直接驱动钕铁硼永磁外转子同步曳引机

摘要

一种直接驱动钕铁硼永磁外转子同步曳引机,采用多极外转子结构,外转子同时作为制动轮,曳引轮固定在外转子上,这种曳引轮、制动轮与电机外转子机电合一的特殊设计使结构特别紧凑,并可取消齿轮实现直接驱动。特殊的二层环形定子结构不仅提高运转可靠性,还显著改善工艺性。本发明具有提升平稳和平层精确等优点,并采用两套制动部件实现制停高可靠性,是目前理想的新一代电梯曳引专用驱动装置,本发明技术可推广至一切需要低速直接驱动的场合。

说明书

本发明涉及一种外转子同步曳引机，尤其涉及一种磁场定向控制、直接驱动的钕铁硼永磁外转子同步曳引机，是一种现代电梯曳引专用驱动装置，属于电学部电机技术领域。

随着城市建设的发展，越来越多的高层建筑崛起，对现代电梯的要求也越来越高，要求电梯曳引机体积小和重量轻，以减少机房面积，甚至无须机房。现有技术中，电梯曳引机一般采用常规的定子调压调速的异步曳引机，或VVVF供电的变频调速异步电动机，通过齿轮减速装置来满足大的力矩需求。而现有技术中的这些异步曳引机带着笨重的齿轮装置，已不能适应高速电梯对乘客舒适感、振动、噪声和平层精度的要求。

文献“Gearless direct drive for Elevators without a Machine Room”(Dr-IngRalf Gfrorer,Lift-report 24.Jahrg.1998.Heft5)介绍了一种三层环形定子结构，该结构中，起机座作用的外环、起固定定子铁心作用的中环以及起支撑旋转部分的内环为一体化结构。该曳引机的结构存在以下缺陷：当曳引轮负重时，外转子发生偏心，会造成定、转子间气隙不均匀，严重时甚至会引起电动机的堵转。这种三层环形的定子结构，不但切削量大，而且难以定子铁心压装和下线，结构工艺性差。此外，它仅在单侧装有制动部件，制动的可靠性差。

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，设计提供一种新颖的直接驱动钕铁硼永磁外转子同步曳引机，取消笨重的齿轮装置，使之结构紧凑，运行安全平稳，以满足现代电梯的新需求，并能用此曳引技术改造以往的传统曳引技术并推广至电梯开门电机、自动扶梯驱动电机等一切需要低速直接驱动的场合。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，采用了多极外转子结构，外转子的磁轭既作为凸极磁钢的支架构成电机的磁路，也作为曳引轮的固定支架，同时外转子在断电制动时还直接作为制动轮。外转子的内表面贴装的凸极磁钢，采用高性能的钕铁硼永磁材料。

电动机定子采用独特的二层环形结构，定子内环即作为固定电枢绕组和定子铁心的支架，又作为轴承的支架，定子外环则起到电机机壳和端盖的作用，保护定子线圈的端部，避免直接与旋转的外转子接触，同时也供制动器安装用。定子内环和定子外环间采用装配式结构。电机电枢绕组采用分数槽绕组结构，定子铁心采用斜槽结构，以有效减少转矩脉动和定位力矩，保证曳引机在低速下仍能平稳运转。

本发明中设计采用两套独立的制动部件参与向制动轮施加制动力，以确保在任何一套部件失效时，曳引机都能使额定负载的电梯制停，实现制停高可靠性。

本发明采用专用变频器供电，并通过光电编码器实时检测并反馈转子位置信息，从而始终控制定子电流矢量在q轴上，使永磁同步电机获得与直流电动机一样的控制特性——线性的机械特性、调节特性和优良的启动特性。

为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步详细描述。

图1为本发明的结构示意图。

如图所示，本发明采用多极外转子结构，外转子1的磁轭2既作为凸极磁钢3的支架构成电机的磁路，也作为曳引轮4的固定支架，外转子1在断电制动时还直接作为制动轮。内定子采用二层环形结构，由定子内环5、定子铁心7、电枢绕组6和定子外环9组成。曳引轮4固定在外转子1上，并与外转子连接成整体。定、转子通过轴承8支撑，保证间隙，平稳运转。定子内环5和定子外环9间采用装配式结构，定子外环9上固定有制动臂10，定子外环9同时作为电机机壳和端盖，电机小轴11用于安装光电编码器。

图2为本发明结构的侧视图。

如图所示，本发明安装有两套独立的制动部件，包括制动臂10、电磁铁14、压缩弹簧15和螺杆16，制动臂10安装在定子外环9下端两侧的活动支点处，制动臂10与作为制动轮的外转子1之间有制动摩擦片17，外转子1上开有小孔12，电磁铁14、压缩弹簧15和螺杆16安装在定子外环9上部，压缩弹簧15与制动臂10相连。

外转子1上开的小孔12既可作为散热通风之用，又可作为在突然断电时，人力移动电梯的施力点。制动摩擦片17采用专用摩擦片，摩擦系数高，且不含石棉，能满足环保要求。

正常运转时，专用变频器向电枢绕组供电，该电枢磁场与外转子磁钢3产生的主磁场相互作用产生电磁转矩，带动曳引机旋转，通过曳引轮4处的钢丝绳使轿厢上下运动。

当起动时，电磁铁14通电，其吸力克服了弹簧15的压力，使制动摩擦片17与外转子1脱离接触。定子通电后，电动机开始运行。电动机停车时，电磁铁14断电，靠弹簧压力在摩擦片17与外转子1之间产生制动力矩，使电梯制停。

本发明的实施例中，采用了内表面贴装20块凸极磁钢(20个极)的外转子结构，磁钢采用了具有高剩余磁感应强度、高矫顽力和高磁能积的钕铁硼永磁材料，并采用径向充磁。高的气隙磁密和大力臂满足了电机在低速时大转矩的需求，从而可取消齿轮，实现直接驱动。转子磁轭既构成电机磁路，也作为曳引轮的支架，同时在制动时起到制动轮的作用。这种曳引轮、制动轮与电机外转子机电合一的特殊结构，使得本发明结构特别紧凑，显著减少了体积和重量。

本发明独特的二层环形定子结构与三层环形结构相比，不仅简化了结构，而且便于制造时迭装定子铁心与定子下线，因而显著改善了工艺性，而且当曳引机负重时，不会改变定子、转子间气隙而造成不正常运转，提高了运转的可靠性。

本发明电枢绕组采用了分数槽绕组结构，每极每相槽数q=3/4，即每4个极组成一单元电机。定子铁心沿轴向斜一个齿距，凸极磁钢采用表面贴入的工艺，以及合适的极弧宽度和不均匀气隙，从而有效地减少了定子感应电势和定子电流谐波，并且减少了转矩的脉动，减少了定位力矩。加之选用了20极每转4096个脉冲的增量式光电编码器来精确反馈转子位置信息，从而保证曳引机在极低的1rpm(相当频率f=0.167Hz)转速下仍能平稳运转。

本发明采用专用变频器供电，并通过光电编码器实时检测并反馈转子位置信息，从而始终控制定子电流矢量在q轴上，实现磁场定向控制和高功率因数运转，使永磁同步电动机具有与直流电动机一样的控制特性——线性的机械特性、调节特性和优良的启动特性。这对提高电梯的平层精度和电梯乘客的舒适感均有着十分明显的意义。同时外转子内表面贴装磁钢的结构，可以充分利用磁钢面积，提高气隙磁通，减少电枢绕组的匝数，加之q轴磁阻大，从而减少了交轴电枢反应电抗、定子漏抗和交轴同步电抗，提高了功率因数，尤其是轻载时电机功率因数cosφ≈1，这是异步电机所不能相比的。

本发明结构紧凑，具有转矩大、损耗小、噪音低、振动小、提升平稳和平层精确等优点，能显著节能和缩小安装面积，实现电梯机房小型化，是目前理想的新一代电梯曳引专用驱动装置。本发明技术可推广用于电梯开门电机、自动扶梯驱动电机等一切需要低速直接驱动的场合。