淺談無齒輪曳引機的優(yōu)缺點.doc

;.淺談無齒輪曳引機的優(yōu)缺點1、正視無齒輪曳引機無齒輪曳引機的產(chǎn)生，畢竟迎合了電梯的需求，迎合了環(huán)保的需要，迎合了廠家的利益。它的誕生不單單是為了無機房電梯的需求，同時也是為了節(jié)能、降噪的需要。適者生存，我們應(yīng)當(dāng)看到它的無限前景（無傳動機構(gòu)、磨損低、裝配簡單、噪音低、永磁同步能耗低、省油、無油污、運行平穩(wěn)易維護），為其生存發(fā)展創(chuàng)造條件。我們當(dāng)然也不能忽視永磁同步無齒輪曳引機的缺點和不足（成本造價高，永磁體壽命有限，還很難實現(xiàn)11懸掛方式，編碼器傳輸對變頻器的影響、制動器力矩問題等），為完善無齒輪曳引機并堅持不懈的努力研究開發(fā)新材料、新技術(shù)。無齒輪曳引機已經(jīng)“來到”我們面前，在宣傳其優(yōu)點的同時也要正視這些尚需解決的問題，尤其當(dāng)今曳引機廠家林立、競爭激烈，要想擺脫窘境、要想轉(zhuǎn)產(chǎn)、開發(fā)新產(chǎn)品，就應(yīng)端正心態(tài)、直面現(xiàn)實、正視困難，以全新產(chǎn)品占領(lǐng)市場、扭轉(zhuǎn)局面。2、永磁同步無齒輪曳引機的優(yōu)點永磁同步無齒輪曳引機，一經(jīng)面世就顯示了它的勃勃生機。1）永磁同步無齒輪曳引機無傳動結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)如下幾點好處：（1）磨損低。無齒輪曳引機的最大優(yōu)勢在于沒有任何傳動結(jié)構(gòu)，除了電機轉(zhuǎn)子軸（它同時又是曳引軸）上有一組軸承之外，就再也沒有什么機械磨損了，沒有磨損，自然延長了曳引機的使用壽命。（2）節(jié)能。無齒輪曳引機由于沒有傳動結(jié)構(gòu)，也就沒有了機械方面的功率損耗，相對來講，也就節(jié)省了能量和運行開支。以載荷1000kg、梯速1.0m/s變頻調(diào)速電梯為例：OTIS有齒曳引機（曳引比為11）需11kW；韋伯無齒曳引機（曳引比為21）只需6.7kW。（3）安裝簡便。由于曳引輪直接固定在電動機的軸上，結(jié)構(gòu)緊湊體積小、重量輕，便于吊裝、運輸，所以現(xiàn)場安裝也就容易多了，仍以載荷1000kg、梯速1.0m/s變頻調(diào)速電梯為例：OTIS有齒曳引機17CT，自重1300kg；韋伯無齒曳引機WEB-1.0-1000，自重300kg。（4）運行平穩(wěn)。由于沒有傳動結(jié)構(gòu)，也就沒有皮帶傳動的丟轉(zhuǎn)、打滑，電梯平層精度高、運行可靠；也就沒有齒輪嚙合的噪音和震動，從而表現(xiàn)在電梯運行平穩(wěn)、噪音低，這也是電梯綠色革命的突出特點。（5）省油。無齒輪曳引機由于沒有傳動結(jié)構(gòu)，也就省去了傳統(tǒng)減速箱中的潤滑油，它只在軸承內(nèi)存有足量的潤滑脂。日常維保不存在更換潤滑油的煩瑣，同時也避免了潤滑油泄漏帶來的污染和維護難度，又節(jié)省了潤滑油費用。（6）使用方便。由于無齒輪曳引機沒有液態(tài)潤滑油，亦無泄漏，不僅沒有污染，而且可以任意姿態(tài)安裝，比如底腳朝上懸掛于井道頂板處。2）永磁同步無齒輪曳引機控制系統(tǒng)的好處永磁同步無齒輪曳引機都設(shè)計了“斷電短路”環(huán)節(jié)，利用“永磁同步電動機，短接三相繞組時可以作為發(fā)電機運行”的這一突出優(yōu)點，有效地避免電梯失控溜車。這一環(huán)節(jié)體現(xiàn)了以下幾個好處：（1）當(dāng)電梯失控（如電梯停止運行，又恰遇抱閘故障無法制動）發(fā)生溜車時，由于繞組短路、發(fā)電制動，在很小的轉(zhuǎn)速下就會產(chǎn)生很大的力矩，使電梯溜車的速度變得非常緩慢，不致造成梯毀人亡的悲劇。（2）當(dāng)無齒輪曳引機安裝在井道內(nèi)，遇有故障停梯在平層區(qū)域以外需要疏放乘客時，可以通過連接開閘搬手的鋼絲拉索，很方便地在井道外操作：開閘、緩慢溜放到平層位置，很安全（這對于有齒曳引機，是根本不可能的）。（3）當(dāng)電梯嚴重超載（比如，超過額定載荷150）造成電梯下沉?xí)r，其下沉速度也是非常緩慢的，不會引起乘客極度恐慌，提高了電梯的安全可靠性。以上這些優(yōu)點都是顯而易見的，道理也是極簡單的，勿庸贅言。3、永磁同步無齒輪曳引機的缺點既然無齒輪曳引機有這么多優(yōu)點，各類刊物又在不遺余力地大力宣傳。理應(yīng)如雨后春筍般被廣泛應(yīng)用，然而實際情況卻是雷聲大雨點小，什么原因呢？問題在于人們對永磁同步無齒曳引機了解不夠；從表象看價格太高，也是很重要的因素；然而了解它的人持觀望的態(tài)度，原因在于這項新技術(shù)尚存一些問題?，F(xiàn)就這些問題做一些探討，以期更好、更全面地認識電梯驅(qū)動技術(shù)。1）驅(qū)動技術(shù)的核心問題在小于2.0m/s的中低速電梯中大多使用有齒輪結(jié)構(gòu)，由電動機直接驅(qū)動。在這里減速箱成為人們關(guān)注的問題，表面看來是由于電動機的轉(zhuǎn)速太高，因此要用減速機構(gòu)降低其轉(zhuǎn)速，但實際上配用適當(dāng)?shù)碾姎庹{(diào)速裝置后的電動機的轉(zhuǎn)速是可以調(diào)節(jié)的，不用減速箱照樣可以得到需要的轉(zhuǎn)速，因此問題的實質(zhì)不在于轉(zhuǎn)速。那么是什么因素決定了減速箱的采用與否呢？是轉(zhuǎn)矩，在某種意義上，減速箱的名稱并不確切，而應(yīng)稱其為“增力箱”，理解上也可將其看成“減速增力箱”。作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置的電動機，在磁感應(yīng)強度和電流線密度一定的情況下，電動機轉(zhuǎn)矩跟氣隙所圍成的圓柱體積成正比。事實上，轉(zhuǎn)切應(yīng)力跟磁感應(yīng)強度和電流線密度直接相關(guān)。由于氣隙圓柱的體積基本上決定了電動機的體積，而電動機的體積又基本上決定了其重量和價格。由此可見，比較電動機的最重要參數(shù)并非電動機的功率，應(yīng)該是電動機的轉(zhuǎn)矩。要提高磁感應(yīng)強度，受限于磁性材料的性能。在目前的技術(shù)條件下，鐵芯中的磁感應(yīng)強度在2.0T左右時就達到飽和，而通常交流異步電動機中實用的線性區(qū)的磁感應(yīng)強度大約在1.0T，直流電動機和同步電動機中的磁感應(yīng)強度可以提高到1.5T。要更高的磁感應(yīng)強度，一方面技術(shù)上有較大的難度，另一方面材料的價格也相當(dāng)昂貴；要提高電流線密度，又要受限于導(dǎo)體的發(fā)熱和絕緣問題，而且電流線密度的大小也必須考慮磁路材料的性能以避免磁性材料的過度飽和。在過度飽和的情況下，會帶來電動機性能上的一系列問題。要加大氣隙長度或有效半徑，電動機的外形尺寸和體積重量就必須增加。低速電梯在所需轉(zhuǎn)矩確定的情況下，如果通過加大電動機長度或半徑的方法達到所需的轉(zhuǎn)矩，則電動機本身的允許轉(zhuǎn)速又往往高于工作機構(gòu)所需的轉(zhuǎn)速，這樣電動機就不能在最高轉(zhuǎn)速（最高電壓）下運行，也就是說電動機不能達到其最大的功率，導(dǎo)致電動機的功率利用律十分低下?？傊妱訖C要達到最高的功率利用律，轉(zhuǎn)速（電壓）也必須得到充分的利用，即轉(zhuǎn)速要足夠高。綜上所述，在電流發(fā)熱受限的條件下，電動機中的磁感應(yīng)強度不夠強是電動機轉(zhuǎn)矩不夠大的根本原因，如果電動機中的磁感應(yīng)強度能提高100倍，則現(xiàn)實中減速比為100以下的機械減速裝置都可以取消，目前看來這只有靠將來超導(dǎo)技術(shù)的突破來實現(xiàn)了。2）減速箱的作用及缺點下面我們舉實際的例子來說明，電梯驅(qū)動系統(tǒng)的機電設(shè)計是如何實現(xiàn)相對最優(yōu)的。假如電梯的基本參數(shù)和繞繩方式不變，某種用于低速電梯的蝸輪蝸桿減速箱的傳動比為632，由此可以估計該電動機的轉(zhuǎn)矩跟曳引輪的轉(zhuǎn)矩相差大約為30倍，這一數(shù)據(jù)可以作為我們以下討論的基準。要將上述有齒輪電梯改成無齒輪電梯，前提是電動機的轉(zhuǎn)矩必須設(shè)法提高30倍，如果不考慮電動機的容量利用律，只需簡單增大電動機的長度和等效半徑的平方的乘積到30倍就可實現(xiàn)，不過這臺無齒輪曳引機的體積、重量和價格卻是讓人無法接受，顯然要在體積和重量不增加或增加不多的條件下將電動機的轉(zhuǎn)矩增大30倍，這幾乎可以說比登天還難的技術(shù)，由此可見，蝸輪蝸桿在此起了非常重大的作用。由于電動機本身固有的“缺點”，要實現(xiàn)機電系統(tǒng)全局的最優(yōu)化，在大多數(shù)情況下都要采用減速增力的機構(gòu)。電梯若要實現(xiàn)無齒輪驅(qū)動，就要增加電動機本身的輸出力矩。為此采用高性能稀土永磁材料勵磁、提高電動機有效功率即功率因素等，但不管如何改進設(shè)計，電動機本身的體積和重量都大大增加。采用21懸掛是國內(nèi)外大多數(shù)電梯設(shè)計方案采用的懸掛方式。經(jīng)常有人問，永磁同步無齒輪曳引機為什么不用11懸掛？如果不考慮成本，僅需將電機的體積、重量增加1倍即可，這樣電動機轉(zhuǎn)矩也能增加1倍，就能實現(xiàn)11懸掛，就沒有價格優(yōu)勢可言了。3）編碼器和變頻器電動機力矩太大不僅導(dǎo)致成本過高，而且由于速度很低，相關(guān)的速度編碼器分辨率也要相應(yīng)提高。在低速運轉(zhuǎn)時由于閉環(huán)失控時間的延長，將對拖動控制系統(tǒng)變頻器的工作帶來難度，隨之而來的就是電動機運行性能的大幅度降低。為什么編碼器會造成失控？這要從編碼器的原理來分析，由于廣泛使用的光電編碼器輸出的是離散脈沖信號，脈沖與脈沖之間總有一定的間隔，在相鄰兩個脈沖之間，編碼器無法分辨位置的變化，當(dāng)然也無法檢測速度。由此可見，隨著極數(shù)的增加編碼器分辨率也成比例地增加，才能保證控制的精度，這無疑會大大增加其成本。4）制動器問題此外，無齒輪還帶來制動器設(shè)計難度大大提高，在制動器系統(tǒng)中，主要的難點仍然在電的方面，即電磁鐵的推力仍嫌不夠大。為此世界各國的設(shè)計人員也是費盡了心機，甚至干脆采用液壓系統(tǒng)來松閘。就電磁鐵松閘形式來說，有的采用多級杠桿機構(gòu)，有的采用了多盤式制動器，有的采用了V型槽制動輪，有的采用了非對稱塊式結(jié)構(gòu)，有的采用加大制動輪直徑的辦法，這些措施降低了制動電梯對電磁鐵推力的要求。就電磁鐵本身來說，為了緩解推力和發(fā)熱的矛盾，在制動器打開瞬間，對線圈供給超倍電壓，在制動器打開后，如果不及時降低電壓，由于線圈發(fā)熱量是額定值的數(shù)倍，線圈將在短時間內(nèi)燒毀，為此要通過電子線路在強勵磁數(shù)秒鐘內(nèi)降壓至可靠的維持電壓，要完成這一功能一般都采用半導(dǎo)體變流裝置，由此也帶來系統(tǒng)復(fù)雜化和制造成本的上升。制動器的制造成本、噪聲和可維護性往往成為令人頭疼的問題，綜合考慮各方面的因素，如果沒有特殊的情況，傳統(tǒng)的外抱塊式制動器仍然是首選的設(shè)計方案，這點已經(jīng)在國內(nèi)外曳引機的改型設(shè)計中得到有力的印證。5）電動機的效率無齒輪驅(qū)動系統(tǒng)的效率也不是很高，這點可能出乎大家意料之外，其實仔細分析一下很容易明白其原因。我們時常聽到永磁電動機的效率很高，其實這僅適用于高速電動機的情況，對于低速電動機則不盡然。前文已述及，無齒輪曳引電動機的轉(zhuǎn)速并沒有用足，換句話來說就是功率容量沒有得到充分利用，由此可見，低速永磁同步無齒輪電動機的效率不會很高，說句實話，要達到85的效率都很難！6）電動機的短路危險大家都知道永磁同步電動機有一個突出的優(yōu)點，就是短接三相繞組時可以作為發(fā)電機運行，從而使電梯避免失控溜車。這一特點常用于電梯的故障放人操作中：只要松開制動器，短接三相繞組，電梯轎廂在不平衡力作用下，滑行到需要的樓層。永磁同步電動機的上述特點也帶來了潛在的危險，試想如果在電動機滿速運轉(zhuǎn)時由于某種原因?qū)е吕@組短路呢？此時帶來的后果將是極其嚴重的。在電動機繞組中將會產(chǎn)生巨大的短路電流，同時產(chǎn)生非常大的制動轉(zhuǎn)矩迫使電動機停轉(zhuǎn)。過大的短路電流將可能使永磁體失磁，這就是短路現(xiàn)象中的電磁穩(wěn)定性問題；而過大的沖擊制動轉(zhuǎn)矩將使線圈端部變形甚至松散解體或者導(dǎo)致永磁體脫落，這就是短路現(xiàn)象中的機械穩(wěn)定性問題。總之，發(fā)生短路時的機電磁穩(wěn)定性問題是非常重要的，必須妥善地加以考慮和解決，否則發(fā)生短路時電動機將嚴重損毀。為此在設(shè)計中應(yīng)考慮削弱去磁的磁路結(jié)構(gòu)，抑制短路電流的電路結(jié)構(gòu)以及線圈端部和永磁體的可靠固定等，尤其重要的是制作完成的電動機均應(yīng)進行短路試驗，以檢驗在規(guī)定的短路電流作用下每臺電動機實際的機電磁穩(wěn)定性是否達到規(guī)定的要求。4、如何對待無齒輪曳引機通過對永磁同步無齒輪曳引機優(yōu)缺點的描述，似乎讓我們感到一頭霧水，究竟是用還是棄？的確，永磁同步無齒輪曳引機的優(yōu)點和缺點同樣很明顯，但是我要說，其缺點是會被逐步克服的，有些一時還解決不了的難題遲早是要被攻克的，而且，在用的永磁同步無齒輪曳引機，也并不是說缺點多到不能用、必須拆掉的地步，只不過還存在著這樣那樣的不足而已。這要求我們對它全面看待，即要承認它的不足，也要看到它的無限生機，它畢竟有著許多優(yōu)點，有著許多其它形式的曳引機所不具備的優(yōu)越性，就應(yīng)該給它創(chuàng)造生存的環(huán)境和發(fā)展的空間。至于前面說到的缺點和不足，解決的辦法有以下幾種。1）關(guān)于力矩問題在不過分加大電動機體積的前提下，沒有“減速增力箱”的低轉(zhuǎn)速電動機，要滿足曳引力矩。（1）為增加電動機本身的輸出力矩，從電動機自身設(shè)計入手。采用高性能稀土永磁材料勵磁雖然因價格影響現(xiàn)在還不能使用性能太高的材料，但總是在做著這方面的工作，這就是希望。提高電動機有效功率即功率因素。（2）為增加曳引力矩、減小體積，從曳引機整體設(shè)計入手。減小曳引輪直徑。在鋼絲繩懸掛的條件下，由于鋼絲繩的直徑最小為8mm，而曳引輪的直徑最少應(yīng)為鋼絲繩直徑的40倍，因此曳引輪的直徑最小為320mm。參考文獻論曳引鋼絲繩直徑越小越好從技術(shù)經(jīng)濟的角度綜合對比分析了鋼絲繩直徑對于電梯驅(qū)動系統(tǒng)的影響，結(jié)論就是鋼絲繩越細越好！采用高分子纖維繩和扁平皮帶作為電梯的懸掛裝置，目的無非是使曳引輪的驅(qū)動力矩減至最小，如奧的斯公司的Gen2系統(tǒng)的曳引輪直徑僅為100mm。采用復(fù)繞式曳引。這是個一舉兩得的辦法。首先，21復(fù)繞式與11直拉式相比，對曳引力矩的要求減少了一半，就可以選用細鋼絲繩；對曳引機的輸出力矩的要求也減少了一半，就可以減小電動機的體積；再者，由于鋼絲繩細了（柔性好、轉(zhuǎn)彎半徑?。?，曳引輪的直徑就可以小了。當(dāng)然了，電動機自身的轉(zhuǎn)速高了，這在21的曳引方式中得到補償。我們完全可以把21曳引看成是一個“減速增力”環(huán)節(jié)，即降低了速度又增加了曳引力矩，這不正是無齒輪曳引機應(yīng)該追求的效果嗎。2）關(guān)于編碼器和變頻器問題對于速度很低的電動機來說，編碼器的分辨率、脈沖信號傳輸、變頻器對電動機轉(zhuǎn)速和電梯位置的識別，都是一個不好解決的問題，編碼器分辨率太高、變頻器選型配置都牽扯價格問題。幸運的是，最近安川公司推出了使用普通增量式編碼器的變頻器，大大簡化了永磁同步電動機的反饋系統(tǒng)，也將從根本上影響到電動機的設(shè)計方案選型。其實用意義是非常巨大的，這種變頻器將會得到大量的推廣使用。3）關(guān)于制動器問題對于無齒輪曳引機來講，制動器的確是個頭疼的問題，這主要表現(xiàn)在電梯靜載試驗的效果上。其實，電梯運行中的緊急停車，即國標(biāo)中的有效制停距離，很容易達標(biāo)，這是因為電動機本身轉(zhuǎn)速低、沒有傳動比，只要一拉閘，電梯立刻就能停下來；還有斷電短路環(huán)節(jié)，可以說無齒輪電梯的制停距離幾乎就是“零”。問題是國標(biāo)要求電梯在150額定載荷的情況下，10min不能下沉，就很難達標(biāo)了。這是因為無齒輪曳引機完全沒有蝸輪蝸桿曳引機的自鎖功能，如果沒有“斷電短路”環(huán)節(jié)，只要有一點不平衡力，就會溜車。而且，不溜車，短路環(huán)節(jié)的“發(fā)電制動”作用就發(fā)揮不出來。所以為了滿足靜載試驗要求，就必須加大制動力矩，自然也就加大制動線圈的溫升；為了保證線圈溫度，就要加大線圈體積，即違反無機房電梯的發(fā)展要求、也違背經(jīng)濟規(guī)律。除采用前文提到的幾種形式的制動器外，還可采用其它方法。選用摩擦系數(shù)高的閘皮材料；加大閘皮面積；適當(dāng)提高制動力臂（支點、力點）的力矩比，不過，這是有限度的，因為力矩比大了，鐵芯行程也大，同樣會帶動溫升；電梯的平衡系數(shù)也可以設(shè)定得高一點（在國標(biāo)規(guī)定4050的范圍內(nèi)選50）