[3]永磁同步无齿轮曳引机及其在电梯中的应用2.ppt

2永磁同步无齿轮曳引机及其在电梯中的应用,陈景和2008年10月18日,技术背景,我国稀土资源丰富,尤其是钕铁硼材料的诞生促进了大功率永磁电机的发展微机控制技术实现了较优化的矢量控制电力电子器件（IGBT）和永磁同步电机专用变频器的发展电梯行业对小机房、无机房、绿色环保、节能、低噪声、低震动的需求无齿轮曳引机是机械、电机原理、稀土材料、微机控制、电力电子等多项技术结合的产品,典型的外形结构,内转子鼓式制动,外转子鼓式制动,外转子叠式制动,外转子钳式制动,国外生产的永磁同步无齿轮曳引机,通力KONE,奥的斯OTIS,曳引机主要参数,额定功率：额定转速：额定转矩：额定频率：力矩系数：,Kw,RPM,Nm,Hz,A,反电势系数：,电机,电机：以磁场为媒介，进行能量传递或机械能和电能相互转换的电磁机械装置。静止电机：变压器电能的传递旋转电机：电动机机电能量转换直流电机交流电机转子：磁极、励磁绕组、转子轴定子：定子铁芯、由绝缘导线绕制成的定子绕组（定子铁芯内园有均匀分布的定子槽，定子绕组嵌入定子槽内）,异步电动机（感应电动机）,当感应电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相电流时，就会产生一个以同步转速n=60f/p旋转的园形旋转磁场（转向与三相绕组的排列及三相电流相序有关）转子是静止的，转子与旋转磁场有相对运动，转子导体因切割定子磁场而产生感应电动势，因转子自身闭合，故转子绕组内有电流流通，转子电流与感应电动势近似同相位，（右手法则确定），转子绕组内有功分量电流在定子旋转磁场作用下产生电磁力F(左手定则），电磁力F对转轴形成一个电磁转矩，拖着转子顺着定子旋转磁场的旋转方向旋转。但永远不能达到同步，否则保持相对静止则不产生感应电动势和电磁力。感应电动机三种制动方式：能耗制动、反接制动、回馈制动。,同步电动机,定子：铁心、绕组、机座、端盖等组成（称为电枢绕组）。转子：1）主磁极，装在主磁极上的直流励磁绕组，特别设置的笼形启动绕组，电刷以及集电环等；2）主磁极是永久磁极经特殊工艺直接安装在转子表面形成的，无需励磁绕组，称为永磁同步电动机。主磁极：隐极式（气隙均匀，适用于高速）；凸极式（气隙不均匀，适用于低速）工作原理：电枢绕组中通入三相交流电后，气隙中就会产生一个以同步转速n=60f/p旋转的旋转磁场；励磁绕组通以直流电流后，在同一气隙中又产生一大小、极性固定、极对数与电枢旋转磁场极对数相同的直流励磁磁场，两个磁场相互作用，转子被电枢旋转磁场拖着一起旋转（同步），定转子磁场相对静止。,无齿轮永磁同步电梯以节能、环保等独特优势成行业主流,随着我国成为世界电梯第一市场，永磁同步无齿轮电梯正在以其节能、环保、安全、节省建筑面积等独特优势成为市场主流。从近些年无齿轮电梯的快速发展的态势来看，无齿轮电梯之所以成为现代建筑市场选择的主流，主要原因是因为，第一、无齿轮电梯较传统有齿轮电梯给使用建筑带来实实在在的电量节省。第二、无齿轮电梯使电梯的启动、行驶更加平滑，让乘客乘坐更加平稳舒适。第三、无齿轮电梯消除了传统有齿轮电梯由于蜗轮蜗杆传动、减速箱技术引起的机械能耗、油污、噪音、热量以及振动，减少了对环境的破坏。第四、由于无齿轮电梯的主机结构紧凑，体积精巧，可实现小机房或无机房布置，能为建筑商增加可利用面积。,稀土永磁同步电机,电机是电能和机械能之间的转换设备，实现这种转换需要一个中间媒介磁场能量。磁场能量在电能和机械能转换中并不消耗。普通电机的磁场能是由线圈中通入电流产生的，也称电励磁；永磁电机的磁场能是由永久磁体产生的。1821年世界上第一台电机就是永磁电机，但当时所用永久磁体的磁能积很低，制成的电机体积庞大而容量很小，不久被电励电机所取代。,稀土永磁同步电机,稀土永磁电机的应用上世纪60年代，发现了钐钴稀土永磁体具有高剩磁、高矫顽力和高磁能积，这个发现使永磁电机真正进入到了大功率应用领域。单台功率7000千瓦的永磁电机用于核潜艇驱动上。钐钴稀土永磁体含有重要的战略物资金属钴，所以钐钴稀土永磁体价格昂贵，只用于航空、航天、航海、武器装备等军事领域。1978年法国CEM公司研制成了18.5kW高效节能钐钴稀土永磁电机，未能得到推广。,稀土永磁同步电机,上世纪80年代，发明了钕铁硼稀土永磁体，它比钐钴稀土永磁体具有更好的磁学性能。由于钕铁硼材料价格低廉、易得，在民用方面大面积应用稀土永磁电机已成为可能。上世纪90年代前，钕铁硼稀土永磁体的工作温度不高，只有80100左右，制成的电机不能适用于高温环境。各个国家的工程技术人员为了提高钕铁硼稀土永磁体的工作温度展开了科技竞赛，工作温度从80提升到160大概花费了整整十年的时间,稀土永磁同步电机,稀土永磁体的工业化生产水平：我国稀土资源丰富，全世界已探明的蕴藏量的80%以上都在我国。我国年生产稀土永磁体大约4000吨，占全球总产量70多。,永磁材料的磁性能及参数,1、退磁曲线：用磁滞回线来反映和描绘其磁化过程的特点和磁特性，磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线。2、回复线：永磁材料对外呈现的B与H的关系。3、内禀退磁曲线：内禀磁感应强度与磁场强度H关系的曲线,永磁材料的磁性能及参数,1、剩磁密度Br：退磁曲线上磁场强度H为零时相应的磁感应强度值。（T特斯拉）2、矫顽力Hc：退磁曲线上磁感应强度B为零时相应的磁场强度值。（A/m)3、磁能积wm：退磁曲线上任一点的磁通密度与磁场强度的乘积。（J/m2)4、磁极化强度J：物质磁化后内在的磁感应强度。5、磁化强度矫顽力Hci：内禀退磁曲线上磁极化强度J为零时，相应的磁场强度值。6、临界场强Hk：内禀退磁曲线上当Bi=0.9Br时所对应的退磁磁场强度值。,永磁材料的磁性能的稳定性,1、热稳定性：可逆损失、不可逆损失(不可恢复损失、可恢复损失，)居里温度Tc(居里点）：磁化强度消失最高工作温度Tw：将规定尺寸（稀土永磁为107mm）的样品，加热到某一恒定的温度，长时间放置，然后将样品冷却到室温，其开路磁通不可逆损失小于5的最高保温温度定义为永磁材料的最高工作温度2、磁稳定性：表示在外磁场干扰下永磁材料磁性能变化的大小。永磁材料的内禀矫顽力越大，内禀退磁曲线的矩形度越好（或临界场强Hk越大，则该永磁材料的磁稳定性越高，抗外磁场干扰能力越强。,3、化学稳定性：受酸、碱，氧气和氢气等化学因素的作用，永磁材料内部或表面化学结构会发生变化，将严重影响材料的磁性能。如钕铁硼的成分中大部分是铁和钕，容易氧化，所以生产过程采取各种工艺措施防止氧化：提高永磁体的密度以减少残留气隙来提高其抗腐蚀能力；在成品表面涂敷保护层，如镀锌、镀镍、电泳等。4、时间稳定性：永磁材料充磁后在通常环境下，其磁性能会随时间而变化，通常以一定尺寸形状的样品的开路磁通随时间损失的百分比来表示，称为时间稳定性或自然时效，它与永磁材料的内禀矫顽力和永磁体的尺寸比L/D有关。,几种永磁材料的基本性能对比,稀土永磁同步电机,稀土永磁同步电机的结构特点分类按定、转子相对位置分为外转子电机和内转子电机两类：,内转子电机,外转子电机,稀土永磁同步电机,稀土永磁同步电机的结构特点和分类按电机的励磁方式划分为径向励磁、切向励磁和轴向励磁三类：,1.磁钢2.转子铁心3.轴,1.磁钢2.转子铁心3.轴4.非导磁轴套,1.磁钢2.转子铁心3.轴,径向励磁,切向励磁,轴向励磁,稀土永磁同步电机,稀土永磁电机的结构特点和分类内转子电机：受力合理、坚固稳定、结构简单、长径比大、容易散热是其明显优点。内转子电机是应用最广泛、最常见的电机结构。外转子电机：如果采用两端轴伸固定方式，具有受力合理、坚固稳定、结构简单、长径比大的明显优点。这种固定方式的外转子电机主要应用于电动导辊等特种场合。如果采用单轴伸固定方式，因悬臂而受力不合理、结构复杂、长径比小。因此在大功率场合很少有应用，但在无机房电梯中，恰恰因为长径比小，得了广泛应用。所有的外转子电机不易散热是明显缺点。,稀土永磁电机的结构特点和分类径向励磁：可以制成内转子电机和外转子电机。这种结构的电机的电抗较小，有利于改善电机的动态性能和控制性能。电机气隙中所能达到的磁感应强度不高（0.7T），电机的功率密度较小，电机的抗退磁能力有限，容易发生磁钢退磁现象。径向励磁结构主要用在小功率场合，大功率场合不多见。,轴向励磁：这种结构最大的特点就是扁平，轴向尺寸极小，适用于狭窄空间。轴向励磁电机的电抗特性与径向励磁电机相似，气隙中磁感应强不高（0.7T），电机的功率密度高，电机的抗退磁能一般。轴向励磁电机的另一个特点是转子贯量小、控制特性优秀，主要用于控制电机和侍服电机。轴向励磁电机的工艺结构复杂、强度低，转子轴向力不容易被平衡、机壳刚度要求较高，很难制成大功率电机。,切向励磁：可以制成内转子电机和外转子电机。这种结构电机交轴电抗较直轴电抗大一些，但因气隙中可获得很高的磁感应强度（1.0T），电机的动态性能、控制性能仍然能做的非常漂亮。切向励磁结构电机的功率密度高是明显的优点。由于可以设置磁短路桥，因此，电机的抗退磁能力较强。切向励磁结构电机的磁钢是镶嵌在转子内部，结构强度高，磁钢的防氧化能力强。切向励磁结构主要用于大功率、高转矩、高可靠性的场合。,稀土永磁电机的结构特点和分类稀土永磁电机的基本优点：1.损耗小、效率高、功率因数高。2.体积小、重量轻、结构简单。3.动态特性好、控制特向好。4.过载能力强、抗堵转能力强。5.电机的形状和尺寸可以灵活多样。显然，稀土永磁电机会越来愈多地出现在我们的生活中，这是一种进步。,稀土永磁同步电机,稀土永磁同步电机的原理及运行永磁同步电机原理：图1是一个2极永磁同步电机，当给定子绕组（A、B、C）通入三相交流电时，定子绕组产生磁场（一对N、S极），图2是和它完全等效的物理模型，由于三相交流电随时间周期性变化，定子磁场（N、S）就会按ABCABC的方向旋转起来，旋转速度W只和三相电的周期变化速度有关，比如，每秒变化50次（即50Hz）,定子磁场（N、S）就旋转50圈。,1.定子绕组2.定子铁芯1.定子绕组等效磁极2.定子铁芯3.转子铁心4.永久磁体3.转子铁芯4.永久磁体,稀土永磁同步电机,稀土永磁同步电机的原理及运行永磁同步电机运行：同步电机工作时的等效电路（右图）。由图可以得到电势平衡关系：再由这个电势平衡关系就可以画出同步电机工作时的相量图（右下图），我们可以看到三个重要的角度：电压、电流之间的相位角（功率因数角）电势、电流之间的相位角（内功率因数角）电压、电势之间的相位角（功角）对永磁同步电机的运行控制实质上就是对这三个角度的控制。,稀土永磁同步电机,稀土永磁同步电机的原理及运行永磁同步电机常用的两种运行控制方式：1.Cos=1控制方式这种方式电机的电压和电机的电流是同相位的，即0。由于加到电机上的有效功率是P=U*I*Cos,所以，在特定的场合使用这种控制方式可以节省变频器的容量（比如牵引控制）。2.=0控制方式这种方式电机的内电势和电机的电流是同相位的，=0意味着,就是说绕组中的电流没有袪磁分量，全部是能够产生转矩的电流。右下角是对应=0方式的同步电机矢量图。可以看到两个特点：1）转子磁场永远滞后定子磁场。2）转子磁场永远垂直定子磁场（90）！值得注意的是，这种垂直关系使永磁同步电机通过=0控制变成为了“直流电机”。电梯就使用这种控制。,无齿轮曳引机驱动稀土永磁同步电机用于电梯，区别于普通电机用于电梯的特点：体积小重量轻转矩大低速特性好效率高功率因数高直流电机调速性能可再生发电制动稀土永磁同步电机驱动的电梯表现了：高性能高效率高精度高可靠性低噪音低能耗稀土永磁电机低速大转矩特点成功替代了复杂的机械减速机构，增加了电梯运行的可靠性,恒力矩：,异步交流曳引机的驱动力矩受到动能和转动惯量的影响，即轿厢的上下运行、加减速、轿厢的重量及载荷都能影响到驱动力矩。而永磁同步无齿轮曳引机则能根据外部因素输出一个相应的转矩，能保持驱动转矩恒定、速度柔性控制。,体积小：,永磁同步无齿轮曳引机没有传动机构，无需联轴器，结构紧凑，同时又不需象直流曳引机那样需经整流器把交流电变成直流电。用永磁铁取代励磁线圈，就能把电机做成与异步电机体积相近。,免维护：,异步电机由于有蜗轮蜗杆的传动机构，需加润滑油，因此要定期加油脂并进行清洗，同时蜗轮蜗杆由于啮合摩擦，到一定程度需进行更换；直流电机有碳刷，需定期清洁电机和更换碳刷。而永磁同步曳引机是电机不存在上述问题。,低噪音：,永磁同步无齿轮曳引机的永磁电动机可控制沟槽高次谐波，电磁噪声小，转速与异步电机比要相对低，同时无蜗轮蜗杆的机械传动的声音，加上曳引机的温升小，无需风机的冷却，因此电机运转声音很低。,环保：,永磁同步无齿轮曳引机由于没有了减速箱而不用因加、换润滑油脂而产生油脂污染，同时由于没有了蜗轮蜗杆传动等产生的机械声音，属环保产品。,运行平稳：,蜗轮蜗杆的传动往往由于配合的问题产生振动，随运行时间的增长，磨损的增加，蜗轮蜗杆之间的间隙会增大，振动随之增大，同时速度的调节范围较小，力矩有变化等都影响到运行的平稳性；无齿轮曳引机力矩恒定，速度范围调节大。直接用变频器控制电机，拖动曳引轮，力矩与速度都以1：1的形式输出，电梯运行就非常平稳。,高效：,蜗轮蜗杆的传动损耗了一部分机械能，异步交流电机由于励磁电流的存在，损耗了一部分电能，永磁同步电机由于采取了稀土永磁体代替了励磁线圈，节省了励磁电流，又由于是直接拖动曳引轮，机械能就直接传递到曳引轮上，效率高。,节能,永磁同步曳引机是以同步转速进行转动，功率因数高，同时节省了励磁电流和由于减速箱的传动带来的机械损耗，工作效率明显提高，从而大大降低了电能的损耗，起到了很好的节能效果。,调速范围宽,永磁同步曳引机由于减速比是11，电机就以11的速度传递给曳引轮，电梯调速范围就大，一般为11000，最大可达1100000，即从理论上说速度可以在一到额定速度的范围内任意调节，因此只要直接调节电机的转速即可实现曳引机的运转速度，操作方便。且具有可控的柔性的加速度，这样使乘客更加舒适。,稀土永磁同步电机,无齿轮曳引机驱动直接作用于曳引轮或电机主轴的制动器可以轻松满足电梯上行超速保护的需要。很多用户使用了永磁同步电机的再生发电制动功能作为曳引机主制动器的冗余，进一步提高了电梯的安全性。永磁同步电机不需要励磁电流、加上功率因数的提高，电机的效率提高约10；去掉减速机构后又进一步节省了约30的机械损耗，二项综合节能35以上。变频器的功率也可以减少35。没有更换润滑油带来的环境污染，减少维护成本，电梯绿色环保。实现了无齿轮电梯从高端产品（高速）向低端用户（中低速）转移。,稀土永磁同步电机,无机房曳引机驱动稀土永磁同步电机用于无机房电梯具有普通有机房曳引机相类似的特点和表现。无机房曳引机具有普通有机房曳引机更苛刻的外形要求。无机房曳引机维护保养的不方便要求曳引机具有近乎完美的可靠性，这点与无机房曳引机苛刻的体积和结构要求存在着技术上的矛盾。无机房曳引机几个要认真关注的问题：制动系统是否长期稳定可靠？轴承怎么保证长期完好的润滑？稀土永磁体能否被长期可靠地固定住？（对外转子电机而言）由于无机房的电机的长径比太小（“盘”式），所以无机房曳引机的效率不及普通有机房曳引机是正常的。,稀土永磁同步电机,扶梯曳引机驱动扶梯的负载特点与直梯有一个最重要的差别：就是扶梯轻载的时间占有很大的比例！然而，扶梯所配置的电机又要满足负载最重的时候使用。扶梯曳引使用稀土永磁同步电机有如下好处：1.不需要使用变频器来改变扶梯慢车等待或停车等待就能节约大量的电能消耗。因为稀土永磁同步电机的工作电流和负载几乎是线性关系，轻载时电流按比例减小，空载时几乎为“0”。2.不同于异步电机的是稀土永磁同步电机轻载时也具有很高的效率，电机的发热量也非常的小。,稀土永磁同步电机,扶梯曳引机驱动3.当扶梯下行且载有人时，稀土永磁同步电机可以自动把势能转变为电能，并自动回馈到电网中。4.利用稀土永磁同步电机再生发电制动特点，可以不再需要机械制动器，虽然再生发电制动不可能绝对的停车，但，即使梯级上全部站满了人，电梯也只是产生不对人构成任何伤害的缓慢滑移。尽管现行的电梯标准还不让取消机械制动器，但从安全角度讲再生发电制动远比机械制动更可靠。稀土永磁同步电机用于扶梯，因为经济上的原因最好不要使用无齿轮方式。,稀土永磁同步电机,关于稀土永磁体的稳定性永磁电机在长时间使用后磁体存在退磁的可能性的。稀土永磁体退磁发生在以下几种情景：1.稀土永磁体本身质量不合格。2.磁体用量过少（充磁方向太薄了）。3.电机工作时过热，超过了最高允许温度。4.电机发生严重的过电流或电机高速运行中发生突然短路故障。5.稀土永磁体被长时间氧化。设计稀土永磁电机，要充分考虑到电机可能会遇到的最恶劣的工作环境。在磁体的用量上应该有足够的富余量。装机前的稀土永磁体最好经过温度老化处理，祛除工作温度内的不可逆损失。,稀土永磁同步电机,关于再生发电制动在外力作用下，永磁体和闭合的电枢回路发生相对运动，绕组产生了短路电流而显示出阻滞转矩，特别注意的是，这个阻滞转再生发电制动就是短接了电机的接线端子，当电机受到外力拖动旋转时，电机矩的大小总是和外力拖动旋转的矩相等。在电梯中使用再生发电制动至今是一个有争议的话题：1.在电机静止时短接电机的接线端子，操作安全。再生发电制动可以为电梯增加除机械制动外的第二套辅助制动能力，无疑，电梯因此安全性得到了提高。2.在电机高速运转时短接电机的接线端子，操作危险！因为这个时候电机绕组内的电势很高（300伏左右），短接时产生的短路电流很大，其峰值可能冲至300500A以上。过大的短路电流可能损坏电机机械结构、使永磁体退磁、烧毁短路回路、烧熔连接触点。过大的阻滞转矩还会使电梯产生很大的加速度，对电梯设备和乘员造成伤害。3.使用再生发电制动必须要安全、可靠、稳妥。,稀土永磁同步电机,关于同步变频驱动系统同步变频驱动系统包含：永磁同步电机、位置传感器、同步变频器三部分。位置传感器：与电机同轴固定。其中心任务是协助同步变频器识别电机任何时刻转子的具体位置，为电机提供一个总是超前于转子磁场90的“三相交流电流”。定子电流总是超前转子磁场90的空间概念就是所谓“空间矢量”概念。其普通任务是为同步变频器提供电机转速、旋转方向的观测，用于对电机实施运行控制。,稀土永磁同步电机,关于同步变频驱动系统同步变频器：空间矢量解算：构造超前90定子