浅析电梯永磁同步电机

浅析电梯永磁同步电机

浅析电梯永磁同步电机

摘要：本文重点介绍稀土永磁同步电机在电梯应用的现状和发展，通过对永磁同步电机结构特点、控制方式、驱动系统和安全性可靠性的分析，说明永磁同步电机在技术应用方面具有明显的技术优势，指出其在电梯的设计和应用具有重大的现实意义。

1、引言

随着稀土永磁同步电机的开发与应用，以及和变频控制实现了机电一体化，永磁同步电动机已被广泛应用于机械、石油、冶金、建材、食品、印刷、包装、造纸、造船、塑料、纺织化纤、军工等行业。其种类很多，用量非常大。永磁同步电动机以其体积小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置，可通过频率的变化进行调速等优点，在电梯技术上也得以开发应用。其运行低噪声、电梯平层精度和乘客舒适感都优于以前的驱动系统。特别是KONE电梯公司研发的无机房电梯，率先应用了永磁同步电机，使得永磁同步电机无齿轮曳引技术崭露头角，显示了巨大的优越性，得到业内人士的普遍看好，永磁同步电机在电梯设计上的研发具有很大的实用价值。

2、永磁同步电机的结构特点

永磁同步电动机的定子部分与一般的异步电机无多大不同，其转子结构与异步电机的转子区别是多了一套永磁体。其结构随永磁材料性能不同和应用领域的差异而不同，根据剩磁密度Br和矫顽力Hc等技术参数的不同，而磁极结构不同。电梯技术上开发应用的稀土永磁同步电机常做成瓦片式，贴在转子的表面，或嵌在转子铁心中，分内转子型和外转子型两种。

永磁材料的应用是永磁同步电机的关键技术。永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴 5（SmCo5），第二代钐钴2：17（Sm2Co17）和第三代钕铁硼（Nd-Fe-B）。铝镍钴是20世纪三十年代研制成功的永磁材料，

具有较高剩磁密度Br，剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但矫顽力Hc很低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是20世纪50年代初开发的永磁材料，价格低廉，具有较高矫顽力Hc，但剩余磁通密度较低，剩磁感应强度和磁能积BH都较低，性能不够理想。稀土永磁材料在六十年代后期问世，它兼有铝镍钴和铁氧体两种永磁材料的优点，Br 和Hc都很高，具有很高的最大磁能积（BH）max.如SmCo5的（BH）max，240kj/m3，Sm2Co17（BH）max，3300kj/m，.而且退磁曲线基本上是一条直线，回复线与退磁曲线基本重合，不怕丢磁，性能稳定，且热稳定性较好，剩磁温度系数小。但钐钴族稀土材料的钴价格较高，影响其在永磁同步电机的应用。80 年代初开发的钕铁硼（Nd-Fe-B）稀土永磁材料，性能十分优越，（BH）max，3800kj/m3，到90年代，其（BH）max，500kj/m .Nd-Fe-B稀土材料不含价格昂贵的钴，其可加工性能也比较好，价格相对便宜。我国又是稀土大国，储量世界第一。开发应用前景广泛，适合在永磁同步电机中应用。目前，广泛应用在电梯技术领域的永磁同步曳引电机就是钕铁硼（Nd-Fe-B）稀土永磁同步电机。

3、电梯永磁同步曳引电机的控制方式

永磁同步电机同步就是指电流频率和转速是同步的，通过控制电流频率来实现控制转速。电梯通常采取矢量控制，矢量控制变频调速具有同步调速范围宽、转矩和转速平稳等优点，是高效节能的电梯拖动调速系统。在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特性。因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置（频率和相位）的控制。为了检测永磁同步电机磁极位置，在电机位置传感器安装之后要对其进行初始定位。根据电机反电动势信号与电机位置角的关系，利用电机反电动势过零信号来定位磁旋转编码器。电梯矢量控制采用的是SVPWM调制，通过三相交流逆变桥的6个开关的不同导通模式产生不同的电压基本矢量，通过矢量合成，来合成任意矢量（在实际允许

范围内），通过导通时间的不同大小，来确定矢量的大小。

4、电梯永磁同步曳引电机的驱动系统

采用永磁同步电机的电梯曳引系统，通常为无齿轮曳引方式。突显了永磁同步电机易于做成低转速、大功率的优点。其结构紧凑，功能齐全，集曳引电机、曳引轮、电磁制动器、光电编码器于一身，易于安装，便于使用。特别是在无机房电梯的开发应用中，将永磁同步曳引电机安装在电梯的井道里，既节约了机房的建造成本，又美化了建筑物外观。当电梯负载变化时，永磁同步电机通过调节夹角来适应，其响应速度很快。为了使电梯有良好的起、制动舒适性和平层准确度，在系统中加入了准确的转子位置装置和电压电流检测装置，随时确定电机磁场的大小、方向。位置检测装置采用转子位置传感器（光电编码器器或旋转变压器等）。轿厢负载检测装置可采用位置型、压力型等多种形式，对电梯负载进行预先测量并计算，给出恰当方向和大小的力矩，可输出开关量、模拟量（电压）和频率量（高频抗干扰性强，能远距离传送）等。

将反馈的信号与给定信号相比较、运算、按预定的控制方式加以控制，可以得到优于其它驱动系统的性能。

5、永磁同步电机在电梯开发应用的安全性和可靠性

永磁同步电机在电梯的设计、生产中，得以开发利用，较高地提高了电梯曳引系统安全性和可靠性。当曳引机制动失灵或其它故障引起电梯向上行方向溜车，乃至飞车时，它具有安全保护作用，满足我国技术标准GB7588-2003（电梯制造与安装安全规范》9.10轿厢上行超速保护装置的要求。使用永磁同步曳引电机的电梯，当出现超速（不论上行、下行）故障时，控制系统检测到超速信号，立即切断控制器供电回路，并将电动机电枢绕组短接（或串联可调电阻器后短接）。这时，静止的绕组切割旋转的永磁体产生的磁场而感应出电动势，在闭合的电枢绕组回路中引起电流，该电流在磁场作用下引起力矩，企图带动电枢绕组随磁极一起旋转；同时，该转矩受反力矩则作用在转子磁极上，力图使转子随定子电枢绕组一起停止下来，是一个制动转矩。该过程类似于直流电机的能耗制动，从而实现了防坠落防飞车（制动转矩可通过电阻器调节使溜车速度可控）。永磁体和闭合的电枢绕