永磁同步電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)的檢驗(yàn)分析與探討

劉接勝

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州510699）

永磁同步電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)的檢驗(yàn)分析與探討

劉接勝

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州510699）

介紹了永磁同步電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)的原理，詳細(xì)分析了永磁同步電梯可以用工作制動(dòng)器作為上行超速保護(hù)裝置的原因，重點(diǎn)討論了永磁同步電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)的相關(guān)檢驗(yàn)項(xiàng)目及其檢驗(yàn)方法，最后探討了永磁同步驅(qū)動(dòng)主機(jī)的永磁體退磁可能導(dǎo)致的嚴(yán)重后果，并給出了選擇永磁同步主機(jī)的建議。

永磁同步驅(qū)動(dòng)主機(jī)；上行超速保護(hù)裝置；原因；檢驗(yàn)；選擇

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.033

0　前言

隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，電梯日益成為人們工作生活中不可或缺的重要組成部分。與此同時(shí)，與電梯相關(guān)的各類(lèi)事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅到人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，如何最大程度地提高在用電梯的安全就成了必須共同面對(duì)的問(wèn)題。有鑒于此，本文就永磁同步電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)的相關(guān)原理、檢驗(yàn)及其存在的問(wèn)題等進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討。

1　永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

永磁同步電動(dòng)機(jī)與電勵(lì)磁的同步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)成基本相似，都是由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件組成，并且它們的運(yùn)行原理也基本相同，只是永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子不再用電勵(lì)磁，而是改用永磁體，因此不再需要無(wú)功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，同時(shí)省去了電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)所需的電刷和集電環(huán)等易壞部件。與電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高、損耗少和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是永磁同步電動(dòng)機(jī)制成后難以通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)來(lái)控制其功率因數(shù)和無(wú)功功率［1］。

常見(jiàn)電梯用永磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁體是稀土永磁體，轉(zhuǎn)動(dòng)形式主要分為外轉(zhuǎn)子式和內(nèi)轉(zhuǎn)子式兩種，如圖1所示。其中內(nèi)轉(zhuǎn)子式同步電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大，適用于高速電梯。定子通常制成三相繞組，三相繞組沿定子鐵芯對(duì)稱(chēng)分布，在空間上相差120°電度角［1-2］。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理是：當(dāng)三相繞組輸入頻率、電壓均可變的三相正弦波或準(zhǔn)正弦波交流電時(shí)，在氣隙中會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與充磁后的永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)連接在轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載［3］。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由式（1）給出：

圖1　永磁同步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

式（1）中：n——轉(zhuǎn)子速度；ns——同步轉(zhuǎn)速；

f——電源頻率；p——電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

2　永磁同步驅(qū)動(dòng)電梯可用工作制動(dòng)器作為上行超速保護(hù)裝置的主要原因

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，即當(dāng)通過(guò)封閉線(xiàn)圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)，在線(xiàn)圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。旋轉(zhuǎn)的永磁體在封閉的定子繞組中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E0可由式（2）給出［3-5］：

其中：f——電源頻率，Kdp——繞組因數(shù)，N——定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)，K?——?dú)庀洞艌?chǎng)的波形系數(shù)，bm0——空載時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度標(biāo)么值，Br——剩磁密度，Am——永磁體提供每極磁通的截面積，σ0——空載漏磁系數(shù)。

永磁同步電梯非正常超速上行狀態(tài)主要有兩種情況，一種是電梯原來(lái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，由于工作制動(dòng)器失效導(dǎo)致處于較低層站的轎廂上行速度越來(lái)越快；另一種是電梯由于驅(qū)動(dòng)電源等因素導(dǎo)致的電梯超速上行。對(duì)于后者，當(dāng)電梯的上行速度達(dá)到和或超過(guò)限速器的動(dòng)作設(shè)定值之時(shí)，限速器的機(jī)械動(dòng)作促使其自身的電氣開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使電梯的安全回路斷開(kāi)，進(jìn)而切斷電梯的驅(qū)動(dòng)主機(jī)和工作制動(dòng)器的供電電源，若工作制動(dòng)器的功能正常，則主要由工作制動(dòng)器可靠地制停超速上行的電梯。

對(duì)于前者和后者當(dāng)安全回路斷開(kāi)而工作制動(dòng)器失效時(shí)，定子的三相繞組由封星接觸器的常閉觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)“封星”（即將定子的三相繞組短接，形成三個(gè)封閉的線(xiàn)圈），常見(jiàn)的封星電路如圖2所示。此時(shí)，當(dāng)電梯超速上行時(shí)，負(fù)載帶動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于封閉的線(xiàn)圈（繞組）在永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中做切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，由法拉第電磁感應(yīng)定理可知，封閉線(xiàn)圈必然產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（由式（2）給出）以及感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。由楞次定律可知，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。因此，超速旋轉(zhuǎn)的永磁體轉(zhuǎn)子會(huì)在封閉的三相繞組中的感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下，其轉(zhuǎn)速會(huì)越來(lái)越慢，最終使得其轉(zhuǎn)速不會(huì)超過(guò)一定值，從而也使得對(duì)重的下降速度降到對(duì)重側(cè)緩沖器的允許動(dòng)作速度之內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了GB7588對(duì)上行超速保護(hù)裝置的要求。

圖2　封星電路示意圖

3　永磁同步電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)的相關(guān)檢驗(yàn)項(xiàng)目及其檢驗(yàn)方法探討

雖然GB7588-2003對(duì)電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)提出了諸多要求，看似能夠可靠地確保電梯的安全運(yùn)行，但是現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)的問(wèn)題涉及驅(qū)動(dòng)主機(jī)的卻依然不少。因此，電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則——曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯（TSG7001—2009）及其1號(hào)修改單中對(duì)驅(qū)動(dòng)主機(jī)的要求及其檢驗(yàn)方法尚需進(jìn)一步完善，筆者就涉及永磁同步電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)的相關(guān)檢驗(yàn)項(xiàng)目及其判斷方法做以下分析和探討。永磁同步電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)的實(shí)物如圖3所示。

圖3　永磁同步電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)實(shí)物圖

3.1用抱閘作為上行超速保護(hù)裝置的前提——封星是否可靠之驗(yàn)證方法

當(dāng)前幾乎所有電梯公司所提供的關(guān)于永磁同步電梯用工作制動(dòng)器作為上行超速保護(hù)裝置的試驗(yàn)方法都僅是大致說(shuō)明了當(dāng)限速器動(dòng)作，切斷安全回路，進(jìn)而切斷驅(qū)動(dòng)主機(jī)和抱閘的供電電源，從而使抱閘起作用并讓失控超速上行的電梯得以制停，而對(duì)于永磁同步電梯用抱閘作為上行超速保護(hù)裝置的前提——封星是否可靠之驗(yàn)證方法卻只字未提。由前述永磁同步驅(qū)動(dòng)電梯可用工作制動(dòng)器作為上行超速保護(hù)裝置的主要原因推得封星可靠的驗(yàn)證方法是：將空載轎廂運(yùn)行到最低層站，斷開(kāi)主電源，通過(guò)圖3中的手動(dòng)開(kāi)閘裝置將人為將抱閘打開(kāi)，觀(guān)察轎廂向上運(yùn)行的情況。如果轎廂以小于對(duì)重側(cè)緩沖器所允許的最大速度上行，則認(rèn)為其封星可靠；否則，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為不可靠，此時(shí)用抱閘作為上行超速保護(hù)裝置已不能使電梯具有最大的安全冗余（盡管根據(jù)GB7588-2003的規(guī)定，工作制動(dòng)器是分兩組設(shè)置，且每組制動(dòng)器的制動(dòng)功能都能滿(mǎn)足對(duì)電梯進(jìn)行制動(dòng)的要求，可以直接用制動(dòng)器作為上行超速保護(hù)裝置，進(jìn)而可以不設(shè)置封星裝置）。

3.2制動(dòng)力矩的檢測(cè)

如果制動(dòng)器的功能失效，無(wú)論其他的安全裝置的功能多么有效，都會(huì)不可避免地導(dǎo)致事故的發(fā)生。近年來(lái)，由于電梯溜車(chē)所導(dǎo)致的事故時(shí)有發(fā)生，而電梯溜車(chē)的主要原因之一就是制動(dòng)器的制動(dòng)力不足。驅(qū)動(dòng)主機(jī)在出廠(chǎng)時(shí)，雖然制動(dòng)器的制動(dòng)力矩都已調(diào)定至相應(yīng)的設(shè)計(jì)值（該值往往是驅(qū)動(dòng)主機(jī)輸出力矩的2～3倍），但是當(dāng)電梯投入使用一段時(shí)間后，由于振動(dòng)或其他原因使得制動(dòng)力發(fā)生變化，此時(shí)相關(guān)維保人員會(huì)適時(shí)通過(guò)調(diào)整圖3中的6（壓縮彈簧）來(lái)達(dá)到調(diào)整抱閘制動(dòng)力的目的，而對(duì)調(diào)整后的制動(dòng)力是否滿(mǎn)足GB7588—2003第12.4.2.1條對(duì)制動(dòng)器的要求（“所有參與向制動(dòng)輪或盤(pán)施加制動(dòng)力的制動(dòng)器機(jī)械部件應(yīng)分兩組裝設(shè)。如果一組部件不起作用，應(yīng)仍有足夠的制動(dòng)力使載有額定載荷以額定速度下行的轎廂減速下行。”）卻疏于驗(yàn)證。

4　永磁同步驅(qū)動(dòng)主機(jī)永磁體退磁可能導(dǎo)致的后果分析

理論上來(lái)說(shuō)，只要是在規(guī)定的使用條件下，稀土永磁體的不退磁性能似乎是相當(dāng)完美，事實(shí)將會(huì)如何尚未能得到時(shí)間的佐證。因此，必須考慮由于永磁體的退磁可能導(dǎo)致的后果，從而找到可靠的應(yīng)對(duì)措施。

永磁同步驅(qū)動(dòng)主機(jī)的永磁體抗去磁能力的優(yōu)劣除了影響驅(qū)動(dòng)主機(jī)的使用壽命之外，至少還存在以下三個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）永磁體的剩磁通密度降低的太多，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)主機(jī)的驅(qū)動(dòng)力不足（在相同驅(qū)動(dòng)條件下），如果此時(shí)恰好轎廂在重載而電梯控制系統(tǒng)未能檢測(cè)到電梯異常并打開(kāi)抱閘時(shí)，則可能導(dǎo)致不可控的急速溜車(chē)；

（2）由前面所述，永磁同步電梯的上行超速保護(hù)功能是基于電磁感應(yīng)原理的，永磁體的剩磁密度降低的太多也可能使得上行超速保護(hù)裝置功能失效（尤其是在制動(dòng)器失效時(shí)）；

（3）永磁體的剩磁通密度降低的太少，將提高電梯的控制難度。

因此，永磁同步驅(qū)動(dòng)主機(jī)的選擇，除了考慮功率、轉(zhuǎn)矩等常規(guī)參數(shù)外，還應(yīng)當(dāng)考慮到永磁體的矯頑力、剩磁通密度、穩(wěn)定性（包括熱穩(wěn)定性、磁穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及時(shí)間穩(wěn)定性）以及永磁體和永磁驅(qū)動(dòng)主機(jī)的生產(chǎn)廠(chǎng)家的制造工藝，同時(shí)亦有必要開(kāi)發(fā)出永磁同步電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)永磁體的剩磁密度的在線(xiàn)檢驗(yàn)技術(shù)。

5　結(jié)語(yǔ)與期望

當(dāng)前，國(guó)外各大品牌的電梯公司所生產(chǎn)的永磁同步主機(jī)的電梯基本都有封星裝置，而國(guó)內(nèi)品牌所生產(chǎn)的基本沒(méi)有。因此，欲提高電梯的安全性能，最大限度地降低電梯的使用風(fēng)險(xiǎn)，不但需要進(jìn)一步完善相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件，并使其得到嚴(yán)格執(zhí)行，也需要提高相應(yīng)的檢驗(yàn)技術(shù)、檢驗(yàn)水平以及監(jiān)督管理水平。

［1］葉安麗.電梯控制技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］陳家盛.電梯結(jié)構(gòu)原理及安裝維修［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［4］唐任遠(yuǎn).特種電機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［5］李光中，周定頤.電機(jī)及電力拖動(dòng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

（編輯：向飛）

Testing Analysis and Discuss about Permanent Magnet Synchronous Lift Machine

LIU Jie-sheng
（Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection&Testing，Guangzhou510699，China）

Permanent magnet synchronous lift machine's theory is introduced in paper,the reasons that permanent magnet synchronous lift can use the brake to serve as the ascending car overspeed protection means are analyzed in detail,the testing items and methods of permanent magnet synchronous lift machine are discussed,at last,the demagnetization's serious consequences of permanent magnet of lift machine are studied,and the advices for selecting permanent magnet synchronous lift machine are presented.

permanent magnet synchronous lift machine；ascending car overspeed protection means；reasons；testing；choice

TM307

A

1009-9492（2015）01-0119-04

2014-07-16

劉接勝，男，1976年生，廣東梅州人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化裝置。已發(fā)表論文4篇。