永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)及在電梯設(shè)計(jì)中的開發(fā)應(yīng)用

1 引言

隨著稀土永磁同步電機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用，以及和變頻控制實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化，永磁同步電動(dòng)機(jī)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)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(yè)。其種類很多，用量非常大。永磁同步電動(dòng)機(jī)以其體積小、節(jié)能、控制性能好、又容易做成低速直接驅(qū)動(dòng)，消除齒輪減速裝置，可通過頻率的變化進(jìn)行調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，在電梯技術(shù)上也得以開發(fā)應(yīng)用。其運(yùn)行低噪聲、電梯平層精度和乘客舒適感都優(yōu)于以前的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。特別是近幾年來，KONE電梯公司研發(fā)的無機(jī)房電梯，率先應(yīng)用了永磁同步電機(jī)，使得永磁同步電機(jī)無齒輪曳引技術(shù)嶄露頭角，顯示了巨大的優(yōu)越性，得到業(yè)內(nèi)人士的普遍看好，永磁同步電機(jī)在電梯設(shè)計(jì)上的研發(fā)具有很大的實(shí)用價(jià)值。

2 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子部分與一般的異步電機(jī)無多大不同，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子區(qū)別是多了一套永磁體。其結(jié)構(gòu)隨永磁材料性能不同和應(yīng)用領(lǐng)域的差異而不同，根據(jù)剩磁密度Br和矯頑力Hc等技術(shù)參數(shù)的不同，而磁極結(jié)構(gòu)不同。電梯技術(shù)上開發(fā)應(yīng)用的稀土永磁同步電機(jī)常做成瓦片式，貼在轉(zhuǎn)子的表面，或嵌在轉(zhuǎn)子鐵心中，分內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型兩種。

永磁材料的應(yīng)用是永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。永磁材料近年來的開發(fā)很快，現(xiàn)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(jì)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(yīng)強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)中的應(yīng)用。鐵氧體磁體是20世紀(jì)50年代初開發(fā)的永磁材料，價(jià)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(yīng)強(qiáng)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(yōu)點(diǎn)，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/m,.而且退磁曲線基本上是一條直線，回復(fù)線與退磁曲線基本重合，不怕丟磁，性能穩(wěn)定，且熱穩(wěn)定性較好，剩磁溫度系數(shù)小。但釤鈷族稀土材料的鈷價(jià)格較高，影響其在永磁同步電機(jī)的應(yīng)用。80 年代初開發(fā)的釹鐵硼（Nd-Fe-B）稀土永磁材料，性能十分優(yōu)越，（BH）max,3800kj/m3（~l圖1曲線4），到90年代，其（BH）max,500kj/m .Nd-Fe-B稀土材料不含價(jià)格昂貴的鈷，其可加工性能也比較好，價(jià)格相對便宜。我國又是稀土大國，儲(chǔ)量世界第一。開發(fā)應(yīng)用前景廣泛，適合在永磁同步電機(jī)中應(yīng)用。目前，廣泛應(yīng)用在電梯技術(shù)領(lǐng)域的永磁同步曳引電機(jī)就是釹鐵硼（Nd-Fe-B）稀土永磁同步電機(jī)。

3 電梯永磁同步曳引電機(jī)的控制方式

永磁同步電機(jī)的控制方式與其他電機(jī)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(zhuǎn)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(jī)的控制方式只要是第一種。其控制相量圖如圖2.

圖中ψf是永磁體產(chǎn)生的磁鏈，由ψf引起的電動(dòng)勢為Eo,電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)電樞電流為I,I可以分成d軸分量Id和q軸分量lq,d軸分量 Id產(chǎn)生去磁磁勢，引起磁鏈ψad,q軸分量Iq產(chǎn)生q軸磁勢，引起磁鏈ψaq這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的合成磁鏈為 m,ψ m引起的電動(dòng)勢為Em,Em也可以看作是Eo與ψad產(chǎn)生的電動(dòng)勢jIdXd及ψaq產(chǎn)生的電動(dòng)勢jIqxq之和，由Em加上電樞繞組的壓降Ir就得到電動(dòng)機(jī)的端電壓u,圖中u與Eo的夾角δ 為同步機(jī)的功率，u與I的夾角θ為功率因素角， o是電樞電流與q軸的夾角。

如控制逆變器的導(dǎo)通相位角 γo=0,則id=0,電樞電流中沒有勵(lì)磁分量，圖中的γad=0,不會(huì)引起永磁電機(jī)退磁現(xiàn)象；此時(shí)，同步電機(jī)的相量圖如圖3.這時(shí)，電機(jī)的電樞反應(yīng)只存在于交軸（q軸），功角和電機(jī)的端電壓均隨負(fù)載的增加而增大。

4 電梯永磁同步曳引電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

采用永磁同步電機(jī)的電梯曳引系統(tǒng)，通常為無齒輪曳引方式。突顯了永磁同步電機(jī)易于做成低轉(zhuǎn)速、大功率的優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，集曳引電機(jī)、曳引輪、電磁制動(dòng)器、光電編碼器于一身，易于安裝，便于使用。特別是在無機(jī)房電梯的開發(fā)應(yīng)用中，將永磁同步曳引電機(jī)安裝在電梯的井道里，既節(jié)約了機(jī)房的建造成本，又美化了建筑物外觀。其控制圖如圖4.當(dāng)電梯負(fù)載變化時(shí)，永磁同步電機(jī)通過調(diào)節(jié)夾角8來適應(yīng)，其響應(yīng)速度很快。為了使電梯有良好的起、制動(dòng)舒適性和平層準(zhǔn)確度，在系統(tǒng)中加入了準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置裝置和電壓電流檢測裝置，隨時(shí)確定電機(jī)磁場的大小、方向。位置檢測裝置采用轉(zhuǎn)子位置傳感器（光電編碼器器或旋轉(zhuǎn)變壓器等）。轎廂負(fù)載檢測裝置可采用位置型、壓力型等多種形式，對電梯負(fù)載進(jìn)行預(yù)先測量并計(jì)算，給出恰當(dāng)方向和大小的力矩，可輸出開關(guān)量、模擬量（電壓）和頻率量（高頻抗干擾性強(qiáng)，能遠(yuǎn)距離傳送）等。

將反饋的信號與給定信號相比較、運(yùn)算、按預(yù)定的控制方式加以控制，可以得到優(yōu)于其它驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。

5 永磁同步電機(jī)在電梯開發(fā)應(yīng)用的安全性和可靠性

永磁同步電機(jī)在電梯的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中，得以開發(fā)利用，較高地提高了電梯曳引系統(tǒng)安全性和可靠性。當(dāng)曳引機(jī)制動(dòng)失靈或其它故障引起電梯向上行方向溜車，乃至飛車時(shí)，它具有安全保護(hù)作用，滿足我國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB7588-2003（電梯制造與安裝安全規(guī)范》9.10轎廂上行超速保護(hù)裝置的要求。使用永磁同步曳引電機(jī)的電梯，在失電視又解除其長必出點(diǎn)將電動(dòng)機(jī)電樞繞組短截（或串接可調(diào)電阻器后短接），當(dāng)出現(xiàn)超速（不論上行、下行）故障時(shí)，控制系統(tǒng)檢測到超速信號，立即切斷控制器供電回路，并將電動(dòng)機(jī)電樞繞組短接（或串聯(lián)可調(diào)電阻器后短接）。這時(shí)，靜止的繞組切割旋轉(zhuǎn)的永磁體產(chǎn)生的磁場而感應(yīng)出電動(dòng)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(dòng)電樞繞組隨磁極一起旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，該轉(zhuǎn)矩受反力矩則作用在轉(zhuǎn)子磁極上，力圖使轉(zhuǎn)子隨定子電樞繞組一起停止下來，是一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。該過程類似于直流電機(jī)的能耗制動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了防墜落防飛車（制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過電阻器調(diào)節(jié)使溜車速度可控）。永磁體和閉合的電樞繞組相互作用，產(chǎn)生停車自閉這種非接觸雙向保護(hù)，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(dòng)作時(shí)因高溫?fù)p毀所引起的安全風(fēng)險(xiǎn)。

由于無齒輪曳引機(jī)的曳引輪與電動(dòng)機(jī)同軸，通常曳引輪與制動(dòng)輪同體，因此，采用永磁同步無齒輪曳引電機(jī)技術(shù)，可不設(shè)上行超速保護(hù)系統(tǒng)，在電梯驗(yàn)收檢驗(yàn)中當(dāng)然也就可以不作要求。

另外，同步電機(jī)可以通過向電樞繞組供直流電來實(shí)現(xiàn)帶負(fù)載零速停車，從而可以真正做到無須抱閘的機(jī)械制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)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(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

6 結(jié)束語

在電梯的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中，開發(fā)應(yīng)用永磁同步電機(jī)，作為電梯的曳引電機(jī)，是一種技術(shù)的進(jìn)步。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)簡單緊湊，少維護(hù)；安全可靠性高；對環(huán)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(huán)保產(chǎn)品；提高機(jī)械傳動(dòng)效率，使用節(jié)能、經(jīng)濟(jì)，具有較高的性價(jià)比；與交流無齒輪異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，低速性、快速性、硬機(jī)械特性和停車自閉等優(yōu)點(diǎn)，是異步電動(dòng)機(jī)所無法相比的；與直流無齒輪電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，具有更高的低速性能、調(diào)速精度、快速響應(yīng)性能，且壽命長、耗電少、維護(hù)簡單；此外，還易于實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的電梯理想驅(qū)動(dòng)模型。