CN115038661A - 带自推进式自动轿厢的电梯系统 - Google Patents

Abstract

一种电梯系统，其中轿厢通过牵引驱动系统在竖井内移动，该牵引驱动系统在竖井的内表面上传递扭矩摩擦力，使轿厢能够在没有电缆的情况下行驶并长距离行驶。牵引驱动系统自动调节这些法向力。一种通过电子系统控制设置在多个竖井内的多个这样的轿厢的方法。

Description

带自推进式自动轿厢的电梯系统

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年10月24日提交的美国临时专利申请NO.62/925,748的权益，其公开内容通过引用整体内容并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

不适用。

技术领域

本发明总体构思涉及垂直运输系统(即，电梯)，其在不同高度的目的地之间的竖井内运送乘客和/或货物。更具体地，本发明涉及电梯系统，其中，多个电梯轿厢在同一竖井中运行，而不需要缆绳来提升每个轿厢。

背景技术

电梯是垂直运输系统，通常结合到建筑物中，其依赖于使用轿厢：移动舱，其用作沿着垂直竖井(即，井道)中的设定轨道运行的载具。传统的电梯轿厢由一根或多根电缆(即绳索)从外部驱动，这些电缆将力从固定在容纳建筑物/结构的承重结构上的固定驱动系统传递。相比之下，我们的发明将改进传统轿厢的设计，其中，每个轿厢都作为独立的载具运行。与传统电梯的外部驱动、基于电缆的驱动系统不同，我们改进后的轿厢设计可能加入了一个通过摩擦附着在竖井上的牵引力驱动系统，如欧洲专利EP 0595122 A1中所公开的，将其并入本文以供参考。

用于垂直运输系统的牵引驱动系统必须依靠在移动轿厢和固定竖井之间产生的摩擦力，以便根据需要调节轿厢的速度。从广义上讲，摩擦是对接触(即相互滑动)的两个物体之间的切向相对运动的阻力，其是由两个物体表面上的微观突起(称为凹凸)的物理干涉产生的(当两个表面接触时，这些突起会变形和/或相互粘附。)一个物体相对于另一个物体滑动的精确阻力水平(即相反的力)与将两个表面压缩在一起的法向力成正比，线性比例常数将法向力和摩擦力与另一种称为摩擦系数的常数相互关联。接触的两个物体(分别)相互滑动/不滑动时，存在动摩擦系数和静摩擦系数。为了防止一个物体的表面相对于另一个“滑动”，施加在与物体接触表面相切的方向上的净力不得超过表面材料、几何形状和法向力的独特组合可能产生的最大静摩擦力。在竖井中支撑驾驶室所需的静摩擦力可以通过将多个牵引驱动单元(例如轮子、轨道、踏板或其他类似设备)压靠在竖井壁上来产生，从而产生足够的法向力和随后的静摩擦力的大小足以完全抵消作用在驾驶室上的其他力，诸如，例如驾驶室负载的重量、加速度等。通过对牵引驱动单元的聚合物外表面(例如轮胎胎面)应用专门的纳米级纹理，可以进一步增强静摩擦效应，这可以产生组合的范德华力和摩擦效应，如在美国专利7,762,362 B2和9,908,266 B2中公开的发明，这两个专利都被并入本文以供参考。

上述作为现有技术的牵引驱动系统从未成功地应用，因为用当时提出的建议技术和设计来构建这种系统是不切实际的。本发明利用了电池和电动机技术在功率密度(即每单位质量存储或输送的能量)方面的进步，而这些技术以前只应用于其他设备。本发明还克服了传统电梯技术中的另一个限制：沿竖井的全长必须由导轨/轨道控制的单个运动轴的平移。我们的发明还能够满足现有技术不可能实现的几个目标。首先，轿厢可以控制它们围绕平行于平移轴的旋转轴的角度定向，而不需要在竖井内安装导轨/轨道。其次，轿厢可以在上升/下降期间改变其围绕相同垂直旋转轴的角度定向，以便将轿厢门与竖井门对齐，竖井门现在可以围绕圆柱形竖井以任何角度定向放置。第三，多个轿厢可以在同一个竖井内独立运行，从而增加每个竖井的最大占用率。最后，与现有的电缆电梯技术相比，该提议的系统需要更少的竖井，以便在可比建筑物内提供相同水平的乘客吞吐量。无论距其容纳竖井的最低点的距离如何，本发明都可以继续运行，可达至少1,600米。

市场需要为住宅和商业建筑提供更有效的垂直运输。垂直运输系统的当前商业实施例受到可在单个竖井内同时运行的轿厢数量的限制，并且实际上不能延伸超过用于提升这些轿厢的电缆的最大长度。单个竖井实际上不能容纳许多电缆吊装的轿厢，因此当前实施例中每个竖井的轿厢数量是有限的。电缆长度本身受电缆的抗拉强度和质量的限制。本发明通过引入垂直运输系统满足了市场上未满足的需求，该垂直运输系统容纳比现有技术水平更多的同时操作的多向轿厢，以便在容纳建筑物中使用最少量的内部体积的同时优化运输。

发明内容

本发明的一方面在于一种电梯系统，该电梯系统包括一个或多个在一个或多个圆柱形垂直竖井中运行的自推进式电梯轿厢。圆柱形垂直竖井可以联网或以其他方式互连以允许一个或多个轿厢从一个圆柱形垂直竖井转移到另一个。每个轿厢由一个或多个牵引驱动单元推进，这些牵引驱动单元可组合成牵引驱动组件，使用通过单元受控压缩到竖井壁中产生的摩擦力，以及一个或多个内部驱动致动器和一个或多个内部能源，以在竖井内产生垂直运动，同时围绕行进运动和/或保持位置的垂直轴进行旋转运动。轿厢围绕垂直行进轴的角度定向可以通过牵引驱动单元的转向和/或乘客舱的旋转来控制。本发明可以包括一个或多个机构，用于产生和控制轿厢绕行进轴的旋转运动以及在竖井内沿任何空间方向的平移运动，而无需在竖井内安装导轨、轨道或凹槽。

附图说明

图1是圆柱形垂直竖井和电梯轿厢的一部分的剖视图。

图2是圆柱形垂直竖井和电梯轿厢的正交俯视图，示出了牵引驱动组件内的牵引驱动单元与容纳圆柱形垂直竖井的内表面之间的接触；

图3是圆柱形垂直竖井和电梯轿厢的一个实施例的正交俯视图，示出了制动系统部件的阵列；

图4是多个圆柱形垂直竖井、电梯轿厢和通过多个支架的线性平移将轿厢从一个圆柱形垂直竖井重新定位到另一个圆柱形垂直竖井的转运站的横截面侧视图；

图5是转运站的替代实施例的图示，其中轿厢通过围绕平行于圆柱形垂直竖井的中心轴旋转的多个旋转支架重新定位；

图6a是牵引驱动组件的立体图；

图6b是牵引驱动组件的等距视图，示出牵引驱动单元围绕转向轴旋转以引起轿厢随着垂直运动而旋转；

图7是牵引驱动组件内的单个牵引驱动单元和转向机构的相关部分的横截面视图，以及牵引驱动单元的内部插图；和

图8是在每个轿厢内运行的传感器阵列的示意图。

具体实施方式

如图1所示，电梯轿厢100设置在圆柱形垂直竖井200内。在一个实施例中，电梯轿厢100具有多个牵引驱动组件300。牵引驱动组件300包括一个或多个保持在轮支架330内的驱动轮310。每个轮子310是与圆柱形垂直竖井200的内表面220具有扭矩传递关系的可旋转构件。

如图1所示，电梯轿厢100围绕由舱壁112限定的乘客或货物舱110。在一个实施例中，舱110进一步限定了轿厢门120。在一个实施例中，轿厢门120可以打开和关闭。竖井门230可以设置在垂直竖井200中。在一个实施例中，竖井门230可以打开和关闭。在一个实施例中，如图1所示，轿厢门120可以与竖井门230对齐，使得当轿厢门120和竖井门230都处于打开位置时，垂直竖井200之外的乘客或货物可以通过竖井门230以及轿厢门120两者进入舱110，或者舱110内的乘客或货物可以通过轿厢门120和竖井门230两者离开舱110。

在一个实施例中，轿厢门120可以与设置在垂直竖井200中不同高度的多个竖井门230中的任何一个对齐。在另一个实施例中，电梯轿厢100可以在垂直竖井200内周向旋转，这样轿厢门120可以与设置在围绕垂直竖井200圆周的不同点的多个竖井门230中的任何一个对齐。

如图2所示，在一个实施例中，多个驱动轮310布置在牵引驱动组件300中并且与内表面220呈扭矩传递关系。在一个实施例中，牵引驱动组件300可固定地附接到轿厢顶部130的外表面132。在另一实施例中，第二牵引驱动组件300可固定地附接到轿厢底部140的外表面142。在一个实施例中，如图2所示，有3个等距的轮子310围绕电梯轿厢100的圆周设置。

在一个实施例中，轮子310包括一组“驱动轮”，其外径311几乎是竖井内表面220内径的一半。例如，在2米(内径)的竖井内表面220中，每个驱动轮310可以具有大至0.4米的外径311。如图1所示，在一个实施例中，轿厢100由一组六个这样的驱动轮310驱动，分为两组，每组三个，安装在两个镜像牵引驱动组件300中围绕轿厢直径的等距点，该两个镜像牵引驱动组件300固定到每个轿厢的厢顶132和地板142。在该实施例中，每个驱动轮310可具有内齿轮系351，其可具有两级静态传动比。

如图7所示，在一个实施例中，每个驱动轮310通过中心轮毂320可驱动地连接到内部传动系统350。传动系统350由驱动轮马达380提供动力。在一个实施例中，驱动轮马达380由与电路的电缆连接来供电。在另一实施例中，驱动轮马达380由通过垂直竖井200的无线传输供电。在一个实施例中，驱动轮马达380由连接到中央操作系统600的接收器610无线控制。在一个实施例中，驱动轮电机380是具有高“功率密度”的轻型交流电动机，在此意味着每单位质量的持续机械功率输出水平，大约为1,500W/kg或更高。在一个实施例中，在每个驱动轮310和内表面220之间传递的扭矩至少为1,765Nm。

如图2所示，每个驱动轮310将连接到独立悬架单元360并安装在驱动轮支架330内。如图7所示，在一个实施例中，驱动轮支架330和独立悬架单元360通过无源单轴压缩致动器362和有源单轴压缩致动器364沿垂直于内竖井表面的方向和垂直行进方向将驱动轮310压缩到内表面220中。如图4和5所示，在一个实施例中，例如，竖井200a中的任何轿厢100可以采用垂直向上的方向202，而竖井200b中的任何轿厢100可以采用垂直向下的方向204。在一个实施例中，无源单轴压缩致动器362是机械弹簧。在另一个实施例中，无源单轴压缩致动器362是密封的气动或液压缸。有源单轴压缩致动器364动态地保持驱动轮310的默认位置和施加到驱动轮310的压缩力。在一个实施例中，有源单轴压缩致动器364是线性致动器。

如图7进一步所示，有源单轴压缩有源致动器364将精确调节施加于每个驱动轮310的标称压缩力，而无源单轴压缩致动器362将允许在不连续或冲击的情况下发生一些偏转并使垂直运动平滑，从而提高乘坐质量。施加到每个驱动轮310的准确压缩力将通过仪器实时测量，例如在一个实施例中，沿独立悬架单元360的压缩轴安装的多个称重传感器510，其数据随后将被馈入到车载电子控制系统500，其可以调整每个独立悬架单元360的有源单轴压缩致动器364，以便增加或减少标称压缩负载和/或法向力以及每个驱动轮上产生的摩擦力。

如图6b所示，每个驱动轮支架330能够围绕所施加的法向力的轴旋转，以便在与垂直方向成大约±15°使每个驱动轮310转向，并产生轿厢100在竖井200内围绕垂直行进轴的净旋转。牵引驱动组件300中的每个驱动轮支架330的转向角将通过集中传动单元370耦合。

在一个实施例中，中央传动单元370将一个斜角输出齿轮结合到每个驱动轮支架330，该驱动轮支架由中央转向小齿轮372驱动，该小齿轮通过电动转向马达520提供的扭矩围绕垂直行进轴旋转。在另一个实施例中，电动转向马达520可以通过驱动蜗轮374连接到中央转向小齿轮372。在另一个实施例中，中央传动单元370包括连接到电动转向马达520和驱动轮支架330的中央转向齿轮箱376。中央传动单元370可以与中央操作系统600通信，以确保当轿厢旋转时所有驱动轮310的同步转向定向。该转向机构允许轿厢100将轿厢门120与定位在围绕竖井的圆周的几乎任何位置处的乘客通道门230对齐。

每个轿厢100还可以使用动态制动来控制下降并将轿厢100的一些动能重新捕获为存储在车载储能器(例如电池、超级电容器和/或其他类似设备)内的势能，然后将其用于增加轿厢100上升所需的能量。由于每个轿厢所需能量的快速传输/移除，在该能量存储/传输系统的一个实施例中，将由超级电容器组成，以传输或吸收短时功率突增，并与锂聚合物电池配对以实现更慢充电/放电的更大能量存储。

如图3所示，在一个实施例中，紧急制动蹄片392的阵列可以布置成圆周阵列，用作紧急制动系统390。每个轿厢100可以结合紧急制动系统390，如果牵引驱动系统发生故障(其中轿厢失去部分/全部与竖井的牵引力，无法通过独立的悬架单元调整进行补偿)或失去动力，该紧急制动系统390将激活。当启动时，紧急制动系统390将多个制动蹄片392从轿厢100内推靠在竖井220的内表面上，随后的摩擦将减慢，并最终阻止轿厢100下降。

如图4所示，一个或多个转运站400连接多个竖井200。在一个实施例中，转运站400在中间层连接两个竖井200。在另一个实施例中，转运站400在其末端连接两个竖井200。在一个实施例中，转运站400包括机电组件，其包含能够平移支架420的换位系统410，其包括竖井200的不连续部分，该不连续部分大到足以在两个相邻竖井200a和200b之间至少承载单个轿厢。在一个实施例中，支架420与竖井壁210邻接。除了在相邻竖井之间转移轿厢之外，转运站400还可以添加或从服务中移除轿厢100以进行维护和/或存储，这两者都可能位于在每个电梯系统的竖井网络的底部。

在一个实施例中，如图4所示，换位系统410是轨道系统。在另一个实施例中，换位系统410是滚轮系统。在另一个实施例中，换位系统410是皮带驱动系统。在另一个实施例中，换位系统410是链驱动系统。在一个实施例中，换位系统410执行线性平移，即垂直于轿厢100的垂直行进轴。

如图4进一步所示，在一个实施例中，换位系统410在支架420上沿方向436提供线性力，支架420具有上支架端242和下支架端246。在一个实施例中，轿厢100与上支架端242和下支架端246对齐，使得整个舱壁112和牵引驱动组件300在支架420和内支架壁表面440内邻接。支架420的尺寸使得支架高度450超过总轿厢高度150至少3英寸，使得整个轿厢100和每个牵引驱动部件300完全封闭在支架420中。每个驱动轮310对内支架壁表面440施加足够的力以使轿厢100在支架420中完全封闭的位置处保持静止。

在一个实施例中，静止竖井200具有静止壁下边缘240。当轿厢100在静止竖井200内运动时，静止壁下端240和上支架端242无缝镶嵌。在这个实施例中，下支架端246与静止壁上端248无缝镶嵌，使得驱动轮310可以平滑地滚动穿过内竖井壁表面220和内支架壁表面440。

如图4进一步所示，换位系统410使其中设置有轿厢100的支架420a横向移动，与垂直竖井200a分离并与垂直竖井200b对齐。当被占用的支架420a与竖井200b对齐时，轿厢100可以通过其牵引驱动300平稳地行进。这样，轿厢100可以从圆柱形垂直竖井200移到另一个，或移到保持支架，而不会中断沿可设置在圆柱形垂直竖井200中的任何其他轿厢100的内部竖井壁表面220的行进路径。如图4所示，在一个实施例中，第二个被占用的或空的支架420b也被换位系统410换位以与竖井200a无缝镶嵌，使得另一个轿厢(未示出)可以穿过转运站400。

在一个实施例中，如图5所示，支架420a从第一静止竖井200a脱离并且在支架旋转432的方向上围绕换位系统434的轴可旋转地行进，将轿厢100朝向第二静止竖井200b运送。如图5所示，支架旋转432的方向是逆时针的。在另一个实施例中，支架旋转432的方向是顺时针的。在该实施例中，包括任何牵引驱动组件300的轿厢100完全设置在上支架端242和下支架端246之间的支架420内。

如图5所示，在另一个实施例中，换位系统410执行旋转运动，类似于左轮手枪弹匣中的旋转室。转运站400用另一个可能被占用或空的支架420b替换被移除的占用支架420a。一旦平移的支架420与每个竖井200的其余部分对齐，任何存储的轿厢100都可以退出并在相邻的竖井200内继续运动。

在一个实施例中，换位系统410可以打开，使得轿厢100可以在任何垂直竖井200的对准之外静止放置。在一个实施例中，驾驶室100可以被用户移除或访问以进行维护、存储、修理或更换。

如图6a所示，在一个实施例中，牵引驱动组件300具有三个驱动轮310，该三个驱动轮310固定到围绕牵引驱动组件300的等距三角形点，每个驱动轮固定在驱动轮支架330内。在一个实施例中，基础平台302固定牵引驱动组件300到轿厢顶部130。

因为多个轿厢100可以在同一个竖井200内行进，所以在一个实施例中，一个竖井200a将被分配给向上行走的轿厢100，而另一个竖井200b被分配给向下行走的轿厢100。操作系统600处理多个输入以确定轿厢100到每个定向竖井200的最佳分配，例如向上行驶或向下行驶。在一个实施例中，一天中给定时间的预期用户活动将告知在上行高峰需求时段(例如，工作日开始)将更多竖井分配给向上行驶的轿厢，并且在下行高峰需求时段(例如，工作日结束)将更多竖井分配给向下行驶的轿厢，从而优化电梯系统的整个系统的垂直运输效率。

优化的轿厢交通调度和/或目的地分派可以用操作系统600来完成，在一个实施例中，操作系统600包括通过私有安全无线网络630与多个轿厢100动态通信的人工智能操作系统。在另一个实施例中，操作系统600由中央处理单元控制。如图1所示，一个或多个竖井传感器222靠近任一竖井门230设置并与操作系统600通信。每个轿厢100还具有一个或多个传感器232，其通过轿厢控制器模块234与操作系统600通信。如图8所示，在一个实施例中，竖井传感器222与竖井控制器231通信。

如图8所示，在一个实施例中，传感器232包括确定轿厢100沿竖井200的位置的RFID传感器、测量轿厢100的速度、旋转和加速度的惯性测量单元，以及测量与门230对齐的成像传感器。轿厢传感器232与轿厢控制器234通信。如图8所示，在一个实施例中，存在与轿厢控制器234通信的牵引驱动控制器238。牵引驱动控制器238与多个驱动传感器236通信。在一个实施例中，如图8所示，驱动传感器236包括检测轮子310可以旋转的程度的转向角传感器、检测轮子310运动的速度编码器、检测由独立悬架单元360承载的负载的一个或多个称重传感器510、温度传感器、电压传感器和电流传感器。

操作系统与这多个传感器和控制算法通信，这些传感器和控制算法使用传感器输入来测量和控制轿厢的速度、位置和旋转，以便于与楼层间不同的楼层门开口对齐。旋转传感器可以包括组合在惯性测量单元内的加速度计、陀螺仪和磁力计，并提供轿厢的精确旋转位置。用于每个驱动轮310的转向角传感器和轮速编码器可用于闭环控制算法以将轿厢定位在正确的旋转位置。图像传感器可以提供进一步的对准精度。传感器可以包括雷达和超声波测距传感器，它们测量到轿厢上方或下方的另一个轿厢的距离。在一个实施例中，气压传感器测量绝对高度以确定地平面以上的高度来确定相应的建筑物楼层。此外，光学传感器通过读取应用在竖井壁上的二维码来检测楼层，其中每个二维码都与特定的楼层相关联。在另一个实施例中，射频识别传感器用于进一步确定轿厢的当前楼层位置。在另一个实施例中，这些传感器中的每一个使用传感器融合来组合以增加轿厢的位置精度。

在另一个实施例中，操作系统600是分散的，软件和处理分布在网络内的多个轿厢100之间，所有轿厢都通过安全的无线轿厢到轿厢网状网络或类似的本地专用无线通信网络拓扑结构连接。

在另一个实施例中，操作系统600还通过乘客的移动设备与乘客进行通信。在一个实施例中，乘客可以使用安装在每个门230处的控制台与电梯系统进行通信，例如为了呼叫电梯轿厢100。在另一个实施例中，乘客可以通过移动设备650与电梯系统进行通信。在另一个在实施例中，移动设备650可以通过与接收器610通信来加入无线通信网络630。在另一个实施例中，移动设备650通过公共互联网通过加密通信与操作系统600通信。

应当理解，在本发明的其他实施例中，驱动轮310的布置可以是上述类型的任何组合。可以理解，在本发明的其他实施例中，轿厢100可以由任何材料组合构成。应当理解，在本发明的其他实施例中，可以使用任何数量或类型的轿厢传感器232和/或驱动传感器236。应当理解，在本发明的其他实施例中，用于牵引驱动系统300、换位系统410和/或竖井门230和轿厢门120中的任何一个的电源可以是有线的、无线的、电池供电的，或以任何合理的方式以其他方式提供动力。可以理解，在本发明的其他实施例中，竖井可以在垂直之外的方向上运行。应当理解，在本发明的其他实施例中，竖井可以具有不同于圆柱形的形状。

已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。因此，其他实施例在以下权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种电梯系统，包括：

至少一个垂直竖井；和

至少一个轿厢，其中：

至少一个连接到所述轿厢的牵引驱动系统在所述圆柱形垂直竖井内传递摩擦力；

所述牵引驱动系统自动调节施加到所述圆柱形垂直竖井内部的法向力；和

所述牵引驱动系统由一个或多个电子系统控制。

2.根据权利要求1所述的电梯系统，其中：有两个或多个垂直竖井。

3.根据权利要求1所述的电梯系统，其中：所述轿厢通过换位系统从一个垂直竖井移动到另一个垂直竖井。

4.根据权利要求1所述的电梯系统，其中：所述牵引驱动系统允许所述轿厢在所述垂直竖井内旋转360度。

5.根据权利要求1所述的电梯系统，其中：所述电子控制系统检测并控制所述轿厢在所述圆柱形垂直竖井内的垂直和周向位置。

6.根据权利要求1所述的电梯系统，还包括WiFi无线通信系统，用于与所述竖井控制器和相邻的轿厢通信。

7.一种用于控制包括至少一个自动自推进式轿厢和至少一个垂直竖井的电梯系统的方法，包括：

操作系统；

至少一个与轿厢控制器通信的轿厢传感器；

至少一个与驱动控制器通信的驱动传感器；和

至少一个与竖井控制器通信的竖井传感器，其中：

所述操作系统接收并处理来自所述轿厢控制器、所述驱动控制器和所述竖井控制器的传感器信息，以将轿厢分派到所述垂直竖井内的预定点。

8.根据权利要求8所述的方法，其中：在所述竖井中有多个轿厢。

9.根据权利要求8所述的方法，其中：存在由转运站连接的多个竖井。

10.根据权利要求9所述的方法，其中：所述操作系统分派所述多个轿厢中的每一个的所述移动以优化建筑物楼层之间的乘客旅行。

11.根据权利要求9所述的方法，其中：所述多个轿厢中的每一个都通过无线网状网络进行通信。

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