永磁同步無齒輪曳引機在電梯穩定性中的應用研究

黃珺

（江西省機電設備招標有限公司，江西 南昌 330046）

永磁同步無齒輪曳引機在電梯穩定性中的應用研究

黃珺

（江西省機電設備招標有限公司，江西 南昌 330046）

隨著近年來商業建筑與高層建筑的蓬勃發展，人們對于電梯的使用已不陌生。在此背景下，使用者更加追求電梯系統的穩定性；產權人則更加關注電梯的運維費用；生產者更為關注電梯中的技術應用。這進一步使得基于穩定性的相關技術在該領域內得到了廣闊的應用空間。本文以電梯穩定性為研究對象，重點探討永磁同步無齒輪曳引機在電梯牽引部的具體應用及其特征屬性。

永磁同步；無齒輪；曳引機；應用分析

在現代生活中，電梯的使用已經相對頻繁，且對人們的生活產生了一定的實質性影響。在如此背景下，基于節能、穩定、安全、低成本等多方面的技術改造與應用一直是該領域的研究重點與基本方向。在 2000年左右，基于永磁系統的盤式或者碟式電動機問世并應用于電梯的動力結構之中，其由于采用非齒輪聯結方式作為動力傳輸，故而能夠提供更高的穩定性。與此同時，此種模式基于永磁的動力規劃體系，對于電梯自動化及繼電器控制具有較為強烈的支撐作用，使得電梯運行的準確性更高。

技術發展到當下，在不斷的優化與技術升級過程中，除了上述的特征之外，形成更為小巧、更為先進、更為經濟的基本模式，而受到各方的廣泛關注。從電梯動力部分評價參數與要點的角度來看，對相關步驟的穩定性評價體系主要包括了兩個方面，一是指其運行的穩定性；二是指其后續運維（設備工況）的穩定性。本文將從上述兩個方面開展相關的研究，在梳理其原理、特征的基礎上對穩定性共性進行重點分析。希望通過本文的研究能夠為今后的相關應用及技術升級提供必要的理論基礎與指導性意見。

1 永磁同步無齒輪曳引機基本結構與原理分析

從基本結構上來看，永磁同步無齒輪曳引機分為機殼、轉子及定子三個重要部分構成。機殼主要負責內部元件的固定與保護，并提供電源規劃與實施；轉子與定子均為圓盤形與外部鏈接為無齒輪固定模式來予以實現。此種結構特征決定了永磁產生的氣隙磁場在圓盤物理性狀的軸線分布的特增。此種特征模式能夠形成無死角的磁力推動單元，為后續穩定提供動力提供了必要支撐。在實際的設計過程中定子形成電場、轉子以永磁構造，并通過星形結構進行三項繞組，故而產生一定的推力。

從運行原理來看，該款電動機是采用磁場作為動力支撐來進行構建的，并行成電能與機械能之間的高效轉化。相關研究表明，經由磁場進行的能量轉換效率最高。在具體原理層面，當定子進行三項通電時，會產生一個與永磁磁場產生多源固定夾角的場力疊加區。而在磁場中的電流受到力的作用，以及定子與轉子之間的相互作用力的作用下對其產生穩定推力，根據公式 F=nBIL可知電動機的功率輸出與四方面因素相關，即受力點位數量、永磁磁感應強度、定子三項電流、轉子作用長度。與此同時，轉盤式結構使得轉子的受力點位呈現出相對于磁場的均勻分布，故而各處的理論受力值相當，這也進一步使得其受力一直處于均勻狀態。此外，在實際的運行過程中我們可以發現，通過電流方式能夠控制其動力輸出的大小，這與電梯啟動、上行、下行、勻速行駛中的不同的能量輸出形成了良好的呼應，使得電梯動力輸出更為平穩。

2 永磁同步無齒輪曳引機基本特征

基于上文所討論的永磁同步無齒輪曳引機的基本結構與原理，其在應用過程中除了穩定性之外，還具有如下幾方面特征。

第一，結構簡單、體積小。由于永磁同步電動機的轉子由輕薄短小的釹鐵硼磁體制作，省去了感應電動機的轉子鐵心、轉子線圈，使電動機的體積變小，重量減輕，結構簡化，同時，由于永磁同步曳引系統與傳統的有齒曳引系統相比，省去了復雜、笨重而又龐大的機械減速機構，使曳引機的結構變得非常簡單而緊湊，實現了曳引機整體的簡單化、輕量化、小型化。

第二，高效率、超節能。永磁同步無齒曳引系統高效節能的原因，主要在于永磁同步無齒曳引系統沒有機械減速機構的油耗、機械摩擦損耗，而傳統的有齒曳引系統靠機械摩擦傳力，低效率、高能耗是其不可克服的致命缺點。永磁同步無齒曳引傳統的機械效率為 98%，在能源傳輸的過程中將損耗降低到最小。另一方面，永磁同步電動機的轉子為永磁體材料，不需要無功的勵磁電流，無轉子銅損、鐵損、發熱等問題，定子的損耗也很小，因而電動機容量可以減小。

第三，性能價格比較高。永磁同步無齒曳引系統由于采用了高性能的永磁材料，使電動機本身的成本有所提高，但齒輪減速機構的取消，簡化了結構，從而降低了機械制造與維護成本。又由于電動機效率和傳動效率的提高，驅動電動機的變頻器容量大為減小。

上述三方面特征分別決定了此種技術模式下的成本、效能及結構。并均能夠顯著提高其選擇樂觀性，進而進一步提升其在電梯領域應用的范圍與比重。

3 永磁同步無齒輪曳引機在電梯穩定體系中的應用

正如上文所討論的那樣，所謂的電梯穩定體系主要分為兩個部分，一是從機械穩定性層面探究其運行的穩定；二是從設備穩定性方面探究其后續維養的穩定性。其在應用永磁同步無齒輪曳引機的基礎上，穩定性主要表現如下：

3.1 機械穩定性方面

應用永磁同步無齒輪曳引機作為電梯的動力來源其穩定性主要表現為如下三個方面：

第一，永磁同步電機的轉速n在穩定運行時與電源頻率 f保持恒定關系（n=60flp），只要調節電源頻率 f，可以很方便地實現電梯的實際運行速度曲線跟蹤理想速度給定曲線，以獲得很高的電梯運行平穩性，該電動機不但可以采用閉環變頻調速系統，也可以采用開環變頻調速系統，當采用閉環變頻調速系統時，可獲得更高的控制精度和運行舒適感。另外，永磁同步電動機在低頻、低壓、低速時可提供足夠的轉矩，并且能夠在電梯起停以及低速運行的過程中有效的消除卡頓現象，并以共振為基礎避免抖動的產生。

第二，由于其體積相對較小，與其他機械類曳引機相比體積至少削減了 50%以上。故而，在實際的電梯動力系統設計過程中還可以采用降低單體功率，雙機運行的方式來進行組建。此種模式能夠使得動力輸出形成更為有效的連續性，避免受力不均衡而產生的非穩定情況的出現。此外，此種構建模式還能夠在不降低總輸出功率的情況下降低單體曳引機的功率需求能夠形成更為有效的輸出“田區”有助于最佳工況的實現。

第三，根據內部碟型結構特征，其受力點均分布在對等軸線上。在不考慮產品生產過程中的細微差異（此方面內容是工業生產質量控制的重點），則可以認為不同受力點間的受力屬性為完全一致。此種情形與傳統機械動力部分相比不會隨著設備的不同運動軌跡而產生不同的動力特征，進而使得其外部表征更為穩定。

3.2 設備穩定性方面

所謂的設備穩定性主要是指其在運行過程中的合規比例，在宏觀上一般表現為異常、故障及維養等三個方面，如果上述三個方面均能夠達到或者超過合規水平，則可以認定該系統在電梯中的應用能夠在設備穩定性方面做出貢獻。

在異常穩定性方面：利用永磁同步無齒輪曳引機作為電梯動力單元，其故障率極低。且與傳統機械部分相比至少下降了 50%左右，形成此種優勢的根本原因在于：一方面此種模式缺乏硬摩擦，故而自身機械結構能夠保持穩定；另一方面則是系統運行能耗低、產熱小，系統電氣結構也能夠得到有效的保護。

在故障穩定性方面：利用永磁同步無齒輪曳引機作為電梯的動力單元，其故障率相對較低，根據現有的統計資料，系統性源發故障不足千分之一，處于較低水平。然而，值得我們注意的是，永磁同步系統在一定程度上存在不可修復特性，如果由于外力或者其他因素而導致故障產生很難通過維修來實現就有功能與使用效果的恢復。

在維養穩定性方面：雖然該系統具有一定的應用優勢，但是依舊需要構建相對完善的維養體系來加以保護。在實際的體系構建過程中，根據不同的使用頻次與強度可以指定必要的維養周期，且由于永磁體系并不存在機械磨損，故而與其他動力結構相比其穩定性表現為周期的穩定與項目的固定兩個方面。

4 結語

永磁同步無齒輪曳引機在電梯動力單元的構建中得到了一定的應用，此種構建模式存在體積小、成本小、維護簡單、施工便捷等基本特征與優勢而受到廣泛關注。在此背景下，本文以機械穩定性及設備穩定性兩個方面為重點研究內容對其開展相關分析，旨在為后續的技術推廣與優化奠定必要基礎。

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