磁懸浮電梯理論研究及其應(yīng)用

蘇學(xué)藝 孫汝昊

摘要：當(dāng)今社會(huì)電梯普遍采用鋼絲繩拖曳轎廂進(jìn)行升降，這種電梯運(yùn)行方式單一，運(yùn)行效率低，而且鋼纜長(zhǎng)期沉重、磨損等問(wèn)題存在斷裂隱患，社會(huì)的發(fā)展急需一種高速化、高效化、高層化的新型電梯。我們利用三維建模軟件對(duì)電磁電梯機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并利用亞克力板和3D打印機(jī)構(gòu)造井道、轎廂實(shí)物模型，進(jìn)行了研究與分析，而電磁無(wú)繩電梯作為一種新型的電梯技術(shù)，與傳統(tǒng)電梯比較，具有無(wú)繩運(yùn)行、高速運(yùn)行、高自由度運(yùn)行的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠更適用于極高層的建筑物，電磁無(wú)繩電梯具有很好的發(fā)展前景和未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展效益。

關(guān)鍵詞：電梯;電磁;機(jī)器人;節(jié)能措施;重力勢(shì)能

引言：目前全球建筑物的電梯普遍采用的是鋼絲繩拖曳轎廂進(jìn)行升降的，這種曳引式電梯的運(yùn)行方式比較固定單一，只能在井道中直上直下運(yùn)動(dòng)，并且一個(gè)井道只能運(yùn)行一個(gè)轎廂，對(duì)于居住在高層建筑的乘客來(lái)說(shuō)會(huì)存在長(zhǎng)時(shí)間等待的問(wèn)題，電梯的運(yùn)行使用效率也會(huì)隨樓層數(shù)的增加而下降;由于材料的限制，建筑物越高，鋼絲繩頂端處所承受的拉力會(huì)越強(qiáng)，鋼纜長(zhǎng)時(shí)間承重、磨損等問(wèn)題而存在斷裂的危險(xiǎn)。

綜上所言，鋼纜曳引式電梯將漸漸不再適用于未來(lái)的極高層的建筑物。社會(huì)的發(fā)展急需一種高速化、高效化、高層化的新型電梯。

系統(tǒng)介紹

本次我們利用三維建模軟件對(duì)電梯機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并利用亞克力板和3D打印機(jī)構(gòu)造井道、轎廂理論實(shí)物模型。使用直流電壓調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)板對(duì)直流電源的恒定直流電壓12V進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之輸出0—12V的線性變化的電壓，通過(guò)給井道兩側(cè)的電磁線圈通0-12V直流電壓使之產(chǎn)生強(qiáng)度漸變的電磁場(chǎng)，在電磁場(chǎng)與轎廂上的永磁體磁場(chǎng)相互作用下，為轎廂提供一個(gè)向上的合力。并利用光電門(mén)對(duì)轎廂進(jìn)行定位，對(duì)電磁線圈的通電順序進(jìn)行精確控制，使電磁線圈呈“流水燈”方式逐個(gè)依次通電運(yùn)行，在井道中形成移動(dòng)的電磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)轎廂連續(xù)的升降運(yùn)行，設(shè)計(jì)樓層按鈕電路和轎廂運(yùn)行信息顯示屛電路，通過(guò)程序控制，使無(wú)繩電梯的控制方式和生活中的電梯基本一致。由于該電梯采用了無(wú)繩運(yùn)行的方式，當(dāng)電梯電路發(fā)生斷電時(shí)，轎廂會(huì)因失去電磁力的驅(qū)動(dòng)而存在墜落的危險(xiǎn)，因此在井道兩側(cè)安裝多個(gè)吸入式彈簧電磁鐵裝置，在正常通電時(shí)，裝置中鐵質(zhì)卡盤(pán)會(huì)因裝置內(nèi)部電磁場(chǎng)的吸引而處于吸入狀態(tài)，一旦電路發(fā)生故障導(dǎo)致斷電，裝置的內(nèi)部電磁場(chǎng)消失，卡盤(pán)則會(huì)在彈簧的作用力下彈出，將轎廂卡住并使之靜止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)繩電梯運(yùn)行的保護(hù)作用。

電梯模型主體主要由井道、轎廂、電磁線圈、電梯保護(hù)裝置組成（如圖2）。下面將對(duì)主要的部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

轎廂的結(jié)構(gòu)

轎廂八個(gè)角分別安裝有八個(gè)導(dǎo)向滾輪，在井道中起到導(dǎo)向的作用。轎廂兩側(cè)安裝八個(gè)永磁體，面向外側(cè)的磁極一致，磁鐵高度與線圈的直徑尺寸一致（20mm）。轎廂頂端安裝有鐵塊，用于水平運(yùn)行時(shí)起重線圈的吸引。

電梯保護(hù)裝置

由于該電梯采用了無(wú)繩運(yùn)行的方式，當(dāng)電梯電路發(fā)生斷電時(shí)，轎廂會(huì)因失去電磁力的驅(qū)動(dòng)而存在墜落的危險(xiǎn)。因此需要在井道兩側(cè)安裝多個(gè)吸入式彈簧電磁鐵裝置，在正常通電時(shí)，裝置中鐵質(zhì)卡盤(pán)會(huì)因裝置內(nèi)部電磁場(chǎng)的吸引而處于吸入狀態(tài)，一旦電路發(fā)生故障導(dǎo)致斷電，裝置的內(nèi)部電磁場(chǎng)消失，卡盤(pán)則會(huì)在彈簧的作用力下彈出，將轎廂卡住并使之靜止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)繩電梯運(yùn)行的保護(hù)作用。

運(yùn)行原理分析

通過(guò)給電磁線圈供直流電壓使之產(chǎn)生電磁場(chǎng)，在電磁場(chǎng)與轎廂上的永磁體磁場(chǎng)相互作用下，形成對(duì)轎廂“一推一拉”的受力狀況，為轎廂提供一個(gè)向上的合力。并對(duì)電磁線圈的通電順序進(jìn)行精確控制，使電磁線圈呈“流水燈”方式逐個(gè)依次的通電運(yùn)行，在井道中形成一個(gè)移動(dòng)的電磁場(chǎng)，如此能夠?qū)崿F(xiàn)轎廂連續(xù)的升降運(yùn)行。

控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)各模塊分別為單片機(jī)核心控制端、12V直流電源、直流電壓調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)板、繼電器組、樓層按鍵控制模塊，轎廂運(yùn)行狀態(tài)信息顯示模塊等主要控制模塊，下面對(duì)控制模塊之間的聯(lián)系進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

直流電壓線性調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

通過(guò)單片機(jī)傳輸PWM脈沖寬度調(diào)制數(shù)字信號(hào)給DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出模擬電壓信號(hào)給直流電壓調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)板，驅(qū)動(dòng)板將12V恒定直流電壓轉(zhuǎn)換為0—12V線性變化的電壓，此線性變化的電壓提供給線圈使之產(chǎn)生漸變的電磁力與轎廂相互作用，使之平穩(wěn)運(yùn)行。

線圈電路控制系統(tǒng)

利用光電傳感器識(shí)別轎廂的位置以及運(yùn)行狀態(tài)，并傳輸信號(hào)給arduino單片機(jī)，單片機(jī)識(shí)別光電傳感器的信號(hào)后傳輸信號(hào)給繼電器電路，繼電器電路通電，線圈得到0—12V線性變化的直流電壓，產(chǎn)生漸變的電磁力與轎廂相互作用，使轎廂運(yùn)行。

轎廂運(yùn)行狀態(tài)信息顯示電路

結(jié)合按鍵控制轎廂的運(yùn)行，使顯示屏顯示出轎廂的所在位置、運(yùn)行狀態(tài)、目的樓層等運(yùn)行信息。顯示屏選擇12864液晶屏。

作品技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

該電梯采用無(wú)繩運(yùn)行的方式，可以避免鋼纜因長(zhǎng)時(shí)間承重，磨損等問(wèn)題而存在斷裂的危險(xiǎn)。且由于不存在鋼纜材質(zhì)強(qiáng)度的限制，電梯運(yùn)行時(shí)可以達(dá)到傳統(tǒng)曳引式電梯無(wú)法企及的高度。通過(guò)該無(wú)繩電梯運(yùn)行原理的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，建筑物的建造形狀將不再受到曳引式電梯的約束限制，可以建造成任意合適、合理的建筑風(fēng)格樣式。

推廣前景及市場(chǎng)分析

隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，人口的爆炸增長(zhǎng)，土地資源日益緊張，未來(lái)的建筑物勢(shì)必會(huì)趨于極高層化，上千米的建筑物完全有可能出現(xiàn)，電梯鋼絲繩的材質(zhì)強(qiáng)度將漸漸不能滿足這種極高層建筑物中電梯的設(shè)計(jì)要求，傳統(tǒng)曳引式電梯將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)，未來(lái)電梯的設(shè)計(jì)研制必然會(huì)以無(wú)繩化、高速化、高效化、高層化運(yùn)行為改革方向。而電磁無(wú)繩電梯作為一種新型的電梯技術(shù)，與傳統(tǒng)電梯比較，具有無(wú)繩運(yùn)行、高速運(yùn)行、高自由度運(yùn)行的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠更適用于極高層的建筑物，電磁無(wú)繩電梯具有很好的發(fā)展前景和未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展效益。