未来电梯行业电梯驱动技术的国内外发展趋势

　　(3)变频变压调速系统

　　变频调速技术的发展，使其调速性能达到直流调速水平，与前两种相比，是一种高效调速技术，且驱动控制设备体积小，重量轻。

　　2000年我们研发的国内第一台永磁同步曳引机在西子奥的斯电梯公司实梯试验成功，公司以节能的战略眼光，2001年在我国率先推出了采用无齿轮永磁同步曳引机驱动的OH5000电梯系列，引领了电梯驱动系统的新潮流，为电梯节能作出了贡献。无齿轮永磁同步曳引机驱动系统有如下突出优点：

　　●高效节能、驱动系统动态性能好

　　采用多极低速直接驱动的永磁同步曳引机，无需庞大的机械传动效率仅为70%左右的蜗轮、蜗杆减速齿轮箱;与感应电动机相比，无需从电网汲取无功电流，因而功率因数高;因没有激磁绕组没有激磁损耗，故发热小，因而无需风扇、无风摩耗，效率高;采用磁场定向矢量变换控制，具有和直流电动机一样优良的转矩控制特性，起、制动电流明显低于感应电动机，所需电动机功率和变频器容量都得到减小。

　　●运行平稳、噪声低低速直接驱动，故轴承噪声低，无风扇、无蜗轮蜗杆噪声。噪声一般可低5～10分贝，减小对环境噪声污染。

　　●节省建筑空间无庞大减速齿轮箱、无激磁绕组、采用高性能钕铁硼永磁材料，故电机体积小，重量轻，可缩小机房或无需机房。

　　●使用寿命长、安全可靠电机无需电刷和集电环，故使用寿命长，且无齿轮箱的油气，对环境污染少。

　　●运行维护费用少

　　无刷、无减速箱，维护简单。

　　电梯主机—永磁同步曳引机的发展趋势

　　为实现高效节能，为获得优良控制性能，电梯主机-永磁同步曳引机的优化设计很有必要。研究集中在转子磁路结构、磁场分布调整、低速转矩波动抑制、分数槽绕组和极槽比的优化组合以及饱和对磁场的影响等方面：

　　2.1转子磁路结构研究

　　除少数公司如通力外，气隙磁场一般仍采用径向磁场。转子结构有外转子、内转子两种(见图1、图2)，目前以外转子居多。在相同外形尺寸限制下，外转子结构可获得更大的电枢内径，从而扩大了力臂，在相同转矩下，可缩小电机轴向长度，节省磁钢用量和成本。但随着电梯载重和梯速的增加，永磁同步曳引机的输出功率和输出转矩也不断需要增大，需要注意发热等问题。外转子结构产生损耗的定子在内侧，热量散发要通过定、转子间气隙和转子磁轭与机座间的气隙。在一些轴向长度短的薄型结构中，这两个气隙传导热阻较大，引起发热。

　　图1载重1600Kg梯速2.5m/s电梯用外转子永磁同步曳引机(用于西子奥的斯电梯,由西子富沃德公司制造)

　　图2新颖的无机房电梯用内转子永磁同步曳引机(用于西子—奥的斯电梯,由西子富沃德公司制造)

　　以磁钢结构来说,目前仍集中在表面贴装的面装式结构,因目前大多数中低速电梯曳引机的转速都较低，磁钢较易固定和调整，从而避免了磁钢内置式(IPM)结构复杂的隔磁桥。钕铁硼永磁材料的导磁率μ近似于空气隙，采用面装式磁钢结构时，相对电枢反应来说，相当于增大了等效气隙，从而可削弱负载时因饱和对磁场的影响，可减小交、直轴电枢反应电抗，提高功率因数。

　　2.2磁场分布调整

　　面装式磁钢可以选择更大的极弧系数，从而更多地利用磁钢，增大气隙磁通，减小电枢电流，减小铜耗，提高效率。为简化加工工艺，一般采用均匀气隙结构，一定程度影响气隙磁场的空间分布接近梯形波，而不是正弦波。近年来已有研究将Halbach阵列的磁钢结构用于洗衣机电机[5]，取得较好效果。在磁钢拼圆无间隙，且气隙均匀的情况下，仍获得正弦波气隙磁场，提高出力。此外也有研究通过控制永磁体充磁磁场的分布来改善气隙磁场波形[6]。

　　2.3低速时转矩波动的抑制

　　转矩波动来源于纹波转矩和齿槽转矩，前者是由于定子感应电动势和定子电流中不同次的高次谐波相互作用而产生的6倍频次的纹波转矩，后者则是由于在强气隙磁密下(设计合理时可达0.7～0.8T或更高)，由于齿、槽效应引起的。

　　减小转矩波动的方法可分为两类:一类从优化控制方案出发，采用快速电流跟踪变频器，以尽可能减小电流谐波。目前与电梯配套的变频器输出电流波形差异很大，基波频率越高，电枢电流越大，差异越大，使得同一主机在不同变频器控制下效率、温升、振动和噪声会有大的差异。另一类方法则从改善电梯本体设计出发，优化气隙磁场波形，以改善永磁电机运行性能;或采用斜槽或斜磁极、磁性槽楔、定子铁心齿面设置辅助槽、表面贴装式磁钢结构以及适当放大气隙等方法削弱齿槽效应的影响;此外分数槽绕组是永磁电机中普遍采用的措施，它可以有效地抑制定位转矩，消除齿谐波磁场引起的齿谐波感应电势;在多极少槽的情况下，分数槽绕组提高了等效整数槽的每极每相槽数，可消除感应电动势中的高次谐波,从而减小纹波转矩。一般而言，采用分数槽绕组和斜槽或斜极是最有效的措施。

　　2.4分数槽绕组和极槽比的优化组合

　　分数槽的每极每相槽数:

　　(1)一般而言，注意了分数槽绕组的两个对称条件，即：

　　(2)式中m为相数，2p为极数，a为定子绕组的并联支路数，d为分数槽绕组分母。满足了(2)的两个对称条件，设计方案即可行了。

　　(3)但近年来永磁同步电动机的设计有多极化的趋势，为优化线圈制造工艺和减小齿谐波磁场频率，有采用少槽的趋势。齿谐波次数：

　　(3)式中:2p为极数，Z1为定子槽数，Nm为Z1和2p的最大公约数，γ越大，齿、槽转矩幅值越小。评价因子:

　　(4)式中NC为Z1和2p的最小公倍数，CT越大，齿槽转矩越大。从式(3)、(4)可见，分数槽绕组和极槽比之间，有一个优化组合关系，即近年来永磁同步电动机有少槽、多极、大分母分数槽的趋势，用于减小齿槽转矩、定位转矩、振动和噪声。但这种配合，往往带来斜槽系数低的缺点，对那些尺寸紧凑如薄型永磁同步曳引机，或为提高槽满率和改善下线工艺的定子齿拼接结构，都无法采用斜槽结构，这时应特别注意转子磁路的对称性，从磁钢材料均匀性的筛选、磁钢装配的均匀性、气隙的均匀性，严格工艺，否则极难获得满意效果。

　　专用变频器的优化设计

　　3.1能量反馈(亦称再生能源)变频器的研究

　　所谓能量反馈或再生能源，就是指当电梯系统运行不需要电力驱动，驱动电机处于制动发电状态，把电梯轿厢和对重系统运行的机械能转化为电能，并把产生的电能回馈到局部电网中。目前采用传统的交—直—交电压源型变频器，受逆变器处电力电子器件的单向导电性以及中间直流直流环节电容器的耐压所限，一般都装有制动电阻，其作用即把上述运动系统倒拖电动机时所发电能，通过电阻发热消耗掉。电梯运动越频繁，制动电阻消耗的电能越多，产生的热量也越多。

　　无齿轮直接驱动的永磁同步曳引机，不再需要蜗轮蜗杆减速箱，这就为中低速电梯的能量反馈或称再生能源提供了基础。2006年西子奥的斯公司推出的“Regen(锐进)能源再生电梯”[7]，就是在原OH5000无齿轮系列基础上，对电梯节能技术的再一次升级。通过特殊的专用双PWM调制的变频器优化设计，变频器处的整流主电路亦采用IGBT器件，并通过电压和快速电流跟踪的PWM调制双闭环控制，使传统电梯制动时消耗在制动电阻上的能量转换成高质量的电能，反馈到同一电网中，为其它设备提供能源。经检测，该系列电梯节能效果显著，综合节能达55%，且噪声低，平稳性好。目前西子孚信公司、上海三菱电梯公司和广州日立电梯公司都有这方面的考虑。山东百斯特电梯公司采用交-交变频器-矩阵变频器，亦具有能量反馈功能，节能效果好，且对电源无谐波干扰[8]。

　　3.2一体化、集成化、通用化智能化的趋势

　　在小功率伺服系统中把电动机、反馈、控制、驱动和通讯纵向一体化是一种新潮[9]。图3为电梯门机系统的一体化装置，电梯门机系统是电梯运行最频繁，受人、物干扰运行条件最差的部件。采用一体化的设计，主机仍为扁平多极永磁同步电动机，智能化的伺服驱动器集控制、驱动和通讯一体化，提高了可靠性。

　　图3一体化的电梯门机系统(用于西子奥的斯电梯,由西子孚信及富沃德公司制造)

　　国产变频器虽然都采样了磁场定向的矢量变换控制，但与国外的变频装置相比，在通用化、智能化方面仍有不少差距。如进口变频器可适用感应电动机、永磁同步电动机等不同机种，可适用旋转变压器和光电编码器等不同的位置传感器、在智能化方面，现代的伺服驱动器正朝着参数记忆、故障诊断分析、甚至预测性技术努力。不少进口电梯用变频器具有自动增益调整功能，自动测定电机电阻、电感参数功能和自动测定编码器零位的功能。最新的现代伺服驱动器嵌入预测性维护技术，及时反映重要技术参数的动态趋势，如电流的升高、电流波形的畸变、温度的变化等，从而可及时采取预防措施，避免发生故障。

　　传统悬挂媒介和驱动方式的革新目前电梯的一些传统的悬挂媒介和驱动方式正受到挑战。圆形钢丝绳作为悬挂媒介是标准方式，但目前国外已经出现扁平钢丝芯皮带、非金属绳以及扁平钢丝绳作为悬挂媒介。这不但可以减小高层建筑中悬挂媒介自重需要的曳引机输出功率，而且可以减小曳引轮直径，意味着在同样梯速下可以提高电动机的转速，从而减小所需电动机转矩，缩小电动机体积、重量和成本。

　　日本东芝正在研制的磁悬浮电梯，是传统驱动方式的革命，它无需垂直轨道牵引升降，从而除去传统的钢缆、钢丝导轨、配重、限速器、导向轮、配重轮等复杂的机械设备。该磁悬浮电梯的主机为直线电动机，动子为装在轿厢内的磁铁，定子为装在导轨上的铁心和线圈，在轿厢移动时，通过定、动子间磁力的相互作用综合调整，使轿厢与导轨无接触。由于不存在摩擦，磁悬浮电梯运行时安静舒适，还可达到传统驱动电梯无法达到的梯速。它还可利用电磁导轨切割磁场的形式来回收轿厢动能及势能，获得节能效果。

　　芬兰通力电梯公司已进入试验阶段的“SuperEco太阳能电梯”是将太阳能电动机在光伏发电系统的井道中运行，光伏发电井道提供电梯运行所需之电能。通过光伏电池将光能转化为电能，可靠性高，不产生废气和噪声，环保，具有发展前景。

　　可编程电子电气安全系统代替传统的机械安全设施[1]虽然近年来我国新电梯的曳引机的控制和驱动已采用了许多先进技术，但保证电梯安全的技术却基本没有变化。传统的机械安全设施由于机械系统失效、触点污渍、烧蚀以及机械损坏所导致的停梯故障或事故还时有发生。

　　目前欧洲可编程电子系统已使用在电梯的安全防护上，从而提高了电梯的安全可靠性，减少了维护费用，降低了噪声。用可编程电子电气安全系统代替传统的机械安全设施是发展的必然趋势。

　　综上所述，在此电梯技术飞速发展的时代，不但在开发新的电梯产品上有很多工作可做，而且我国许多老电梯、老建筑都面临老梯改造和加装电梯的需求，为适合多层建筑和小别墅的无机房电梯用永磁同步曳引机。

　　无机房电梯用永磁同步曳引机(用于西子奥的斯电梯，由西子富沃德公司制造)

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