電梯驅動技術的國內外發展趨勢

　　引言
　　隨著我國城市率的增長，對電梯需求量也迅猛增長，與1992年相比,當時城市率為27.8％，新電梯量為1.6萬臺，2005年,城市率為43％，新電梯量已猛增長為12.5萬臺，而根據最新統計，2006年我國電梯產量已突破15萬臺，占世界年產量的三分之一[1]。而電梯和空調又是耗能最大的“電老虎”，據調查[2]，全國三星級以上酒店，空調和電梯兩項耗電量就占城市耗電量的三分之一，因此節能在電梯領域有著特別重要的意義。
　　電梯技術中，驅動系統是典型的運動控制系統，它控制電梯的起動、加速、穩速運行以及減速等運動方式，驅動系統的性能直接影響到電梯的平層精度、振動、噪聲等乘坐舒適度。目前在老式電梯的驅動系統中，幾乎是交流感應電動機的一統天下，驅動方式主要是：（1）交流雙速驅動系統
　　其三相交流感應電動機定子采用兩個不同極對數的繞組,開環控制方式,線路簡單,耗能大,乘坐舒適性差。
　　（2）交流調壓調速系統
　　三相交流感應電動機定子由采用晶閘管的交流調壓器供電，調速性能優于前者，但它本質上是屬于改變電動機轉差率的調速方法，在調速過程中，大量的轉差功率被消耗，導致電動機轉子發熱，是一種低效的調速方法。
　　（3）變頻變壓調速系統
　　變頻調速技術的發展，使其調速性能達到直流調速水平，與前兩種相比，是一種高效調速技術，且驅動控制設備體積小，重量輕。
　　2000年我們研發的國內第一臺永磁同步曳引機在西子奧的斯電梯公司實梯試驗成功，公司以節能的戰略眼光，2001年在我國率先推出了采用無齒輪永磁同步曳引機驅動的OH5000電梯系列，引領了電梯驅動系統的新潮流，為電梯節能作出了貢獻。無齒輪永磁同步曳引機驅動系統有如下突出優點：
　　●高效節能、驅動系統動態性能好
　　采用多極低速直接驅動的永磁同步曳引機，無需龐大的機械傳動效率僅為70％左右的蝸輪、蝸桿減速齒輪箱；與感應電動機相比，無需從電網汲取無功電流，因而功率因數高；因沒有激磁繞組沒有激磁損耗，故發熱小，因而無需風扇、無風摩耗，效率高;采用磁場定向矢量變換控制，具有和直流電動機一樣優良的轉矩控制特性，起、制動電流明顯低于感應電動機，所需電動機功率和變頻器容量都得到減小。
　　●運行平穩、噪聲低低速直接驅動，故軸承噪聲低，無風扇、無蝸輪蝸桿噪聲。噪聲一般可低5～10分貝，減小對環境噪聲污染。
　　●節省建筑空間無龐大減速齒輪箱、無激磁繞組、采用高性能釹鐵硼永磁材料，故電機體積小，重量輕，可縮小機房或無需機房。
　　●使用壽命長、安全可靠電機無需電刷和集電環，故使用壽命長，且無齒輪箱的油氣，對環境污染少。
　　●運行維護費用少
　　無刷、無減速箱，維護簡單。
　　電梯主機—永磁同步曳引機的發展趨勢
　　為實現高效節能，為獲得優良控制性能，電梯主機－永磁同步曳引機的優化設計很有必要。研究集中在轉子磁路結構、磁場分布調整、低速轉矩波動抑制、分數槽繞組和極槽比的優化組合以及飽和對磁場的影響等方面：
　　2.1轉子磁路結構研究
　　除少數公司如通力外，氣隙磁場一般仍采用徑向磁場。轉子結構有外轉子、內轉子兩種（見圖1、圖2），目前以外轉子居多。在相同外形尺寸限制下，外轉子結構可獲得更大的電樞內徑，從而擴大了力臂，在相同轉矩下，可縮小電機軸向長度，節省磁鋼用量和成本。但隨著電梯載重和梯速的增加，永磁同步曳引機的輸出功率和輸出轉矩也不斷需要增大，需要注意發熱等問題。外轉子結構產生損耗的定子在內側，熱量散發要通過定、轉子間氣隙和轉子磁軛與機座間的氣隙。在一些軸向長度短的薄型結構中，這兩個氣隙傳導熱阻較大，引起發熱。
　　圖1載重1600Kg梯速2.5m/s電梯用外轉子永磁同步曳引機（用于西子奧的斯電梯,由西子富沃德公司制造）
　　圖2新穎的無機房電梯用內轉子永磁同步曳引機（用于西子—奧的斯電梯,由西子富沃德公司制造）
　　以磁鋼結構來說,目前仍集中在表面貼裝的面裝式結構,因目前大多數中低速電梯曳引機的轉速都較低，磁鋼較易固定和調整，從而避免了磁鋼內置式（IPM）結構復雜的隔磁橋。釹鐵硼永磁材料的導磁率μ近似于空氣隙，采用面裝式磁鋼結構時，相對電樞反應來說，相當于增大了等效氣隙，從而可削弱負載時因飽和對磁場的影響，可減小交、直軸電樞反應電抗，提高功率因數[4][5]。
　　2.2磁場分布調整
　　面裝式磁鋼可以選擇更大的極弧系數，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。為簡化加工工藝，一般采用均勻氣隙結構，一定程度影響氣隙磁場的空間分布接近梯形波，而不是正弦波。近年來已有研究將Halbach陣列的磁鋼結構用于洗衣機電機[5]，取得較好效果。在磁鋼拼圓無間隙，且氣隙均勻的情況下，仍獲得正弦波氣隙磁場，提高出力。此外也有研究通過控制永磁體充磁磁場的分布來改善氣隙磁場波形[6]。
　　2.3低速時轉矩波動的抑制
　　轉矩波動來源于紋波轉矩和齒槽轉矩，前者是由于定子感應電動勢和定子電流中不同次的高次諧波相互作用而產生的6倍頻次的紋波轉矩，后者則是由于在強氣隙磁密下（設計合理時可達0.7～0.8T或更高），由于齒、槽效應引起的。
　　減小轉矩波動的方法可分為兩類:一類從優化控制方案出發，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，使得同一主機在不同變頻器控制下效率、溫升、振動和噪聲會有大的差異。另一類方法則從改善電梯本體設計出發，優化氣隙磁場波形，以改善永磁電機運行性能；或采用斜槽或斜磁極、磁性槽楔、定子鐵心齒面設置輔助槽、表面貼裝式磁鋼結構以及適當放大氣隙等方法削弱齒槽效應的影響；此外分數槽繞組是永磁電機中普遍采用的措施，它可以有效地抑制定位轉矩，消除齒諧波磁場引起的齒諧波感應電勢；在多極少槽的情況下，分數槽繞組提高了等效整數槽的每極每相槽數，可消除感應電動勢中的高次諧波,從而減小紋波轉矩。一般而言，采用分數槽繞組和斜槽或斜極是最有效的措施。
　　2.4分數槽繞組和極槽比的優化組合
　　分數槽的每極每相槽數:
　　（1）一般而言，注意了分數槽繞組的兩個對稱條件，即：
　　（2）式中m為相數，2p為極數，a為定子繞組的并聯支路數，d為分數槽繞組分母。滿足了（2）的兩個對稱條件，設計方案即可行了。
　　（3）但近年來永磁同步電動機的設計有多極化的趨勢，為優化線圈制造工藝和減小齒諧波磁場頻率，有采用少槽的趨勢。齒諧波次數：
　　（3）式中:2p為極數，Z1為定子槽數，Nm為Z1和2p的最大公約數，γ越大，齒、槽轉矩幅值越小。評價因子:
　　（4）式中NC為Z1和2p的最小公倍數，CT越大，齒槽轉矩越大。從式（3）、（4）可見，分數槽繞組和極槽比之間，有一個優化組合關系，即近年來永磁同步電動機有少槽、多極、大分母分數槽的趨勢，用于減小齒槽轉矩、定位轉矩、振動和噪聲。但這種配合，往往帶來斜槽系數低的缺點，對那些尺寸緊湊如薄型永磁同步曳引機，或為提高槽滿率和改善下線工藝的定子齒拼接結構，都無法采用斜槽結構，這時應特別注意轉子磁路的對稱性，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，嚴格工藝，否則極難獲得滿意效果。
　　專用變頻器的優化設計
　　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，就是指當電梯系統運行不需要電力驅動，驅動電機處于制動發電狀態，把電梯轎廂和對重系統運行的機械能轉化為電能，并把產生的電能回饋到局部電網中[1]。目前采用傳統的交—直—交電壓源型變頻器，受逆變器處電力電子器件的單向導電性以及中間直流直流環節電容器的耐壓所限，一般都裝有制動電阻，其作用即把上述運動系統倒拖電動機時所發電能，通過電阻發熱消耗掉。電梯運動越頻繁，制動電阻消耗的電能越多，產生的熱量也越多。
　　無齒輪直接驅動的永磁同步曳引機，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。2006年西子奧的斯公司推出的“Regen（銳進）能源再生電梯”[7]，就是在原OH5000無齒輪系列基礎上，對電梯節能技術的再一次升級。通過特殊的專用雙PWM調制的變頻器優化設計，變頻器處的整流主電路亦采用IGBT器件，并通過電壓和快速電流跟蹤的PWM調制雙閉環控制，使傳統電梯制動時消耗在制動電阻上的能量轉換成高質量的電能，反饋到同一電網中，為其它設備提供能源。經檢測，該系列電梯節能效果顯著，綜合節能達55％，且噪聲低，平穩性好。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，節能效果好，且對電源無諧波干擾[8]。
　　3.2一體化、集成化、通用化智能化的趨勢
　　在小功率伺服系統中把電動機、反饋、控制、驅動和通訊縱向一體化是一種新潮[9]。圖3為電梯門機系統的一體化裝置，電梯門機系統是電梯運行最頻繁，受人、物干擾運行條件最差的部件。采用一體化的設計，主機仍為扁平多極永磁同步電動機，智能化的伺服驅動器集控制、驅動和通訊一體化，提高了可靠性。
　　圖3一體化的電梯門機系統（用于西子奧的斯電梯,由西子孚信及富沃德公司制造）
　　國產變頻器雖然都采樣了磁場定向的矢量變換控制，但與國外的變頻裝置相比，在通用化、智能化方面仍有不少差距。如進口變頻器可適用感應電動機、永磁同步電動機等不同機種，可適用旋轉變壓器和光電編碼器等不同的位置傳感器、在智能化方面，現代的伺服驅動器正朝著參數記憶、故障診斷分析、甚至預測性技術努力。不少進口電梯用變頻器具有自動增益調整功能，自動測定電機電阻、電感參數功能和自動測定編碼器零位的功能。最新的現代伺服驅動器嵌入預測性維護技術，及時反映重要技術參數的動態趨勢，如電流的升高、電流波形的畸變、溫度的變化等，從而可及時采取預防措施，避免發生故障。
　　傳統懸掛媒介和驅動方式的革新目前電梯的一些傳統的懸掛媒介和驅動方式正受到挑戰。圓形鋼絲繩作為懸掛媒介是標準方式，但目前國外已經出現扁平鋼絲芯皮帶、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機的轉速，從而減小所需電動機轉矩，縮小電動機體積、重量和成本。
　　日本東芝正在研制的磁懸浮電梯[2]，是傳統驅動方式的革命，它無需垂直軌道牽引升降，從而除去傳統的鋼纜、鋼絲導軌、配重、限速器、導向輪、配重輪等復雜的機械設備。該磁懸浮電梯的主機為直線電動機，動子為裝在轎廂內的磁鐵，定子為裝在導軌上的鐵心和線圈，在轎廂移動時，通過定、動子間磁力的相互作用綜合調整，使轎廂與導軌無接觸。由于不存在摩擦，磁懸浮電梯運行時安靜舒適，還可達到傳統驅動電梯無法達到的梯速。它還可利用電磁導軌切割磁場的形式來回收轎廂動能及勢能，獲得節能效果。
　　芬蘭通力電梯公司已進入試驗階段的“SuperEco太陽能電梯”是將太陽能電動機在光伏發電系統的井道中運行，光伏發電井道提供電梯運行所需之電能。通過光伏電池將光能轉化為電能，可靠性高，不產生廢氣和噪聲，環保，具有發展前景。
　　可編程電子電氣安全系統代替傳統的機械安全設施[1]雖然近年來我國新電梯的曳引機的控制和驅動已采用了許多先進技術，但保證電梯安全的技術卻基本沒有變化。傳統的機械安全設施由于機械系統失效、觸點污漬、燒蝕以及機械損壞所導致的停梯故障或事故還時有發生。
　　目前歐洲可編程電子系統已使用在電梯的安全防護上，從而提高了電梯的安全可靠性，減少了維護費用，降低了噪聲。用可編程電子電氣安全系統代替傳統的機械安全設施是發展的必然趨勢。
　　綜上所述，在此電梯技術飛速發展的時代，不但在開發新的電梯產品上有很多工作可做，而且我國許多老電梯、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機房電梯用永磁同步曳引機。