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直驅(qū)式電梯研究現(xiàn)狀

雖然每一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)都可以至少對(duì)應(yīng)一種直線電機(jī)，即只要將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開(kāi)，并沿圓周展成直線就能得到相應(yīng)的直線電機(jī)類型，但由于受到經(jīng)濟(jì)及技術(shù)指標(biāo)的限制，比較常用的電梯驅(qū)動(dòng)用直線電機(jī)主要有三類，即直線感應(yīng)電機(jī)（Linear Induction Motor, LIM），開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)（Linear Switch Reluctance Motor, LSRM）以及直線同步電機(jī)（Linear Synchronous Motor, LSM）。其中LIM包括圓筒型和扁平型兩種；LSM包括超導(dǎo)直線電機(jī)（Linear Superconducting Synchronous Motor, LSSM）以及永磁同步直線電機(jī)（ Synchronous , ）兩類。它們雖然同屬直線電機(jī)，但是在性能上各有千秋。LIM經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，技術(shù)相對(duì)較為成熟。目前，圓筒型LIM驅(qū)動(dòng)的電梯產(chǎn)品已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用，圖1.4所示為圓筒型LIM驅(qū)動(dòng)電梯的實(shí)物圖，其總體方案與一般曳引式電梯類同，轎廂和對(duì)重仍采用鋼絲繩相連接。對(duì)重裝置中裝有圓筒型的初級(jí)。而次級(jí)則呈立柱貫穿于對(duì)重，并延伸至整個(gè)井道。既是驅(qū)動(dòng)裝置，又是對(duì)重的一部分。該裝置次級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，易于與傳統(tǒng)電梯競(jìng)爭(zhēng)，但是它仍然存在對(duì)重與繩索，與傳統(tǒng)曳引方式并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。此外，也有學(xué)者對(duì)用扁平型LIM驅(qū)動(dòng)電梯方式進(jìn)行了研究。但是，效率、功率因數(shù)等不利因素是直線感應(yīng)電機(jī)長(zhǎng)期引起爭(zhēng)議的顯著缺點(diǎn)。雖然已有國(guó)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究，試圖解決這一技術(shù)難題，但是難以從根本上提高LIM的性能，因此，基于LIM驅(qū)動(dòng)的電梯通常仍采取對(duì)重-鋼索結(jié)構(gòu)，以降低對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求。

LSRM因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、成本低、工作可靠、易維修等優(yōu)點(diǎn)，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，文獻(xiàn)[9]提出的新型雙側(cè)LSRM，其結(jié)構(gòu)如圖1.5所示，為短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，初級(jí)重量輕，次級(jí)僅由硅鋼片疊壓而成，可靠性高，非常適合電梯驅(qū)動(dòng)這種長(zhǎng)行程工況，其測(cè)試平臺(tái)如圖1.6所示。但是，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)尚存在推力紋波和噪聲等方面的問(wèn)題^[18]，因此該類電機(jī)在直驅(qū)電梯上的應(yīng)用并沒(méi)有得到普及。

圖1.7 直線同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)電梯示意圖

在所有垂直驅(qū)動(dòng)用直線電機(jī)中，被認(rèn)為是一種能增加效率，提高運(yùn)行性能的電機(jī)種類，因此具有廣闊的發(fā)展前景。在LSM驅(qū)動(dòng)的電梯中，LSSM由于其電流密度高，與非超導(dǎo)相比，具有更高的推力密度，曾一度被認(rèn)為是無(wú)繩電梯驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首選之一。該電梯的驅(qū)動(dòng)原理如圖1.7（a）所示，從圖中可以看出，驅(qū)動(dòng)的電梯沿著較長(zhǎng)的井道鋪設(shè)常導(dǎo)體，而將價(jià)格相對(duì)昂貴的超導(dǎo)體布置在轎廂上，這將大大降低系統(tǒng)成本。采用LSSM驅(qū)動(dòng)電梯，運(yùn)行效率高，系統(tǒng)運(yùn)行成本低，然而超導(dǎo)材料的冷卻設(shè)備復(fù)雜且成本高，熱絕緣處理程序繁瑣，制約了該類電機(jī)的發(fā)展。

隨著永磁材料特別是稀土材料釹鐵硼（NdFeB）性能的不斷提高，近年來(lái)永磁電機(jī)得到了較為快速的發(fā)展，永磁電機(jī)沒(méi)有勵(lì)磁損耗，因此具有效率高、功率因數(shù)高、功率密度高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，目前，LPMSM的研究已經(jīng)廣泛展開(kāi)，也包括在電梯驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用。與LIM和LSRM相比，LPMSM具有力能指標(biāo)高、效率高、功率因數(shù)高等顯著優(yōu)點(diǎn)。就現(xiàn)有永磁直線電機(jī)而言，根據(jù)永磁體安放的位置可以將其分為兩大類：一類是永磁體安裝在次級(jí)（也就是旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子），稱為次級(jí)永磁型直線電機(jī)。另一類是永磁體安裝在初級(jí)（也就是旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的定子），稱為初級(jí)永磁型直線電機(jī)。

次級(jí)永磁型電機(jī)又分為單邊型和雙邊型，過(guò)去的幾十年里，人們主要對(duì)次級(jí)永磁型直線電機(jī)做了大量研究和試驗(yàn)。圖1.7（b）所示為電梯驅(qū)動(dòng)用雙邊次級(jí)永磁型直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，圖中永磁體布置在次級(jí)上，次級(jí)為運(yùn)動(dòng)體，而永磁體的兩邊為電機(jī)初級(jí)，顯然，初級(jí)是固定不動(dòng)的。圖1.7（c）與（d）所示為單邊次級(jí)永磁型直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)電梯的兩種方式示意圖，圖1.7（c）為井道側(cè)放置電樞繞組，轎廂上安裝永磁體，稱為井道初級(jí)式，1.7（d）情況相反，稱為轎廂初級(jí)式。對(duì)于電梯驅(qū)動(dòng)這種長(zhǎng)行程工況，如果采用次級(jí)永磁型直線電機(jī)，不管將電樞繞組或永磁體放置在哪一側(cè)，都會(huì)消耗大量的永磁材料或銅線，而永磁材料與銅線價(jià)格相對(duì)較貴，這違背了“資源節(jié)約型社會(huì)”的宗旨，而且面對(duì)如今資源匱乏，能源緊張的局面，次級(jí)永磁型直線電機(jī)已經(jīng)不再符合電梯等長(zhǎng)行程應(yīng)用長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的選擇。

以上多種因素迫使初級(jí)永磁型直線電機(jī)又一次被重視起來(lái)，當(dāng)然這對(duì)我們來(lái)說(shuō)既是一次機(jī)遇，也是一次挑戰(zhàn)。目前，常見(jiàn)的初級(jí)永磁型直線電機(jī)主要包括：雙凸極永磁直線電機(jī)、磁通反向永磁直線電機(jī)、磁通切換永磁直線電機(jī)和游標(biāo)直線電機(jī)。本項(xiàng)目主要研究的是初級(jí)永磁型直線電機(jī)中的游標(biāo)直線電機(jī)，游標(biāo)直線電機(jī)值得研究肯定有它的優(yōu)勢(shì)所在，主要表現(xiàn)在：

1) 游標(biāo)電機(jī)基于磁齒輪效應(yīng)工作，推力密度較高，非常適合低速、大推力工況；

2) 置于井道側(cè)的電機(jī)次級(jí)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單（無(wú)繞組、無(wú)永磁體），僅由導(dǎo)磁性材料（如硅鋼片）組成，它不僅繼承了直線感應(yīng)電機(jī)次級(jí)可靠性高、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，而且造價(jià)更低；

3) 我國(guó)的稀土資源儲(chǔ)備量居世界第一，因此用稀土永磁材料作永磁體有更大的優(yōu)勢(shì)，比一般電機(jī)有更高的效率。