磁悬浮电梯设计

垂直电梯机械系统设计
班级:2012级机自07班
**:***
学号:********
1.1摘要
解释电梯机械系统基本结构和工作原理，进而对传动方案选择，确定减速器和牵引方式，根据设计要求计算驱动功率，选择驱动电机，确定减速器参数，对传动系统中各个部件进行受力分析，最后选择制动方式和制动力。

关键词:电梯、结构原理、功率、参数
1.1Abstract
Explain the basic constitution and operating principle of mechanical system which is in elevator. Then choose the rational transmission scheme to determine which are the most reasonable reducer and model of traction. Calculate the power of driving, select drive motor and determine the parameter of reducer in accordance with the design requirement. And then make force analysis of every part in the transmission system. Choose the rational brake method and braking force in the end.
Key words: elevator; principle and constitution; power; parameter
2.电梯机械系统基本结构与工作原理
2.1电梯机械系统基本结构：
电梯可分成电气系统与机械系统两大部分，电气系统主要是控制电梯的运行过程，相当于人的神经，而机械系统则是作用于电梯的传动、减速器、制动等，相当于人的躯体。

结构如图2-1。

机械系统可分为：曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、安全保护系统等。

2.1.1曳引系统结构及功能
功能：输出与传递动力，使电梯运行
组成：主要由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮、反绳轮等组成
曳引机：电动机、制动器、减速箱等组成，为电梯的运行提供动力，如无齿轮，则没有减速箱。

曳引钢丝绳：连接轿厢和对重，靠与曳引轮间的摩擦力来传递动力，驱动轿厢升降。

导向轮：安装在曳引机机架上或承重梁上，将曳引绳引向对重或轿厢的钢丝绳轮。

反绳轮：设置在轿厢顶和对重架顶部的动滑轮及设置在机房的定滑轮，根据需要曳引绳绕过反绳轮可构成不同的曳引比
2.1.2导向系统结构及功能
功能：限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨上下作升降运动。

组成：由导轨、导靴、导轨支架组成
导轨：在井道中确定轿厢与对重的相互位置，并对它们的运动起导向作用的组件，一般由钢轨与连接板构成。

导靴：安装在轿厢和对重架上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的部件。

导轨架：是支承导轨的组件，固定在井道壁上。

2.1.3轿厢
功能：用以运送乘客或货物的电梯组件，是电梯的工作部件。

组成：由轿厢架与轿厢体（轿壁、轿顶、轿底及操纵箱等）构成，对于客梯，轿底一般安装有负载称重装置。

轿厢架：固定轿厢体的承重构架，由上梁、立柱、底梁等组成
轿厢体：电梯的工作容体，具有与载重量和服务对象相适应的空间，由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶等组成。

2.1.4门系统
功能：封住层站入口和轿厢入口
组成：由轿厢门、层门、开门机、门锁装置等组成。

轿厢门：设在轿厢入口的门，由轿门板、门导轨、轿厢地坎等组成。

层门：又称厅门，设置在每个层站入口的门，由门、门导轨、层门地坎、层门联动机构及自复门机构等组成。

开门机：使轿厢门及层门开启或关闭的装置。

门锁装置：设置在层门内侧，门关闭后将层门锁紧，同时接通安全回路，使电梯方能运行的机电连锁安全装置。

2.1.5重量平衡系统
功能：相对平衡轿厢重量，使轿厢与对重间的重量差保持在某一个限额之内，减少电梯曳引电动机功率的损耗，减少钢丝绳与曳引轮之间的曳引力（摩擦力），从而延长钢丝绳的使用寿命，保证电梯的曳引传动正常。

组成：对重和对重块及重量补偿装置。

对重：由对重架和对重块组成，其重量与轿厢满载时的重量成一定比例，与轿厢间的重量差具有一个恒定的最大值，又称平衡重。

对重重量=轿厢重量+K*额定载重量（K=0.4-0.5）
重量平衡装置：补偿轿厢与对重侧曳引绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置，一般有平衡链和平衡钢丝绳。

2.1.6电力拖动系统
功能：提供动力，实行电梯速度控制。

组成：供电系统、曳引电动机、速度反馈装置、调速装置等
曳引电动机：电梯的动力源，交流电梯使用交流电动机，直流电梯使用直流电动机或晶闸管。

供电系统：为电梯的电机提供电源的装置。

速度反馈装置：为调速装置提供电梯实际速度信号的反馈装置，如测速发电机、速度编码器等，一般安装在曳引电动机尾部。

调速装置：对曳引电动机实行速度调节和控制的装置。

2.1.7安全保护系统
功能：保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生
组成：主要由限速器、安全钳、缓冲器、端站保护装置等
限速器：能反映电梯实际运行速度，当电梯速度超过允许值时，能发出电信号及产生机械动作，切断安全回路或迫使安全钳动作，安装在机房中。

安全钳：能与限速器产生连动，以机械动作将轿厢强行制停在导轨上，安装在轿厢或对重的两侧。

缓冲器：当轿厢或对重撞击底坑时吸收能量，保证轿厢安全制停，有弹簧式及油压式之分。

端站保护装置：一组防止电梯超越上、下端站的开关或强迫换速装置，能在轿厢或对重碰到缓冲器前，切断控制回路或总电源，使电梯安全制停。

2.2电梯工作原理
曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输的目的。

固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。

常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。

轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。

补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。

电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。

指示呼叫系统随时显示轿厢。

3电梯传动系统比较与选择（包括提升方式与减速器）
3.1确定电梯参数
本次选用的电梯型号为APG1000VF250C10/TX-2KS,即额定速度v=2.5m/s，额定载荷G=1000kg，开门宽度L=1000mm，维修时速度不能超过0.63m/s,三个平动方向上的自由度的振动加速度均不能超过0.25m/s²。

3.2提升方式选择
常用的电梯提升方式如下：
1、钢丝绳驱动式电梯
它可分成两种不同的型式，一种是被广泛采用的摩擦曳引式。

另一种是卷筒强制式。

前一种安全性和可靠性都较好，后一种的缺点较
多，已很少采用。

2、齿轮齿条驱动式电梯
它通过两对齿轮齿条的啮合来运行；运行振动、噪声较大。

这种型式一般不需设置机房，由轿厢自备动力机构，控制简单，适用于流动性较大的建筑工地。

目前已划入建筑升降机类。

3、链条链轮驱动式电梯
这是一种强制驱动型式，因链条自重较大，所以提升高度不能过高，运行速度也因链条链轮传动性能局限而较低。

但它在用于企业升降物料的作业中，有着传动可靠，维护方便，坚固耐用的优点。

4、液压驱动式电梯
这种驱动式电梯历史较长，它可分为柱塞直顶式和柱塞侧置式。

优点是机房设置部位较为灵活，运行平稳，采用直顶式时不用轿厢安全钳及底坑地面的强度可大大减小，顶层高度限制较宽。

但其工作高度受柱塞长度限制，运行高度较低。

在采用液压油作为工作介质时，还须充分考虑防火安全的要求。

5、磁悬浮电梯即直线电动机驱动的电梯
其驱动形式主要分为4 种，即筒形直线感应电动机驱动、扁平形直线感应电动机驱动、永磁直线同步电动机驱动和超导直线同步电动机驱动。

磁悬浮电梯相对于传统电梯最大的优势是无摩擦、低噪声小、轻振动、高舒适性，对其安全性和能否准确控制其曳引电机是磁悬浮电梯实际应用的核心所在。

由于我们选用的电梯为载客垂直电梯，楼层较高，速度较快，对
于负载能力要求不大，综合考虑，选用方案5。

3．3磁悬浮电梯原理及结构
磁悬浮电梯研究主要集中于筒形直线感应电动机驱动和永磁直线同步电机机驱动，根据初级绕组设置位置不同，可分为“井道初级式”和“轿厢初级式”两种，在此，曳引机可以采用直线电动机来作为动力源和“井道初级式”结构，即在井道上设置初级绕组，在轿厢上设置次级绕组，普通直线电动机一般设计为短初级、长次级结构，本文为双边形长初级短次级直线感应电动机，其结构如图所示。

图3-1
本系统主要包括轿厢、对重装置、导向系统、直线感应电动机初级绕组、直线感应电动机次级绕组、真空开关和VVVF 控制器。

为了充分保障电梯使用者的安全，防止故障断电后电梯出现突然降落或
“蹲底”事故，同时实现节能的目的，电梯配置配重，即通过曳引钢丝绳使对重装置和轿厢分别处于曳引轮的两侧。

为了降低系统成本，其中对重装置采用和常规电梯一样的滚动导靴、T 形导轨和导轨架组成的导向系统。

电梯轿厢侧使用直线感应电动机，具体包括直线感应电机初级绕组、直线感应电机次级绕组、切换开关和VVVF 控制器等，其中直线感应电动机初级绕组安装于电梯井道，直线感应电机次级绕组安装在电梯轿厢上。

为使轿厢悬浮，电梯需设置辅助导靴，辅助导靴与轿厢的间隙一般设置为初级绕组与次级绕组气隙值的一半。

辅助导靴的另一作用是当曳引机出现故障时，可以手动盘曳引轮，以使轿厢处于合适位置，便于检修。

当系统正常工作时，首先给直线感应电动机两个次级绕组通入大小相同的偏置电流，由位置传感器检测初级绕组和次级绕组间的气隙值，当两边的气隙不一样大时，调整偏置电流大小，直至初级绕组和次级绕组间的气隙达到设定值，即电梯轿厢实现悬浮。

然后给直线感应电动机初级绕组通入三相对称正弦电流，在直线感应电动机初级绕组和直线感应电动机次级绕组的气隙中产
生行波磁场，该行波磁场按照同步速度vs平移，直线感应电动机次级绕组在行波磁场切割下，产生感应电动势并产生电流，从而产生使电梯上升或下降的驱动力和制动力。

【1】
电梯的等效电路图可以如下表示
α为两个电感的比值L ₁/L ₂,通过调节滑动电阻可以对直线电动机进行调节。

由电工学知识可知：
初级输入功率ϕ
ηcos 111E
S k FV I E m p =
= 接下来对磁悬浮系统进行稳定性判断：
如图为等效图：C 0为定子与转子的距离。

由此可得等效电感()a
C L L C L 00
101+
+
=，其中001,,C L L 为常数。

有麦克斯韦方程：
()()⎪⎪⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛++
==a C L L I C L I C I W 001202012121, 2
002
00
120121121⎪
⎭⎫
⎝
⎛+-=∂⎪⎪⎪⎪⎭⎫
⎝⎛++∂=∂∂=∴a C a L I C a C
L L I C W f 磁
由受力平衡，可得：
2002
121mg ⎪
⎭⎫
⎝
⎛+=
⇒-=a C a L I f mg 磁
()
()()()()()()()()()()()0
021
221
1220
1221121111,mg 1112,,,,Taylor 121
2100
10
20
20
20
222
2202
030202
22
203
02
202
02
030220202002
002
0C a I g I S S C a I g
I S C a I S g I S I S C S G S C a C
a g S I I g S C S laplace C a C
a g I I g dt C d dt C d m I I
a C a a C mga C a C a a C mg dt C
d m
I I
a C a I L C a C a I L C I f F I a C a I L C a C a I L a C a I L I I
C I f C C C I f C I f C I f a C a L I f L mg C a I +-
-+-
+--=
∆∆=
∴=∆⎪⎭
⎫ ⎝
⎛+-∆+
∆⇒=∆⎪⎭⎫ ⎝
⎛+-∆+∆⇓
∆=∆⎪⎭⎫
⎝⎛+⎪
⎭⎫ ⎝⎛+-∆⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+∴∆=∆⎪⎭⎫
⎝
⎛+-
∆⎪
⎭⎫ ⎝
⎛+=
∆∆+=∆⎪
⎭⎫ ⎝
⎛+-∆⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=+∆∂∂+∆∂∂+=∆∆∴⎪
⎭⎫
⎝
⎛+-=+=∴εε
δ由劳斯矩阵：变换由代入方程：由牛顿第二定律：得：
由磁
可得0
21
0C a I
g
I
+-
-ε<0 所以该系统不稳定。

如图为电梯轿厢的受力分析：
∑=⊥
⊥
⊥⊥⊥=+++=1
4321i i F F F F F mg 最终可得：
()()
⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡+⎪
⎭⎫ ⎝⎛+++⎪⎭⎫ ⎝⎛+=23212
112
32121101cos 1cos R R R R L L L L i i a x i i a x a L mg αα
由式子可知，通过改变电流强度可改变轿厢提升的加速度
3.4对直线电机的控制
为防止人体不适，最大加速度变化率3/3.1s m j = 在此可设j=1.0
因此加速度a=jt,其中t 在0~0.5s 。

由此可得2215.02
1t jt jtdt adt v ====⎰⎰其中()5.0,0∈t 而23)2(5.06.1--=t v 其中()2,5.1∈t 得()125.05.035.12+-=t v 其中t )5.1,5.0(∈t v,a,j 图形如下：
若控制电磁频率，使对应曳引力F 与a 成正相关，即可是速度
线图如上，让人在乘坐电梯时能够有舒适的感觉。

要想使电梯具有较高舒适性，必须实现对电梯运行速度的准确控制，即尽量使速度曲线如图3 所示的曲线。

电梯速度即次级移动速
度:v = ( 1 － s) vs ，vs = 2f τ ( 6)式中: f 为输入频率，τ 为绕组极距。

均匀且连续地改变初级绕组的供电频率，可平滑地改变直线感应电动机的同步速度。

根据电梯的曳引力在稳定运行过程中大小基本保持不变的要求，在变频调速时需
进给系统的均方根有效推力f 可用下式计算：
有效F =
∑∑i
i i t
t L F ；
Fi 为在一个时间间隔内系统要求的推力
ti 为时间间隔，若时间间隔划分越细，则传动更精确。

3.5电梯轿厢模态分析
接下来对电梯轿厢进行模态分析，测试电机振动是否会引起轿厢的共振。

通过查询国家标准GB6067-85起重机械安全规程 GB7588-2003电梯制造与安装安全规范 GB10060-1993电梯安装验收规范 GB 16899-1997自动扶梯和自动人行道的制造与安装 安全规范 GBT-10058-1997电梯技术条件GBT-10059-1997电梯试验方法 GB-T 7024-1997电梯、自动扶梯、自动人行道术语 JG 5009—92电梯操作装置、信号及附件 电梯曳引机GB ／T 13435—92 GB ／T 7025．1—1997电梯主参数及轿厢、井道、机房的型式与尺寸 GB 12974—91交流电梯电动机通用技术条件 液压电梯JG 5071—1996 杂物电梯JG 135—2000
对于额定载荷1000kg 的载人电梯，选用宽深高为1400x1600x2300的电梯轿厢，为了保证使用安全，轿壁必须有足够
的强度，我国电梯制造与安装安全规定，轿厢内任何部位垂直向外，在5cm2圆形或方形面积上，施加均匀分布为300N的力，使弹性变形不大于15mm，且无永久变形。

一般企业上取厚度1.2到1.5的钢材做轿厢。

1首先用UGS进行建模，如图：
2导入igs格式，用ANSA进行网格划分：
效果如图：
3.导出
cdb格式，用ANSYS进行模态分析：
以上只有部分阶的振动图（总共20阶，一一画图太费篇幅）
4 得出电梯轿厢的共振频率：
由此可知，一阶频率为630.21
H,由于本文所讲为直线电机电梯，而对于普通的曳引式Z
电梯，则应当考虑此问题。