无绳电梯用直线永磁同步电机的研究

作者：Albert So 及 WL Chan

本文在捷克共和国布拉格举行的 Elevcon 2023 上发表。

关键词： 直线电机，无绳，永磁，仿真模型

抽象

可以肯定的是，由于 TK Elevator (TKE) MULTI™ 的首次成功开发，多维电梯系统将在未来几年内很快成为电梯行业的主导。为了促进这种设计，必须实施无绳电梯的概念，而采用线性永磁同步电机 (LPMSM)（例如 MULTI 系统中使用的电机）是一个显而易见的选择。在没有提升绳的情况下，电梯轿厢不仅可以沿所有三个方向行驶，而且一个井道中的轿厢数量也不限于两个。我们进行了一系列学术研究，通过模拟评估此类 LPMSM 在各种条件下的性能。本文总结了我们以前的工作并加入了一些新内容，我们将讨论在满载上行行程下实现所需运动学的控制方法、不同电气参数对功耗的影响，最重要的是，我们将讨论在真正停电的情况下与紧急操作相关的分析解决方案。我们还将考虑表面安装和凸极永磁体的机器模型。这基本上是一篇基于作者之前一系列出版物的评论论文。

1. 引言

截至本文撰写时，世界最高建筑仍为迪拜的哈利法塔。21 世纪初，马来西亚吉隆坡的双子塔以 452 米的高度被认为是“世界最高建筑”。2004 年，台湾台北的台北 101 以 508 米的高度成为世界最高建筑。2009 年，迪拜的哈利法塔以 828 米的高度成为世界最高建筑。这些记录可以在 1969 年成立的高层建筑和城市人居委员会 (CTBUH) 的官方网站上轻松找到。 

下一个冠军可能是沙特阿拉伯吉达的吉达塔（原名王国塔），尽管它仍在建设中。该塔最初计划于2020年竣工，原设计高度约为1,600米（近1英里），因此被非正式地称为“英里高塔”。最新消息显示，它的高度只有1米，有167层以上。世界上现有的其他超高层建筑包括马来西亚吉隆坡的默迪卡118，高度为680米；中国上海的上海中心大厦，高度为632米；以及沙特阿拉伯麦加的Abraj Al-Bait塔，高度为601米。

除了这些当代世界纪录外，2022 年“在建”名单上名列前茅的其他建筑可能包括中国天津的高银金融大厦，预计高度为 597 米；中国武汉的绿地金茂国际金融中心，预计高度为 500 米；以及中国苏州的苏州中南中心，预计高度为 500 米。事实上，名单上排名靠前的“在建”超高层建筑大多在中国。不难看出，世界建筑趋势正在争夺高度方面的新纪录。

虽然哈利法塔的官方高度是828米，但建筑最高可占用楼层的高度只有586米，相当于163层。话虽如此，这也正是需要电梯服务的高度。众所周知，传统电梯在超高层建筑中效率低下，浪费时间，成本高昂。根据IBM（2010）的调查，过去12个月（2009-2010年）美国92个大都市地区的办公室职员等待电梯的累计时间长达16年。随着建筑物越来越高，电梯需要服务更多的使用者，因此需要更多的电梯和电梯井。Ascher（2013）认为，每增加一组电梯就会减少可供出租或出售的建筑面积，从而降低建筑物的收益潜力。著名建筑师和生态学家 Ken Yeang (1996) 就超高层建筑可接受的空间比例提供了指导原则，即净建筑面积与总建筑面积的比例不得低于 75%，最好能达到 80% 到 85%。由于电梯是这些超高层建筑的尺寸限制，应该放弃每个井道最多安装两辆轿厢的传统做法。由于传统的高层建筑电梯是绳索牵引驱动的，因此一个井道内不可能安装太多的轿厢。此外，随着提升绳索的长度变长，物体很容易达到共振水平，绳索在运行过程中的振动会变得更大 (DOE, 2016)，因为绳索的固有频率与长度有关 (Halliday et al., 2015)，而当轿厢上下移动时，绳索的长度会不断变化。因此，很难阻止绳索达到其固有频率（Yang 等，2017）。

简单的结论是，这种超高层电梯的电梯轿厢必须通过操纵线性电机驱动器来实现无绳运行。这并不是一个新想法。早在 1981 年，就​​有人申请了一项美国专利 (US 4402386A)，名为“使用直线电动机作为配重的自供电电梯”。虽然这种系统仍采用绳索，但井道顶部的传统主驱动滑轮已不复存在。线性感应电动机安装在圆柱形配重上，配重通过井道顶部的滑轮用绳索连接到电梯轿厢（Janovsky，1993 年）。换句话说，配重通过动力来提升和降低电梯轿厢。第一项无绳专利于 1991 年提交（US 5234079A），其中永磁体安装在电梯轿厢的侧面，定子绕组安装在导轨的侧面。轿厢的永磁转子面向定子绕组。通电后，可产生向上的推力。既没有绳索也没有配重，因此可以在同一垂直井道中安装尽可能多的独立电梯轿厢。磁铁上覆盖着一层薄塑料片，以便于不时清除表面沉积的铁尘（Janovsky，1993 年）。 

直线电机已在其他工业领域得到应用，特别是磁悬浮铁路系统和工厂工业驱动系统（Boldea 等人，2001 年；Glatzel 等人，1980 年；Morizane 等人，2000 年）。近十年来，对直线电机驱动的多轿厢电梯的学术研究越来越多（Takahashi 等人，2008 年；Onat，2010 年）。在他们的研究中，直线电机驱动无绳电梯的必要性得到了肯定。以前也考虑过直线感应电机和开关磁阻电机，但它们的有效载荷与自重之比相对较低。因此，建议使用 LPMSM。此外，有人提出，成本的主要部分是定子，因为它必须跨越整个井道长度。因此，采用了沿井道布置的空芯 PMSM 装置，绕组固定，而永磁体安装在电梯轿厢上，因为将长电缆连接到动子（即电梯轿厢）是不切实际的。并且采用了 Halbach 型永磁体装置来降低凸极效应。 

德国 (Appunn et al.，2018) 在电梯系统中成功实现了 LPMSM，下一节将对此进行更详细的讨论。

2. LPMSM 在电梯上的实际应用

2.1 MULTI™

MULTI™ 这一商标名首次出现于 2016 年（Appunn 等人，2016 年），当时该系统正在德国罗特韦尔的 TKE 测试塔进行测试。据 Appunn 等人 (2016) 称，安装了全尺寸展示台，并进行了调试和大量测试。MULTI 这一名称表示每个井道可以容纳尽可能多的轿厢，从而减少了超高层建筑中井道的占地面积。每台电梯轿厢背面都有一个滑架，用于容纳 LPMSM 的次级永磁轭，而初级部分由沿井道放置的双阵列配置的多个线圈单元组成。所有线圈均由沿井道分布的基于 IGBT 的逆变器单元通电。通过双阵列配置，八个电机控制器和线圈单元作用于单个轿厢。 

四个换热器可位于井道纵横轨道的交汇处。每个轿厢后部的滑架可在旋转平台（即轨道上的换热器）处旋转 90°。每个换热器都是一个直接旋转装置，滑架和直线电机旋转，而轿厢通过联锁保持垂直。然后，轿厢可以水平移动，直到到达另一个换热器，滑架可恢复到垂直方向。

轿厢的位置感应至关重要，其中利用一种特殊的传感器，即轿厢上的秤与井道沿线的传感器头之间的相互作用。位置感应的精度低至微米。每辆轿厢都配备了两个机械制动系统，即运行制动器和安全钳。根据 Appunn 等人 (2016) 的说法，在两种情况下对两辆轿厢进行了试运行。在场景一中，允许两辆不同重量的轿厢沿着两个独立的垂直井道一起上下移动，额定速度为 5 m/s，加速度为 1.2 m/s²。这里消耗了峰值电能，并测量和测试了能量缓冲器的有效性。在场景二中，三辆不同重量的轿厢沿垂直和水平井道移动，垂直速度为 5 米/秒，水平速度为 0.2 米/秒；最大加速度为 1.2 米/秒² 和 0.4 米/秒^2, 。

为了方便使用 LPMSM 建造类似的无绳电梯，可能需要其他人开发的一些技术，如下所述。

2.2 低压永磁同步电动机推力的提高

根据 Cui 等 (2020) 和 Hu 等 (2021) 的研究，双面 LPMSM 具有单位长度推力密度高、双面法向力可抵消、对气隙波动具有更好的推力稳定性等特点，是无绳电梯的更佳选择。然而，受安装精度的限制，双面 LPMSM 的气隙在运行过程中可能会发生偏差，从而导致磨损和振动噪声问题。调节此类电机的气隙磁场可以调节法向力 (Pang 等，2021；Cao 等，2021)，使气隙回到平衡位置，并可以减少由于这种气隙偏差而造成的影响。因此，对于双面 LPMSM，推力输出和法向力调节都是必要的。开发了一种悬浮引导式 LPMSM（Xu et al.，2022），其中凸极电机和直流磁化电机集成在一起，并在次级铁芯上增加了直流励磁绕组。 

另一种方法是采用有限元分析来提高平均力，同时通过根据改进的星形槽技术重新排列电枢线圈来减少由于饱和引起的力波动（Souissi 等人，2021 年）。

2.3 限速器设计

如前所述，MULTI 配备了用于紧急情况的安全装置。在这种启动下，需要一个灵敏的超速调节器。传统的绳索超速调节器对于无绳电梯来说已经不再实用。对一种新型无接触无绳调速器进行了理论和实验分析（Onat A. 等人，2022 年）。通过操纵电磁感应力来测量轿厢的运动速度，传感器由涡流力机械驱动，其运行与正常电源无关，因此是一种故障安全设计。使用两种方法来提高灵敏度。首先，涡流力是通过将磁铁与反作用板可变重叠而产生的，使速度-力关系呈非线性。其次，涡流力通过速度调节以获得机械共振效应。

3. LPMSM应用理论研究 

3.1 机器模型

LPMSM 的机器模型与旋转机器模型非常相似（So et al.，2018），图 1。由 IGBT 逆变器通电的静止三相绕组（1-2-3）首先转换为静止两相系统（杜克大学) 最后形成旋转双相系统 (dq) 通过著名的 Clark-Park 变换得到。该旋转系统被选择为与转子速度同步。   

每个绕组用等效R表示_s-L_d-L_q 串联电路。施加到每个绕组的瞬时电压用u表示_x, 而电流通过我_x 其中 x = 1、2、3、D、Q、d 或 q。Ψ_f 是转子上永磁体的磁通量，即LPMSM的次级磁通量。 

根据（So et al.，2018），电磁功率 P_em以及线性电磁力 F_em，电机的转速由公式 1 给出。

这里，v 是副轴的线速度，p 是极数，Ψ 是极距。_d 沿 d 轴的磁通链 Ψ_q 沿 q 轴的磁通链和 Ψ_f 永磁体的磁通链，以韦伯为单位。L_d 和我_q 分别是沿 d 轴和 q 轴的电枢电感。次级或转子没有绕组，只有具有磁链 Ψ 的永磁体_f d 轴方向有永磁体，q 轴方向没有永磁体。因此，d 轴方向的总磁链 Ψ_d = 升_d i_d + Ψf 和 q 轴上的总磁通链 Ψq = Lq iq。令 Ψ_s 为 Ψ 的矢量和_d 和 Ψ_q，δ 为 Ψ 之间的角度_s 和 Ψ_d，我们有线性推力的方程2。如果次级没有凸极，即定子和转子之间的气隙均匀，我们有L_d = 升_q = 升_s. 等式 2 则变成等式 3。

这也解释了为什么传统的 PMSM 或 LPMSM 控制只围绕 q 轴电流来确定正确的扭矩或正确的推力。从公式 3 可以看出，通过增加 q 轴电流和永磁体的自然磁通量，显然可以获得更大的推力。然而，安装高磁通量的永磁体成本很高。 

3.2 能源消耗的考虑

根据 So 等人 (2018) 的研究，发现基于 LPMSM 的无绳电梯的能耗取决于 L_s （假设不显著），R_s 和 Ψ_f表1为进行仿真所采用的电机参数，采用标准运动学，即满载上行行程由加加速度、加速、加加速度、额定速度、加加速度、减速、加加速度XNUMX个过程组成。 

表 2 显示模拟了 18 个案例，即三种不同的 R_s，三个不同的 L_s 以及两个不同的 Ψ_f表 2 和图 2 中的结果显示了功率或能耗与速度的关系。结果分为五组，即 A、B、C、D 和 E。E 组有 2 个案例不稳定。因此，图 10 无法显示性能。因此，图 2 中仅显示了 XNUMX 个案例。当 L_s 和/或 R_s 较高时，操作会变得不稳定。当_f 为高，而 R_s 和我_s 很低，就可以实现非常高效的性能。 

3.3 再生制动

在正常运行时，由于没有绳索和对重，无绳电梯在下行时必须以再生模式制动。当然，如果 MULTI 配备了机械制动器，则只能在轿厢完全停止后使用。此外，在真正停电的紧急情况下，尽管 MULTI 可能配备了机械安全装置，但再生制动应该是首选手段。

分析了再生制动过程中产生的制动力，推导了电梯安全制动的最小制动距离表达式（高等，2019）。该文利用有限元法，进一步分析了再生制动过程中制动力与轿厢下落速度的关系，研究了外接串联电阻、电机气隙长度对制动力的影响。 

根据Janovsky (1993) 的说法，专利US 5234079A中描述的安装在导轨侧面的初级线圈可以在断电时短路以进行动态制动。 并声称，如果初级线圈的百分比阻抗为5％，则下降速度可以保持在额定值的5％或更低。

推导了此种条件下确定电梯终端下降速度的公式，如公式4所示。

这里，M 是汽车的总质量，包括所有部件，即车厢、设施和满载重量。v - 是终端速度。通过求解二次方程4，可以根据机器参数估算出该终端速度。所选组合下的仿真结果如图3所示。可以看出，当极数较少、R较小时，可以获得非常低的终端速度（低于正常维持速度）_s 和我_s在如此低的终端坠落速度下，机械安全钳设计的负担可以大大减轻。So等（2018）提出，可以在此使用极点变换的方法。  

3.4 显著性的存在

凸极效应是电机构造中常见的设计，因此凸极效应的存在往往是不可避免的。重新审视公式 2。当 L_d ≠ 大号_q，驱动力变得更加复杂，因为它取决于 sinδ 和 sin(2δ)。然后，需要更复杂的控制算法。作者进一步研究了这种情况（So et al.，2019）。当没有显着性时，两个控制器被认为足够好（So et al.，2018），一个用于 i_d 一个给我_q. 很多时候，我_d 被调整到尽可能接近零，以获得更高的扭矩电流比。通过凸极效应，增加了一个控制器来提供 i 的设定点_q 而 i 的设定点_d 保持不变。事实上，针对旋转永磁同步电机提出的每电枢电流最大转矩方法（Morimoto 等人，1994 年）也适用于 LPMSM，以确定 i 和_d 和我_q 每当我_q 随着扭矩的变化而变化。 

4. 结论

本文重点阐述了基于 LPMSM 的无绳电梯为何会成为未来趋势的原因，并简要介绍了世界上独一无二的示范。然后，讨论了实现这种系统所涉及的各种技术，包括超速调节器设计和其他人对 LPMSM 推力的改进。然后，简要回顾了本文作者之前进行的各种模拟研究，重点是能耗、再生制动和极凸极效应。希望更多的研究人员能够研究这种未来的电梯设计，以改善超高层建筑服务系统。

案例

[1] Appunn R.、Frantzheld J.、Jetter M. 和 Loser F. (2018)，《罗特韦尔试验塔上的多绳无绳电梯演示》，《交通系统与技术》，第 4 卷，第 3 期，80-89。

[2] Appunn R.、Frantzheld J.、Gerstenmeyer S.、Jetter M. 和 Loser F. (2016)，“中高层建筑人员运输系统的多新技术”，MAGLEV 2016 第 23 届国际会议论文集，柏林。 

[3] Ascher K.（2013），《高地：城市解剖》，企鹅图书，纽约，32-96。

[4] Boldea I. 和 Nasar S. (2001)，《线性运动电磁铁装置》，Taylor & Francis，纽约

[5] 崔锋，荀哲，徐伟，周伟，刘艳，2020，“不同结构双边永磁直线同步电机对比分析”，CES Transactions on Electrical Machines and Systems，Vol. 4，No. 2，142-150。

[6] Cao L.、Chau KT、Lee CHT、Liu W. 和 Ching TW（2021），“并联混合激励谐波移位电机的气隙场调制分析”，IEEE 磁学汇刊，第 57 卷，第 2 期，1-6。

[7] DOE（2016），磁悬浮列车的工作原理，energy.gov/articles/how-maglev-works。

[8] 高燕，徐晓燕，陆江，孙哲，陈绍军和刘哲 (2019)，《多轿厢电梯系统能耗制动特性分析》，2019 年第 22 届电机与系统国际会议论文集，doi：10.1109/ICEMS.2019.8921491。

[9] Glatzel K. 和 Schulz H. (1980)，《交通运输：磁悬浮列车的前景，将继续使用装有线性电机的高速车辆和轨道进行测试》，IEEE Spectrum，第 17 卷，第 63-66 页。

[10] Halliday D.、Resnick R. 和 Walker J. (2013)，《物理学基础》，第 10 版，Wiley，纽约

[11] 胡晨，崔华，李晓玲，刘晓玲，黄书林（2021），“基于多目标优化的永磁直线同步电机推力特性改进”，2021 年第 13 届工业应用线性驱动国际研讨会论文集，1-5。

[12] IBM 新闻室 (2010)，“IBM 调查显示美国办公楼的优势和差距”，03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/30191.wss。

[13] Janovsky L.（1993），《电梯机械设计》第 2 版，Ellis Horwood，纽约，20。

[14] Morimoto S.、Sanada M.和Takeda Y.（1994），“带有高性能电流调节器的内置永磁同步电机的宽速运行”，IEEE Trans Industry Applications，第 30 卷，第 4 期，920-926 页。

[15] Morizane T.、Kimura N. 和 Taniguchi K.（2000），“新型磁悬浮系统中直线感应电机推进和悬浮的同时控制”，第三届国际电力电子与运动控制会议论文集第 3 卷，北京，IEEE、CES 和 NSFC，1 月，127-131。

[16] Onat A.、Kazan E. 和 Takahashi N. 等人（2010 年），“多轿厢电梯的直线电机设计和实现”，IEEE/ASME 机电一体化学报，第 15 卷，685-693 页。

[17] Onat A.和Markon S.（2022），“直线电机电梯用涡流非接触式速度传感器的理论与实验分析”，IEEE传感器杂志，第22卷，第7期，6345-6352。

[18] 庞琳，赵晨，沈华（2021），“切向累积磁场并联磁路混合励磁同步机调节磁场特性”，2021 年第 24 届电机与系统国际会议论文集，1538-1543。

[19] So A. 和 Chan WL (2018)，《线性 pmsm 驱动无绳电梯研究》，《建筑服务工程研究与技术》，第 40 卷，第 1 期，doi.org/10.1177/0143624418797604。

[20] So A. 和 Chan WL (2019)，“通过模拟进一步研究线性 pmsm 驱动的无绳电梯的缺陷”，建筑服务工程研究与技术，doi：10.1177/0143624419840767。

[21] Souissi A.、Abdennadher I. 和 Masmoudi A. (2021)，“关于提高 lpmsms 推力的产生：应用于无绳电梯”，2021 年第 16 届生态汽车和可再生能源国际会议论文集，doi：10.1109 / EVER52347。2021。

[22] Takahashi N.、Yamada T.和Miyagi D.等人（2008），“无绳电梯直线电机优化设计基础研究”，第7届国际电磁学计算会议论文集，布莱顿，IET，202月，203-XNUMX页。

[23] Xu X.、Zhang Y.、Feng H.、Zhao Y. 和 Zhou M. (2022)，《无绳电梯悬浮引导永磁同步直线电机的多目标优化设计》，IET 电力应用，Wiley，doi：10.1049/elp2.12247。

[24] Yang D.、Kim K.、Kwak MK 和 Lee. S.（2017），“建筑物和电梯绳索耦合振动的动态建模与实验”，J. Sound & Vibration，第 390 卷，第 164-191 页。

[25] Yeang K. (1996)，《从生物气候角度考虑的摩天大楼：设计入门》，Academy Editions，伦敦。