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直驱式电梯研究现状

虽然每一种旋转电机都可以至少对应一种直线电机，即只要将旋转电机沿径向剖开，并沿圆周展成直线就能得到相应的直线电机类型，但由于受到经济及技术指标的限制，比较常用的电梯驱动用直线电机主要有三类，即直线感应电机（Linear Induction Motor, LIM），开关磁阻直线电机（Linear Switch Reluctance Motor, LSRM）以及直线同步电机（Linear Synchronous Motor, LSM）。其中LIM包括圆筒型和扁平型两种；LSM包括超导直线电机（Linear Superconducting Synchronous Motor, LSSM）以及永磁同步直线电机（ Synchronous , ）两类。它们虽然同属直线电机，但是在性能上各有千秋。LIM经过多年的发展，技术相对较为成熟。目前，圆筒型LIM驱动的电梯产品已经得到了实际应用，图1.4所示为圆筒型LIM驱动电梯的实物图，其总体方案与一般曳引式电梯类同，轿厢和对重仍采用钢丝绳相连接。对重装置中装有圆筒型的初级。而次级则呈立柱贯穿于对重，并延伸至整个井道。既是驱动装置，又是对重的一部分。该装置次级结构简单，成本较低，易于与传统电梯竞争，但是它仍然存在对重与绳索，与传统曳引方式并无本质区别。此外，也有学者对用扁平型LIM驱动电梯方式进行了研究。但是，效率、功率因数等不利因素是直线感应电机长期引起争议的显著缺点。虽然已有国外学者对此展开研究，试图解决这一技术难题，但是难以从根本上提高LIM的性能，因此，基于LIM驱动的电梯通常仍采取对重-钢索结构，以降低对驱动电机的要求。

LSRM因其结构简单坚固、成本低、工作可靠、易维修等优点，得到了国内外学者的广泛关注，文献[9]提出的新型双侧LSRM，其结构如图1.5所示，为短初级长次级结构，结构非常简单，初级重量轻，次级仅由硅钢片叠压而成，可靠性高，非常适合电梯驱动这种长行程工况，其测试平台如图1.6所示。但是，开关磁阻电机尚存在推力纹波和噪声等方面的问题^[18]，因此该类电机在直驱电梯上的应用并没有得到普及。

图1.7 直线同步电机驱动电梯示意图

在所有垂直驱动用直线电机中，被认为是一种能增加效率，提高运行性能的电机种类，因此具有广阔的发展前景。在LSM驱动的电梯中，LSSM由于其电流密度高，与非超导相比，具有更高的推力密度，曾一度被认为是无绳电梯驱动电机的首选之一。该电梯的驱动原理如图1.7（a）所示，从图中可以看出，驱动的电梯沿着较长的井道铺设常导体，而将价格相对昂贵的超导体布置在轿厢上，这将大大降低系统成本。采用LSSM驱动电梯，运行效率高，系统运行成本低，然而超导材料的冷却设备复杂且成本高，热绝缘处理程序繁琐，制约了该类电机的发展。

随着永磁材料特别是稀土材料钕铁硼（NdFeB）性能的不断提高，近年来永磁电机得到了较为快速的发展，永磁电机没有励磁损耗，因此具有效率高、功率因数高、功率密度高、体积小、重量轻等优点，目前，LPMSM的研究已经广泛展开，也包括在电梯驱动中的应用。与LIM和LSRM相比，LPMSM具有力能指标高、效率高、功率因数高等显著优点。就现有永磁直线电机而言，根据永磁体安放的位置可以将其分为两大类：一类是永磁体安装在次级（也就是旋转电机中的转子），称为次级永磁型直线电机。另一类是永磁体安装在初级（也就是旋转电机中的定子），称为初级永磁型直线电机。

次级永磁型电机又分为单边型和双边型，过去的几十年里，人们主要对次级永磁型直线电机做了大量研究和试验。图1.7（b）所示为电梯驱动用双边次级永磁型直线电机的结构形式，图中永磁体布置在次级上，次级为运动体，而永磁体的两边为电机初级，显然，初级是固定不动的。图1.7（c）与（d）所示为单边次级永磁型直线电机驱动电梯的两种方式示意图，图1.7（c）为井道侧放置电枢绕组，轿厢上安装永磁体，称为井道初级式，1.7（d）情况相反，称为轿厢初级式。对于电梯驱动这种长行程工况，如果采用次级永磁型直线电机，不管将电枢绕组或永磁体放置在哪一侧，都会消耗大量的永磁材料或铜线，而永磁材料与铜线价格相对较贵，这违背了“资源节约型社会”的宗旨，而且面对如今资源匮乏，能源紧张的局面，次级永磁型直线电机已经不再符合电梯等长行程应用长远发展的选择。

以上多种因素迫使初级永磁型直线电机又一次被重视起来，当然这对我们来说既是一次机遇，也是一次挑战。目前，常见的初级永磁型直线电机主要包括：双凸极永磁直线电机、磁通反向永磁直线电机、磁通切换永磁直线电机和游标直线电机。本项目主要研究的是初级永磁型直线电机中的游标直线电机，游标直线电机值得研究肯定有它的优势所在，主要表现在：

1) 游标电机基于磁齿轮效应工作，推力密度较高，非常适合低速、大推力工况；

2) 置于井道侧的电机次级结构非常简单（无绕组、无永磁体），仅由导磁性材料（如硅钢片）组成，它不仅继承了直线感应电机次级可靠性高、易于维护等优点，而且造价更低；

3) 我国的稀土资源储备量居世界第一，因此用稀土永磁材料作永磁体有更大的优势，比一般电机有更高的效率。