高速电梯机械设计与开发

绳索寿命和轴承故障调查

关键词： 高速电梯、永磁 (PM) 电机、扭矩、电机尺寸、驱动绳轮直径 D、绳索直径 d、D 和 d 的比率、磨损、轴承故障、绳索数量、悬挂绳索重量、补偿绳索重量

抽象

如今，机房上方的电梯广泛使用永磁 (PM) 电机，而不是交流齿轮电机或直流无齿轮电机。PM 电机的尺寸由施加在其上的扭矩决定，即扭矩 = 驱动力 x 半径。为了最大限度地减少扭矩，从而降低制造成本，驱动滑轮的半径应尽可能小。

传统上，滑轮直径以钢丝绳标准为依据，该标准要求滑轮直径至少为钢丝绳直径 (d) 的 40 倍。然而，规范和标准是安全的最低要求，而不是质量的要求，为了使电梯的质量合格，对于中层或高层电梯，D 和 d 之间的比率必须大于
大于40。

钢丝绳的最大寿命与驱动绳轮的最小直径、钢丝绳的最大重量（包括补偿绳）与绳轮的最小直径是两对矛盾，如果所有电梯都采用D/d=40，将会出现很多问题，因此，笔者对D/d给出了几点建议：

1。 背景

您的作者文章 MRL 电梯设计与开发 于 2020 年 XNUMX 月在《电梯世界》上发表， EW Middle East 4 年第四季度（英文和阿拉伯文）。

由于无机房 (MRL) 电梯设计基于 PM 电机，因此选择合适的 PM 电机是首要考虑因素。因此，自 2004 年以来，我对 PM 电机进行了大量研究；选择 PM 电机的关键点是：

• PM 电机的尺寸由施加的扭矩而不是功率决定。
• 与传统的交流电机不同，永磁电机的功率在有效转速区内是可变的（图 7）。
• 与铅笔式传统永磁电机相比，盘式/扁平永磁电机始终是 MRL 电梯设计的首选。

此外，笔者也曾遇到过一些投标书，为了将成本降到最低，将无机房电梯解决方案用于机房电梯，对于中层建筑的“小机房”电梯，必须特别注意。简单地将无机房电梯的机器从井道移到机房，建造无机房电梯是不可接受的。

图 2 是 2500 层办公楼内 18 公斤服务电梯的招标文件。规格要求电梯速度为 1.6 米/秒，机器必须是平式，驱动滑轮的最小直径 D/ 绳索直径 d 不小于 45，绳缆比应为 2:1。但招标文件规定，机器的 D/d=40，绳缆比为 4:1，最高速度为 1.0 米/秒。

2。 问题 

2024 年 330 月，作者受邀调查中国一家豪华酒店的客运电梯问题。该酒店的运行高度为 1600 米，四台重 10 公斤的客运电梯，速度为 14 米/秒，自酒店开业 XNUMX 年以来已更换过两次绳索。 

此外，我还听说，不仅驱动轮磨损严重，而且机器的轴承在不到十年的时间里至少更换过一次。此外，一些驱动轮轴因轴承故障而严重受损。

机器铭牌上标明绳子直径d=19mm，绳子数量为10根。根据操作手册，驱动滑轮直径D=900或760，但目测应该是760。如果是这样，D/d=760/19=40，刚好满足规范和标准的最低要求。

相比之下，有两部服务电梯的容量相同，但速度为 7 米/秒。它们的机器完全相同，但绳索数量为 10 根而不是 XNUMX 根。这两部服务电梯非常繁忙，每天都在运行，但没有出现上述问题。 

对照其他电梯厂家的数据，厂家A有一台1600kg的电梯，速度为10m/s，使用16根d900钢丝绳，驱动滑轮直径为D=900mm，D/d=16/56.25=1600。而厂家B有一台10kg的电梯，速度为10m/s，使用16根d860钢丝绳，驱动滑轮直径为D=860mm，D/d=16/53.75=900。由此可见：如果D=16，钢丝绳直径为d=XNUMXmm，使用XNUMX根钢丝绳是最佳选择，因为钢丝绳的总重量最小。

从图3可知d16绳的质量为1.03kg/m，若运行高度为330m，包括补偿绳，10根d16绳的总重量为6798kg，16根d6118绳的总重量为XNUMXkg。

d19绳重1.45kg/m，若行进高度为330m，加上补偿绳，10根d19绳总重9570kg，19根d8613绳总重957kg，差值（单根绳重）为XNUMXkg。

10 根 d19 钢丝绳与 10 根 d16 钢丝绳的重量差为 9570 千克 - 6798 千克 = 2772 千克。由于钢丝绳采用双层缠绕，10 根 d19 钢丝绳对驱动滑轮产生的静载荷比 4026 根 d10 钢丝绳大 16 千克。10 根 d19 钢丝绳对驱动滑轮产生的静载荷为 6904 千克（近 7 吨），比 16 根 dXNUMX 钢丝绳大。

3. 原因 

无机房电梯是永磁电机创新的产物。如今，永磁电机取代了交流齿轮电机或直流无齿轮电机，广泛应用于机房上方电梯。永磁电机虽然体积小，但可以在 100 Hz 交流电源下产生高扭矩，以千分之一到十万分之一的有效转速范围通过绳索直接驱动轿厢和配重，而传统感应电机的额定转速为万分之一到千分之一。因此，可以从电梯中移除齿轮箱。 

3.1 永磁电机特性 

T = BLR2πRA = 2BA(πR²L) = 2BAV^[1]

其中，T=扭矩（总扭矩），B=磁场强度，L=磁场中的导体长度，R=电机等效半径，V=电机体积（电机等效截面X长度L）。 

由于磁饱和，磁场强度不能无限增加。要增加扭矩，只有两种方法：增加电机直径和/或增加电机长度。这就是为什么 PM 电机通常被制成扁平（细长但直径大）以获得尽可能高的扭矩。大直径转子的另一个目的是获得转子和驱动槽轮之间的更大比率，如图 12 所示。 

由于扭矩与半径的平方成正比，因此在设计 MRL 电梯时必须从（扁平）PM 电机开始。

3.2 D/d与绳索寿命的关系 

F = T / r 

其中 F = 驱动力，T = 扭矩，r = 驱动绳轮半径。获得足够 F 值的方法之一是使驱动绳轮半径尽可能小。但是，根据电梯规范和标准，绳轮、滑轮或卷筒的节圆直径与悬挂绳的公称直径之比至少应为 40，无论悬挂绳的股数是多少。 

对于铅笔式 PM 电机，D 必须尽可能小，这就是为什么一些电梯制造商选择使用皮带而不是绳索来驱动轿厢和配重的原因。需要注意的是，D/d 应至少为 45；否则，绳索会很快磨损——对于非常繁忙的电梯来说，磨损时间可能缩短到不到两年。 

使用 PFEIFER Drako 提供的绳索生命周期计算器，计算不同的 (D 驱动滑轮直径)/d (绳索直径) 的结果如下：

• 当 D = 320 毫米、d = 8 毫米且 D/d = 40 时，平均生命周期 = 542,000。
• 当 D = 360 毫米、d = 8 毫米且 D/d = 45 时，平均生命周期 = 1,393,000（为上述 #2.57 的 1 倍）。
• 当 D = 400 毫米、d = 8 毫米且 D/d = 50 时，平均生命周期 = 2,011,000（为上述 #3.71 的 1 倍）。
• 当 D = 480 毫米、d = 8 毫米且 D/d = 60 时，平均生命周期 = 3,526,000（为上述 #6.5 的 1 倍）。
• 欧洲低层住宅建筑中有许多 MRL 电梯，D/d = 40 是可以接受的。由于现代 MRL 电梯的机器通常使用 PM 电机，因此一些制造商可能会使用尽可能接近 40 的 D/d。如果是这样，必须特别注意绳索生命周期计算，尤其是对于安装在办公楼中的电梯。

4.解决方案

笔者曾咨询过一个20层的办公楼项目，驱动滑轮直径D=600mm，绳索直径d=13，则D/d=600/13=46.15，载重量2500kg，速度3.5m/s，绳比2:1，当时最关心的是绳索寿命，最后电梯承包商同意综合维护包括10年绳索寿命保证。

这种情况下，更换机器是不可能的，由于绳索是双层缠绕，也不可能用扁平碳纤维绳代替圆形钢丝绳。因此，用九根绳索将速度从 10 米/秒降低到 7 米/秒是唯一可行的解​​决方案。 

无需进行适当的交通分析，仅从作者的经验来看，为混合用途建筑顶部的酒店楼层服务的四部 1600 公斤乘客电梯以 7 米/秒的速度运行应该足够好，并且性能应该能够满足设计标准。

5. 两种类型的电梯机械     

由于作者必须搜索有关高速升降机设计的信息，因此从本次调查中我们学到了很多经验教训，尤其是有关 PM 电机的类型：两种类型的电机用于各种应用；它们是径向磁通永磁 (RFPM) 机器和轴向磁通永磁 (AFPM) 机器，每种机器都有自己的优点和缺点。

RFPM机器的优点

1. 高功率密度：它们可以在更小的体积内产生更多的电力，使其适用于空间有限的应用。
2. 成熟的技术：RFPM机器已经使用了很长时间，并且技术更为成熟，这意味着它拥有完善的零部件供应链和更丰富的设计和优化知识体系。
3. 制造成本更低：在某些情况下，与 AFPM 机器相比，RFPM 机器的制造成本更低，尤其是对于低功率应用而言。
4. 高效率：RFPM机器可以达到高效率水平，尤其是针对特定应用进行优化时。

RFPM 机器的缺点

1. 更高的重量
2. 较低的扭矩密度：它们可能需要更大的尺寸才能实现相同的扭矩输出。
3. 有限的冷却选项：与 AFPM 机器相比，RFPM 机器的转子冷却更具挑战性，可能会导致大功率应用中的热管理问题。

交流电机转速基本公式：RPM = 120*F/P。F 为电源频率，单位为赫兹 (Hz)，P 为电机极数。50 Hz 交流电源下，永磁电机的最大转速可视为标称或参考转速。旋转体的功率可表示为 P = T ω，T = 扭矩或“力矩”(Nm)，ω = 角速度 (red/s)（图 7），功率输出为常数；因此，永磁电机的作用范围是标称转速的千分之一到十万分之一（100 Hz 下）。

AFPM 机器的优势

1. 紧凑型设计：在空间有限或减轻重量至关重要的应用中具有优势。
2. 更高的扭矩密度：它们可以在更小的封装内实现更高的扭矩输出。
3. 高效冷却：AFPM 机器中的磁通路径的轴向排列可实现更高效的冷却。
4. 灵活安装：AFPM 机器可以轻松集成到各种配置中，从而简化安装并减少维护要求。

AFPM 机器的缺点

1. 更高的制造成本
2. 供应链有限：AFPM 机器专用组件的供应链可能不如 RFPM 机器那么完善，这可能导致专用组件的交货时间更长且成本更高。
3. 复杂的设计：AFPM 机器的设计需要仔细考虑磁通路径和冷却通道等因素。  

除了轴向磁通永磁电机外，一位中国专家还向作者提出了一个问题：“对于那些速度为 2250 米/秒的 2250 公斤/10 公斤双层电梯，为什么一家制造商的机器重量为 7500 公斤，而其竞争对手的机器重量通常至少为 15,000 公斤？”我的回答是，该机器采用的是双面轴向磁通永磁电机，而不是单面径向磁通永磁电机。 

实际上，根据制造商的销售手册，2250 kg/2250 kg 双层电梯在 10 m/s 速度下，输出功率为 330 kW，D=1200mm，重量为 6150 kg，而不是 7500 kg。绳索为 14 X d18、13 x d19 mm 或 12 X d22。我认为 13Xd19 是最佳选择，其中 D/d=1200/19=63.15。

6. 结论

笔者认为，扁平钢丝绳、碳纤维绳、轴向磁通电梯机将是近期高速电梯产品发展的方向。通过本次针对钢丝绳寿命和轴承故障的调查，可以得出以下结论：

• 由于10根d19钢丝绳（含补偿）总重量为9570kg，是5.98k载重量的1600倍，将载重量由1600kg降为1350kg，只能使整套设备总重量减少250+0.5X250=375kg，对于钢丝绳寿命和轴承寿命的提高帮助不大。 
• 电梯制造商没有生产速度为10米/秒的单层乘客电梯的合适机器，结果“用狗来拉马车”（图1）。 
• 当使用额定功率较低的机器来驱动速度为 10 m/s 的电梯时，为了获得足够的驱动力 (F=T/r)，驱动绳轮的直径必须尽可能小，不是 900 mm，而是 760 mm。否则，机器将使用 9Xd16 绳索。 

• 因为直径 760 毫米的驱动滑轮的接触长度比直径 900 毫米的 d16 绳索的接触长度短，所以摩擦力不够。因此，绳索直径必须增加到 d19 而不是 d16，但 10 根 d19 绳索会大大增加绳索的重量（包括补偿）；因此，轴承严重超载。而且，由于 D/d 刚好等于 40，10 根 d19 绳索很可能在五年内磨损。
• 10 m/s 的速度比 42.8 m/s 快 7%，而且速度越来越快，绳重也越来越重，加减速时间也长了 42.8%，几年后轴承就会失效，另一方面，10 m/s 的速度可能超出了 7 m/s 永磁电机的有效速度范围（图 7）。  
• 轴向磁通电机最大的劣势在于供应链受限导致的制造成本，不过与高速电梯机带来的巨大效益相比，额外的成本可以忽略不计。另一方面，轴向磁通电机的技术已经成熟，而且轴向磁通电梯机（图12）的专利已于2016年到期，因此轴向磁通电机的制造成本有望越来越低。

轴向磁通单绕电梯电机是高速电梯，特别是双层电梯的首选电机，因为它结构最简单，电机重量不到传统径向磁通电机的一半。 

当运行高度大于500m时，应认真考虑采用轻型碳纤维绳索的轴向磁通电梯。

7. 作者注 

规范和标准是安全的最低要求，而不是质量的要求。对于电梯制造商（如图2所示），仅仅满足最低安全要求就将产品供应给市场是不够的。

D/d 至少为 40 是安全的最低要求，但并不适用于所有电梯。因此，作者给出了一些建议：

• 当电梯速度小于（含）1.6m/s时，D/d最小允许为40。
• 当速度大于（含）2米/秒、小于（含）3.5米/秒时，D/d至少为45。
• 当电梯速度大于（含）4米/秒、小于（含）7米/秒时，D/d应当至少为50。
• 当电梯速度大于（含）8m/s时，D/d至少应当为55。 
• 钢丝绳与铁制驱动轮之间的摩擦系数一般为0.15-0.3，且很稳定，而镀层钢带之间的摩擦系数则变化范围很宽（0.176-0.784）。^[6] 而且，使用时间越长，系数越大。这将导致过度牵引。非金属绳索被认为具有与滑行钢带相似的摩擦系数。这就是为什么在垂直运输（VT）中采用金属对金属的摩擦作为牵引力的原因。当电梯轿厢高速上升但发生紧急停止时，如果摩擦太大，非金属绳索和驱动绳轮将具有很小的滑动摩擦。这将产生巨大的力来阻止对重向下移动。由于冲量F×Δt=M×（V2-V1），由于Δt太短，F将非常大，并且会给整个系统带来大问题。这就是为什么作者认为超轻绳索不适用于高速电梯的原因。但是，在电梯机器的制动器上安装ABS（防抱死制动系统）可能是一个解决方案。

案例

[1] MRL 电梯设计与开发、《电梯世界》2020 年 XNUMX 月刊和 EW Middle East 在Q4 2020中。 

[2] Habib - 2022 - IET 电力应用 - Wiley 在线图书馆：无铁芯轴向磁通永磁电机当前研究与发展的系统性综述 - IET 电力应用 - Wiley 在线图书馆

[3] PMSM驱动特性和约束曲线，uk.mathworks.com

[4] 通力销售手册 

[5] 蒂森克虏伯 DRIVE DAB530 操作手册 Pdf 下载 | ManualsLib

[6] 芙蓉区中房睿智国际社区“8.26”电梯故障伤人事故调查报告及技术鉴定报告。

[7] Linkedin.com