种具有冗余度的主机制动器的两边制动力应不少于250%额定载荷；单边制动力也不能少于125%额定载荷。
这种冗余的主机制动器的制动能力真的能满足上述制动要求吗？客观地讲这种冗余的主机制动器在当下可以说是不存在的！因为没有任何一个检验机构和使用单位在现场做过符合上述标准1、2的试验，更谈不上对这种主机制动器冗余度的验证了。这种冗余度的验证试验也只是型式试验机构在试验台上做曳引机型式试验时，做过单边125%制动力矩和双边250%的制动力矩试验。因为制动器的制动能力是动态的，它取决于各个零件的性能：如压缩弹簧弹的疲劳变形、制动摩擦片的调整和磨损等。所以，经型式试验合格的曳引机主机制动器，只能代表这种形式规格的曳引机符合型式试验要求。但不能代表每一台主机制动器的制动力具有满足上述标准1、2的冗余要求！要说明具有这种冗余制动的能力，必须要按标准1、2做冗余制动能力验证。否则，这种主机制动器就不具备冗余制动能力，不能进行轿厢上行超速保护制动和轿厢意外移动制动。
目前，电梯检验机构和使用单位根本就没有条件和能力在现场做上述标准1、2的试验；再一个是电梯设计规范为保证电梯整体的安全，也不能用250%额定载荷在额定速度下行的制动力来制动空载或轻载轿厢（除非这种制动器制动力可调），否则紧急制动所产生的减速度会对乘客产生伤害。单边125%额定载荷在额定速度下行的制动试验，由于危险和制动产生的巨大径向力可能会对驱动轴和轴承带来损害，这个冗余度核实试验，也没有做（电梯检规没有要求）。充其量就做个满载检修速度下行或空载上行制动试验。其制动力最大也就是100%或125%额定载荷（两边同时制动），如果制动力两边均匀，其单边最大制动力也就是50%或65%额定载荷。此时，若是一边制动失效或制动力不足，另一边也无能为力，更谈不上所谓的冗余制动了。绝大多数永磁同步主机驱动的电梯出现开门走梯致人剪切死亡事故，就是由于主机制动器的单边制动力小于100%额定载荷才发生的。
既然强制标准要求永磁同步主机冗余的制动器单边最小的制动力应保证在100%额定载荷，那么在当下无法或不具备验证这种主机制动器冗余的制动力情况下，强烈要求国家电梯安全监督管理机构和电梯检验机构，对未验证或单边制动力小于100%额定载荷的主机制动器，取消其冗余度的功能，不能对轿厢上行超速和意外移动进行保护。
笔者是学机械制造的，原来在机-电制动器的教科书里和多年接触制动器的使用过程中，业内很忌讳制动器单边制动。而今天电梯上广泛使用的永磁同步主机冗余的制动器，恰恰就是依赖这种单边制动来达到安全制动的目的。所以笔者心里没有底，试着利用运动学和动力学的原理，计算了主机制动器在125%额定载荷、额定速度下行单边制动时制动力和制动正压力：由于主机制动器是单边制动，所产生的正压力对轴、轴承、制动臂的强度、刚度和主机座就会形成一个很大的单边径向力，严重的话会损坏轴、轴承和制动臂或者使主机座产生位移（曳引轮安装位置发生变化），影响电梯正常的运行。再一个就是计算250%额定载荷、额定速度下行主机制动器两边同时制动时所产生的制动力，对轻载、额定速度制动时轿厢制动减速度的变化和对乘客的影响。
由于笔者不是搞同步主机制动器设计、制造的，手头缺少相应的计算参考资料，恳请同步主机设计、制造人员可根据本文计算得出的125%额定载荷单边制动正压力和250%额定载荷两边同时制动的制动力偶对同步主机的轴、轴承、制动臂的强度、刚度和主机座进行径向力验算，并将计算结果公开，确保其在理论上能满足标准试验的要求。
三、单一组机械部件制动产生的径向力计算
已知：P+Q & W(Kg)。在轿厢侧P+Q的作用下，对重侧W向上运动，当轿厢侧速度达到V时，对轮1 (制动轮）进行制动，轿厢制
动距离为S，制动轮制动距离为2S，求制动力Fs和正压力N。式中 P：轿厢重量；Q：额定载重量：W：对重侧重量：
根 据GB《电梯制造与安装安全规范》假设冗余的制动器，一侧不起作用，另一侧制动器要使具有额定速度下行、125%额定载荷的轿厢制停的 制动力。如果单边制动力可以达到制动要求，但带来的副作用：如径向力对轴承、轴、制动臂和主机座的影响应该加以考虑。本文就是通过计算计算单边制动产生的 正压力，校核对轴承、轴、制动臂和主机座的影响（这项工作拜托主机厂技术人员了）。
设：轮1（曳引轮+制动轮）为定滑轮，轮2、轮3分别为动滑轮，摩擦力不计。
四、较大的制动力在轻载紧急制动时对乘客的影响
结论：当采用 250%额定载荷、额定速度紧急制停时（a=g）的制动力，来制动轻载（一个人）下行时，其制动减速度将超过1g，远远高于医学界提供的人体能够承受的减速度最大值0.21g对乘客产生极大的伤害。同时还会破坏曳引条件，使曳引钢丝绳打滑，给电梯运行带来极大的影响。
由此可见：永磁同步主机制动器不可能按照双边250%的额定载重量（单边125%），额定速度下行来调整制动器。如果按此调整，轻载下行制动时就会对乘客和电梯运行带来极大的伤害。如果不按此调整，又不能满足单边制动125%额定载荷的冗余要求。
永磁同步主机制动器存在冗余,目前来说是不可能做到的。所以永磁同步主机驱动的电梯，必须也要增加轿箱上行超速和意外移动的保护。如果一定要其的制动器提供 冗余的制动力，就必须做到以下两点：其一，这种制动器的两组制动力必须时时监控，确保每组制动力分别大于100%额定载荷；其二，这种制动器的制动力比没 有冗余的制动器几乎增加100%，如果一定要让这种制动器进行冗余制动，就必须对整个电梯进行重新设计。如：增大曳引力、降低制动减速度、对驱动主机的轴 和轴承进行径向力和弯矩验算等。
当然，利用永磁同步主机驱动的电梯，确实有很多优点，如节能、体积小、故障率低等，它改变了几十年来机械传动利用减速机驱动机械设备的历史，它的主机制动器还是比传统的单机械部件制动器要安全、可靠，是一个非常好的工作制动器，仅此而已。