磁懸浮電梯理論研究及其應用

蘇學藝 孫汝昊

摘要：當今社會電梯普遍采用鋼絲繩拖曳轎廂進行升降，這種電梯運行方式單一，運行效率低，而且鋼纜長期沉重、磨損等問題存在斷裂隱患，社會的發展急需一種高速化、高效化、高層化的新型電梯。我們利用三維建模軟件對電磁電梯機械結構進行建模，并利用亞克力板和3D打印機構造井道、轎廂實物模型，進行了研究與分析，而電磁無繩電梯作為一種新型的電梯技術，與傳統電梯比較，具有無繩運行、高速運行、高自由度運行的技術優勢，能夠更適用于極高層的建筑物，電磁無繩電梯具有很好的發展前景和未來市場發展效益。

關鍵詞：電梯;電磁;機器人;節能措施;重力勢能

引言：目前全球建筑物的電梯普遍采用的是鋼絲繩拖曳轎廂進行升降的，這種曳引式電梯的運行方式比較固定單一，只能在井道中直上直下運動，并且一個井道只能運行一個轎廂，對于居住在高層建筑的乘客來說會存在長時間等待的問題，電梯的運行使用效率也會隨樓層數的增加而下降;由于材料的限制，建筑物越高，鋼絲繩頂端處所承受的拉力會越強，鋼纜長時間承重、磨損等問題而存在斷裂的危險。

綜上所言，鋼纜曳引式電梯將漸漸不再適用于未來的極高層的建筑物。社會的發展急需一種高速化、高效化、高層化的新型電梯。

系統介紹

本次我們利用三維建模軟件對電梯機械結構進行建模，并利用亞克力板和3D打印機構造井道、轎廂理論實物模型。使用直流電壓調節驅動板對直流電源的恒定直流電壓12V進行調節，使之輸出0—12V的線性變化的電壓，通過給井道兩側的電磁線圈通0-12V直流電壓使之產生強度漸變的電磁場，在電磁場與轎廂上的永磁體磁場相互作用下，為轎廂提供一個向上的合力。并利用光電門對轎廂進行定位，對電磁線圈的通電順序進行精確控制，使電磁線圈呈“流水燈”方式逐個依次通電運行，在井道中形成移動的電磁場，實現轎廂連續的升降運行，設計樓層按鈕電路和轎廂運行信息顯示屛電路，通過程序控制，使無繩電梯的控制方式和生活中的電梯基本一致。由于該電梯采用了無繩運行的方式，當電梯電路發生斷電時，轎廂會因失去電磁力的驅動而存在墜落的危險，因此在井道兩側安裝多個吸入式彈簧電磁鐵裝置，在正常通電時，裝置中鐵質卡盤會因裝置內部電磁場的吸引而處于吸入狀態，一旦電路發生故障導致斷電，裝置的內部電磁場消失，卡盤則會在彈簧的作用力下彈出，將轎廂卡住并使之靜止，從而實現對無繩電梯運行的保護作用。

電梯模型主體主要由井道、轎廂、電磁線圈、電梯保護裝置組成（如圖2）。下面將對主要的部件結構進行詳細說明。

轎廂的結構

轎廂八個角分別安裝有八個導向滾輪，在井道中起到導向的作用。轎廂兩側安裝八個永磁體，面向外側的磁極一致，磁鐵高度與線圈的直徑尺寸一致（20mm）。轎廂頂端安裝有鐵塊，用于水平運行時起重線圈的吸引。

電梯保護裝置

由于該電梯采用了無繩運行的方式，當電梯電路發生斷電時，轎廂會因失去電磁力的驅動而存在墜落的危險。因此需要在井道兩側安裝多個吸入式彈簧電磁鐵裝置，在正常通電時，裝置中鐵質卡盤會因裝置內部電磁場的吸引而處于吸入狀態，一旦電路發生故障導致斷電，裝置的內部電磁場消失，卡盤則會在彈簧的作用力下彈出，將轎廂卡住并使之靜止，從而實現對無繩電梯運行的保護作用。

運行原理分析

通過給電磁線圈供直流電壓使之產生電磁場，在電磁場與轎廂上的永磁體磁場相互作用下，形成對轎廂“一推一拉”的受力狀況，為轎廂提供一個向上的合力。并對電磁線圈的通電順序進行精確控制，使電磁線圈呈“流水燈”方式逐個依次的通電運行，在井道中形成一個移動的電磁場，如此能夠實現轎廂連續的升降運行。

控制系統

控制系統各模塊分別為單片機核心控制端、12V直流電源、直流電壓調節驅動板、繼電器組、樓層按鍵控制模塊，轎廂運行狀態信息顯示模塊等主要控制模塊，下面對控制模塊之間的聯系進行詳細的說明。

直流電壓線性調節控制系統

通過單片機傳輸PWM脈沖寬度調制數字信號給DA數模轉換模塊，DA數模轉換模塊輸出模擬電壓信號給直流電壓調節驅動板，驅動板將12V恒定直流電壓轉換為0—12V線性變化的電壓，此線性變化的電壓提供給線圈使之產生漸變的電磁力與轎廂相互作用，使之平穩運行。

線圈電路控制系統

利用光電傳感器識別轎廂的位置以及運行狀態，并傳輸信號給arduino單片機，單片機識別光電傳感器的信號后傳輸信號給繼電器電路，繼電器電路通電，線圈得到0—12V線性變化的直流電壓，產生漸變的電磁力與轎廂相互作用，使轎廂運行。

轎廂運行狀態信息顯示電路

結合按鍵控制轎廂的運行，使顯示屏顯示出轎廂的所在位置、運行狀態、目的樓層等運行信息。顯示屏選擇12864液晶屏。

作品技術特點及優勢

該電梯采用無繩運行的方式，可以避免鋼纜因長時間承重，磨損等問題而存在斷裂的危險。且由于不存在鋼纜材質強度的限制，電梯運行時可以達到傳統曳引式電梯無法企及的高度。通過該無繩電梯運行原理的技術優勢，建筑物的建造形狀將不再受到曳引式電梯的約束限制，可以建造成任意合適、合理的建筑風格樣式。

推廣前景及市場分析

隨著社會的飛速發展，人口的爆炸增長，土地資源日益緊張，未來的建筑物勢必會趨于極高層化，上千米的建筑物完全有可能出現，電梯鋼絲繩的材質強度將漸漸不能滿足這種極高層建筑物中電梯的設計要求，傳統曳引式電梯將面臨嚴峻的挑戰和考驗，未來電梯的設計研制必然會以無繩化、高速化、高效化、高層化運行為改革方向。而電磁無繩電梯作為一種新型的電梯技術，與傳統電梯比較，具有無繩運行、高速運行、高自由度運行的技術優勢，能夠更適用于極高層的建筑物，電磁無繩電梯具有很好的發展前景和未來市場發展效益。