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摘要：随着现代建筑的蓬勃发展,日益增多的高层建筑己成为现代都市的重要标志,作为高层建筑的垂直运载工具一一电梯也倍受青睐,其需求量也越来越大.现在对电梯性能要求越来越高,而电梯性能的优劣,在很大程度上取决于电动机转速的控制.永磁同步电机PMSM以其体积小、性能好、结构简单、可靠性高、输出转矩大等特点,得到了越来越广泛的应用和重视,是电梯驱动系统的最理想的选择.
关键词：无齿轮电梯；用永磁同步；电动机的研究
1导言
近年来,永磁同步无齿轮电梯数量在迅速地增长,说明了永磁同步无齿轮电梯和传统电梯相比较具有一定的优越性。
2永磁同步电动机的结构原理
所谓永磁同步电动机是用永磁材料产生励磁磁场的电动机,由永磁体代替电励磁,定子绕组与电励磁同步电动机基本相同。它不需要励磁电流,转子中无励磁损耗,永磁体的励磁磁场与定子绕组中的电流产生电磁耦合作用,使电动机转动。永磁同步电动机的结构随永磁材料性能的不同和应用领域的差异具有多种方案。近年来采用稀土永磁材料的比较多。下面就以稀土永磁材料的电动机为例,介绍一下永磁同步电动机的结构原理。
图1 永磁同步电动机结构图
如图1所示永磁同步电动机和其他电动机一样由转子和定子两部分组成。
稀土永磁同步电动机的定子结构与普通感应式同步电动机基本相同,由三相绕组及铁心构成,所不同的是电枢绕组的绕法。永磁同步电动机电枢绕组常采用星型接法。在转子结构上,永磁同步电动机是用永磁体代替普通感应式同步电动机的励磁绕组,与普通电机相比永磁同步电动机还必须装有转子永磁体磁极位置检测器,用来检测磁极位置,从而以此对电枢电流进行控制,达到伺服控制的目的(见图1)。一般交、直流电动机的转子均在定子之内,而永磁同步电动机的转子则有内转子式(适用于重载高速的场合)和外转子式(可加工成小体积,适用于小机房或无机房)两种,而且这两种结构型式的永磁同步电动机在电梯上均被广泛应用。对于内转子式永磁同步电动机的磁极结构,永磁体嵌装在转子铁中,对于外转子永磁同步电动机的磁极结构,永磁体贴装在转子的内表面上。由于稀土永磁材料的磁能积很大,矫顽力和剩磁密度都很高,往往只要一片永磁体所产生的磁场就能满足电动机的要求。一般永磁同步电动机的转子结构示意图如图2所示。
由于逆变器输出的频率、电压可变的三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相正弦波电流,并产生旋转磁场。这个旋转磁场与已充磁的磁极作用,驱动转子与旋转磁场同步旋转并力图使定、转子磁场轴线对齐。在这种永磁同步电动机的非复载端嵌装有检测永久磁体磁极位置及实现电子换向的传感器。当定子绕组接上可控的变频变压电源起动运行后,磁极位置信号控制同步电动机定子绕组电流的相位,子磁场方向与定子绕组电流矢量的空间正交。转子上没电流, 电动机的发热状况只取决于定子绕组电流的大小。也由于永久磁体产生的恒定磁场总与可控制的定子电流正交, 因此电磁转矩和定子电流具有线性比例关系。
3永磁同步无齿曳引机驱动控制系统
永磁同步无齿曳引机驱动控制系统原理如图 3 所示。与异步电动机变频调速系统相比, 当负载变化时,异步电动机通过调整供电频率和转差率来适应, 而同步电动机则只是调节定子绕组电源与感应电动势之间的夹角, 因此同步电动机响应速度更快。因磁场的大小、方向随时都要确定, 其控制系统需要配置精确的转子位置检测装置和电压电流检测装置。转子位置的精确控制是永磁同步无齿曳引技术的重要部分之一, 它将直接关系到电梯起动、制动的舒适性和平层精度。永磁同步电动机转子位置传感器使用光电编码器和旋转变压器等。光电编码器有增量式和绝对式两种。增量式光电编码器具有结构简单、使用
方便等优点, 但长期使用容易造成积累误差, 停电时由于惯性作用使电动机转子位置信号丢失, 所以多用于中低速电梯。绝对式编码器从码盘读到的值就是转角信号二进制输出, 由此可直接得到转子的绝对位置。光电编码器的优点是检测位置操作简单, 但容易受电气噪声干扰, 而旋转变压器不存在这方面的问题。根据变压器原理, 在定子、转子都装上二相交流绕组。在定子绕组上分别通以互差 90 度的对称电压, 则可在其气隙中产生旋转磁场。当转子从基准位置转过 θ 角时, 转子两绕组中分别感应电压和定子的基准电压之间的相位差就可以判断转子的位置。
4永磁同步电梯的主要优点
永磁同步电动机具有在低速状态下实现大功率输出的优点,因此采用永磁同步电动机作为电梯曳引电动机易于实现直接驱动方式。直接驱动方式可改变传统的“电动机→减速箱→曳引轮→负载(轿厢和对重)”的曳引机驱动模式,做到集曳引电动机、曳引轮、电磁制动器、光电编码器于一体,实现结构紧凑、体积小、重量轻(为传统曳引机的三分之一左右)、安装维修方便、节能效果好(比交流感应电动机VVVF拖动的电梯节能效果提高30%左右)等设计理念。和传统的蜗轮、蜗杆传动的曳引机相比,永磁同步电梯有以下一些优点。
4.1永磁同步无齿曳引机外型小巧精致,体积仅为普通曳引机的一半,传动效率高、噪音低,使得无论在任何速度下,功率损失最低而达到省电效果,与一般电梯相比可节电40%,并能因此而减少电源设备容量。
4.2永磁同步电梯电机在额定转速内保持恒转矩,对于提高电梯的运行稳定性至关重要。可以做到给定曲线与运行曲线重合,特别是电动机在低频、低压、低速时可提供足够的转矩,避免电梯在启动缓速过程抖动,改善电梯启制动过程的舒适感。
4.3调速范围宽,可达1∶1000甚至于更高(异步电机只有1∶100),调速精度极高,可大大提高电梯的品质。
4.4低温升、小体积。永磁同步电机与感应电机相比,因为不需要无功励磁电流,而具备:(a)功率因数高(近于1)。(b)反电势正弦波降低了高次谐波的幅值,有效的解决了对电源的干扰。(c)减小了电机的铜损和铁损。同步电机温升小(约38K),电机外形小,体积与异步电机相比,降低一至两个机座号。
4.5采用无齿轮电梯曳引机,当电梯制动器失灵、轿厢产生自由落体时,可利用永磁同步电机的电流制动功能保证轿厢低速溜车,为电梯安全增加了一道安全屏障。
4.6永磁同步无齿曳引机由于不存在齿廓磨损问题和不需要定期更换润滑油,因此其使用寿命长,且基本不用维修。
5结语
综上所述,从永磁同步电动机的原理和无齿轮电梯的驱动方式可以看出相对于传统的蜗轮、蜗杆传动的曳引机,永磁同步齿轮电梯具有体积小、重量轻、传动效率高、能耗低等诸多优点。
参考文献
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[4]唐斌.无齿轮永磁同步电梯曳引机控制系统的设计与实现[D].华南理工大学,2014.
论文作者:徐健
论文发表刊物:《电力设备》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/25
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