CN103420260A - 采用分布式供电的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用分布式供电的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统，包括永磁直线电机和轿厢架上设置的永磁直线电机动子永磁体，永磁直线电机定子绕组包括自下而上设置的由控制模块控制的多组单元电机的定子绕组，每组单元电机的定子绕组包括两台U型永磁直线电机定子绕组，两台U型永磁直线电机定子绕组并联组成一组单元电机的定子绕组，控制模块控制与动子永磁体直接耦合的所有单元电机的定子绕组、以及下一台即将投入运行的单元电机的定子绕组同时供电。本发明工作过程中单元电机定子绕组采用递推方式切换工作，无需全程通电，具有损耗小、节约能源和系统结构简单的优点。

Description

采用分布式供电的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统

技术领域

本发明涉及一种永磁直线电机直驱提升系统，尤其涉及一种采用分布式供电的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统。

背景技术

随着人口的增加和地表浅层资源的日益枯竭，高层建筑开始不断向空中延伸，矿山开采也不断向深层和超深层地下发展，我国一些矿井的深度已经超过1000m，南非的一些金矿开采深度甚至超过了3500m，提升机作为一种重要的运输工具，广泛地应用于各类建筑及矿井之中。随着对提升机节省能源、节省空间、提升能力、提升安全、服务性能及服务质量等方面要求不断地提高，传统的钢丝绳牵引提升模式出现了以下弊端：

（1）一次提升高度受到限制，有时需要多级提升。

（2）受钢丝绳缠绕速度的限制，提升系统的提升速度不能太高。

（3）提升系统数量多，占去大量宝贵的建筑空间，建筑成本激增。

永磁直线电机驱动的无绳提升系统是解决上述问题的最佳方案。永磁直线电机的出现不仅给电机理论本身的研究带来了新的观念和思维，而且具有广泛的应用前景，例如，民用无绳提升系统，矿用无绳提升机，大型工业无绳提升系统等都会提供比有绳提升系统更加安全可靠和高效运行的服务。

申请号为“201010124001.9”的发明专利《一种用于无绳电梯的永磁直线电机布置方法》公开了一种无绳电梯的永磁直线电机布置方法，采用两台双边结构的“U”型永磁直线电机作为电梯的驱动源，布置于轿厢的一侧或者两侧，构成“背包”式或者平衡式结构的无绳电梯。两台“U”型永磁直线电机轴线之间的夹角可以是0°到360°之间的任意角度，且“U”型永磁直线电机的上下气隙g1≤g2。双“U”型永磁直线电机抑制了电梯运动部分所承受的法向吸引力，降低了无绳电梯安装基础、轿厢、定位和制动装置的机械强度，减轻了电梯运动部分的重量，提高了有效载荷；同时，公开的无绳电梯的永磁直线电机布置方法可保留较小一部分的不平衡法向吸力，有效解决“背包”式轿厢的侧倾问题，有利于电机运行过程中气隙的稳定。但公开的专利文献中并未提及永磁直线电机的供电方法。

现有的永磁直线电机驱动的无绳提升系统在使用时，当运行距离较远时，综合考虑能耗、效率等相关因素，需要采取分段供电方式。但是现有的分段式供电将导致整个永磁直线电机驱动的无绳提升系统结构复杂，控制点多，需要检测的信息量大，若仍采用传统的DCS分散控制系统结构，还存在接线多，抗干扰能力差的缺点。

现有的无绳提升机在实际运行过程中，永磁直线同步电动机不可避免的会遇到各种各样的干扰，直接影响到永磁直线电机驱动的提升系统的安全性与稳定性。例如，如果电机在运行过程中发生失步，动子和轿厢在重力作用下将会加速下滑，直接导致重大安全事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用分布式供电的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统，通过分布式供电简化控制系统结构，降低无绳提升系统能耗，提高系统效率。

本发明采用下述技术方案：

一种采用分布式供电的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统，包括永磁直线电机和设置在轿厢架上的轿厢，轿厢架上设置有永磁直线电机动子永磁体，所述的永磁直线电机定子绕组包括自下而上设置的由控制模块控制的多组单元电机的定子绕组，每组单元电机的定子绕组包括两台开口向内相对设置的U型永磁直线电机定子绕组，两台U型永磁直线电机定子绕组并联组成一组单元电机的定子绕组，单元电机的定子绕组通过接触器连接变频器电源输出端，控制模块通过总线连接控制主站，控制模块控制与动子永磁体直接耦合的所有单元电机的定子绕组、以及下一台即将投入运行的单元电机的定子绕组同时供电。

所述的U型永磁直线电机定子绕组包括U型永磁直线电机第一定子绕组和U型永磁直线电机第二定子绕组；U型永磁直线电机第一定子绕组和U型永磁直线电机第二定子绕组采用星形接线，且U型永磁直线电机第一定子绕组和U型永磁直线电机第二定子绕组串联。

所述单元电机的定子绕组通过接触器连接变频器电源输出端，变频器的电源输入端用于连接供电电源，所述的接触器具有三个常开主触点和三个常闭主触点，三个常开主触点的进线端连接变频器电源输出端，三个常闭主触点的进线端并联短接，三个常开主触点的出线端与三个常闭主触点的出线端并联后连接单元电机定子绕组。

还包括纵向设置在单元电机安装梁上且与多组单元电机定子并行布置的信号导轨，信号导轨上对应每两台相邻的单元电机定子中间位置处均设置有一个位置传感器，位置传感器的信号输出端连接控制模块的信号输入端，轿厢底部侧面设置有传感器探测钢板。

所述的相邻两个位置传感器之间的距离为360mm，位置传感器采用电感式接近开关。

所述传感器探测钢板采用长400mm、宽40mm、厚4mm的矩形钢板；传感器探测钢板长度大于相邻两个位置传感器之间的距离；位置传感器探头端面与探测钢板的水平间距为3mm。

所述的接触器还包括用于检测接触器工作状态的辅助触点，辅助触点连接控制模块的信号输入端。

本发明采用多组由开口向内相对设置的两个U型永磁直线电机组成的单元电机，运行过程中，利用控制主站控制接触器提前使与与动子永磁体直接耦合的所有单元电机的定子绕组、以及下一台即将投入运行的单元电机的定子绕组同时供电，实现直线电机的分布式供电；工作过程中单元电机定子绕组采用递推方式切换工作，无需全程通电，具有损耗小、节约能源和系统结构简单的优点。进一步，本发明在提升系统出现异常时，自动将直线电机分布式供电转化为能耗制动运行模式，保障无绳提升系统的稳定运行。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为单元电机定子绕组的接线示意图；

图3为双U型永磁直线电机定子绕组的分布图；

图4为接触器的原理示意图；

图5 为定子分段式永磁直线电机分段供电系统原理图；

图6为位置传感器的安装位置示意图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明包括永磁直线电机和设置在轿厢架1上的轿厢2，轿厢架1上设置有永磁直线电机动子永磁体3，永磁直线电机定子绕组由自下而上设置的多组单元电机的定子绕组4组成，多个控制模块5通过现场总线6连接控制主站7，执行控制主站7的命令，控制模块5可采用单片机，控制主站7内设置有上位机。每组单元电机的定子绕组4包括开口向内相对设置的第一U型永磁直线电机定子绕组和第二U型永磁直线电机定子绕组。每个U型永磁直线电机定子绕组均包括U型永磁直线电机第一定子绕组和U型永磁直线电机第二定子绕组，U型永磁直线电机第一定子绕组和U型永磁直线电机第二定子绕组采用星形接线，且U型永磁直线电机第一定子绕组和U型永磁直线电机第二定子绕组串联；第一U型永磁直线电机定子绕组和第二U型永磁直线电机定子绕组并联作为单元电机的定子绕组4。如图2所示，第一U型永磁直线电机第一定子绕组8的A相首端A1经末端X1连接第一U型永磁直线电机第二定子绕组9的A相首端A2；第一U型永磁直线电机第一定子绕组8的B相首端B1经末端Y1连接第一U型永磁直线电机第二定子绕组9的B相首端B2；第一U型永磁直线电机第一定子绕组8的C相首端C1经末端Z1连接第一U型永磁直线电机第二定子绕组9的C相首端C2，第一U型永磁直线电机第二定子绕组9的末端X2、Y2、Z2短接，即可实现第一U型永磁直线电机的第一定子绕组8和第二定子绕组9串联；第二U型永磁直线电机第一定子绕组10和第二U型永磁直线电机第二定子绕组11实现串联的方式同第一U型永磁直线电机一样，在此不再赘述。将第一U型永磁直线电机第一定子绕组8和第二U型永磁直线电机第一定子绕组10的A相、B相和C相首端分别对应并联，然后接入三相电源12，即可将第一U型永磁直线电机的定子绕组和第二U型永磁直线电机的定子绕组并联作为单元电机的定子绕组4。

分段式永磁直线电机供电采用“递推方式”分组供电。为保障提升系统可靠稳定运行，在永磁直线电机运行过程中，控制模块5控制与动子永磁体3直接耦合的所有单元电机的定子绕组4，以及下一台即将投入运行的单元电机的定子绕组4同时供电，即可实现轿厢2的运动。

垂直运动的永磁直线电机在运行过程中，如果系统出现故障或失电，当机械制动装置失效时，永磁直线电机动子永磁体3将会连同轿厢2在重力的作用下发生坠落，引发重大的安全事故。坠落过程中，永磁直线电机动子永磁体3与定子之间会形成一个随动子移动的行波磁场，该磁场切割定子绕组时将产生三相感应电动势。若在此时，能将永磁直线电机定子三相电枢绕组短接或外串阻抗形成闭合回路，那么永磁直线电机将变成荷载的发电机运动状态，并在闭合的永磁直线电机定子三相电枢绕组中产生感应电流，这个电流形成的磁场将会与永磁直线电机动子永磁体3形成的行波磁场相互作用，产生一个与永磁直线电机动子永磁体3坠落方向相反的制动力。当向上的合力与向下的合力平衡时，永磁直线电机动子永磁体3和轿厢2将以一个较低的恒速下降，通过限制永磁直线电机动子永磁体3的下降速度，将轿厢2下坠速度限制在安全范围之内。

因此，本发明增设能够实现永磁直线电机定子三相电枢绕组短接的接触器KM，单元电机的定子绕组4通过接触器KM连接变频器13，变频器13的电源输入端连接供电电源，供电电源为380V、50Hz工频电网，变频器13通过现场总线6与控制主站7连接。如图4所示，接触器KM具有三个常开主触点K1、K2、K3和三个常闭主触点K4、K5、K6，三个常开主触点K1、K2、K3的进线端L1、L2、L3连接变频器13的变频电源输出端子，三个常开主触点的出线端T1、T2、T3分别连接单元电机的定子绕组4；三个常闭主触点K4、K5、K6的进线端并联短接，三个常闭主触点K4、K5、K6的出线端分别连接三个常开主触点的出线端T1、T2、T3。图5所示为三个电机分别通过接触器KM连接变频器13。

为了控制单元电机绕组切换，本发明还在单元电机安装梁上纵向设置有信号导轨，信号导轨与多组单元电机定子并行布置；信号导轨上设置有多个位置传感器P，位置传感器P的信号输出端连接控制模块5的信号输入端，且位置传感器P的高度分别与相邻两台单元电机定子的中间位置高度一致，形成一一对应。如图6所示，位置传感器P设置在信号导轨14上，轿厢2底部侧面设置有传感器探测钢板15作为位置传感器P检测对象。传感器探测钢板15采用长400mm、宽40mm、厚4mm的矩形钢板，信号导轨14与传感器探测钢板15的水平间距为10mm；位置传感器P采用电感式接近开关，相邻两个位置传感器P之间的距离为360mm，传感器探测钢板长度为400mm，以保证动子在运行过程中，位置传感器P能可靠检测到轿厢2的位置。控制模块5将位置传感器P发送的信号传送至控制主站7，控制主站7通过分析传感器发送的信号确定轿厢2位置，并通过控制接触器KM的切换提前对与永磁直线电机动子永磁体3耦合的单元电机的定子绕组4进行通电，利用对应单元电机的定子绕组4的通电和断电，实现直线电机分组供电，驱动轿厢2上升或下降。

为了能够检测接触器KM的工作状态，判断接触器KM是否可靠闭合，本发明所述的接触器KM还包括用于检测接触器KM工作状态的辅助触点，辅助触点连接到控制模块5的输入端子上。当接触器KM的主触点动作时，辅助触点将会同时动作，控制模块5可根据接触器KM辅助触点的通断状态判断接触器KM是否可靠闭合。若控制主站7输出驱动信号后，接触器KM触点未正常闭合，则说明接触器KM发生故障，控制主站7将发出能耗制动信号和抱闸信号，同时自动报警，提醒工作人员进行检修。

如图1所示，本实施例中，永磁直线电机动子永磁体3的长度等于5组单元电机的定子绕组4的长度，每一楼层有6组单元电机，每一组单元电机的定子绕组4分别对应有一个位置传感器P，每一层的单元电机的定子绕组4均由一个控制模块5控制。控制主站7和控制模块5之间采用西门子Profibus现场总线6进行通信。控制主站7和控制模块5之间的电缆包括220V/50Hz的控制电源电缆线16、现场总线电缆6和连接变频器13出线端的动力电缆线17。供电系统采用基于现场总线的分布式供电系统，结构简单，布线简洁，可靠性高。

在提升时，1#位置传感器P1检测到轿厢2位置并发送信号至控制模块5后，控制模块5控制1#单元电机至6#单元电机的定子绕组得电，永磁直线电机动子永磁体3带动轿厢2上升；当轿厢2上升一定高度后，2#位置传感器P2检测到轿厢2位置并发送信号至控制模块5后，控制模块5控制2#单元电机至7#单元电机的定子绕组得电，永磁直线电机动子永磁体3带动轿厢2继续上升；当轿厢2继续上升一定高度后，3#位置传感器P3检测到轿厢2位置并发送信号至控制模块5后，控制模块5控制3#单元电机至8#单元电机的定子绕组得电，永磁直线电机动子永磁体3带动轿厢2继续上升；以此类推，当K#位置传感器PK检测到轿厢2位置并发送信号至控制模块5后，控制模块5控制K#单元电机至K+5#单元电机的定子绕组得电，永磁直线电机动子永磁体3带动轿厢2继续上升，直至上升至指定位置。

本发明所述的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统在下降时，K#位置传感器PK检测到轿厢2位置并发送信号至控制模块5后，控制模块5控制K-1#单元电机至K+4#单元电机的定子绕组得电，永磁直线电机动子永磁体3带动轿厢2下降；当轿厢2下降一定高度后，K-1#位置传感器P检测到轿厢2位置并发送信号至控制模块5后，控制模块5控制K-2#单元电机至K+3#单元电机的定子绕组得电，永磁直线电机动子永磁体3带动轿厢2继续下降；以此类推，当2#位置传感器P2检测到轿厢2位置并发送信号至控制模块5后，控制模块5控制1#单元电机至6#单元电机的定子绕组得电，永磁直线电机动子永磁体3带动轿厢2继续下降；直至下降至指定位置。

本发明所述的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统在工作时，控制主站7实时监控轿厢2的速度，当轿厢2的速度大于设定的安全运行最大速度时，控制主站7开始计时；若10ms后，轿厢2的速度仍大于设定的安全运行最大速度，则判断系统出现速度异常，立即实行能耗制动。控制主站7通过控制模块5控制断开所有单元电机的定子绕组4的接触器KM，接触器KM的常闭主触点自动闭合，利用接触器KM实现永磁直线电机定子三相电枢绕组短接，三相电枢绕组中产生的感应电流将会形成一个与动子坠落方向相反的制动力，限制轿厢2的下降速度，将轿厢2下坠速度限制在安全范围之内，同时进行报警。当控制主站7判断接触器KM触点未正常闭合发生故障时，同样实行能耗制动并进行报警。

Claims (7)

1.一种采用分布式供电的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统，包括永磁直线电机和设置在轿厢架上的轿厢，轿厢架上设置有永磁直线电机动子永磁体，其特征在于：所述的永磁直线电机定子绕组包括自下而上设置的由控制模块控制的多组单元电机的定子绕组，每组单元电机的定子绕组包括两台开口向内相对设置的U型永磁直线电机定子绕组，两台U型永磁直线电机定子绕组并联组成一组单元电机的定子绕组，单元电机的定子绕组通过接触器连接变频器电源输出端，控制模块通过总线连接控制主站，控制模块控制与动子永磁体直接耦合的所有单元电机的定子绕组、以及下一台即将投入运行的单元电机的定子绕组同时供电。

2.根据权利要求1所述的采用分布式供电的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统，其特征在于：所述的U型永磁直线电机定子绕组包括U型永磁直线电机第一定子绕组和U型永磁直线电机第二定子绕组；U型永磁直线电机第一定子绕组和U型永磁直线电机第二定子绕组采用星形接线，且U型永磁直线电机第一定子绕组和U型永磁直线电机第二定子绕组串联。

3.根据权利要求2所述的采用分布式供电的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统，其特征在于：所述单元电机的定子绕组通过接触器连接变频器电源输出端，变频器的电源输入端用于连接供电电源，所述的接触器具有三个常开主触点和三个常闭主触点，三个常开主触点的进线端连接变频器电源输出端，三个常闭主触点的进线端并联短接，三个常开主触点的出线端与三个常闭主触点的出线端并联后连接单元电机定子绕组。

4.根据权利要求3所述的采用分布式供电的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统，其特征在于：还包括纵向设置在单元电机安装梁上且与多组单元电机定子并行布置的信号导轨，信号导轨上对应每两台相邻的单元电机定子中间位置处均设置有一个位置传感器，位置传感器的信号输出端连接控制模块的信号输入端，轿厢底部侧面设置有传感器探测钢板。

5.根据权利要求4所述的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统，其特征在于：所述的相邻两个位置传感器之间的距离为360mm，位置传感器采用电感式接近开关。

6.根据权利要求5所述的采用分布式供电的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统，其特征在于：所述传感器探测钢板采用长400mm、宽40mm、厚4mm的矩形钢板；传感器探测钢板长度大于相邻两个位置传感器之间的距离；位置传感器探头端面与探测钢板的水平间距为3mm。

7.根据权利要求6所述的采用分布式供电的定子分段式永磁直线电机直驱提升系统，其特征在于：所述的接触器还包括用于检测接触器工作状态的辅助触点，辅助触点连接控制模块的信号输入端。

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