電梯驅(qū)動(dòng)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

　　引言
　　隨著我國(guó)城市率的增長(zhǎng)，對(duì)電梯需求量也迅猛增長(zhǎng)，與1992年相比,當(dāng)時(shí)城市率為27.8％，新電梯量為1.6萬(wàn)臺(tái)，2005年,城市率為43％，新電梯量已猛增長(zhǎng)為12.5萬(wàn)臺(tái)，而根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，2006年我國(guó)電梯產(chǎn)量已突破15萬(wàn)臺(tái)，占世界年產(chǎn)量的三分之一[1]。而電梯和空調(diào)又是耗能最大的“電老虎”，據(jù)調(diào)查[2]，全國(guó)三星級(jí)以上酒店，空調(diào)和電梯兩項(xiàng)耗電量就占城市耗電量的三分之一，因此節(jié)能在電梯領(lǐng)域有著特別重要的意義。
　　電梯技術(shù)中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，它控制電梯的起動(dòng)、加速、穩(wěn)速運(yùn)行以及減速等運(yùn)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能直接影響到電梯的平層精度、振動(dòng)、噪聲等乘坐舒適度。目前在老式電梯的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，幾乎是交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的一統(tǒng)天下，驅(qū)動(dòng)方式主要是：（1）交流雙速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
　　其三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子采用兩個(gè)不同極對(duì)數(shù)的繞組,開環(huán)控制方式,線路簡(jiǎn)單,耗能大,乘坐舒適性差。
　　（2）交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)
　　三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子由采用晶閘管的交流調(diào)壓器供電，調(diào)速性能優(yōu)于前者，但它本質(zhì)上是屬于改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法，在調(diào)速過(guò)程中，大量的轉(zhuǎn)差功率被消耗，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱，是一種低效的調(diào)速方法。
　?。?）變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)
　　變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，使其調(diào)速性能達(dá)到直流調(diào)速水平，與前兩種相比，是一種高效調(diào)速技術(shù)，且驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備體積小，重量輕。
　　2000年我們研發(fā)的國(guó)內(nèi)第一臺(tái)永磁同步曳引機(jī)在西子奧的斯電梯公司實(shí)梯試驗(yàn)成功，公司以節(jié)能的戰(zhàn)略眼光，2001年在我國(guó)率先推出了采用無(wú)齒輪永磁同步曳引機(jī)驅(qū)動(dòng)的OH5000電梯系列，引領(lǐng)了電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的新潮流，為電梯節(jié)能作出了貢獻(xiàn)。無(wú)齒輪永磁同步曳引機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有如下突出優(yōu)點(diǎn)：
　　●高效節(jié)能、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好
　　采用多極低速直接驅(qū)動(dòng)的永磁同步曳引機(jī)，無(wú)需龐大的機(jī)械傳動(dòng)效率僅為70％左右的蝸輪、蝸桿減速齒輪箱；與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，無(wú)需從電網(wǎng)汲取無(wú)功電流，因而功率因數(shù)高；因沒(méi)有激磁繞組沒(méi)有激磁損耗，故發(fā)熱小，因而無(wú)需風(fēng)扇、無(wú)風(fēng)摩耗，效率高;采用磁場(chǎng)定向矢量變換控制，具有和直流電動(dòng)機(jī)一樣優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，起、制動(dòng)電流明顯低于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，所需電動(dòng)機(jī)功率和變頻器容量都得到減小。
　　●運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低低速直接驅(qū)動(dòng)，故軸承噪聲低，無(wú)風(fēng)扇、無(wú)蝸輪蝸桿噪聲。噪聲一般可低5～10分貝，減小對(duì)環(huán)境噪聲污染。
　　●節(jié)省建筑空間無(wú)龐大減速齒輪箱、無(wú)激磁繞組、采用高性能釹鐵硼永磁材料，故電機(jī)體積小，重量輕，可縮小機(jī)房或無(wú)需機(jī)房。
　　●使用壽命長(zhǎng)、安全可靠電機(jī)無(wú)需電刷和集電環(huán)，故使用壽命長(zhǎng)，且無(wú)齒輪箱的油氣，對(duì)環(huán)境污染少。
　　●運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用少
　　無(wú)刷、無(wú)減速箱，維護(hù)簡(jiǎn)單。
　　電梯主機(jī)—永磁同步曳引機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
　　為實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，為獲得優(yōu)良控制性能，電梯主機(jī)－永磁同步曳引機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)很有必要。研究集中在轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)分布調(diào)整、低速轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制、分?jǐn)?shù)槽繞組和極槽比的優(yōu)化組合以及飽和對(duì)磁場(chǎng)的影響等方面：
　　2.1轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)研究
　　除少數(shù)公司如通力外，氣隙磁場(chǎng)一般仍采用徑向磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子兩種（見(jiàn)圖1、圖2），目前以外轉(zhuǎn)子居多。在相同外形尺寸限制下，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可獲得更大的電樞內(nèi)徑，從而擴(kuò)大了力臂，在相同轉(zhuǎn)矩下，可縮小電機(jī)軸向長(zhǎng)度，節(jié)省磁鋼用量和成本。但隨著電梯載重和梯速的增加，永磁同步曳引機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩也不斷需要增大，需要注意發(fā)熱等問(wèn)題。外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損耗的定子在內(nèi)側(cè)，熱量散發(fā)要通過(guò)定、轉(zhuǎn)子間氣隙和轉(zhuǎn)子磁軛與機(jī)座間的氣隙。在一些軸向長(zhǎng)度短的薄型結(jié)構(gòu)中，這兩個(gè)氣隙傳導(dǎo)熱阻較大，引起發(fā)熱。
　　圖1載重1600Kg梯速2.5m/s電梯用外轉(zhuǎn)子永磁同步曳引機(jī)（用于西子奧的斯電梯,由西子富沃德公司制造）
　　圖2新穎的無(wú)機(jī)房電梯用內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步曳引機(jī)（用于西子—奧的斯電梯,由西子富沃德公司制造）
　　以磁鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),目前仍集中在表面貼裝的面裝式結(jié)構(gòu),因目前大多數(shù)中低速電梯曳引機(jī)的轉(zhuǎn)速都較低，磁鋼較易固定和調(diào)整，從而避免了磁鋼內(nèi)置式（IPM）結(jié)構(gòu)復(fù)雜的隔磁橋。釹鐵硼永磁材料的導(dǎo)磁率μ近似于空氣隙，采用面裝式磁鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，相對(duì)電樞反應(yīng)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于增大了等效氣隙，從而可削弱負(fù)載時(shí)因飽和對(duì)磁場(chǎng)的影響，可減小交、直軸電樞反應(yīng)電抗，提高功率因數(shù)[4][5]。
　　2.2磁場(chǎng)分布調(diào)整
　　面裝式磁鋼可以選擇更大的極弧系數(shù)，從而更多地利用磁鋼，增大氣隙磁通，減小電樞電流，減小銅耗，提高效率。為簡(jiǎn)化加工工藝，一般采用均勻氣隙結(jié)構(gòu)，一定程度影響氣隙磁場(chǎng)的空間分布接近梯形波，而不是正弦波。近年來(lái)已有研究將Halbach陣列的磁鋼結(jié)構(gòu)用于洗衣機(jī)電機(jī)[5]，取得較好效果。在磁鋼拼圓無(wú)間隙，且氣隙均勻的情況下，仍獲得正弦波氣隙磁場(chǎng)，提高出力。此外也有研究通過(guò)控制永磁體充磁磁場(chǎng)的分布來(lái)改善氣隙磁場(chǎng)波形[6]。
　　2.3低速時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的抑制
　　轉(zhuǎn)矩波動(dòng)來(lái)源于紋波轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩，前者是由于定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和定子電流中不同次的高次諧波相互作用而產(chǎn)生的6倍頻次的紋波轉(zhuǎn)矩，后者則是由于在強(qiáng)氣隙磁密下（設(shè)計(jì)合理時(shí)可達(dá)0.7～0.8T或更高），由于齒、槽效應(yīng)引起的。
　　減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方法可分為兩類:一類從優(yōu)化控制方案出發(fā)，采用快速電流跟蹤變頻器，以盡可能減小電流諧波。目前與電梯配套的變頻器輸出電流波形差異很大，基波頻率越高，電樞電流越大，差異越大，使得同一主機(jī)在不同變頻器控制下效率、溫升、振動(dòng)和噪聲會(huì)有大的差異。另一類方法則從改善電梯本體設(shè)計(jì)出發(fā)，優(yōu)化氣隙磁場(chǎng)波形，以改善永磁電機(jī)運(yùn)行性能；或采用斜槽或斜磁極、磁性槽楔、定子鐵心齒面設(shè)置輔助槽、表面貼裝式磁鋼結(jié)構(gòu)以及適當(dāng)放大氣隙等方法削弱齒槽效應(yīng)的影響；此外分?jǐn)?shù)槽繞組是永磁電機(jī)中普遍采用的措施，它可以有效地抑制定位轉(zhuǎn)矩，消除齒諧波磁場(chǎng)引起的齒諧波感應(yīng)電勢(shì)；在多極少槽的情況下，分?jǐn)?shù)槽繞組提高了等效整數(shù)槽的每極每相槽數(shù)，可消除感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中的高次諧波,從而減小紋波轉(zhuǎn)矩。一般而言，采用分?jǐn)?shù)槽繞組和斜槽或斜極是最有效的措施。
　　2.4分?jǐn)?shù)槽繞組和極槽比的優(yōu)化組合
　　分?jǐn)?shù)槽的每極每相槽數(shù):
　　（1）一般而言，注意了分?jǐn)?shù)槽繞組的兩個(gè)對(duì)稱條件，即：
　?。?）式中m為相數(shù)，2p為極數(shù)，a為定子繞組的并聯(lián)支路數(shù)，d為分?jǐn)?shù)槽繞組分母。滿足了（2）的兩個(gè)對(duì)稱條件，設(shè)計(jì)方案即可行了。
　　（3）但近年來(lái)永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)有多極化的趨勢(shì)，為優(yōu)化線圈制造工藝和減小齒諧波磁場(chǎng)頻率，有采用少槽的趨勢(shì)。齒諧波次數(shù)：
　?。?）式中:2p為極數(shù)，Z1為定子槽數(shù)，Nm為Z1和2p的最大公約數(shù)，γ越大，齒、槽轉(zhuǎn)矩幅值越小。評(píng)價(jià)因子:
　　（4）式中NC為Z1和2p的最小公倍數(shù)，CT越大，齒槽轉(zhuǎn)矩越大。從式（3）、（4）可見(jiàn)，分?jǐn)?shù)槽繞組和極槽比之間，有一個(gè)優(yōu)化組合關(guān)系，即近年來(lái)永磁同步電動(dòng)機(jī)有少槽、多極、大分母分?jǐn)?shù)槽的趨勢(shì)，用于減小齒槽轉(zhuǎn)矩、定位轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)和噪聲。但這種配合，往往帶來(lái)斜槽系數(shù)低的缺點(diǎn)，對(duì)那些尺寸緊湊如薄型永磁同步曳引機(jī)，或?yàn)樘岣卟蹪M率和改善下線工藝的定子齒拼接結(jié)構(gòu)，都無(wú)法采用斜槽結(jié)構(gòu)，這時(shí)應(yīng)特別注意轉(zhuǎn)子磁路的對(duì)稱性，從磁鋼材料均勻性的篩選、磁鋼裝配的均勻性、氣隙的均勻性，嚴(yán)格工藝，否則極難獲得滿意效果。
　　專用變頻器的優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　3.1能量反饋（亦稱再生能源）變頻器的研究
　　所謂能量反饋或再生能源，就是指當(dāng)電梯系統(tǒng)運(yùn)行不需要電力驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)，把電梯轎廂和對(duì)重系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并把產(chǎn)生的電能回饋到局部電網(wǎng)中[1]。目前采用傳統(tǒng)的交—直—交電壓源型變頻器，受逆變器處電力電子器件的單向?qū)щ娦砸约爸虚g直流直流環(huán)節(jié)電容器的耐壓所限，一般都裝有制動(dòng)電阻，其作用即把上述運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)倒拖電動(dòng)機(jī)時(shí)所發(fā)電能，通過(guò)電阻發(fā)熱消耗掉。電梯運(yùn)動(dòng)越頻繁，制動(dòng)電阻消耗的電能越多，產(chǎn)生的熱量也越多。
　　無(wú)齒輪直接驅(qū)動(dòng)的永磁同步曳引機(jī)，不再需要蝸輪蝸桿減速箱，這就為中低速電梯的能量反饋或稱再生能源提供了基礎(chǔ)。2006年西子奧的斯公司推出的“Regen（銳進(jìn)）能源再生電梯”[7]，就是在原OH5000無(wú)齒輪系列基礎(chǔ)上，對(duì)電梯節(jié)能技術(shù)的再一次升級(jí)。通過(guò)特殊的專用雙PWM調(diào)制的變頻器優(yōu)化設(shè)計(jì)，變頻器處的整流主電路亦采用IGBT器件，并通過(guò)電壓和快速電流跟蹤的PWM調(diào)制雙閉環(huán)控制，使傳統(tǒng)電梯制動(dòng)時(shí)消耗在制動(dòng)電阻上的能量轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的電能，反饋到同一電網(wǎng)中，為其它設(shè)備提供能源。經(jīng)檢測(cè)，該系列電梯節(jié)能效果顯著，綜合節(jié)能達(dá)55％，且噪聲低，平穩(wěn)性好。目前西子孚信公司、上海三菱電梯公司和廣州日立電梯公司都有這方面的考慮。山東百斯特電梯公司采用交－交變頻器－矩陣變頻器，亦具有能量反饋功能，節(jié)能效果好，且對(duì)電源無(wú)諧波干擾[8]。
　　3.2一體化、集成化、通用化智能化的趨勢(shì)
　　在小功率伺服系統(tǒng)中把電動(dòng)機(jī)、反饋、控制、驅(qū)動(dòng)和通訊縱向一體化是一種新潮[9]。圖3為電梯門機(jī)系統(tǒng)的一體化裝置，電梯門機(jī)系統(tǒng)是電梯運(yùn)行最頻繁，受人、物干擾運(yùn)行條件最差的部件。采用一體化的設(shè)計(jì)，主機(jī)仍為扁平多極永磁同步電動(dòng)機(jī)，智能化的伺服驅(qū)動(dòng)器集控制、驅(qū)動(dòng)和通訊一體化，提高了可靠性。
　　圖3一體化的電梯門機(jī)系統(tǒng)（用于西子奧的斯電梯,由西子孚信及富沃德公司制造）
　　國(guó)產(chǎn)變頻器雖然都采樣了磁場(chǎng)定向的矢量變換控制，但與國(guó)外的變頻裝置相比，在通用化、智能化方面仍有不少差距。如進(jìn)口變頻器可適用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)等不同機(jī)種，可適用旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器等不同的位置傳感器、在智能化方面，現(xiàn)代的伺服驅(qū)動(dòng)器正朝著參數(shù)記憶、故障診斷分析、甚至預(yù)測(cè)性技術(shù)努力。不少進(jìn)口電梯用變頻器具有自動(dòng)增益調(diào)整功能，自動(dòng)測(cè)定電機(jī)電阻、電感參數(shù)功能和自動(dòng)測(cè)定編碼器零位的功能。最新的現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)器嵌入預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)，及時(shí)反映重要技術(shù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，如電流的升高、電流波形的畸變、溫度的變化等，從而可及時(shí)采取預(yù)防措施，避免發(fā)生故障。
　　傳統(tǒng)懸掛媒介和驅(qū)動(dòng)方式的革新目前電梯的一些傳統(tǒng)的懸掛媒介和驅(qū)動(dòng)方式正受到挑戰(zhàn)。圓形鋼絲繩作為懸掛媒介是標(biāo)準(zhǔn)方式，但目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)扁平鋼絲芯皮帶、非金屬繩以及扁平鋼絲繩作為懸掛媒介。這不但可以減小高層建筑中懸掛媒介自重需要的曳引機(jī)輸出功率，而且可以減小曳引輪直徑，意味著在同樣梯速下可以提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而減小所需電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，縮小電動(dòng)機(jī)體積、重量和成本。
　　日本東芝正在研制的磁懸浮電梯[2]，是傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的革命，它無(wú)需垂直軌道牽引升降，從而除去傳統(tǒng)的鋼纜、鋼絲導(dǎo)軌、配重、限速器、導(dǎo)向輪、配重輪等復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備。該磁懸浮電梯的主機(jī)為直線電動(dòng)機(jī)，動(dòng)子為裝在轎廂內(nèi)的磁鐵，定子為裝在導(dǎo)軌上的鐵心和線圈，在轎廂移動(dòng)時(shí)，通過(guò)定、動(dòng)子間磁力的相互作用綜合調(diào)整，使轎廂與導(dǎo)軌無(wú)接觸。由于不存在摩擦，磁懸浮電梯運(yùn)行時(shí)安靜舒適，還可達(dá)到傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電梯無(wú)法達(dá)到的梯速。它還可利用電磁導(dǎo)軌切割磁場(chǎng)的形式來(lái)回收轎廂動(dòng)能及勢(shì)能，獲得節(jié)能效果。
　　芬蘭通力電梯公司已進(jìn)入試驗(yàn)階段的“SuperEco太陽(yáng)能電梯”是將太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)在光伏發(fā)電系統(tǒng)的井道中運(yùn)行，光伏發(fā)電井道提供電梯運(yùn)行所需之電能。通過(guò)光伏電池將光能轉(zhuǎn)化為電能，可靠性高，不產(chǎn)生廢氣和噪聲，環(huán)保，具有發(fā)展前景。
　　可編程電子電氣安全系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械安全設(shè)施[1]雖然近年來(lái)我國(guó)新電梯的曳引機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)已采用了許多先進(jìn)技術(shù)，但保證電梯安全的技術(shù)卻基本沒(méi)有變化。傳統(tǒng)的機(jī)械安全設(shè)施由于機(jī)械系統(tǒng)失效、觸點(diǎn)污漬、燒蝕以及機(jī)械損壞所導(dǎo)致的停梯故障或事故還時(shí)有發(fā)生。
　　目前歐洲可編程電子系統(tǒng)已使用在電梯的安全防護(hù)上，從而提高了電梯的安全可靠性，減少了維護(hù)費(fèi)用，降低了噪聲。用可編程電子電氣安全系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械安全設(shè)施是發(fā)展的必然趨勢(shì)。
　　綜上所述，在此電梯技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，不但在開發(fā)新的電梯產(chǎn)品上有很多工作可做，而且我國(guó)許多老電梯、老建筑都面臨老梯改造和加裝電梯的需求，為適合多層建筑和小別墅的無(wú)機(jī)房電梯用永磁同步曳引機(jī)。