淺談永磁同步電機在電梯技術上的應用

隨著稀土永磁同步電機的開發與應用, 以及和變頻控制實現了機電一體化, 永磁同步電動機已被廣泛應用于機械、 石油、冶金、 建材、 食品、 印刷、 包裝、 造紙、 造船、 塑料、 紡織化纖、 軍工等行業。其種類很多, 用量非常大。永磁同步電動機以其體積小、 節能、 控制性能好、 又容易做成低速直接驅動, 消除齒輪減速裝置, 可通過頻率的變化進行調速等優點, 在電梯技術上也得以開發應用。其運行低噪聲、 電梯平層精度和乘客舒適感都優于以前的驅動系統。特別是近幾年來, KONE 電梯公司研發的無機房電梯, 率先應用了永磁同步電機, 使得永磁同步電機無齒輪曳引技術嶄露頭角, 顯示了巨大的優越性, 得到業內人士的普遍看好, 永磁同步電機在電梯設計上的研發具有很大的實用價值。
2 永磁同步電機的結構特點
永磁同步電動機的定子部分與一般的異步電機無多大不同, 其轉子結構與異步電機的轉子區別是多了一套永磁體。其結構隨永磁材料性能不同和應用領域的差異而不同, 根據剩磁密度 Br 和矯頑力 Hc 等技術參數的不同, 而磁極結構不同。電梯技術上開發應用的稀土永磁同步電機常做成瓦片式, 貼在轉子的表面, 或嵌在轉子鐵心中, 分內轉子型和外轉子型兩種。
永磁材料的應用是永磁同步電機的關鍵技術。 永磁材料近年來的開發很快, 現有鋁鎳鈷、 鐵氧體和稀土永磁體三大類。 稀土永磁體又有第一代釤鈷 5 （ SmCo5） , 第二代釤鈷 2: 17（ Sm2Co17） 和第三代釹鐵硼 （ Nd- Fe- B） 。鋁鎳鈷是 20 世紀三十年代研制成功的永磁材料, 具有較高剩磁密度 Br, 剩磁感應強度高, 熱穩定性好等優點, 但矯頑力 Hc 很低（ 如圖 1 曲線1） , 抗退磁能力差, 而且要用貴重的金屬鈷, 成本高, 大大限制了它在電機中的應用。 鐵氧體磁體是 20 世紀 50 年代初開發的永磁材料, 價格低廉, 具有較高矯頑力 Hc, 但剩余磁通密度較低 （ 如圖 1 曲線 2） , 剩磁感應強度和磁能積 BH 都較低, 性能不夠理想。稀土永磁材料在六十年代后期問世, 它兼有鋁鎳鈷和鐵氧體兩種永磁材料的優點, Br 和 Hc 都很高 （ 如圖 1 曲線3） , 具有很高的最大磁能積 （ BH） max。如 SmCo5 的 （ BH） max,240kj/m3, Sm2Co17 （ BH） max, 3300kj/m3。而且退磁曲線基本上是一條直線, 回復線與退磁曲線基本重合, 不怕丟磁, 性能穩定, 且熱穩定性較好, 剩磁溫度系數小。 但釤鈷族稀土材料的鈷價格較高, 影響其在永磁同步電機的應用。80 年代初開發的釹鐵硼（ Nd- Fe- B） 稀土永磁材料, 性能十分優越, （ BH） max,3800kj/m3（ 如圖 1 曲線 4） , 到 90 年代, 其 （ BH） max, 500kj/m3。 Nd- Fe- B稀土材料不含價格昂貴的鈷, 其可加工性能也比較好, 價格相對便宜。我國又是稀土大國, 儲量世界第一。開發應用前景廣泛, 適合在永磁同步電機中應用。 目前, 廣泛應用在電梯技術領域的永磁同步曳引電機就是釹鐵硼 （ Nd- Fe- B） 稀土永磁同步電機。
圖 1

3 電梯永磁同步曳引電機的控制方式
永磁同步電機的控制方式與其他電機的控制方式不同。其控制方式一般有: （ 1 ） id=0 控制方式、 （ 2 ） cosΦ=1 控制方式、（ 3 ） 轉矩線性控制方式、 和 （ 4 ） 總磁鏈恒定控制方式四種。電梯永磁同步曳引電機的控制方式只要是第一種。 其控制相量圖如圖 2。
圖 2

圖中 ψf 是永磁體產生的磁鏈, 由 ψf 引起的電動勢為Eo, 電動機負載運行時電樞電流為 I, I 可以分成 d 軸分量 Id 和q 軸分量 Iq, d 軸分量 Id 產生去磁磁勢, 引起磁鏈 Ψad, q 軸分量 Iq 產生 q 軸磁勢, 引起磁鏈 Ψaq 這時, 電動機的合成磁鏈為 Ψm, Ψm 引起的電動勢為 Em,Em 也可以看作是 Eo 與Ψad 產生的電動勢 jIdXd 及 Ψaq 產生的電動勢 jIqxq 之和,由 Em加上電樞繞組的壓降 Ir 就得到電動機的端電壓 U, 圖中U 與 Eo 的夾角 δ 為同步機的功率, U 與 I 的夾角 θ 為功率因素角, γo是電樞電流與 q 軸的夾角。如控制逆變器的導通相位角 γo=0, 則 id=0, 電樞電流中沒有勵磁分量, 圖中的 Ψad=0, 不會引起永磁電機退磁現象;此時, 同步電機的相量圖如圖 3。這時, 電機的電樞反應只存在于交軸 （ q 軸） , 功角和電機的端電壓均隨負載的增加而增大。
圖 3

4 電梯永磁同步曳引電機的驅動系統
采用永磁同步電機的電梯曳引系統, 通常為無齒輪曳引方式。 突顯了永磁同步電機易于做成低轉速、 大功率的優點。 其結構緊湊, 功能齊全, 集曳引電機、 曳引輪、 電磁制動器、 光電編碼器于一身, 易于安裝, 便于使用。 特別是在無機房電梯的開發應用中, 將永磁同步曳引電機安裝在電梯的井道里, 既節約了機房的建造成本, 又美化了建筑物外觀。其控制圖如圖 4。
當電梯負載變化時, 永磁同步電機通過調節夾角 δ 來適應, 其響應速度很快。 為了使電梯有良好的起、 制動舒適性和平層準確度, 在系統中加入了準確的轉子位置裝置和電壓電流檢測裝置, 隨時確定電機磁場的大小、 方向。位置檢測裝置采用轉子位置傳感器 （ 光電編碼器器或旋轉變壓器等） 。 轎廂負載檢測裝置可采用位置型、 壓力型等多種形式, 對電梯負載進行預先測量并計算,給出恰當方向和大小的力矩, 可輸出開關量、 模擬量 （ 電壓） 和頻率量 （ 高頻抗干擾性強, 能遠距離傳送） 等。將反饋的信號與給定信號相比較、 運算、 按預定的控制方式加以控制, 可以得到優于其它驅動系統的性能。
圖4

5 永磁同步電機在電梯開發應用的安全性和可靠性
永磁同步電機在電梯的設計、 生產中, 得以開發利用, 較高地提高了電梯曳引系統安全性和可靠性。當曳引機制動失靈或其它故障引起電梯向上行方向溜車, 乃至飛車時, 它具有安全保護作用, 滿足我國技術標準 GB7588- 2003 《電梯制造與安裝安全規范》 9.10 轎廂上行超速保護裝置的要求。使用永磁同步曳引電機的電梯, 在失電視又解除其長必出點將電動機電樞繞組短截 （ 或串接可調電阻器后短接） , 當出現超速 （ 不論上行、 下行） 故障時, 控制系統檢測到超速信號, 立即切斷控制器供電回路, 并將電動機電樞繞組短接 （ 或串聯可調電阻器后短接） 。這時, 靜止的繞組切割旋轉的永磁體產生的磁場而感應出電動勢, 在閉合的電樞繞組回路中引起電流, 該電流在磁場作用下引起力矩, 企圖帶動電樞繞組隨磁極一起旋轉; 同時, 該轉矩受反力矩則作用在轉子磁極上, 力圖使轉子隨定子電樞繞組一起停止下來, 是一個制動轉矩。該過程類似于直流電機的能耗制動, 從而實現了防墜落防飛車 （ 制動轉矩可通過電阻器調節使溜車速度可控） 。永磁體和閉合的電樞繞組相互作用, 產生停車自閉這種非接觸雙向保護, 大大增加了電梯的安全性和可靠性, 特別減小了各類超高速電梯的安全鉗鍥塊在高速動作時因高溫損毀所引起的安全風險。由于無齒輪曳引機的曳引輪與電動機同軸, 通常曳引輪與制動輪同體, 因此, 采用永磁同步無齒輪曳引電機技術, 可不設上行超速保護系統, 在電梯驗收檢驗中當然也就可以不作要求。另外, 同步電機可以通過向電樞繞組供直流電來實現帶負載零速停車, 從而可以真正做到無須抱閘的機械制動, 實現電氣的零速停車。這樣可防止由于抱閘失靈造成溜車的故障, 進一步提高系統的可靠性。
6 結束語
在電梯的設計、 生產中, 開發應用永磁同步電機, 作為電梯的曳引電機, 是一種技術的進步。其優點主要表現在: 結構簡單緊湊, 少維護; 安全可靠性高; 對環境的噪聲污染低、 無油脂污染, 并能提高電力功率因素, 是理想的環保產品; 提高機械傳動效率, 使用節能、 經濟, 具有較高的性價比; 與交流無齒輪異步電動機驅動系統相比, 低速性、 快速性、 硬機械特性和停車自閉等優點, 是異步電動機所無法相比的; 與直流無齒輪電動機驅動系統相比, 具有更高的低速性能、 調速精度、 快速響應性能,且壽命長、 耗電少、 維護簡單; 此外, 還易于實現低轉速、 大轉矩的電梯理想驅動模型。