电梯用永磁电动机概况

电梯用永磁电动机概况1前言近年来，随着具有快速电流跟踪功能的变频装置、DSP信号处理器以及高性能钕铁硼永材料的出现，为永磁同步电动机及其控制技术的发展带来了新的生机。由于其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统，又容易用作低速直接驱动，可省去齿轮减速装置，使得永磁同步电动机无齿轮传动变频调速驱动方式，将成为电梯驱动技术的主要发展方向。2电梯的发展概况电机的由于使用场合的特殊性电梯驱动用电机应该具有振动小、噪声低、起动电流小、有足够的起动转矩和运行平稳等性能要求。永磁同步电机具有转矩纹波小转速平稳动态响应快速准确过载能力强等优点不仅能满足以上要求而且可以显著提高功率因数降低损耗提高效率长期运行可以起到降本增效的作用。同时正弦波永磁同步电动机可根据多种矢量控制方法来构成变频调速系统实现高性能、高精度的传动在动态响应要求高的场合其应用前景尤其看好。2.1电梯电机和控制技术[2][3][4][5][6]电梯的发展历史，其实就是电梯电机和控制技术的发展史。[2][3][4][5][6]电梯电机，按电机的类型分，可以分为直流电机和交流电机两大类。按照电机所驱动的曳引机有无齿轮箱可以分为有齿轮驱动和无齿轮驱动两种，按控制方式的不同可以分为双速电机，调压调速电机和变频调速电机等。电梯电机的分类见图1:图电梯电机的分类下面将这几种电机的调速系统做一比较。2.1.1和交流调速系统相比，直流调速系统控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调速传动巾占统治地位，但是随着交流调速理论和技术的发展，越来越多的场合被交流电机替代。这主要是由于直流电机调速系统的以下缺点：1)直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大，经常因火花大而影响生产。2)机械换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度，接触式的电流传输又限制了直流电动机的应用场合。3)电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高。为改善换向能力，减小电枢漏感，转子变得粗短，转动惯量增加，影响系统的动态性能。2.1.2异步电动机调速系统的特点:一般电梯用的异步电动机都是使用笼型转子，结构简单，牢固耐用。用于电梯的异步电动机控制从刚开始的调压调速、到使用调压调频的标量控制，再演变成磁链定向的矢量控制。不但电机系统的控制精度提高，运行效率也提高了。但是异步电动机调速系统存在以下几个缺点:1)异步电动机需要从定子一侧励磁，因此，电动机功率因数低，造成变频装置输入的功率也低。和同容量的同步电动机相比，所用变频装置容量大。2)在高性能的矢量控制异步电动机的调速系统中，转子参数受温度影响将发生变化，产生控制误差，影响其控制精度。3)异步电动机为提高其功率因数及效率，需尽量减小定转子间的气隙，这使得制造困难。2.1.3永磁同步电动机调速系统的特点:[12][13][14][15][16]永磁同步电机可分为两类，一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机另一类水磁同步电动机两种波形都是正弦波，就是通常说的永磁同步电动机。其中，他们的变频调速系统是使用转子位置检测装置构成闭环控制，由转子的位置决定变频器相应功率管的通断，使得变频器的输出频率和电动机的转速始终保持同步，即所谓的自控式调速系统。每当电动机转子转过一对磁极，变频器的输出电流正好变化一个周期，电流和转子始终保持同步，不会出现失步现象。变频器是通过调节电动机的输入电压来进行调速的由于前者的控制特性类似于直流电动机，又用电子换向代替了后者的机械换向，取消了电刷，故此得名无刷直流电动机，一般来说，用于电梯的无刷直流和永磁同步电机控制器都安装有转子位置检测装置，但也有无刷直流电机采反用电动势来检测位置，即所谓应用无位置感技术。无刷直流电动机有效率高、功率因数高，过载能力大，体积小，易维护等优点。随着新型永磁材料的出现，使得同步电动机具有很高的动、静态品质。这种系统控制方法非常简单。缺点是:制造工艺比异步电机略为复杂，最致命的劣势是低速时脉动明显。这样会造成电梯低速的舒适感要差。2.1.4永磁同步电动机的特点是:I)转矩纹波小，转速平稳，动态响应快速准确，过载能力强。同步电动机比异步电动机对转矩的扰动具有更强的承受能力，能做出比较快的反应。当异步电动机的负载转矩发生变化时，要求电机的转差率也跟着变化，即电机的转速发生相应的变化，但是系统转动部分的惯性阻碍电机响应的快速性。同步电动机的负载转矩变化时，只要电机的功角做适当变化，而转速始终维持在原来的同步速不变，转动部分的惯性不会影响电机对转矩的快速响应。永磁同步电动机的最大转矩可以达到额定转矩的3倍以上，对电机系统在负载转矩变化较大的工况下稳定运行非常有利2)高功率因数、高效率。水磁同步电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减少定子电流和定子铜耗，而且在稳定运行时没有转子铜耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇容量甚至去掉风扇，从而减小甚至省去了相应的风摩损耗。这样，它的效率比同规格的异步电动机可以提高2--8个百分点。与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，提高了效率。而且，水磁同步电动机在25%一120%额定负范围内均可以保持较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效果更为显著，在长期的使用中可以大幅度地节省电能.3)体积小、重量轻。近些年来随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电动机的功率密度得到很大提高，比起同容量的异步电动机来，体积和重量都有较大的减少，从而使其在许多特殊场合得到应用。4)结构多样化，应用范围广水碰同步电动机由于转子结构极其多样，产生了特点和性能各异的许许多多的品种，从工一业到农业，从民用到国防，从日常生活到航空航天，从简单电动工具到高科技产品，几乎无所不包。5)可靠性高。与直流电动机和电励磁同步电动机相比，它没有电刷，简化了结构，增加了可靠性。正弦波水磁同步电动机由于其空载气隙磁通密度空间分布接近正弦形，减少了气隙磁场的谐波分量，从而减少了由谐波磁场引起的各种损耗和谐波转矩以及由谐波转矩引起的电磁振动，提高了电机的效率，并且使得电机在运行时转动更加平稳，噪声也得到了降低。同时，正弦波永磁同步电动机可根据多种矢量控制方法来构成变频调速系统，实现高性能、高精度的传动，在动态响应要求高的场合其应用前景尤其看好。2.2无齿轮曳引的水磁同步电梯用调速系统的介绍[17][18][19][20][21]传统的电梯驱动使用的多是有齿轮传动系统，使用的电动机主要是异步电动机。有齿轮传动系统的主要问题是由于采用蜗轮蜗杆或行星齿轮等机械减速机构，不仅造成了系统结构复杂、维护工作难度增大、噪声较大的缺点，而且由于齿轮传动的效率很低，如蜗轮蜗杆的传动效率仅为70%左右，使整个系统能耗较大，运行成本增加。同时，这种传动方式由于齿轮箱和曳引机的体积较大，需要大的上置式机房，不仅挤占了建筑物的有效面积从而增加了建筑成本，而且影响了建筑物的立面整体美感为解决上述问题，从90年代起，电梯行业内的有关企业就开始了对新型曳引机的探索。1996年3月，芬兰的通力(KONE)公司推出了震撼业界的3000MoooSpace无机房电梯，其核心是EcoDisc碟式永磁同步曳引机，从而开创了电梯无齿轮传动的新时代。水磁同步无齿轮曳引机采用扁平、盘式外形，有轴向磁场、径向磁场内转子、径向磁场外转子三种结构，电动机的径向尺寸大，多对极，是一种低速、高转矩的永磁同步电动机。这种电动机轴向尺寸短，重量轻，体积小，结构紧凑，定子绕组具有良好的散热条件，可获得很高的功率密度。同时，该电动机的转子转动惯量小，机电时间常数小，峰值转矩和堵转转矩高，转矩质量比大，低速运行平稳，具有优良的动态性能。水磁同步无齿轮曳引电梯的主要特点是:①机械结构简化，实现了无机房传动。该电梯系统由电动机直接带动曳引轮曳引电梯运行，不需要机械减速机构，使得无齿轮曳引机的机械结构变得非常简单，大大减轻了繁重的日常维护工作，使系统的可靠性也大为提高，曳引机安装在与曳引绳相同的平面内，变频器则可以置于顶层的电梯门内，彻底省去了机房、降低了建筑成本。②节约能源，一方面，由于没有了减速机构，从而没有了相应的机械损耗，较大地提高了系统的机械传动效率。另一方面，由于使用了高效的永磁同步电动机，减少了电机损耗，也提高了系统的总体效率。③噪声降低，系统稳定性增强。有齿轮曳引电梯的噪声主要来自齿轮箱产生的机械振动和高速旋转的电动机本身的振动。无齿轮曳引机没有齿轮箱产生的噪声和机械振动，也消除了它对电梯整体稳定性所造成的负面影响。同时，电动机以很低的转速（90~180r/min）旋转，其本身的噪声和振动都比较小，所以整个电梯系统的噪声得到了较大的降低。④高性能价格比。虽然永磁同步电动机的成本比异步电动机高，但是取消了减速机构，简化了结构，从而降低了机械制造成本。同时由于系统传动效率的提高，驱动电动机的变频器的容量就大为减小。这样，在获得较高性能的同时，系统的制造成本并没有明显增加。通过以上的比较和分析，可以得到如下结论：永磁同步无齿轮曳引技术是当今电梯传动中的先进技术，代表了今后电梯技术发展的一个方向。3永磁同步电机的概况3.1永磁同步电机的发展概况利用永久磁铁制造电机，已有很久的历史，世界上第一台电动机就是永磁电机，但是早期的永磁材料磁性能很低，永磁电机非常笨重，因而很快被电流励磁的电机所取代。到了20世纪30年代以后，具有较高剩磁密度的铝镍钴永磁材料和具有较高矫顽力的铁氧体永磁材料先后出现，永磁电机又开始发展。但是这两种永磁材料都有弱点，性能不够理想，主要用于微特机领域。20世纪60年代后期出现的稀土永磁以及其他各种永磁材料性能的不断改善，推动了永磁电机的迅速发展。先后三代稀土永磁材料，使稀土永磁材料的性能得到了很大的提高。特别需要指出的是我国是稀土大国，储量为世界第一，我国在这方面的研究也取得了很大的进展[7]3.2永磁同步电动机的基本结构和种类[8][23][24]永磁同步电动机是由绕线式同步电动机发展而来的，其结构与绕线式同步电动机基本相同。定子由三相绕组以及铁心构成，并且电枢绕组常以Y型连接;在转子结构上，永磁同步电动机用永磁体取代电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。与普通电机相比，永磁同步电机还必须装有转子永磁体位置检测器，用来检测磁极位置，并以此对电枢电流进行控制达到对PMSM伺服控制的目的。与其他电动机相比，交流永磁同步电动机的结构比较简单，它的特点是：功率因数和效率比较高；有效材料利用率高；其输出功率大；体积小；运行可靠。由于永磁同步电动机在某些技术性能上要优于无刷直流电动机和感应伺服电动机，因此永磁同步电动机在高性能伺服驱动系统中（特别是各种中小功率调速系统）得到了广泛的应用，诸如在数控机床、工业机器人、大规模集成电路制造、办公自动化设备、柔性制造系统、石油化工设备、载人宇宙飞船、电动工具以及家用电器等领域。永磁同步电机的结构如图2所示。1一检测器(旋转变压器)2一永磁体3一电枢铁心4一电枢三相绕组5-输出轴图2永磁同步电机结构图根据永磁体在转子上安装位置的不同，PMSM转子可以分为三类:凸装式、嵌入式和内埋式，如图3所示。凸装式和嵌入式结构可以减小转子直径，从而降低转动惯量，如果将永磁体直接粘在转轴上还可以获得低电感，这有利于电机动态性能的改善。内埋式转子是将永磁体装在转子铁心内部，其磁路气隙比较小，适用于弱磁控制，为了便于控制，PMSM的定子绕组一般都采用短距分布绕组，气隙磁场设计为正弦波，以产生正弦波反电势。设g为转子永磁体表面到定子表面的距离，m为永磁体厚度，mg为等效气隙长度，永磁材料的磁导率与空气几乎相等，凸装式转子结构可以认为是均匀的，这样可以得到:4永磁同步电机数学模型及其运动规律[9]对于同步电机来讲，矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施是落到对定子电流(交流量)的控制上。由十在定子侧的各物理量都是交流量，其空间矢量以同步转速在空间旋转，对其调节、控制和计算均不方便。因此，需借助坐标变换的方法，使各物量从静止坐标系转换到同步旋转