CN101049882A - Halbach永磁无齿轮电梯曳引机 - Google Patents

Abstract

本发明属于电梯拖动控制技术领域，涉及一种Halbach永磁无齿轮电梯曳引机，该种电梯曳引机，包括Halbach永磁同步电机、绳轮、电磁制动器、刹车盘、控制器，其中，刹车盘和绳轮安装在Halbach永磁同步电机的转子轴上；Halbach永磁同步电机由定子和转子组成，转子表面粘贴Halbach永磁体阵列，定子采用短距绕组，用于驱动绳轮，直接提供拖动轿厢所需要的转矩；绳轮，通过与钢丝绳之间的摩擦力矩牵引轿厢上下运动；制动臂受电磁制动器的控制，用于在停电等情况下让绳轮停止转动；控制器以空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)变频调速方式控制Halbach永磁同步电机，调节电机转速的大小和方向。本发明提供的电梯曳引机具有高效率、免维护、低成本、噪声低的优点。

Description

Halbach永磁无齿轮电梯曳引机

技术领域

本发明涉及电机设计和控制技术，属于电梯拖动控制领域，尤其涉及高效率、免维护、低成本、噪声低、无齿轮减速机构的电梯曳引机。

背景技术

随着我国经济的快速发展，近几年来，中国电梯行业迅速崛起。截止到2005年底，全国生产电梯达到13.5万台，年产量达到并超过全世界电梯销量的1/3，庞大的市场潜力令世人瞩目。不过目前电梯中广泛采用的仍然是有齿轮曳引机。这类曳引机在电机和绳轮之间安装了齿轮传动机构减速，因而广泛存在着机械磨损大、寿命短、成本高、维修不便等问题。随着生活水平的提高，人们对电梯噪声、舒适性等方面有了更高的要求，电梯曳引系统的成本、寿命和动态性能等问题亟待改善。申请号为200410094540.7的专利申请提出了一种永磁同步高速无齿轮曳引机。由于其采用了普通的永磁同步电机作为执行机构，在电机体积、转矩脉动、转动惯量等方面还有待改进。

作为一种机电一体化的典型产品，大力开发新型电梯曳引机不仅可以满足人们日常生活的需要，还能带动高新机电技术的发展。

发明内容

本发明的电梯曳引机的提出主要是为了解决上述问题，从而降低电梯曳引系统的转矩波动、机械摩擦、故障率，提高系统使用寿命。

为了实现上述目的，本发明提出如下的技术方案：

一种Halbach永磁无齿轮电梯曳引机，包括Halbach永磁同步电机、绳轮、电磁制动器、刹车盘、控制器，其中，刹车盘和绳轮安装在Halbach永磁同步电机的转子轴上；Halbach永磁同步电机由定子和转子组成，转子表面粘贴Halbach永磁体阵列，定子采用短距绕组，用于驱动绳轮，直接提供拖动轿厢所需要的转矩；绳轮，通过与钢丝绳之间的摩擦力矩牵引轿厢上下运动；制动臂受电磁制动器的控制，用于在停电等情况下让绳轮停止转动；控制器以空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)变频调速方式控制Halbach永磁同步电机，调节电机转速的大小和方向。

在上述技术方案中，控制器通过安装在albach永磁同步电机上的转子角位移传感器给出的转子位置信号，确定转子位置、速度、转向，并根据电流、电压传感器采样的电机电流和电压信号，发出空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)信号，调节电机的运行方向和速度。

本发明具有如下的突出的有益效果：

1.Halbach永磁同步电机具有气隙磁密大、功率密度大、体积小、气隙磁场接近正弦、转矩波动小等优点。另外Halbach永磁同步电机转子磁路自闭合，这使得转子选材空间较大，合理选材能够增大转子强度、减小转动惯量、提高动态性能。采用Halbach永磁同步电机作为执行机构，有利于提高无齿轮电梯曳引系统整体的转矩控制稳定性和系统动态特性，可以减小传动部件体积、降低系统故障率、延长使用寿命。

2.定子采用短距绕组进一步抑制气隙磁密的谐波成分，减小转矩波动，提高舒适度。

3.空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)变频调速方式具有电压利用率高、产生谐波少、开关次数少、功率管功耗小等特点。控制器通过检测增量编码器或其它安装在电机上的位置传感器给出的转子位置信号，用SVPWM来控制Halbach永磁同步电机，转矩脉动小、运行平稳、调速方便、噪声低，运用在电梯曳引机的控制上能够提高舒适度。

附图说明

图1Halbach永磁同步曳引机结构示意图。

图2Halbach永磁同步电机结构示意图。

图3电机控制系统示意图。

图4SVPWM控制原理示意图。

图5电梯起动、制动速度曲线示意图。

附图中的一些部件标号说明

1电磁制动器；2手动盘车轮的盘车手柄；3制动臂；4绳轮；5刹车盘；6电枢绕组；7铁轭；8Halbach阵列永磁体；9转子

具体实施方式

本发明的无齿轮电梯曳引机，包括Halbach永磁同步电机、绳轮4、电磁制动器1、刹车盘5、手动盘车轮及盘车手柄2、控制器、电源模块、机座等，结构如图1所示。绳轮4、刹车盘5和电机转子同轴，并被契合成一个整体。轿厢和配重通过钢丝绳跨在绳轮4两侧，曳引机通过绳轮4与钢丝绳之间的摩擦力牵引着轿厢及其配重上下运动。电磁制动器1控制着制动臂3，断电情况下制动臂3被弹簧推动紧紧地压在制动盘上，避免停电时发生意外；电磁制动器1控制线圈通电后可以克服弹簧作用力，推开制动臂3，让曳引机可以正常旋转。手动盘车轮上带有盘车手柄2，在紧急停电情况下，工程人员可以手动推开制动臂3，通过盘车手柄2转动盘车轮进而带动绳轮4旋转，让轿厢停靠到某层，救出被困乘客。

本发明中采用的Halbach永磁同步电机的转子9采用表面粘贴式永磁体，即Halbach阵列永磁体8建立磁场，定子的电枢绕组6采用短距绕组方式削弱谐波磁势，其结构示意图如图2所示。由于Halbach永磁同步电机气隙磁密大，出力大，由其构成的无齿轮曳引机体积相对较小，适用于小机房电梯或无机房电梯对曳引机的要求。

图3显示了本发明电梯曳引机的驱动和控制系统示意图，其中主要包括Halbach永磁同步电机、主回路、控制回路、转子角位移传感器。

1)Halbach永磁同步电机。按电梯拖动系统要求设计的专用Halbach永磁同步电机，低速运行时有良好的转矩性能。

2)主回路。主回路采用电压型逆变器，其中能量可以双向流动以适应电机四象限运行，节约能源。

3)控制回路。为使系统满足功能多、实时性强的要求，控制器采用双CPU结构。主CPU采用TI公司的TMS320F24x或28x处理器，完成的功能有空间电压矢量变换；电压、电流采样；电流、速度双闭环控制；面板显示及键盘输入；端子(模拟及开关)输入输出；上、下位机的RS485/232通讯及各种保护功能。另一个CPU专门处理位置传感器的模拟信号，将处理后的位置信息传送给DSP使用。

4)转子角位移传感器。为了达到所需的控制性能，需要选择合适的位置传感器。电梯控制系统对反馈信号要求很高，特别是电机低速运行时，位置信号的误差对系统性能有很大的影响。实施例中系统采用进口高精度正余弦编码器作为位置传感器，采用相关的软、硬件处理后，可以得到相当高精度的机械位置信号。

当电机旋转时，采用空间矢量调制SVPWM的方式控制电机的转速，基本原理如下。由IGBT元件组成的电压逆变器，每一桥臂的功率开关元件为一组，除了在非常短的死区内他们都不导通以外，他们的开关状态总是相反：上桥臂关断的时，下桥臂一定导通，反之亦然。这样的话逆变器共有8种可能的开关状态，相应的会有8种电压状态，分别对应图4的U1、U2、U3、U4、U5、U6和两个零矢量，这样任意位置的电压空间矢量，都可用认为是由相邻两个基本空间矢量和零矢量通过线性组合得到的，而这一线性组合的系数则分别是两个基本空间矢量的作用时间。求出一个周期内各基本空间矢量的作用时间之后，把它们转换为具有相应占空比的PWM信号就可以控制电机的转速。

本发明中的电梯曳引机可以根据电梯轿厢位置和运行距离设定不同的运动速度，让电梯按照设定起动、制动速度曲线平滑运行，如图5所示。图5中，tq为启动加速时间，可在1～5秒之间调整；td为制动减速时间，可在1.～5S秒之间调整；稳定运行速度为电机额定转速。在起动段，S字曲线由p1、a1、p2调节。p1代表起动开始段加速度增加率，该值越小，起动开始段越缓慢，感觉越平稳；a1是起动段加速度，该值越小，起动加速段越缓慢，感觉越平稳；p2为起动结速段加速度降低率，该值越小，起动结束段越缓慢，感觉越平稳。制动段的S字曲线由p3、a2、p4调节。p3为制动开始段加速度绝对值增加率，该值越小，减速开始段越缓慢，感觉越平稳；a2代表减速段加速度，该值越小，制动减速段越缓慢，感觉越平稳；p4为制动结速段加速度绝对值降低率，其值越小，制动结束段越缓慢，感觉越平稳。

控制器上安装有7段译码器，当曳引机系统出现故障时，7段译码器可以显示相应的信号以便检修。

根据本实施例，电梯曳引机不需要安装齿轮或其他减速机构，直接用Halbach永磁同步电机提供驱动电梯轿厢的转矩，采用SVPWM控制技术平滑调节电机转速。应用本发明不但可以减小噪声、提高舒适性指标，还可以提高曳引机的效率和可靠性。

本发明采用的控制器通过检测转子角位移传感器，用空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)变频调速方式控制Halbach永磁同步电机四象限运行，这样就可以产生稳定的电磁转矩，在很宽的速度范围内灵活、平滑地调节电机转速的大小和方向。不但如此，该控制器还具有欠电压、过电流、超速、控制器故障等情况下的保护功能。当电梯运行过程中，机械抱闸打开的瞬时，该控制器还具有预转矩补偿功能，平衡系统受到的阶跃负载转矩，改善系统动态性能。

这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述本发明，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。

Claims (2)

1.一种Halbach永磁无齿轮电梯曳引机，包括Halbach永磁同步电机、绳轮、电磁制动器、刹车盘、控制器，其中，刹车盘和绳轮安装在Halbach永磁同步电机的转子轴上；Halbach永磁同步电机由定子和转子组成，转子表面粘贴Halbach永磁体阵列，定子采用短距绕组，用于驱动绳轮，直接提供拖动轿厢所需要的转矩；绳轮，通过与钢丝绳之间的摩擦力矩牵引轿厢上下运动；制动臂受电磁制动器的控制，用于在停电等情况下让绳轮停止转动；控制器以空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)变频调速方式控制Halbach永磁同步电机，调节电机转速的大小和方向。

2.根据权利要求1所述的Halbach永磁无齿轮电梯曳引机，其特征在于，控制器通过安装在Halbach永磁同步电机上的转子角位移传感器给出的转子位置信号，确定转子位置、速度、转向，并根据电流、电压传感器采样的电机电流和电压信号，发出空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)信号，调节电机的运行方向和速度。

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