磁懸浮電梯理論研究及其應(yīng)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(fā)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(jié)構(gòu)進行建模，并利用亞克力板和3D打印機構(gòu)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(shù)，與傳統(tǒng)電梯比較，具有無繩運行、高速運行、高自由度運行的技術(shù)優(yōu)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(fā)展前景和未來市場發(fā)展效益。

關(guān)鍵詞：電梯;電磁;機器人;節(jié)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(shù)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(fā)展急需一種高速化、高效化、高層化的新型電梯。

系統(tǒng)介紹

本次我們利用三維建模軟件對電梯機械結(jié)構(gòu)進行建模，并利用亞克力板和3D打印機構(gòu)造井道、轎廂理論實物模型。使用直流電壓調(diào)節(jié)驅(qū)動板對直流電源的恒定直流電壓12V進行調(diào)節(jié)，使之輸出0—12V的線性變化的電壓，通過給井道兩側(cè)的電磁線圈通0-12V直流電壓使之產(chǎn)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(xiàn)轎廂連續(xù)的升降運行，設(shè)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(fā)生斷電時，轎廂會因失去電磁力的驅(qū)動而存在墜落的危險，因此在井道兩側(cè)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(zhì)卡盤會因裝置內(nèi)部電磁場的吸引而處于吸入狀態(tài)，一旦電路發(fā)生故障導致斷電，裝置的內(nèi)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(xiàn)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(jié)構(gòu)進行詳細說明。

轎廂的結(jié)構(gòu)

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(cè)安裝八個永磁體，面向外側(cè)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(fā)生斷電時，轎廂會因失去電磁力的驅(qū)動而存在墜落的危險。因此需要在井道兩側(cè)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(zhì)卡盤會因裝置內(nèi)部電磁場的吸引而處于吸入狀態(tài)，一旦電路發(fā)生故障導致斷電，裝置的內(nèi)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(xiàn)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(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)轎廂連續(xù)的升降運行。

控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)各模塊分別為單片機核心控制端、12V直流電源、直流電壓調(diào)節(jié)驅(qū)動板、繼電器組、樓層按鍵控制模塊，轎廂運行狀態(tài)信息顯示模塊等主要控制模塊，下面對控制模塊之間的聯(lián)系進行詳細的說明。

直流電壓線性調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

通過單片機傳輸PWM脈沖寬度調(diào)制數(shù)字信號給DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出模擬電壓信號給直流電壓調(diào)節(jié)驅(qū)動板，驅(qū)動板將12V恒定直流電壓轉(zhuǎn)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(chǎn)生漸變的電磁力與轎廂相互作用，使之平穩(wěn)運行。

線圈電路控制系統(tǒng)

利用光電傳感器識別轎廂的位置以及運行狀態(tài)，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(chǎn)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(tài)信息顯示電路

結(jié)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(tài)、目的樓層等運行信息。顯示屏選擇12864液晶屏。

作品技術(shù)特點及優(yōu)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(zhì)強度的限制，電梯運行時可以達到傳統(tǒng)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(shù)優(yōu)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(fā)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(xiàn)，電梯鋼絲繩的材質(zhì)強度將漸漸不能滿足這種極高層建筑物中電梯的設(shè)計要求，傳統(tǒng)曳引式電梯將面臨嚴峻的挑戰(zhàn)和考驗，未來電梯的設(shè)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(shù)，與傳統(tǒng)電梯比較，具有無繩運行、高速運行、高自由度運行的技術(shù)優(yōu)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(fā)展前景和未來市場發(fā)展效益。