CN116331990A - 电梯速度检测装置及基于该装置的防偏载、自平衡系统 - Google Patents

Abstract

一种轿厢防偏载系统及防偏载控制方法，以称重传感器作为输入信息，以力矩传感器作为检测反馈信息，通过对部分线圈进行通电，使磁流体聚集在通电线圈的一侧，抵消因乘客的不均衡站位而造成的轿厢偏载。一种基于速度检测装置的自平衡系统，通过制动器用来产生制动力，以均衡轿厢与对重在重量上的不平衡性。一种基于自平衡系统的电梯，能够在其余安全措施全部失效的极端情况下，通过自救使轿厢得到刹车制动，保障乘客的安全。本发明提高了速度检测装置的可靠性和测量精度，防止齿轮、齿条因偏载而过早磨损，延长了导靴的使用寿命和更换周期。

Description

电梯速度检测装置及基于该装置的防偏载、自平衡系统

技术领域

本发明涉及电梯领域，尤其是涉及一种电梯速度检测装置，还涉及一种基于该速度检测装置的轿厢防偏载系统、电梯自平衡系统以及电梯。

背景技术

在现代电梯系统中，对轿厢速度的检测具有极为重要的意义，是实现电梯速度控制(生成速度指令和实现速度反馈控制)的基础。能够检测速度的传感器很多，如光电速度传感器、磁电速度传感器、霍尔速度传感器、雷达、激光测速仪等，在测量精度和使用条件上各有优缺点。对于电梯来说，速度检测装置的可靠性与测量精度同等重要。

如图1所示，目前较优的速度检测装置是在轿厢200上设置滚轮105，滚轮105与编码器103同轴连接，利用滚轮105在导轨300上的滚动，通过编码器103获取滚轮105的转速，进而通过换算得到轿厢200的运动速度。该速度检测装置的优点在于，直接以轿厢相对于导轨的运动作为测量目标，可靠性、测量精度和可信度都较高。其缺点在于，由于各种原因，滚轮105并不完全在导轨300上作滚动运动，也可能出现滑动的情况。尤其是在轿厢200发生偏载时，滚轮105甚至有可能接触不到导轨300。

如图2所示，为了解决上述问题，设计团队提出了在导轨300上安装齿条101，使用齿轮轴102代替滚轮105的改进方案。该改进方案的优点在于，不同于链传动和带传动，齿轮轴102与齿条101的配合是精密的刚性传动副，误差不会因长度的增加而累积，不但从根本上避免了滑动现象的发生，而且还提高了测速的精度和可靠性。其缺点在于，样机在试运行一段时间后，发现齿轮轴102、齿条101磨损严重，而更换齿轮轴102，尤其是齿条101的成本很高。

如图3所示，分析后发现齿轮、齿条过早磨损的原因是：为了导向和降低摩擦力，轿厢200是通过导靴400在导轨300上移动的，导靴400在X、Y方向上都与导轨300都保留有一定间隙，一般为5-8mm。乘客900进入轿厢200后往往使轿厢200绕X、Y轴产生偏载力矩，以前该偏载力矩加载在导靴400和导轨300上，现在由于齿轮齿条配合副的配合精度高于导轨导靴配合副的配合精度，偏载力矩加载在齿轮轴102和齿条101上，使齿轮轴102与齿条101的啮合角度发生改变，进而使齿轮轴102、齿条101快速磨损。

由上述可知，如果想要避免齿轮轴、齿条快速磨损，提高该速度检测装置的可靠性和使用寿命，就必须先解决轿厢的偏载问题。此外，如果轿厢的偏载问题得到解决，那么导轨与导靴的磨损问题也相应地得到改善，导靴的使用寿命和更换周期将大幅延长。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种电梯速度检测装置，还公开了一种基于该速度检测装置的轿厢防偏载系统、电梯自平衡系统以及电梯。其目的在于：1.提高速度检测装置的可靠性和测量精度；2.防止齿轮、齿条因偏载而过早磨损；3.延长导靴的使用寿命和更换周期。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种电梯速度检测装置，所述电梯包括导轨和轿厢，沿导轨固定有齿条，在轿厢上设置有与齿条啮合的齿轮轴；所述齿轮轴同轴连接有编码器，编码器用来测量齿轮轴的转速，进而得到轿厢的运行速度。

实施上述技术方案后，产生的有益效果是：齿轮与齿条的啮合，从根本上避免了滑动现象的发生，提高了测速的精度和可靠性。

一种基于速度检测装置的轿厢防偏载系统，包括：

多个称重传感器，分区域均布在轿厢的地板下，用来测量乘客在各区域内的重量分布；

密闭箱，设置在轿厢的底部或顶部，在密闭箱内盛放有磁流体；多组线圈，沿密闭箱的周向均布设置；

两对力矩传感器，均布于齿轮轴的周向，用于测量齿轮轴在X-Y截面上的受力；

控制系统，以称重传感器作为输入信息，以力矩传感器作为检测反馈信息，通过对部分线圈进行通电，使磁流体聚集在通电线圈的一侧，抵消因乘客的不均衡站位而造成的轿厢偏载。

实施上述技术方案后，产生的有益效果是：

1.通过磁流体的定向流动，抵消因乘客的不均衡站位而造成的轿厢偏载。相对于移动配重块的方式，磁流体的流动性好、响应快、能够迅速平衡偏载，不会延迟电梯的停站时间；

2.降低施加在齿轮轴上的偏载力矩，使齿轮与齿条以正常的状态进行啮合，防止齿轮、齿条因偏载而过早磨损；

3．消除偏载后，减少了导靴与导轨之间的接触和摩擦，延长导靴的使用寿命和更换周期。

进一步地改进技术方案，所述密闭箱为方形箱，设置在轿厢的底部。

进一步地改进技术方案，所述磁流体的体积为密闭箱容积的0.3-0.6倍。

进一步地改进技术方案，在轿厢上设置有轴承座，齿轮轴和两对力矩传感器安装在轴承座内。

一种应用于轿厢防偏载系统的防偏载控制方法，包括以下步骤：

S1：以轿厢地板的中心为原点，以平行于箱壁的方向为X轴、Y轴，建立X-Y坐标系，然后对各称重传感器的安装区域、以及各组线圈的安装位置进行坐标化；以齿轮轴轴心为原点，建立W-V坐标系，两对力矩传感器分别设在W轴和V轴上；使绕X轴旋转的偏载力矩与W轴上的一对力矩传感器相对应，使绕Y轴旋转的偏载力矩与V轴上的一对力矩传感器相对应；

S2：控制系统通过对各称重传感器称重数据的判别和计算，得到偏载重量、偏转力矩以及偏载区域的坐标，进而以原点为对称点，镜像地得到需要通电的线圈的数量和坐标，然后通电使磁流体聚集在通电线圈的一侧，抵消因乘客的不均衡站位而造成的轿厢偏载；与此同时，通过两对力矩传感器对齿轮轴所受偏载力矩的检测和反馈，控制系统调整通电线圈的数量和坐标，使齿轮轴所受到的偏载力矩在规定的范围内。

实施上述技术方案后，产生的有益效果是：可以精确地控制磁流体的流动方向和流动体积，对偏载重量和偏转力矩进行平衡，降低或抵消施加在齿轮轴上的弯矩，防止齿轮、齿条因偏载而过早磨损。

一种基于速度检测装置的自平衡系统，在齿轮轴上同轴安装有制动器，制动器用来产生制动力，以均衡轿厢与对重在重量上的不平衡性。

实施上述技术方案后，产生的有益效果是：随着乘客的进出，轿厢的总重量是变化的，但是对重的重量是固定的，这就造成了轿厢、对重在曳引轮两侧的不平衡性。这种不平衡需要额外消耗曳引机的扭矩，耗费电能。

本自平衡系统并不是以增加或减少轿厢、对重的配重来实现动态平衡，而是通过制动器产生的制动力来替代实物配重，以实现电梯的动态平衡。相比于实物配重方案，本自平衡系统具有结构简单、易于控制配重量等优点。

进一步地改进技术方案，所述制动器为磁流变制动器，其包括定子和转子；转子与齿轮轴同轴固连，定子与轿厢固连，在定子内设置有刹车线圈，在定子与转子之间充入有磁流变液。

实施上述技术方案后，产生的有益效果是：刹车线圈通电后建立磁场，位于定子与转子之间的磁流变液在磁场的作用下，其粘度迅速增大，增大了转子的阻力矩，起到刹车制动的效果。制动力矩的大小与磁场强度有关，通过对输入电流的控制，可以得到理想的制动力矩。

一种基于自平衡系统的电梯，在轿厢内设置有急停开关，急停开关与刹车线圈、备用电源连接，用于使磁流变制动器紧急刹车。

实施上述技术方案后，产生的有益效果是：尽管现有电梯设置了多道安全措施，但是还会发生意外。当电梯坠底或冲顶时，电梯内的乘客除了报警外，并不能使轿厢得到减速和停止。本电梯能够在其余安全措施全部失效的极端情况下，通过自救使轿厢得到刹车制动，保障乘客的安全。

附图说明

图1示出的是现有电梯速度检测装置的结构示意图。

图2示出的是本电梯速度检测装置的结构示意图。

图3示出的是本电梯速度检测装置在偏载状态下的结构示意图。

图4示出的是轿厢防偏载系统的结构示意图。

图5示出的是称重传感器在轿厢内的一种分布示意图。

图6示出的是称重传感器在轿厢内的另一种分布示意图。

图7示出的是力矩传感器在速度检测装置上的安装示意图。

图8示出的是防偏载系统在平衡轿厢时的结构示意图。

图9示出的是防偏载系统的一种平衡形式示意图。

图10示出的是防偏载系统的另一种平衡形式示意图。

图11示出的是防偏载系统的控制原理图。

图12示出的是自平衡系统的示意图。

图13示出的是磁流变制动器在速度检测装置上的安装示意图。

图中为：

100、速度检测装置；101、齿条；102、齿轮轴；103、编码器；104、轴承座；105、滚轮；200、轿厢；300、导轨；400、导靴；500、防偏载系统；501、称重传感器；502、密闭箱；503、磁流体；504、线圈；505、力矩传感器；600、磁流变制动器；601、定子；602、转子；603、刹车线圈；604、磁流变液；700、曳引轮；800、对重；900、乘客。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图2示出的是一种电梯速度检测装置，该速度检测装置100用于检测轿厢200的运动速度。

具体的，所述电梯为曳引电梯，包括导轨300和轿厢200。沿导轨300固定有齿条101，在轿厢200上设置有与齿条101啮合的齿轮轴102。齿轮轴102同轴连接有编码器103，编码器103用来测量齿轮轴102的转速。编码器103可以是绝对式编码器，也可以是增量式编码器。编码器103可以将齿轮轴102的旋转圈数和转角进行编码和数字化处理，进而通过转换得到轿厢200的运行速度。

不同于链传动和带传动，齿轮轴102与齿条101的配合是精密的刚性传动副，误差不会因长度的增加而累积，不但从根本上避免了滑动现象的发生，而且还提高了测速的精度和可靠性。

一种基于速度检测装置的轿厢防偏载系统，包括多个称重传感器501、密闭箱502、多组线圈504、两对力矩传感器505和控制系统，下面具体说明其结构及作用。

图4示出的是轿厢防偏载系统的结构示意图，图5示出的是称重传感器在轿厢内的一种分布示意图，图6示出的是称重传感器在轿厢内的另一种分布示意图。

由图4-6可以看出，多个称重传感器501分区域均布在轿厢200的地板下，用来测量乘客900在各区域内的重量分布。称重传感器501分布的区域越多，对偏载的测量也就越准确。

密闭箱502为方形箱，可以设置在轿厢200的顶部或底部。在密闭箱502内盛放有磁流体503，磁流体503的体积为密闭箱502容积的0.3-0.6倍。在本实施例中，密闭箱502设置在轿厢200的底部，磁流体503的体积为密闭箱502容积的一半。

磁流体503又称磁性液体、铁磁流体或磁液，是一种新型的功能材料，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。磁流体是由直径为纳米量级（10纳米以下）的磁性固体颗粒（Fe、Ni、Co）、基载液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。磁流体在静态时无磁性吸引力，在外加磁场时才表现出磁性。此外，有些磁流体还具备磁流变液的特性，在外部无磁场时，磁流变液呈现低粘度的牛顿流体特性；在外加磁场时，磁流变液呈现为高粘度、低流动性的宾汉流体。

磁流体广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封、减震、医疗器械、声音调节、光显示、磁流体选矿等领域。对于本轿厢防偏载系统来说，磁流体具有较大的密度、较好的流动性和磁吸性，通过对磁流体的定向流动控制，可实现对轿厢偏载的配重平衡。

由图4-6还可以看出，在密闭箱502箱壁的外部，沿密闭箱502的周向均匀分布有多组线圈504，每组线圈504都能够独立通电，并产生独立的磁场。

图7示出的是力矩传感器在齿轮轴上的安装示意图。在轿厢200上设置有轴承座104，齿轮轴102安装在轴承座104内。在轴承座104内的轴承外圈上，沿W轴、V轴分别设置有两对力矩传感器505，力矩传感器505用于测量齿轮轴102在W轴、V轴方向上所受的偏载力矩。

控制系统，以称重传感器501作为输入信息，以力矩传感器505作为检测反馈信息，通过对部分线圈504进行通电，使磁流体503聚集在通电线圈504的一侧，抵消因乘客900的不均衡站位而造成的轿厢200偏载。

图8示出的是防偏载系统在平衡轿厢时的结构示意图，图9示出的是防偏载系统的一种平衡形式示意图，图10示出的是防偏载系统的另一种平衡形式示意图，图11示出的是防偏载系统的控制原理图。

参照图4，轿发生未偏载时，磁流体503平摊在密闭箱502内。参照图8，轿发生偏载时，左侧的磁流体503向密闭箱502的右侧流动，造成轿厢200左右侧的重量一减一加。因此对于额定承载为400公斤的电梯，在密闭箱502盛放60-100公斤的磁流体503就可以满足配重的需要。

由图8-11可以看出，当轿发生偏载时，本轿厢200防偏载系统500能够通过多个称重传感器501对偏载重量、偏载力矩进行测量，进而通过对部分线圈504进行通电，磁流体503的定向流动，抵消因乘客900的不均衡站位而造成的轿厢200偏载。而且本轿厢200防偏载系统500还能够通过力矩传感器505的反馈，随时调节磁流体503的流向和体积，降低施加在齿轮轴102上的偏载力矩，使齿轮与齿条101以正常的状态进行啮合，防止齿轮、齿条101因偏载而过早磨损。

在强磁场下，磁流体503的流动性会减小、粘性会增强。实践证明，当电梯开始加速或减速时，线圈504仍能够通过磁场约束磁流体503的流动性，保持磁流体503的配重状态以及轿厢200的平衡性。相对于移动配重块的配重方式，磁流体503的流动性好、响应快、能够迅速平衡偏载，不会延迟电梯的停站时间。

一种应用于轿厢防偏载系统的防偏载控制方法，包括以下步骤：

S1：参照图5-6，以轿厢200地板的中心为原点，以平行于箱壁的方向为X轴、Y轴，建立X-Y坐标系，然后对各称重传感器501的安装区域、以及各组线圈504的安装位置进行坐标化。这样设置的目的是，有利于对各称重传感器501称重数据的判别和计算，得到偏载重量、偏转力矩以及偏载区域的坐标。还有利于对线圈504的通电控制。

参照图7，以齿轮轴102轴心为原点，建立W-V坐标系，两对力矩传感器505分别设在W轴和V轴上；使绕X轴旋转的偏载力矩与W轴上的一对力矩传感器505相对应，使绕Y轴旋转的偏载力矩与V轴上的一对力矩传感器505相对应。这样设置的目的是，将偏载力矩与力矩传感器505相对应，有针对性地对偏载力矩进行平衡。

S2：参照图9-11，控制系统通过对各称重传感器501称重数据的判别和计算，得到偏载重量、偏转力矩以及偏载区域的坐标，进而以原点为对称点，镜像地得到需要通电的线圈504的数量和坐标，然后通电使磁流体503聚集在通电线圈504的一侧，抵消因乘客900的不均衡站位而造成的轿厢200偏载；与此同时，通过两对力矩传感器505对齿轮轴102所受偏载力矩的检测和反馈，控制系统调整通电线圈504的数量和坐标，使齿轮轴102所受到的偏载力矩在规定的范围内。

由上述可知，本防偏载控制方法可以精确地控制磁流体503的流动方向和流动体积，对偏载重量和偏转力矩进行平衡，降低或抵消施加在齿轮轴102上的弯矩，防止齿轮、齿条101因偏载而过早磨损。

图12示出的是一种基于速度检测装置的自平衡系统。随着乘客900的进出，轿厢200的总重量是变化的，但是对重800的重量是固定的，这就造成了轿厢200、对重800在曳引轮700两侧的不平衡性。这种不平衡需要额外消耗曳引机的扭矩，耗费电能。目前的做法是，使对重800的重量等于轿厢200的自重加上额定承重的一半重量，即轿厢200在半额定承载量情况下才与对重800平衡。因此可以考虑在齿轮轴102上同轴安装制动器，制动器用来产生制动力，以均衡轿厢200与对重800在重量上的不平衡性。

图13示出的是磁流变制动器在速度检测装置上的安装示意图。在本实施例中，制动器为磁流变制动器600，其包括定子601和转子602。转子602与齿轮轴102同轴固连，定子601与轿厢200固连，在定子601内设置有刹车线圈603，在定子601与转子602之间充入有磁流变液604。

磁流变液604是磁流体503的一种特殊形式，在外部无磁场时，磁流变液604呈现低粘度的牛顿流体特性。在外加磁场时，磁流变液604呈现为高粘度、低流动性的宾汉流体。液体的粘度大小与磁通量存在对应关系，这种转换能耗低、易于控制、响应迅速（毫秒级）。

刹车线圈603在通电后能够建立磁场，位于定子601与转子602之间的磁流变液604在磁场的作用下，其粘度迅速增大，增大了转子602的阻力矩，起到刹车制动的效果。制动力矩的大小与磁场强度有关，通过对输入电流的控制，可以得到理想的制动力矩。

对于本自平衡系统来说，可以增加对重800的重量，使对重800的重量等于轿厢200的自重加上额载承重。当乘客900的重量小于额载承重，使磁流变制动器600产生适当的制动力来平衡对重800，这样能够使电梯实现动态自平衡。

由上述可知，本自平衡系统并不是以增加或减少轿厢200、对重800的配重来实现动态平衡，而是通过制动器产生的制动力来替代实物配重，以实现电梯的动态平衡。相比于实物配重方案，本自平衡系统具有结构简单、易于控制配重量的优点。

一种基于自平衡系统的电梯，在轿厢200内设置有急停开关，急停开关与刹车线圈603、备用电源连接，用于使磁流变制动器600紧急刹车。出现紧急情况时，电梯内的乘客900按下急停开关，通过备用电源使刹车线圈603通电，此时刹车线圈603产生磁场，使轿厢200得到紧急刹车。

尽管现有电梯设置了多道安全措施，但是还会发生意外。当电梯坠底或冲顶时，电梯内的乘客除了报警外，并不能采取有效措施使轿厢得到减速和停止。本电梯能够在其余安全措施全部失效的极端情况下，通过自救使轿厢得到刹车制动，保障乘客的安全。

未详述部分为现有技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种轿厢防偏载系统，其特征是：包括：

速度检测装置，包括导轨和轿厢，沿导轨固定有齿条，在轿厢上设置有与齿条啮合的齿轮轴；所述齿轮轴同轴连接有编码器，编码器用来测量齿轮轴的转速，进而得到轿厢的运行速度；

多个称重传感器，分区域均布在轿厢的地板下，用来测量乘客在各区域内的重量分布；

密闭箱，设置在轿厢的底部或顶部，在密闭箱内盛放有磁流体；

多组线圈，沿密闭箱的周向均布设置；

两对力矩传感器，均布于齿轮轴的周向，用于测量齿轮轴所受的偏载力矩；

控制系统，以称重传感器作为输入信息，以力矩传感器作为检测反馈信息，通过对部分线圈进行通电，使磁流体聚集在通电线圈的一侧，抵消因乘客的不均衡站位而造成的轿厢偏载。

2.如权利要求1所述的一种轿厢防偏载系统，其特征是：所述密闭箱为方形箱，设置在轿厢的底部。

3.如权利要求1所述的一种轿厢防偏载系统，其特征是：所述磁流体的体积为密闭箱容积的0.3-0.6倍。

4.如权利要求1所述的一种轿厢防偏载系统，其特征是：在轿厢上设置有轴承座，齿轮轴和两对力矩传感器安装在轴承座内。

5.应用于如权利要求1所述轿厢防偏载系统的一种防偏载控制方法，其特征是：包括以下步骤：

S1：以轿厢地板的中心为原点，以平行于箱壁的方向为X轴、Y轴，建立X-Y坐标系，然后对各称重传感器的安装区域、以及各组线圈的安装位置进行坐标化；以齿轮轴轴心为原点，建立W-V坐标系，两对力矩传感器分别设在W轴和V轴上；使绕X轴旋转的偏载力矩与W轴上的一对力矩传感器相对应，使绕Y轴旋转的偏载力矩与V轴上的一对力矩传感器相对应；

S2：控制系统通过对各称重传感器称重数据的判别和计算，得到偏载重量、偏转力矩以及偏载区域的坐标，进而以原点为对称点，镜像地得到需要通电的线圈的数量和坐标，然后通电使磁流体聚集在通电线圈的一侧，抵消因乘客的不均衡站位而造成的轿厢偏载；与此同时，通过两对力矩传感器对齿轮轴所受偏载力矩的检测和反馈，控制系统调整通电线圈的数量和坐标，使齿轮轴所受到的偏载力矩在规定的范围内。

6.基于如权利要求1所述轿厢防偏载系统的一种自平衡系统，其特征是：在齿轮轴上同轴安装有制动器，制动器用来产生制动力，以均衡轿厢与对重在重量上的不平衡性。

7.如权利要求6所述的一种自平衡系统，其特征是：所述制动器为磁流变制动器，其包括定子和转子；转子与齿轮轴同轴固连，定子与轿厢固连，在定子内设置有刹车线圈，在定子与转子之间充入有磁流变液。

8.基于如权利要求7所述自平衡系统的一种电梯，其特征是：在轿厢内设置有急停开关，急停开关与刹车线圈、备用电源连接，用于使磁流变制动器紧急刹车。

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