CN102689830A

CN102689830A - 磁悬浮电梯导向系统及其控制方法

Info

Publication number: CN102689830A
Application number: CN2012101971403A
Authority: CN
Inventors: 胡庆; 于海雁; 于冬梅; 张宇献; 綦艳丽; 孙博; 王鹤; 刘丹
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2032-06-15
Also published as: CN102689830B

Abstract

本发明提供一种磁悬浮电梯导向系统，包括电梯轿厢和电梯井，其特征在于：在电梯井的左右两侧壁上设置有导向装置，导向装置包括设置在电梯井壁上的导轨和设置在电梯轿厢外壁上的U形导靴，U形导靴与导轨对应；U形导靴的三个内壁上还设置有U型电磁力装置，U型电磁力装置对应导轨并与导轨保持有间隙；U型电磁力装置为缠绕电磁线圈的U型铁芯。本发明提出了一种对轿厢整体的控制方式。同时引用电动(EDS)和电磁(EMS)混悬的系统，减少能耗，降低电梯运行成本，降低了系统对导轨精度的要求，容易实现整体优化。

Description

磁悬浮电梯导向系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种运动部件的导向装置，特别是涉及一种无接触导向装置，属于运动控制技术领域，其主要应用于受接触导向而影响其运行稳定性和精确性的电梯。

背景技术

直线运动部件一般采用滚动导向和滑动导向装置，无论是滚动导向还是滑动导向，均存在接触和摩擦。接触摩擦自然会导致接触部件的磨损，增加驱动部件的功率损耗,降低运动精度和使用寿命,增加运动噪声和发热,甚至可能使精密部件变形,从而影响运动装置的控制精确性和稳定性。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种磁悬浮电梯导向系统，其目的是解决以往的电梯运行方式所存在的功率损耗大、精确性和稳定性差的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：

一种磁悬浮电梯导向系统，包括电梯轿厢和电梯井，其特征在于：在电梯井的左右两侧壁上设置有导向装置，导向装置包括设置在电梯井壁上的导轨和设置在电梯轿厢外壁上的U形导靴，U形导靴与导轨对应；U形导靴的三个内壁上还设置有U型电磁力装置，U型电磁力装置对应导轨并与导轨保持有间隙；U型电磁力装置为缠绕电磁线圈的U型铁芯。

在电梯井的前后两侧壁上还设置有感应体，在电梯轿厢的前后两侧设置有与感应体对应的永磁体。

导向装置为八个，分别设置在电梯轿厢的八个角的位置。

U形导靴的三个内壁分为两个导靴侧壁和一个导靴底壁，两个导靴侧壁上的U型电磁力装置对应导轨的左右两侧，导靴底壁上的U型电磁力装置对应导轨的顶端；U型电磁力装置上还设置有间距传感器。

在导靴侧壁上的U型电磁力装置上设置有间距传感器；间距传感器仅设置在处在同一垂直面上的U型电磁力装置上。

在U形导靴底壁上的U型电磁力装置上设置有间距传感器，间距传感器仅设置在处在同一垂直面上的上下U型电磁力装置上。

应用上述磁悬浮电梯导向系统所实施的磁悬浮电梯控制方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

设定电梯轿厢前后方向为x轴方向，y方向为轿厢左右方向，z方向为垂直方向；设轿厢（ABCD-A'B'C'D'）上的前面（ABB'A'）为安装轿厢门的所在面，最初x轴方向U型电磁力装置与磁性导轨之间的间隙均为δ_x0,y轴方向U型电磁力装置与磁性导轨之间的间隙均为δ_y0； x轴和y轴方向上,轿厢与两端电梯井壁的距离分别相等且分别小于δ_x0 和δ_y0，以防止电磁装置与T型导轨接触产生磨损；

右侧面（BCC'B'）上导向装置各y轴方向上的四个U型电磁力装置（U1、U4、U7、U10）与磁性导轨之间的引力大小分别为F_y1,F_y2,F_y3,F_y4,气隙大小分别为δ_y1,δ_y2,δ_y3,δ_y4；左侧面（ADD'A'）上导向装置各y轴方向上的四个U型电磁力装置（U22、U19、U13、U16）与磁性导轨之间的引力大小分别为F'_y1,F'_y2,F'_y3,F'_y4；

具体运行时，首先调节y轴方向U型电磁力装置电流的大小使得气隙δ_y2=δ_y3,之后调节x轴方向U型电磁力装置使得δ_y1=δ_y2=δ_y3=δ_y4，再调节y轴方向的电磁力装置，使得δ_y1=δ_y2=δ_y3=δ_y4=δ_y0，当δ_y2=δ_y3时必有δ_y1=δ_y4。

使气隙δ_y2=δ_y3时的具体实施例办法如下：由于磁悬浮电梯系统是一个中心对称系统，最大最小气隙会同时成对出现，所以只考虑面BCC'B'上y轴方向气隙的大小即可。初始气隙大小δ_y1=δ_y2=δ_y3=δ_y4=δ_y0。在允许气隙大小范围内，即δ_min＜δ＜δ_max，有如下情况：

当δ_y1为最大气隙时，同时增大F_y1 和F'_y1、F_y2 和F'_y2，并且F_y1=F'_y1；F_y2=F'_y2；F_y2＜F_y1。F_y2 和F'_y2是辅助力，使δ_y2=δ_y3用的时间最短。

当δ_y2为最大气隙时，同时增大F_y2 和F'_y2、F_y1 和F'_y1，并且F_y2=F'_y2；F_y1=F'_y1；F_y1＜F_y2。F_y1 和F'_y1是辅助力，使δ_y2=δ_y3用的时间最短。

当δ_y3为最大气隙时，同时增大F_y3 和F'_y3、F_y4 和F'_y4，并且F_y3=F'_y3；F_y4=F'_y4；F_y4＜F_y3。F_y4 和F'_y4是辅助力，使δ_y2=δ_y3用的时间最短。

当δ_y4为最大气隙时，同时增大F_y4 和F'_y4、F_y3 和F'_y3，并且F_y4=F'_y4；F_y3=F'_y3；F_y3＜F_y4。F_y3 和F'_y3是辅助力，使δ_y2=δ_y3用的时间最短。

当气隙大小不在允许范围内时，最大最小气隙会同时成对出现，所以只考虑哪个是最大气隙即可，下面是解决办法。

当δ_y1＞δ_max时，应该同时增大F_y1和F'_y1、F_y2 和F_y4，并且F_y1=F'_y1；F_y1＞F_y2；F_y1＞F_y4。使气隙大小恢复到允许范围内。

当δ_y2＞δ_max时，应该同时增大F_y2和F'_y2、F_y1 和F_y3，并且F_y2=F'_y2；F_y2＞F_y1；F_y2＞F_y3。使气隙大小恢复到允许范围内。

当δ_y3＞δ_max时，应该同时增大F_y3和F'_y3、F_y2 和F_y4，并且F_y3=F'_y3；F_y3＞F_y2；F_y3＞F_y4。使气隙大小恢复到允许范围内。

当δ_y4＞δ_max时，应该同时增大F_y4和F'_y4、F_y1 和F_y3，并且F_y4=F'_y4；F_y4＞F_y1；F_y4＞F_y3。使气隙大小恢复到允许范围内。

优点及效果：本发明提供了一种磁悬浮电梯导向系统，包括电梯轿厢和电梯井，其特征在于：在电梯井的左右两侧壁上设置有导向装置，导向装置包括设置在电梯井壁上的导轨和设置在电梯轿厢外壁上的U形导靴，U形导靴与导轨对应；U形导靴的三个内壁上还设置有U型电磁力装置，U型电磁力装置对应导轨并与导轨保持有间隙；U型电磁力装置为缠绕电磁线圈的U型铁芯。

在轿厢起步运行阶段，电梯运行速度几乎为零，感应体与永磁体之间的斥力很小，轿厢主要受到直线电机和U型电磁力装置提供的力。调节x轴和y轴方向上U型电磁力装置中电流的大小，直到各气隙大小在允许的范围内，使轿厢与外界没有任何机械接触。

随着轿厢运行速度变快，感应体与永磁体之间的斥力变大，x轴方向上电梯受到的悬浮力中斥力起主要作用，x轴方向上的U型电磁力装置起辅助作用，仅当x轴方向的气隙变大时，x轴方向的U型电磁力装置通电，x轴方向的U型电磁力装置的引力阻碍气隙变大，做负功。

本发明的磁悬浮技术可以无接触传动，彻底消除摩擦，有效抑制运动装置的振动，无需润滑，提高运动装置的平稳性；与现有技术相比，本发明取消了滚动导向和滑动导向的接触和摩擦，实现运动部件与导轨之间无接触导向；同时引用电动(EDS)和电磁(EMS)混悬的系统，减少能耗，降低了电梯运行成本；降低了系统对导轨精度的要求，容易实现整体优化。

本发明运动部件与导轨之间的间隙可以实时得到监测和调控，提高运动装置的精确性和稳定性。

附图说明：

图1为本发明的磁悬浮电梯导向系统的基本结构示意图。

图2为本发明的磁悬浮电梯导向系统的上半部分的俯视图。

图3发明的磁悬浮电梯导向系统的下半部分的俯视图。

图4为本发明的单电磁导向装置的示意图。

实施方式：下面结合附图对本发明作近一步说明：

如图1和4所示，本发明提供一种磁悬浮电梯导向系统，包括电梯轿厢和电梯井，在电梯井的左右两侧壁上设置有导向装置，该导向装置为单电磁导向装置，该导向装置包括设置在电梯井壁上的导轨和设置在电梯轿厢外壁上的U形导靴111，U形导靴与导轨对应，所述导轨为T型磁性导轨；U形导靴的三个内壁上还设置有U型电磁力装置，U型电磁力装置对应导轨并与导轨保持有间隙；U型电磁力装置为缠绕电磁线圈的U型铁芯。

本发明在轿厢四周的支架中分别设置多个协同工作的U型电磁力装置和四条呈halbach排列的永磁体，通过调节每个U型电磁力装置的电磁线圈电流的大小，进而调控支架中U型电磁力装置与磁性导轨之间的间隙，使轿厢与磁性导轨之间保持一定间隙实现无接触式导向。

导向装置为八个，分别设置在电梯轿厢的八个角的位置。

U形导靴的三个内壁分为两个导靴侧壁和一个导靴底壁，两个导靴侧壁上的U型电磁力装置对应导轨的左右两侧，导靴底壁上的U型电磁力装置对应导轨的顶端H；U型电磁力装置上还设置有间距传感器。也就有说在每个导向装置里共有三个U型电磁力装置，整个系统中有二十四个U型电磁力装置、四条T型磁性导轨、八个作为支架的U形导靴，支架U形导靴均为槽型结构也可以说是U形结构，也就是说每三个U型电磁力装置安装在位于轿厢一侧的一个支架U形导靴的槽型结构的两侧内侧壁和底部内壁上，这些U型电磁力装置和T型磁性导轨构成一个导向装置，共八个导向装置，四条T型磁性导轨每两条一组安装在与导靴相对应的电梯井的两内壁上，而永磁体与感应体分别安装在轿厢和导靴的另外两侧壁上。

所述的磁悬浮电梯中的U型电磁力装置需要协同工作，其中如图1和2中所示的位于x轴方向在同一个导向装置中的两个U型电磁力装置为一组，共四组，剩下位于y轴方向的八个U型电磁力装置为一组。

图1中长方体ABCD-A'B'C'D'为轿厢的模型，面ABB'A'为安装轿厢门的所在面，即前面，x,y,z轴为系统的三维坐标，x轴的方向也就是图中所示的轿厢的前后方向，y轴为左右方向，z轴为垂直方向。图2和3中的标号1，2，3，4，1'，2'，3'，4'为相同的八个单磁悬浮导向装置。5，6，7，8为呈halbach排列的永磁体，对应的导靴内壁上装有感应体，感应体的标号为11、12、13、14。图1中的标号9和10是提供上升力的直线电机。

图2和图3中U1、U2、U3、U4、U5、U6 、U7、U8、U9、U10、U11、U12、 U13、U14、U14、U16、U17 、U18、U19、U20、U21、U22、U23 、U24为第一U型电磁力装置～第二十四U型电磁力装置。T1、T2、T3、T4为相互平行的T型磁性导轨。

如图4所示，图中标号111为导靴，图中字母E表示X轴方向的U型电磁力装置，字母F表示Y轴方向的U型电磁力装置。

如图2和3所示，U型电磁力装置由U型铁心和电磁线圈组成，调节电磁线圈的电流大小可以调整U型电磁力装置与T型磁性导轨之间的间距δ，在导靴侧壁上的U型电磁力装置上设置有间距传感器；间距传感器仅设置在处在同一垂直面上的四个U型电磁力装置上。导靴侧壁上的U型电磁力装置也就是图1中所示的x轴方向，即图4中字母E所示的方向上的U型电磁力装置。

在U形导靴底壁上的U型电磁力装置上也设置有间距传感器，间距传感器仅设置在处在同一垂直线上的上下两个U型电磁力装置上。U形导靴底壁上的U型电磁力装置也就是图1中所示的Y轴方向，即图4中字母F所示的方向上的U型电磁力装置。间距传感器监测U型电磁力装置与磁性导轨之间的间距δ。也就是说，所述磁悬浮电梯系统是一个中心对称系统，不必每个U型电磁力装置都配置一个间距传感器。只需要x轴方向每组一个间距传感器，x轴方向上的每组也就是上述的处在同一垂直面上的U型电磁力装置，y轴方向在同一个面上是四个U型电磁力装置上安装间距传感器。

具体的说，x轴方向每组一个间距传感器，分别安装在U型电磁力装置U2、U5、U8、U11、U14、U17 、U20、U23 上，y轴方向在同一个面上是四个U型电磁力装置U1、U4、U7、U10上安装间距传感器，共需要十二个间距传感器。最初x轴方向U型电磁力装置与磁性导轨之间的间隙均为δ_x0,y轴方向U型电磁力装置与磁性导轨之间的间隙均为δ_y0,x轴和y轴方向上轿厢与两端电梯井壁的距离都相等且都小于δ_x0 和δ_y0。

面BCC'B'上导向装置各y轴方向U型电磁力装置U1、U4、U7、U10与磁性导轨之间的引力大小分别为F_y1,F_y2,F_y3,F_y4,气隙大小分别为δ_y1,δ_y2,δ_y3,δ_y4。面ADD'A'上导向装置各y轴方向U型电磁力装置U22、U19、U13、U16与磁性导轨之间的引力大小分别为F'_y1,F'_y2,F'_y3,F'_y4。

对轿厢进行受力分析，在垂直方向，即z轴方向，轿厢受的力为自身重力（包括人在内）和直线电机提供的驱动力；在x轴方向，轿厢受八对U型电磁力装置与T型磁性导轨之间的吸引力以及四条呈halbach排列的永磁体与电梯井内壁上的感应体之间的排斥力；y轴方向受到八个U型电磁力装置的引力。

本发明运行时，在理想情况下电梯稳定运行，x轴方向只受到永磁体与感应体之间的排斥力，当x轴方向受到干扰时，间隙越小排斥力越大，轿厢会在x轴方向震动，系统处于临界稳定状态，x轴方向上加上U型电磁力装置提供阻尼后，系统会趋向稳定，回到平衡点。电梯门安装在面ABB'A'上，y轴方向受干扰较小，控制y轴方向上的各U型电磁力装置，调节电流的大小，使轿厢上永磁体条与感应体不发生较大的偏离，所以首先调节y轴方向U型电磁力装置电流的大小使得气隙δ_y2=δ_y3,之后调节x轴方向U型电磁力装置使得δ_y1=δ_y2=δ_y3=δ_y4，再调节y轴方向的电磁力装置，使得δ_y1=δ_y2=δ_y3=δ_y4=δ_y0，当δ_y2=δ_y3时必有δ_y1=δ_y4。

作为磁悬浮电梯系统中关键部件的U型铁心可以采用本领域常用的0.5mm厚的硅钢片冲压并涂漆后叠成；电磁线圈可以采用本领域常用的电磁漆包线绕成，并浸绝缘漆和烘干处理；T型导轨可以采用导磁不锈钢如SUS430制成。

本发明提出了一种对轿厢整体的控制方式。同时引用电动(EDS)和电磁(EMS)混悬的系统，减少能耗，降低电梯运行成本，降低了系统对导轨精度的要求，容易实现整体优化。

Claims

1.一种磁悬浮电梯导向系统，包括电梯轿厢和电梯井，其特征在于：在电梯井的左右两侧壁上设置有导向装置，导向装置包括设置在电梯井壁上的导轨和设置在电梯轿厢外壁上的U形导靴，U形导靴与导轨对应；U形导靴的三个内壁上还设置有U型电磁力装置，U型电磁力装置对应导轨并与导轨保持有间隙；U型电磁力装置为缠绕电磁线圈的U型铁芯。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮电梯导向系统，其特征在于：在电梯井的前后两侧壁上还设置有感应体，在电梯轿厢的前后两侧设置有与感应体对应的永磁体。

3.根据权利要求1或2所述的磁悬浮电梯导向系统，其特征在于：导向装置为八个，分别设置在电梯轿厢的八个角的位置。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮电梯导向系统，其特征在于：U形导靴的三个内壁分为两个导靴侧壁和一个导靴底壁，两个导靴侧壁上的U型电磁力装置对应导轨的左右两侧，导靴底壁上的U型电磁力装置对应导轨的顶端（H）；U型电磁力装置上还设置有间距传感器。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮电梯导向系统，其特征在于：在导靴侧壁上的U型电磁力装置上设置有间距传感器；间距传感器设置在处在同一垂直面上的U型电磁力装置上。

6.根据权利要求4所述的磁悬浮电梯导向系统，其特征在于：在U形导靴底壁上的U型电磁力装置上设置有间距传感器，间距传感器设置在处在同一垂直面上的上下U型电磁力装置上。

7.应用权利要求1所述的磁悬浮电梯导向系统所实施的磁悬浮电梯控制方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

具体运行时，首先调节y轴方向U型电磁力装置电流的大小使得气隙δ_y2=δ_y3,之后调节x轴方向U型电磁力装置使得δ_y1=δ_y2=δ_y3=δ_y4，再调节y轴方向的电磁力装置，使得δ_y1=δ_y2=δ_y3=δ_y4=δ_y0，当δ_y2=δ_y3时必有δ_y1=δ_y4；

使气隙δ_y2=δ_y3时的具体实施例办法如下：由于磁悬浮电梯系统是一个中心对称系统，最大最小气隙会同时成对出现，所以只考虑面BCC'B'上y轴方向气隙的大小即可；

初始气隙大小δ_y1=δ_y2=δ_y3=δ_y4=δ_y0；

在允许气隙大小范围内，即δ_min＜δ＜δ_max，有如下情况：

当δ_y1为最大气隙时，同时增大F_y1 和F'_y1、F_y2 和F'_y2，并且F_y1=F'_y1；F_y2=F'_y2；F_y2＜F_y1；

F_y2 和F'_y2是辅助力，使δ_y2=δ_y3用的时间最短；

当δ_y2为最大气隙时，同时增大F_y2 和F'_y2、F_y1 和F'_y1，并且F_y2=F'_y2；F_y1=F'_y1；F_y1＜F_y2；

F_y1 和F'_y1是辅助力，使δ_y2=δ_y3用的时间最短；

当δ_y3为最大气隙时，同时增大F_y3 和F'_y3、F_y4 和F'_y4，并且F_y3=F'_y3；F_y4=F'_y4；F_y4＜F_y3；

F_y4 和F'_y4是辅助力，使δ_y2=δ_y3用的时间最短；

当δ_y4为最大气隙时，同时增大F_y4 和F'_y4、F_y3 和F'_y3，并且F_y4=F'_y4；F_y3=F'_y3；F_y3＜F_y4；

F_y3 和F'_y3是辅助力，使δ_y2=δ_y3用的时间最短；

当气隙大小不在允许范围内时，最大最小气隙会同时成对出现，所以只考虑哪个是最大气隙即可，下面是解决办法；

当δ_y1＞δ_max时，应该同时增大F_y1和F'_y1、F_y2 和F_y4，并且F_y1=F'_y1；F_y1＞F_y2；F_y1＞F_y4；

使气隙大小恢复到允许范围内；

当δ_y2＞δ_max时，应该同时增大F_y2和F'_y2、F_y1 和F_y3，并且F_y2=F'_y2；F_y2＞F_y1；F_y2＞F_y3；

使气隙大小恢复到允许范围内；

当δ_y3＞δ_max时，应该同时增大F_y3和F'_y3、F_y2 和F_y4，并且F_y3=F'_y3；F_y3＞F_y2；F_y3＞F_y4；

使气隙大小恢复到允许范围内；

当δ_y4＞δ_max时，应该同时增大F_y4和F'_y4、F_y1 和F_y3，并且F_y4=F'_y4；F_y4＞F_y1；F_y4＞F_y3；

使气隙大小恢复到允许范围内。