磁懸浮電梯設計與控制

高素美，鞠全勇，牟福元

(金陵科技學院，南京211169)

0 引 言

磁懸浮電梯以其傳動結構簡單、效率高、精度高等優點成為研究熱點并將成為電梯市場主流，也逐漸在超高層建筑中得到應用。國外，日本、德國等國家投入巨資進行磁懸浮電梯的研究;國內，浙江大學、西安交通大學、中國科學院電工研究所等高校和科研院所也進行了此類電梯的研究與試制。磁懸浮電梯即直線電動機驅動的電梯，其驅動形式主要分為4 種，即筒形直線感應電動機驅動、扁平形直線感應電動機驅動、永磁直線同步電動機驅動和超導直線同步電動機驅動［1］。磁懸浮電梯相對于傳統電梯最大的優勢是無摩擦、低噪聲小、輕振動、高舒適性，對其安全性和能否準確控制其曳引電機是磁懸浮電梯實際應用的核心所在。本文在前期研究的基礎上，設計了一種新型磁懸浮電梯結構，并對其控制系統進行了研究。

1 磁懸浮電梯結構

磁懸浮電梯研究主要集中于筒形直線感應電動機驅動和永磁直線同步電機機驅動，根據初級繞組設置位置不同，可分為“井道初級式”和“轎廂初級式”兩種。本文設計了一種新型磁懸浮電梯，其曳引機采用扁平形直線感應電動機，采用"“井道初級式”結構，即在井道上設置初級繞組，在轎廂上設置次級繞組，普通直線電動機一般設計為短初級、長次級結構［2-7］，本文為雙邊形長初級短次級直線感應電動機，其結構如圖1 所示。

圖1 直線感應電動機驅動電梯示意圖

本系統主要包括轎廂、對重裝置、導向系統、直線感應電動機初級繞組、直線感應電動機次級繞組、真空開關和VVVF 控制器。為了充分保障電梯使用者的安全，防止故障斷電后電梯出現突然降落或“蹲底”事故，同時實現節能的目的，電梯配置配重，即通過曳引鋼絲繩使對重裝置和轎廂分別處于曳引輪的兩側。為了降低系統成本，其中對重裝置采用和常規電梯一樣的滾動導靴、T 形導軌和導軌架組成的導向系統。電梯轎廂側使用直線感應電動機，具體包括直線感應電機初級繞組、直線感應電機次級繞組、切換開關和VVVF 控制器等，其中直線感應電動機初級繞組安裝于電梯井道，直線感應電機次級繞組安裝在電梯轎廂上。為使轎廂懸浮，電梯需設置輔助導靴，輔助導靴與轎廂的間隙一般設置為初級繞組與次級繞組氣隙值的一半［8］。輔助導靴的另一作用是當曳引機出現故障時，可以手動盤曳引輪，以使轎廂處于合適位置，便于檢修。

當系統正常工作時，首先給直線感應電動機兩個次級繞組通入大小相同的偏置電流，由位置傳感器檢測初級繞組和次級繞組間的氣隙值，當兩邊的氣隙不一樣大時，調整偏置電流大小，直至初級繞組和次級繞組間的氣隙達到設定值，即電梯轎廂實現懸浮。然后給直線感應電動機初級繞組通入三相對稱正弦電流，在直線感應電動機初級繞組和直線感應電動機次級繞組的氣隙中產生行波磁場，該行波磁場按照同步速度vs平移，直線感應電動機次級繞組在行波磁場切割下，產生感應電動勢并產生電流，從而產生使電梯上升或下降的驅動力和制動力。

2 磁懸浮電梯直線感應電動機電路模型

對于本文雙邊形長初級短次級直線感應電動機，其初級的長度大于次級的長度，為分析簡單，把電機分為三部分，示意圖如圖2 所示。次級覆蓋的初級部分為實現能量轉換的部分，稱為有效部分，次級未覆蓋的初級部分稱為無效部分。

本文初級繞組設計為并聯，則在有效部分的初級電流比在無效部分的初級電流大，有利于提高直線感應電動機推力即曳引力與初級繞組的銅耗之比，即提高曳引電機效率。

圖2 磁懸浮電梯直線感應電動機示意圖

圖3 磁懸浮電梯直線感應電動機等值電路

由直線感應電動機等效電路，可以得到則其電機視在功率:

式中:m1為初級相數;E1為初級相電動勢;I1為初級相電流;F 為電磁推力;Vs為同步速度;kE為反電勢系數E1/U1;ηc為同步效率Pδ/P1;cos φ 為功率因數。

初級輸入功率:

經過氣隙傳到次級的電磁功率:

得電磁推力即磁懸浮電梯曳引力:x

3 磁懸浮電梯電機控制

3.1 速度曲線

圖4 磁懸浮電梯速度v、加速度a、加加速度j 曲線

電梯作為垂直交通運輸工具，其加速度和加加速度值對人體舒適性具有非常大的影響。圖4 為所采用的速度曲線，為防止對人體造成不適，需嚴格控制加速度和加加速度值，其中加加速度即生理系數不能超過1.3 m/s3。圖中AD 段為磁懸浮電梯加速段，DE 段為勻速運行段，EF 段為減速段。AD 段中AB、BC、CD 段分別為拋物線、直線段、反拋物線。

3.2 控制系統

要想使電梯具有較高舒適性，必須實現對電梯運行速度的準確控制，即盡量使速度曲線如圖3 所示的曲線。電梯速度即次級移動速度:

式中:f 為輸入頻率，τ 為繞組極距。均勻且連續地改變初級繞組的供電頻率，可平滑地改變直線感應電動機的同步速度。根據電梯的曳引力在穩定運行過程中大小基本保持不變的要求，在變頻調速時需保持曳引力大小不變，這就要求供電電壓也要做相應改變，即滑差率也要同步改變。本文驅動部分采用VVVF 方式對直線感應電動機進行控制，如圖5所示。當磁化電抗為常數，且α 也確定后，則曳引力F∝m1U21/(2fτr1)，因此可以通過同時調節初級繞組電壓和頻率實現對曳引力的準確控制［9］。同時驅動模塊采用矢量變換和脈寬調制技術，能夠減少電動機發熱，具有節能和高效率的特點。控制CPU 給出速度曲線，并對選層器、位置傳感器、安全檢查電路和速度曲線進行控制。

圖5 控制系統結構示意圖

4 系統驗證

圖6 為Pδ/(m1I21r1)與α 的關系圖，α 為次級長度與初級有效長度的比值，其大小直接決定了經過氣隙傳到次級的電磁功率與初級銅耗之比;C 為磁化電抗與初級繞組電阻之比，即C=xm0/r1。

圖6 Pδ/()與α 的關系圖

從圖6 可知，當磁化電抗與初級繞組電阻之比取為某一常數時，經過氣隙傳到次級的電磁功率與初級銅耗之比隨著α 變大也不斷增大，當α 小于0.9 時，兩者基本呈線性關系;當α 大于0.9 時，次級的電磁功率與初級銅耗之比非線性迅速增加。因此，在設計長初級短次級直線感應電動機時，在忽略縱向端部效應時，要想保持較高次級電磁功率與初級銅耗之比，則給初級分段供電的長度，即有效長度不易太長。

5 結 語

本文提出了一種磁懸浮電梯，曳引力由雙邊長初級短次級直線感應電動機提供，具有結構簡單、發熱少、適應性比較強的優點。

磁懸浮電梯保留了對重裝置，保證了磁懸浮電梯的安全性，并使電梯系統具有良好的節能性。

通過計算仿真驗證，若想提高次級電磁功率與初級銅耗比值，則要提高次級長度與有效長度比值。

［1］ 龍遐令.直線感應電動機的理論和電磁設計方法［M］. 北京:科學出版社，2006.

［2］ 張育興，馬名中.雙定子直線感應電機飽和特性分析［J］.中國電機工程學報，2012，32(36):102 -108.

［3］ 陳梁遠，李黎川. 一種往復開關磁阻直線電機的設計與控制［J］.中國電機工程學報，2012，32(3):130 -136.

［4］ 謝潔飛，李新華，袁茂強. 新型雙動子直線振蕩電動機［J］. 中國電機工程學報，2009，29(36):67 -72.

［5］ 葛寶明，趙楠，ANIBAL T A，et al.橫向磁場直線開關磁阻電機及其控制系統［J］.中國電機工程學報，2007，27(33):23 -29.

［6］ 謝潔飛，李新華，袁茂強. 新型雙動子直線振蕩電動機［J］. 中國電機工程學報，2009，29(36):67 -72.

［7］ 羅宏浩，吳峻，常文森.動磁式永磁無刷直流直線電機的齒槽力最小化［J］.中國電機工程學報，2007，27(6):12 -16.

［8］ 高素美，鞠全勇，牟福元.磁懸浮電梯曳引裝置［J］.微特電機，2013，41(11):36 -41.

［9］ 高素美，楊忠，牟福元. 磁懸浮電梯曳引裝置:中國，200920042849.X［P］.2010 -03 -17.