淺論永磁同步無齒輪曳引技術在電梯領域的應用

摘 要：隨著現代建筑產業的不斷發展，電梯已成為人們身邊不可或缺的一項生活設施。客戶對電梯節能、環保等的要求更是越來越高。作為耗能量大、運行時間長的生活設備，電梯系統節能已成為國際社會共同關注的課題。與此同時，在科技驅動成為產業發展主推動器的今天，電梯控制技術也將產生各種新的變化，包括新產品功能的出現、驅動技術的革新換代等。

關鍵詞：電梯；傳動系統；永磁同步；無齒曳引

1 永磁同步無齒輪電梯驅動技術

同步無齒輪技術的出現，是電梯驅動的一次改革，它完成了電動機軸與曳引輪同軸的應用先例，此項技術的應用改變了傳統減速箱的負載，傳動效率被提高到85%以上，大大超過傳統曳引機的傳動效率。此外，應用該項技術密封性能高的優點，可以減少使用潤滑油，同時還集重量輕、體積小、使用安全可靠、低轉速、大轉矩、污染小、振動小等優點于一身，受到消費者的青睞。有齒輪傳動系統速度為2m/s，1000kg的載重電梯，對變頻器的容量要求為22kW，若采用永磁同步電動機無齒輪驅動電梯，在電梯型號相同的條件下，對變頻器的容量要求為15kW，要求降低了7kw。

2 永磁同步無齒輪曳引技術與傳統曳引技術的比較

一般來說，速度超過2.5m/s的電梯稱為高速電梯，曳引系統應用直流電動機，而由于永磁同步電動機的低轉速、大轉矩特點，可以將曳引技術應用到速度1.0m/s以上的所有電梯系統，大大開拓了永磁同步曳引技術在電梯曳引領域的發展與應用前景。

高性能的永磁體構成了永磁同步電動機轉子，這種方式將電動機的運行效能大大提高。蝸輪蝸桿的機械傳遞效率不高，永磁同步無齒輪驅動系統與蝸輪傳動相比較而言，可以實現減少約40%電力耗能。安全特點方面，其具有結構簡單、剛性直軸制動等特點，不僅可以提供全時上下行超速度保護功能的同時，還可根據永磁同步電動機的反向發電，為使用者提供全方面保護。[1]

3 電梯永磁同步無齒輪傳動系統對變頻器的要求

目前，市場上的很多電梯產品都采用了變頻驅動方式，結束了傳統有齒輪傳動的時代，當然變頻控制方面存在著不同的要求。

3.1 永磁同步電動機的特點

首先，永磁同步電機具有電磁轉矩大的特點，比同容量的普通交、直流電動機的轉矩大。此外，效率和功率因數高。由于不需要無功勵磁電流，功率因數可高達1。穩定工作的電機，轉子和定子磁場同步運行，無感應電流，轉子電阻不受任何損耗，電動機效率可以提高2%～8%。永磁同步電動機轉子中無電流，定子繞組中幾乎不存在無功電流，實現電動機溫升低的特點，延長使用壽命。

3.2 對電梯變頻驅動裝置的設計要求

通過無齒輪減速直接曳引，電梯轎廂將成為電動機的響應變化的直接作用點，因此要將電梯的振動、舒適感等指標予以考慮。設計控制精度高，響應速度快的高性能變頻調速控制器成為設計的首選。尤其是計算響應速度以及電流環的檢測精度。

通過無齒輪曳引，通常情況下電機轉速較低，要求編碼器具有較高的分辨率，通常要求在4096C/T以上。

自起動方面，永磁同步電動機在額定頻率下還不能做到，需要擁有變頻器的驅動。因為永磁同步電動機采用永磁體轉子，具有恒定的轉子磁場，所以定子磁場的產生與轉子磁場磁極的位置要相配合，以確保需要的轉矩。因此在電梯系統中，有通過編碼器反饋檢測磁極位置的信號需要在變頻器設計中體現，并根據電機轉速、所須轉矩、磁極位置等產生定子旋轉磁場的功能。

采用無齒輪曳引方式需要低速大轉矩，因此電動機的設計一般要采用多極數，一般來說在20極以上，特殊情況還有40極或者更高極數的。所以對變頻器的要求升高到更能適應高電動機極數，如此才能滿足電梯要求。

傳統的電梯噪音控制方面，因為傳動方式采用的是有齒輪減速箱，所以電梯機房里產生噪音通常是以齒輪箱發出的噪音為主要對象。而永磁同步電動機采用無齒輪的傳動方式，沒有了齒輪減速箱的噪聲，那么電磁噪音取代齒輪減速箱，成為了電梯機房噪音的主要部分。[2]所以變頻器在電動機噪音抑制方面也被高度關注，被提出了更高的要求。

對于一般的變頻調速電梯的保護尤為必要，變頻器在設計過程中，不僅考慮對自身的保護，也對系統及安全方面的保護做考慮。但是對于永磁同步電動機的無齒輪傳動的電梯，其保護措施更為嚴格，要在傳統系統基礎上，還需考慮無齒輪傳動的特點、永磁同步電動機的特點等，實現安全性方面新的設計。例如，保護電動機可能因磁極位置檢測錯誤而導致的失速動作，這一點硬性要求變頻器具備專門的設計，同時檢測和計算速度更加快速。

能量回饋電梯是一種垂直運輸的交通工具，它的運輸形式決定其運行過程中存在兩種狀態，即電動和發電狀態。傳統的電梯變頻器在設計上一般是選擇電阻，將電梯在發電狀態運行時反饋的能量消耗掉。首先，考慮簡單的因素，變頻器會這樣設計，成本較低；其次，因為有齒輪減速箱的傳動方式是傳統電梯普遍采用的，效率不高，相對應的，反饋的能量也不多。但是與之相對，永磁同步電動機的無齒輪傳動電梯，不見了齒輪減速箱，使效率大大提高，伴隨的反饋的能量也增加很多。若依然采用傳統方式，依靠安裝電阻，消耗能量，其一，普通的電阻滿足不了，因為功率、體積和成本都大幅提高；其二，能源緊缺的現實導致這種方式不再符合節能環保要求，勢必被淘汰。因此，在永磁同步電動機的無齒輪傳動電梯系統中，能量回饋功能在變頻器的設計中必須予以考慮，這樣的結果還將反饋的能量依托變頻器回饋到電網中，節約能源。

3.3 實際應用情況舉例

噪聲控制方面，可以在距電機1米的位置進行測試，選擇上、前、后、左、右五點，結果取平均值。根據該值與環境噪音差值進行修正，結果顯示58dB，低于標準75dB，[3]超越現行電梯傳動系統。

在電梯運行過程中，采用永磁同步無齒輪傳動系統的電梯勻速運行的振動加速度控制在15gal以內，低于設計值20gal。加、減速過程的振動加速度小于25gal，滿足設計要求。

永磁同步無齒輪曳引技術在電梯領域的應用已全面實現，市場上廣大客戶普遍反映具有運行噪聲低、耗電少、運行平穩的特點，已成為電梯傳動系統的主導方向。

參考文獻

[1]吳瑞祥.機械設計基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2]岳慶來.電梯現代智能控制技術[M].機械工業出版社，2009.

[3]黃堅.實用電機設計計算手冊[M].上海科學技術出版社，2010.