浅谈永磁同步电机在电梯技术上的应用

浅谈永磁同步电机在电梯技术上的应用

随着稀土永磁同步电机的开发与应用, 以及和变频控制实现了机电一体化, 永磁同步电动机已被广泛应用于机械、 石油、冶金、 建材、 食品、 印刷、 包装、 造纸、 造船、 塑料、 纺织化纤、 军工等行业。其种类很多, 用量非常大。永磁同步电动机以其体积小、 节能、 控制性能好、 又容易做成低速直接驱动, 消除齿轮减速装置, 可通过频率的变化进行调速等优点, 在电梯技术上也得以开发应用。其运行低噪声、 电梯平层精度和乘客舒适感都优于以前的驱动系统。特别是近几年来, KONE 电梯公司研发的无机房电梯, 率先应用了永磁同步电机, 使得永磁同步电机无齿轮曳引技术崭露头角, 显示了巨大的优越性, 得到业内人士的普遍看好, 永磁同步电机在电梯设计上的研发具有很大的实用价值。
2 永磁同步电机的结构特点
永磁同步电动机的定子部分与一般的异步电机无多大不同, 其转子结构与异步电机的转子区别是多了一套永磁体。其结构随永磁材料性能不同和应用领域的差异而不同, 根据剩磁密度 Br 和矫顽力 Hc 等技术参数的不同, 而磁极结构不同。电梯技术上开发应用的稀土永磁同步电机常做成瓦片式, 贴在转子的表面, 或嵌在转子铁心中, 分内转子型和外转子型两种。
永磁材料的应用是永磁同步电机的关键技术。 永磁材料近年来的开发很快, 现有铝镍钴、 铁氧体和稀土永磁体三大类。 稀土永磁体又有第一代钐钴 5 （ SmCo5） , 第二代钐钴 2: 17（ Sm2Co17） 和第三代钕铁硼 （ Nd- Fe- B） 。铝镍钴是 20 世纪三十年代研制成功的永磁材料, 具有较高剩磁密度 Br, 剩磁感应强度高, 热稳定性好等优点, 但矫顽力 Hc 很低（ 如图 1 曲线1） , 抗退磁能力差, 而且要用贵重的金属钴, 成本高, 大大限制了它在电机中的应用。 铁氧体磁体是 20 世纪 50 年代初开发的永磁材料, 价格低廉, 具有较高矫顽力 Hc, 但剩余磁通密度较低 （ 如图 1 曲线 2） , 剩磁感应强度和磁能积 BH 都较低, 性能不够理想。稀土永磁材料在六十年代后期问世, 它兼有铝镍钴和铁氧体两种永磁材料的优点, Br 和 Hc 都很高 （ 如图 1 曲线3） , 具有很高的最大磁能积 （ BH） max。如 SmCo5 的 （ BH） max,240kj/m3, Sm2Co17 （ BH） max, 3300kj/m3。而且退磁曲线基本上是一条直线, 回复线与退磁曲线基本重合, 不怕丢磁, 性能稳定, 且热稳定性较好, 剩磁温度系数小。 但钐钴族稀土材料的钴价格较高, 影响其在永磁同步电机的应用。80 年代初开发的钕铁硼（ Nd- Fe- B） 稀土永磁材料, 性能十分优越, （ BH） max,3800kj/m3（ 如图 1 曲线 4） , 到 90 年代, 其 （ BH） max, 500kj/m3。 Nd- Fe- B稀土材料不含价格昂贵的钴, 其可加工性能也比较好, 价格相对便宜。我国又是稀土大国, 储量世界第一。开发应用前景广泛, 适合在永磁同步电机中应用。 目前, 广泛应用在电梯技术领域的永磁同步曳引电机就是钕铁硼 （ Nd- Fe- B） 稀土永磁同步电机。
图 1

3 电梯永磁同步曳引电机的控制方式
永磁同步电机的控制方式与其他电机的控制方式不同。其控制方式一般有: （ 1 ） id=0 控制方式、 （ 2 ） cosΦ=1 控制方式、（ 3 ） 转矩线性控制方式、 和 （ 4 ） 总磁链恒定控制方式四种。电梯永磁同步曳引电机的控制方式只要是第一种。 其控制相量图如图 2。
图 2

图中 ψf 是永磁体产生的磁链, 由 ψf 引起的电动势为Eo, 电动机负载运行时电枢电流为 I, I 可以分成 d 轴分量 Id 和q 轴分量 Iq, d 轴分量 Id 产生去磁磁势, 引起磁链 Ψad, q 轴分量 Iq 产生 q 轴磁势, 引起磁链 Ψaq 这时, 电动机的合成磁链为 Ψm, Ψm 引起的电动势为 Em,Em 也可以看作是 Eo 与Ψad 产生的电动势 jIdXd 及 Ψaq 产生的电动势 jIqxq 之和,由 Em加上电枢绕组的压降 Ir 就得到电动机的端电压 U, 图中U 与 Eo 的夹角 δ 为同步机的功率, U 与 I 的夹角 θ 为功率因素角, γo是电枢电流与 q 轴的夹角。如控制逆变器的导通相位角 γo=0, 则 id=0, 电枢电流中没有励磁分量, 图中的 Ψad=0, 不会引起永磁电机退磁现象;此时, 同步电机的相量图如图 3。这时, 电机的电枢反应只存在于交轴 （ q 轴） , 功角和电机的端电压均随负载的增加而增大。
图 3

4 电梯永磁同步曳引电机的驱动系统
采用永磁同步电机的电梯曳引系统, 通常为无齿轮曳引方式。 突显了永磁同步电机易于做成低转速、 大功率的优点。 其结构紧凑, 功能齐全, 集曳引电机、 曳引轮、 电磁制动器、 光电编码器于一身, 易于安装, 便于使用。 特别是在无机房电梯的开发应用中, 将永磁同步曳引电机安装在电梯的井道里, 既节约了机房的建造成本, 又美化了建筑物外观。其控制图如图 4。
当电梯负载变化时, 永磁同步电机通过调节夹角 δ 来适应, 其响应速度很快。 为了使电梯有良好的起、 制动舒适性和平层准确度, 在系统中加入了准确的转子位置装置和电压电流检测装置, 随时确定电机磁场的大小、 方向。位置检测装置采用转子位置传感器 （ 光电编码器器或旋转变压器等） 。 轿厢负载检测装置可采用位置型、 压力型等多种形式, 对电梯负载进行预先测量并计算,给出恰当方向和大小的力矩, 可输出开关量、 模拟量 （ 电压） 和频率量 （ 高频抗干扰性强, 能远距离传送） 等。将反馈的信号与给定信号相比较、 运算、 按预定的控制方式加以控制, 可以得到优于其它驱动系统的性能。
图4

5 永磁同步电机在电梯开发应用的安全性和可靠性
永磁同步电机在电梯的设计、 生产中, 得以开发利用, 较高地提高了电梯曳引系统安全性和可靠性。当曳引机制动失灵或其它故障引起电梯向上行方向溜车, 乃至飞车时, 它具有安全保护作用, 满足我国技术标准 GB7588- 2003 《电梯制造与安装安全规范》 9.10 轿厢上行超速保护装置的要求。使用永磁同步曳引电机的电梯, 在失电视又解除其长必出点将电动机电枢绕组短截 （ 或串接可调电阻器后短接） , 当出现超速 （ 不论上行、 下行） 故障时, 控制系统检测到超速信号, 立即切断控制器供电回路, 并将电动机电枢绕组短接 （ 或串联可调电阻器后短接） 。这时, 静止的绕组切割旋转的永磁体产生的磁场而感应出电动势, 在闭合的电枢绕组回路中引起电流, 该电流在磁场作用下引起力矩, 企图带动电枢绕组随磁极一起旋转; 同时, 该转矩受反力矩则作用在转子磁极上, 力图使转子随定子电枢绕组一起停止下来, 是一个制动转矩。该过程类似于直流电机的能耗制动, 从而实现了防坠落防飞车 （ 制动转矩可通过电阻器调节使溜车速度可控） 。永磁体和闭合的电枢绕组相互作用, 产生停车自闭这种非接触双向保护, 大大增加了电梯的安全性和可靠性, 特别减小了各类超高速电梯的安全钳锲块在高速动作时因高温损毁所引起的安全风险。由于无齿轮曳引机的曳引轮与电动机同轴, 通常曳引轮与制动轮同体, 因此, 采用永磁同步无齿轮曳引电机技术, 可不设上行超速保护系统, 在电梯验收检验中当然也就可以不作要求。另外, 同步电机可以通过向电枢绕组供直流电来实现带负载零速停车, 从而可以真正做到无须抱闸的机械制动, 实现电气的零速停车。这样可防止由于抱闸失灵造成溜车的故障, 进一步提高系统的可靠性。
6 结束语
在电梯的设计、 生产中, 开发应用永磁同步电机, 作为电梯的曳引电机, 是一种技术的进步。其优点主要表现在: 结构简单紧凑, 少维护; 安全可靠性高; 对环境的噪声污染低、 无油脂污染, 并能提高电力功率因素, 是理想的环保产品; 提高机械传动效率, 使用节能、 经济, 具有较高的性价比; 与交流无齿轮异步电动机驱动系统相比, 低速性、 快速性、 硬机械特性和停车自闭等优点, 是异步电动机所无法相比的; 与直流无齿轮电动机驱动系统相比, 具有更高的低速性能、 调速精度、 快速响应性能,且寿命长、 耗电少、 维护简单; 此外, 还易于实现低转速、 大转矩的电梯理想驱动模型。