MRL 电梯设计与开发

By 梁红亮 | 工程 1年2020月XNUMX日

阅读时间：19分钟

图 1：典型的 630 kg、1:1 悬臂梁的平面图

人工智能概述

现代磁悬浮电梯采用直接安装在井道内的盘式永磁电机，扭矩由电机直径和长度决定，因此扁平大直径转子优于笔形转子。2:1的钢丝绳传动比在扭矩、钢丝绳数量、尺寸和成本方面均优于1:1，且钢丝绳寿命要求直径比至少为45。永磁电机需要通风，因为低速运行时效率会下降，过热会导致磁体退磁。由于没有齿轮箱，必须尽可能降低加速度和轿厢质量。顶部驱动、集成式下置分流器、减少净空高度和地坑高度以及三维设计建模等措施提高了安全性，减少了钢丝绳数量并降低了成本。磁悬浮电梯适用于轻型至中型电梯；应避免高速和长行程。

现代 MRL 起源的第一手资料

1996 年宣布了一项技术突破：一种将无齿轮永磁 (PM) 电机直接放置在轴中以消除机房的方法。虽然 PM 电机很小，但它会产生高扭矩以直接驱动汽车和配重，其 RPM 范围为 1,000 到 100（相对于传统感应电机 RPM 为 2 到 1）。为了获得尽可能大的驱动力（扭矩除以半径），驱动滑轮的半径尽可能小，绳索的比例尽可能大，例如4：1或XNUMX： XNUMX.

背景

自 2003 年加入 Quality Lift Products Ltd. (QLP) 担任产品开发工程师以来，您的作者一直在研究无机房 (MRL) 电梯技术。该公司自 2002 年以来一直向英国市场提供 MRL 电梯。以 1:1悬臂式绳索，设计昂贵且设计不佳；超过 1000 公斤的容量也不是很好，因为所有负载都由竖井一侧的一面墙承担。在为 QLP 开发未来的产品时，我非常努力地将绳索更改为 2:1。

2004 年，我有机会为本文称为“A 公司”的伦敦地铁 (LU) 项目进行概念性 MRL 电梯设计，该项目将为 120 年奥运会安装大约 2012 部电梯。我向A公司和LU提交了两个3D概念模型，一个被接受了。项目中的竞争者将被称为
“B公司。” 该公司已经是该项目所有电气设备的供应商。我的设计最终帮助 QLP 成为供应商，提供所有机械设备。

LU 需要量身定制的 MRL 升降机的原因是：

这些 MRL 电梯必须通过入口，而 LU 站现有的大多数竖井都很宽但很浅（深度）。典型的带有直通入口的 MRL 电梯无法安装在井道中，因为机器安装在其中一个轿厢导轨上，而配重安装在井道侧面并偏移轿厢导轨，这需要更大的轴深度。
一些制造商的 MRL 电梯使用皮带驱动电梯轿厢，这对于地铁站来说不是一个好的解决方案。由于皮带当时是新产品，其可靠性还有待市场检验（图2）。
当时，一家制造商的 MRL 升降机将电机直接放置在车顶上方，这需要更多的净空高度（图 3）。（该公司目前的全球 MRL 升降机从 2005 年开始生产，但它于 2007-2008 年在英国市场推出。设计与我的相似，我至少在一年前做过，我的设计容量为大于公司的升降机，最大载重量为 1000 公斤。）
其他欧洲供应商的标准 MRL 升降机是轻型的，不适合公共交通。
LU 希望升降机能够由任何独立的英国升降机服务公司进行维护，因此他们更喜欢独立制造商。对于电气设备来说尤其如此。

A 公司采用 QLP 来设计 MRL 升降机，这样它就不会使用竞争对手的产品，也不会卷入专利问题。

关键组件

钕磁铁是一种稀土永磁体，由钕、铁和硼的合金制成，形成 Nd2Fe14B 四方晶体结构。这种材料目前是强度最高的永磁体类型（《ELEVATOR WORLD》，2019 年 XNUMX 月）。

同步电动机是一种交流电动机，其特点是转子旋转，线圈以与交流电 (AC) 相同的速率通过磁铁，并产生驱动它的磁场。另一种说法是它在通常的操作条件下具有零滑差。（与感应电机形成对比，感应电机必须滑动才能产生扭矩。）它们与线频率同步运行。与鼠笼式感应电动机一样，速度由极对数和线路频率决定。同步电机可提供从亚分数、自励尺寸到大马力、直流励磁工业尺寸的产品。在分数马力范围内，大多数同步电机用于需要精确恒速的场合。在大马力工业规模中，同步电机提供两个重要功能。首先，它是一种将交流能量转化为工作的高效方式。其次，它可以在超前或单位功率因数下运行，从而提供功率因数校正。

永磁电机特性

T = BLR2πRA = 2BA(πR²L)= 2BAV (1) 其中 T = 扭矩（总），B = 磁场强度，L = 磁场中的导体长度，R = 电机的等效半径，V = 电机体积（ X 长度的电机等效截面）。

由于磁饱和，磁场强度不能无限增加。要增加扭矩，只有两种方法可用：增加电机直径和/或增加电机长度。这就是为什么 PM 电机通常是扁平的（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在转子和驱动轮之间获得更大的比率。图 4 显示了一个类似的概念，即在不使用变速箱的情况下增加扭矩。由于扭矩与半径的平方成正比，因此在设计 MRL 升降机时必须从（扁平）永磁电机开始。

D/d与绳索寿命的关系

F = T/R 其中 F = 驱动力，T = 扭矩，R = 半径。在恒定电机转速下获得足够 F 的一种方法是使驱动滑轮的半径尽可能小。但是，滑轮直径必须大于绳索直径的 40 倍。通常，在 MRL 电梯设计中，所选的绳索直径 (d) 为 8 毫米（更具体地说，为 7.92 毫米）。滑轮直径 (D) 为 40 X d = 320 mm。如果绳索直径太小，则在负载时将需要太多的绳索。对于铅笔式永磁电机，D 必须尽可能小，这就是为什么一些 MRL 制造商必须使用皮带而不是绳索来驱动电梯轿厢和配重的原因。需要注意的是，D/d 至少应为 45；否则，绳索会很快磨损——对于非常繁忙的电梯，可能会减少到不到两年。

理想的速度和效率

由于大多数永磁电机设计用于 2:1 绕绳，假设升降机的速度 (V) 为 1 m/s，d = 320 mm。那么，2:1 绕绳的转速为 240 rpm。如果绳索为 1:1，则速度是 2:1 绳索的一半。 PM 电机具有较宽的速度范围；理想的旋转速度可能是 400 rpm（对于 1.6 m/s 速度）或更高。

PM 电机低速时的效率不能很高（应小于 83%）。一些产品广告声称效果超过 95%——这是理想的速度。例如，在 1.6 m/s 时，使用 2:1 绳索，所需的理想速度为 400 rpm）。在较低的速度下，例如 1 m/s，损失的能量将转化为热量。由于稀土磁体对过热相当敏感，因此防止电机非常频繁地工作（例如，就像在高楼中那样）。如果电机过热，当温度大于150°C时，可能会暂时失磁；如果过热太严重（例如，在 370-400°C/短路），它可能会永久失去磁性。这就是为什么大多数永磁电机安装必须包括通风风扇的原因。

加速

如果没有齿轮箱——这是一个扭矩放大器，而不是减速器——PM 电机的加速系数远低于齿轮电机的加速系数，通常为 a = 0.5 m/s²。当您的作者为一个项目设计两层 MRL 电梯时，客户最初指定的速度为 1.6 m/s。我做了一个计算并向客户展示了结果，以证明 2.56 m 是达到全速的最小距离（V = a XT，T = V/a = 1.6/0.5 = 3.2 s，H = 0.5 X a X T² = 2.56 m）。如果地板高度小于 5.12 m (2.56 m X 2)，汽车将永远无法达到全速。这种更高的速度只能在 1 m/s 的速度上节省几秒钟，但需要设计整个系统以适应更高的速度。这将使总成本增加至少 40%。此外，由于永磁电机大多以低于 1.6 m/s 的速度工作，因此能源效率会很差。

车重

当对物体施加扭矩时，角加速度 ( ) 由 = /I 给出。不仅取决于扭矩 ( )，还取决于物体关于给定轴的转动惯量 (I)，这是通过使用方程确定的。固定时，要获得更大的加速度，驱动轮组件的转动惯量必须尽可能小。因此，MRL 电梯轿厢应重量轻（例如，对于容量为 1000 公斤的典型 MRL 电梯，轿厢重量应为 790-1,150 公斤）。有时，甚至铝制汽车也被用来减轻重量以实现合理的加速。

绕绳比

大多数 MRL 升降机使用 2:1 绳索。好处是：

将绳索的数量减少一半
在启动和低速时轻松增加两倍的扭矩
在起重能力相同的情况下，尺寸减小 50%
1:1 电机比 40:2 电机贵 1% 以上。
对于超过 1 公斤的容量，1:630 绳索是不经济的。

速度

PM电机的变速范围很广，所以额定功率也应该是可变的。不同速度的电梯可以使用相同类型的永磁电机。例如，相同的永磁电机可用于 630 m/s 时 1 kg 和 630 m/s 时 1.6 kg 的 MRL 提升配置。

带下悬式分流器的一体式升降车

MRL 升降机的新轿厢设计概念包括用轿厢板和下悬挂式转向器构建轿厢吊索，以减少在车顶上的负担。需要注意的是，轿厢板与侧墙的间隙小于700mm时，需要500mm的轿顶栏杆；如果间隙大于 500 毫米，栏杆高度必须为 1,100 毫米。

高速 MRL 升降机

MRL 升降机不适用于高层建筑。首先，由于绕绳比为2:1，当额定速度大于3 m/s时，绳速会大于6 m/s，这对于整个系统来说太快了。其次，由于绳索和补偿链/绳索的长度，整个驱动滑轮组件的质量比低速 MRL 电梯大得多。为了获得可接受的加速度，永磁电机必须非常大。结果，电梯井道将无法容纳机器。

MRL 提升 UCM 保护

永磁电机安装在永磁电机的转子中以提供永久磁场，因此电机运行无需感应大电流转子。如果将主接触器的常闭端子连接到一组电阻器上，如果轿厢和对重不平衡时制动器失灵，则永磁电机就变成了交流发电机。在这种情况下，电流被电阻器耗尽。虽然它们不能完全停止运动，但它们会产生抵抗它的扭矩，从而大大减慢它的速度。当刹车失灵或误操作时（例如，服务工程师远程释放刹车导致电梯轿厢撞到净空高度，严重损坏的真实事故），这种效果可视为意外轿厢移动（UCM）保护。轿厢和对重缓冲器）。

专利

英国的专利标准是，该想法不得事先公开，必须具有创造性，并且必须是工业应用。这些有20年的寿命。由于规则可能很复杂且因国家/地区而异，寻求规则的人应获得专业建议（例如，专利代理人）。以下抽象概念在英国不可申请专利：

科学理论
信息介绍
电脑程序
诊断方法

您的作者于 2008 年 800 月加入 B 公司。我被要求制作 630 公斤 MRL 升降机的制造图纸，该升降机基于现有的 2 公斤 MRL 升降机在 1:1 绳索中的二维设计。我借此机会将 630 公斤的升降机从 2D 图纸转换为 3D 模型。我只用了一个月的时间就完成了这项工作，因为我完全理解了之前设计的原理。此外，我发现可以实现以下目标：

安全性的改进
净空减少 700 毫米
更少的绳索和一半的载荷作用在齿轮/转向轮上
降低材料和制造成本

面临的主要挑战

大多数升降组件由金属板制成，最小公差为 ±0.5 毫米。由于升降机安装在一个公差为±25 mm的井道中，组件易于设计和制造。关于工程原理，您的作者主要遵循 EN 81-1 电梯建造和安装安全规则。新的电梯必须是 2:1，因为许多采用 2:1 绳索的布局已在欧洲注册为专利。因此，避免侵犯专利是您作者面临的最大挑战。

流程与调查

您作者的 3D 模型可以非常快速地找到现有设计中的所有问题。该设计不仅存在安全问题，而且还需要比大多数其他品牌多 700 毫米的净空高度。大多数现有电梯井的净空高度有限（大约 2,800-3,500 毫米），这就是为什么 MRL 电梯非常需要完全更换现有建筑物的电梯。

顶部间隙

假设配重与其缓冲器之间的距离为 200 毫米，压缩为 170 毫米（最小），当配重放置在其完全压缩的缓冲器上时，必须满足四个条件：

轿厢的引导行程，仍然可能在向上方向，必须等于或大于最小行程，由公式 0.1 + 0.035V²(m) 给出，其中 V 是额定速度 (m/s)。
轿厢顶棚上方的自由高度必须至少为 1 + 0.035V² (m)。
井道天花板最低部分与绳索附件导靴最高部分与垂直滑动门任何部分之间的自由距离必须至少为0.1+0.035V²(m)。此外，天花板的最低部分与固定在车顶上的任何其他设备的最高部分之间的距离必须至少为 0.3 + 0.035V² (m)。
轿厢上方应有足够的空间以容纳最小尺寸为 0.5 X 0.6 X 0.8 m 的棱镜块放在其一面上。对于直挂式电梯，吊绳及其附件可包含在该空间内，前提是绳索中心线与滑梯至少一个垂直面之间的距离不超过 150 毫米。
类似地，当轿厢靠在其完全压缩的缓冲器上时，仍然可以向上的配重的引导行程必须至少为 0.1 + 0.035V²(m)。

坑深

假设汽车与其缓冲器之间的距离为 50 毫米，压缩为 170 毫米（最小），当汽车停在其完全压缩的缓冲器上时，必须满足以下条件：

凹坑中必须有足够的空间来容纳最小尺寸为 0.5 X 0.6 X 0.8 m 的棱镜块放置在其一个面上。
坑底与 (a) 导靴、安全装置块、脚趾导轨或垂直滑动门的任何部分的最低部分之间的净距必须至少为 0.1 m。 (b) 除了 (a) 中详述的项目外，汽车的最低部分必须至少为 0.5 m。
固定在坑内的部件的顶部（例如补偿绳的张紧装置）与轿厢最低部分之间的自由垂直距离，除了（a）中详述的部件（上面的一个项目）必须至少为 0.3米。

	现有设计 (1:1)	新设计 (2:1)
最小净空	4.36 m（最小）	3.69 m
最小坑	1.557 m	1.557 m
绳数	8-10	4-5
电机尺寸	A	60% A
电机成本	B	B的60%
齿轮上的力和载荷	C	碳的 50%

预期结果

其他型号

你的作者还为 B 公司制作了另外两个模型，与我 2004 年为 LU 项目设计的电梯相似。（我在 2020 年 16 月在澳大利亚悉尼也看到了类似的设计）。由于这些没有被采纳，它们被允许作为我的个人练习发表（图 17 和 XNUMX）。

教训

您的作者在跨国公司工作时学习了许多 MRL 电梯设计解决方案。这种设计可以通过以下方式进行推断：

转向轮可以悬挂在支撑梁下方。
汽车吊索高度可进一步降低200mm；最小净空高度可更改为 3,500 毫米。
坑深可以减少到 1.350 m。
D/d 应至少为 45。

对项目的贡献

您的作者在处理该项目时做了以下工作：

否决了现有的设计，该设计存在许多隐藏的安全问题
显着降低成本和制造复杂性
为公司建立强大的3D计算机辅助设计系统
改进的设计能力从最大容量为 800 公斤的定制 MRL 升降机到具有更高最大容量的全系列升降机，为大规模制造做好准备。

结论

可以得出以下结论：

MRL升降机设计基于永磁电机；必须选择正确的。电机是设计中的首要考虑因素。
PM 电机的尺寸取决于施加的扭矩，而不是功率。
2:1 的绳索比总是比 1:1 好。
与铅笔式传统永磁电机相比，盘式/平板永磁电机始终是 MRL 升降机设计的首选。
顶部驱动总是比底部驱动更好：底部驱动系统中的绳索太长，转向器太多，这大大缩短了绳索的使用寿命。
3 m/s 应该是 MRL 升降机的最大速度；否则绳速过快。
MRL 升降机的最大行程高度应小于 120 m；否则，永磁电机很容易因频繁停止/启动而过热。当总行程超过 100 m 时，不得为必须长时间运行的电梯订购 MRL 电梯。
MRL 升降机是一种轻型产品，不应推荐用于重型用途，例如公共住房、多层停车场或火车站。如果有特殊需要，应采用更高额定功率的 MRL 装置，以便允许更大的轿厢重量，使电梯轿厢更加坚固（例如，将 800 公斤容量的标准 MRL 电梯改装为 630 公斤-大容量 MRL 升降机，配备重型、坚固的轿厢）。
MRL 电梯于 1996 年首次推出。这些专利应该在 2016 年底到期，因此 MRL 电梯设计的一些想法可以用于任何项目。如果出现使用问题，建议咨询专利代理人确认。
如今，永磁电机代替交流齿轮电机或直流无齿轮电机，广泛应用于机房上方的电梯。由于我曾经历过一些使用MRL电梯解决方案用于机房上方电梯以将成本降至最低的投标提交，因此必须特别注意那些用于中高层建筑的“小型机房”电梯。简单地将MRL电梯的机器从井道中移到机房来建造机房上电梯是不可接受的，尤其是写字楼，机房上电梯的绳索比应为1 :1，而不是 2:1。这是因为机房上方的升降机在 1:1 时具有更大的容差、更好的可靠性和更长的绳索寿命，而不是 2:1。