浅谈无齿轮曳引机的优缺点

浅谈无齿轮曳引机的优缺点

1、正视无齿轮曳引机

无齿轮曳引机的产生，毕竟迎合了电梯的需求，迎合了环保的需要，迎合了厂家的利益。它的诞生不单单是为了无机房电梯的需求，同时也是为了节能、降噪的需要。适者生存，我们应当看到它的无限前景（无传动机构、磨损低、装配简单、噪音低、永磁同步能耗低、省油、无油污、运行平稳易维护），为其生存发展创造条件。我们当然也不能忽视永磁同步无齿轮曳引机的缺点和不足（成本造价高，永磁体寿命有限，还很难实现1∶1悬挂方式，编码器传输对变频器的影响、制动器力矩问题等），为完善无齿轮曳引机并坚持不懈的努力研究开发新材料、新技术。无齿轮曳引机已经“来到”我们面前，在宣传其优点的同时也要正视这些尚需解决的问题，尤其当今曳引机厂家林立、竞争激烈，要想摆脱窘境、要想转产、开发新产品，就应端正心态、直面现实、正视困难，以全新产品占领市场、扭转局面。

2、永磁同步无齿轮曳引机的优点

永磁同步无齿轮曳引机，一经面世就显示了它的勃勃生机。

1）永磁同步无齿轮曳引机无传动结构，体现如下几点好处：

（1）磨损低。无齿轮曳引机的最大优势在于没有任何传动结构，除了电机转子轴（它同时又是曳引轴）上有一组轴承之外，就再也没有什么机械磨损了，没有磨损，自然延长了曳引机的使用寿命。

（2）节能。无齿轮曳引机由于没有传动结构，也就没有了机械方面的功率损耗，相对来讲，也就节省了能量和运行开支。以载荷1000kg、梯速1.0m/s变频调速电梯为例：OTIS有齿曳引机（曳引比为1∶1）需11kW；韦伯无齿曳引机（曳引比为2∶1）只需6.7kW。

（3）安装简便。由于曳引轮直接固定在电动机的轴上，结构紧凑体积小、重量轻，便于吊装、运输，所以现场安装也就容易多了，仍以载荷1000kg、梯速1.0m/s变频调速电梯为例：OTIS有齿曳引机17CT，自重1300kg；韦伯无齿曳引机WEB-1.0-1000，自重300kg。

（4）运行平稳。由于没有传动结构，也就没有皮带传动的丢转、打滑，电梯平层精度高、运行可靠；也就没有齿轮啮合的噪音和震动，从而表现在电梯运行平稳、噪音低，这也是电梯绿色革命的突出特点。

（5）省油。无齿轮曳引机由于没有传动结构，也就省去了传统减速箱中的润滑油，它只在轴承内存有足量的润滑脂。日常维保不存在更换润滑油的烦琐，同时也避免了润滑油泄漏带来的污染和维护难度，又节省了润滑油费用。

（6）使用方便。由于无齿轮曳引机没有液态润滑油，亦无泄漏，不仅没有污染，而且可以任意姿态安装，比如底脚朝上悬挂于井道顶板处。

2）永磁同步无齿轮曳引机控制系统的好处

永磁同步无齿轮曳引机都设计了“断电短路”环节，利用“永磁同步电动机，短接三相绕组时可以作为发电机运行”的这一突出优点，有效地避免电梯失控溜车。这一环节体现了以下几个好处：

（1）当电梯失控（如电梯停止运行，又恰遇抱闸故障无法制动）发生溜车

时，由于绕组短路、发电制动，在很小的转速下就会产生很大的力矩，使电梯溜车的速度变得非常缓慢，不致造成梯毁人亡的悲剧。

（2）当无齿轮曳引机安装在井道内，遇有故障停梯在平层区域以外需要疏放乘客时，可以通过连接开闸搬手的钢丝拉索，很方便地在井道外操作：开闸、缓慢溜放到平层位置，很安全（这对于有齿曳引机，是根本不可能的）。

（3）当电梯严重超载（比如，超过额定载荷150％）造成电梯下沉时，其下沉速度也是非常缓慢的，不会引起乘客极度恐慌，提高了电梯的安全可靠性。

以上这些优点都是显而易见的，道理也是极简单的，勿庸赘言。

3、永磁同步无齿轮曳引机的缺点

既然无齿轮曳引机有这么多优点，各类刊物又在不遗余力地大力宣传。理应如雨后春笋般被广泛应用，然而实际情况却是雷声大雨点小，什么原因呢？问题在于人们对永磁同步无齿曳引机了解不够；从表象看价格太高，也是很重要的因素；然而了解它的人持观望的态度，原因在于这项新技术尚存一些问题。现就这些问题做一些探讨，以期更好、更全面地认识电梯驱动技术。

1）驱动技术的核心问题

在小于2.0m/s的中低速电梯中大多使用有齿轮结构，由电动机直接驱动。在这里减速箱成为人们关注的问题，表面看来是由于电动机的转速太高，因此要用减速机构降低其转速，但实际上配用适当的电气调速装置后的电动机的转速是可以调节的，不用减速箱照样可以得到需要的转速，因此问题的实质不在于转速。那么是什么因素决定了减速箱的采用与否呢？是转矩，在某种意义上，减速箱的名称并不确切，而应称其为“增力箱”，理解上也可将其看成“减速增力箱”。

作为机电能量转换装置的电动机，在磁感应强度和电流线密度一定的情况下，电动机转矩跟气隙所围成的圆柱体积成正比。事实上，转切应力跟磁感应强度和电流线密度直接相关。由于气隙圆柱的体积基本上决定了电动机的体积，而电动机的体积又基本上决定了其重量和价格。由此可见，比较电动机的最重要参数并非电动机的功率，应该是电动机的转矩。

要提高磁感应强度，受限于磁性材料的性能。在目前的技术条件下，铁芯中的磁感应强度在2.0T左右时就达到饱和，而通常交流异步电动机中实用的线性区的磁感应强度大约在 1.0T，直流电动机和同步电动机中的磁感应强度可以提高到1.5T。要更高的磁感应强度，一方面技术上有较大的难度，另一方面材料的价格也相当昂贵；要提高电流线密度，又要受限于导体的发热和绝缘问题，而且电流线密度的大小也必须考虑磁路材料的性能以避免磁性材料的过度饱和。在过度饱和的情况下，会带来电动机性能上的一系列问题。

要加大气隙长度或有效半径，电动机的外形尺寸和体积重量就必须增加。低速电梯在所需转矩确定的情况下，如果通过加大电动机长度或半径的方法达到所需的转矩，则电动机本身的允许转速又往往高于工作机构所需的转速，这样电动机就不能在最高转速（最高电压）下运行，也就是说电动机不能达到其最大的功率，导致电动机的功率利用律十分低下。总之，电动机要达到最高的功率利用律，转速（电压）也必须得到充分的利用，即转速要足够高。

综上所述，在电流发热受限的条件下，电动机中的磁感应强度不够强是电动机转矩不够大的根本原因，如果电动机中的磁感应强度能提高100倍，则现实中减速比为100以下的机械减速装置都可以取消，目前看来这只有靠将来超导技术

的突破来实现了。

2）减速箱的作用及缺点

下面我们举实际的例子来说明，电梯驱动系统的机电设计是如何实现相对最优的。假如电梯的基本参数和绕绳方式不变，某种用于低速电梯的蜗轮蜗杆减速箱的传动比为63∶2，由此可以估计该电动机的转矩跟曳引轮的转矩相差大约为30倍，这一数据可以作为我们以下讨论的基准。要将上述有齿轮电梯改成无齿轮电梯，前提是电动机的转矩必须设法提高30倍，如果不考虑电动机的容量利用律，只需简单增大电动机的长度和等效半径的平方的乘积到30倍就可实现，不过这台无齿轮曳引机的体积、重量和价格却是让人无法接受，显然要在体积和重量不增加或增加不多的条件下将电动机的转矩增大30倍，这几乎可以说比登天还难的技术，由此可见，蜗轮蜗杆在此起了非常重大的作用。由于电动机本身固有的“缺点”，要实现机电系统全局的最优化，在大多数情况下都要采用减速增力的机构。

电梯若要实现无齿轮驱动，就要增加电动机本身的输出力矩。为此采用高性能稀土永磁材料励磁、提高电动机有效功率即功率因素等，但不管如何改进设计，电动机本身的体积和重量都大大增加。

采用2∶1悬挂是国内外大多数电梯设计方案采用的悬挂方式。经常有人问，永磁同步无齿轮曳引机为什么不用1∶1悬挂？如果不考虑成本，仅需将电机的体积、重量增加1倍即可，这样电动机转矩也能增加1倍，就能实现1∶1悬挂，就没有价格优势可言了。

3）编码器和变频器

电动机力矩太大不仅导致成本过高，而且由于速度很低，相关的速度编码器分辨率也要相应提高。在低速运转时由于闭环失控时间的延长，将对拖动控制系统—变频器的工作带来难度，随之而来的就是电动机运行性能的大幅度降低。

为什么编码器会造成失控？这要从编码器的原理来分析，由于广泛使用的光电编码器输出的是离散脉冲信号，脉冲与脉冲之间总有一定的间隔，在相邻两个脉冲之间，编码器无法分辨位置的变化，当然也无法检测速度。由此可见，随着极数的增加编码器分辨率也成比例地增加，才能保证控制的精度，这无疑会大大增加其成本。

4）制动器问题

此外，无齿轮还带来制动器设计难度大大提高，在制动器系统中，主要的难点仍然在电的方面，即电磁铁的推力仍嫌不够大。为此世界各国的设计人员也是费尽了心机，甚至干脆采用液压系统来松闸。就电磁铁松闸形式来说，有的采用多级杠杆机构，有的采用了多盘式制动器，有的采用了V型槽制动轮，有的采用了非对称块式结构，有的采用加大制动轮直径的办法，这些措施降低了制动电梯对电磁铁推力的要求。就电磁铁本身来说，为了缓解推力和发热的矛盾，在制动器打开瞬间，对线圈供给超倍电压，在制动器打开后，如果不及时降低电压，由于线圈发热量是额定值的数倍，线圈将在短时间内烧毁，为此要通过电子线路在强励磁数秒钟内降压至可靠的维持电压，要完成这一功能一般都采用半导体变流装置，由此也带来系统复杂化和制造成本的上升。

制动器的制造成本、噪声和可维护性往往成为令人头疼的问题，综合考虑各方面的因素，如果没有特殊的情况，传统的外抱块式制动器仍然是首选的设计方案，这点已经在国内外曳引机的改型设计中得到有力的印证。

5）电动机的效率

无齿轮驱动系统的效率也不是很高，这点可能出乎大家意料之外，其实仔细分析一下很容易明白其原因。我们时常听到永磁电动机的效率很高，其实这仅适用于高速电动机的情况，对于低速电动机则不尽然。前文已述及，无齿轮曳引电动机的转速并没有用足，换句话来说就是功率容量没有得到充分利用，由此可见，低速永磁同步无齿轮电动机的效率不会很高，说句实话，要达到85％的效率都很难！

6）电动机的短路危险

大家都知道永磁同步电动机有一个突出的优点，就是短接三相绕组时可以作为发电机运行，从而使电梯避免失控溜车。这一特点常用于电梯的故障放人操作中：只要松开制动器，短接三相绕组，电梯轿厢在不平衡力作用下，滑行到需要的楼层。

永磁同步电动机的上述特点也带来了潜在的危险，试想如果在电动机满速运转时由于某种原因导致绕组短路呢？此时带来的后果将是极其严重的。在电动机绕组中将会产生巨大的短路电流，同时产生非常大的制动转矩迫使电动机停转。过大的短路电流将可能使永磁体失磁，这就是短路现象中的电磁稳定性问题；而过大的冲击制动转矩将使线圈端部变形甚至松散解体或者导致永磁体脱落，这就是短路现象中的机械稳定性问题。总之，发生短路时的机电磁稳定性问题是非常重要的，必须妥善地加以考虑和解决，否则发生短路时电动机将严重损毁。

为此在设计中应考虑削弱去磁的磁路结构，抑制短路电流的电路结构以及线圈端部和永磁体的可靠固定等，尤其重要的是制作完成的电动机均应进行短路试验，以检验在规定的短路电流作用下每台电动机实际的机电磁稳定性是否达到规定的要求。

4、如何对待无齿轮曳引机

通过对永磁同步无齿轮曳引机优缺点的描述，似乎让我们感到一头雾水，究竟是用还是弃？的确，永磁同步无齿轮曳引机的优点和缺点同样很明显，但是我要说，其缺点是会被逐步克服的，有些一时还解决不了的难题迟早是要被攻克的，而且，在用的永磁同步无齿轮曳引机，也并不是说缺点多到不能用、必须拆掉的地步，只不过还存在着这样那样的不足而已。这要求我们对它全面看待，即要承认它的不足，也要看到它的无限生机，它毕竟有着许多优点，有着许多其它形式的曳引机所不具备的优越性，就应该给它创造生存的环境和发展的空间。

至于前面说到的缺点和不足，解决的办法有以下几种。

1）关于力矩问题

在不过分加大电动机体积的前提下，没有“减速增力箱”的低转速电动机，要满足曳引力矩。

（1）为增加电动机本身的输出力矩，从电动机自身设计入手。①采用高性能稀土永磁材料励磁—虽然因价格影响现在还不能使用性能太高的材料，但总是在做着这方面的工作，这就是希望。②提高电动机有效功率即功率因素。

（2）为增加曳引力矩、减小体积，从曳引机整体设计入手。①减小曳引轮直径。在钢丝绳悬挂的条件下，由于钢丝绳的直径最小为8mm，而曳引轮的直径最少应为钢丝绳直径的40倍，因此曳引轮的直径最小为320mm。参考文献《论曳引钢丝绳直径越小越好》从技术经济的角度综合对比分析了钢丝绳直径对于电梯驱动系统的影响，结论就是钢丝绳越细越好！采用高分子纤维绳和扁平皮带作

为电梯的悬挂装置，目的无非是使曳引轮的驱动力矩减至最小，如奥的斯公司的Gen2系统的曳引轮直径仅为100mm。②采用复绕式曳引。这是个一举两得的办法。首先，2∶1复绕式与1∶1直拉式相比，对曳引力矩的要求减少了一半，就可以选用细钢丝绳；对曳引机的输出力矩的要求也减少了一半，就可以减小电动机的体积；再者，由于钢丝绳细了（柔性好、转弯半径小），曳引轮的直径就可以小了。当然了，电动机自身的转速高了，这在2∶1的曳引方式中得到补偿。我们完全可以把2∶1曳引看成是一个“减速增力”环节，即降低了速度又增加了曳引力矩，这不正是无齿轮曳引机应该追求的效果吗。

2）关于编码器和变频器问题

对于速度很低的电动机来说，编码器的分辨率、脉冲信号传输、变频器对电动机转速和电梯位置的识别，都是一个不好解决的问题，编码器分辨率太高、变频器选型配置都牵扯价格问题。幸运的是，最近安川公司推出了使用普通增量式编码器的变频器，大大简化了永磁同步电动机的反馈系统，也将从根本上影响到电动机的设计方案选型。其实用意义是非常巨大的，这种变频器将会得到大量的推广使用。

3）关于制动器问题

对于无齿轮曳引机来讲，制动器的确是个头疼的问题，这主要表现在电梯静载试验的效果上。其实，电梯运行中的紧急停车，即国标中的有效制停距离，很容易达标，这是因为电动机本身转速低、没有传动比，只要一拉闸，电梯立刻就能停下来；还有断电短路环节，可以说无齿轮电梯的制停距离几乎就是“零”。

问题是国标要求电梯在150％额定载荷的情况下，10min不能下沉，就很难达标了。这是因为无齿轮曳引机完全没有蜗轮蜗杆曳引机的自锁功能，如果没有“断电短路”环节，只要有一点不平衡力，就会溜车。而且，不溜车，短路环节的“发电制动”作用就发挥不出来。所以为了满足静载试验要求，就必须加大制动力矩，自然也就加大制动线圈的温升；为了保证线圈温度，就要加大线圈体积，即违反无机房电梯的发展要求、也违背经济规律。

除采用前文提到的几种形式的制动器外，还可采用其它方法。①选用摩擦系数高的闸皮材料；②加大闸皮面积；③适当提高制动力臂（支点、力点）的力矩比，不过，这是有限度的，因为力矩比大了，铁芯行程也大，同样会带动温升；

④电梯的平衡系数也可以设定得高一点（在国标规定40％～50％的范围内选50％）；⑤电梯技术在不断进步，国标制定也应随之变化—依据无齿曳引机“断电短路、发电制动”的特点，将静载试验的指标放宽松一些。

由于制动器直接作用于低速轴上，且普遍采用了双备份的结构形式，这就避免了传动环节失效故障导致的飞车失控，也就自然满足了新版EN81-1：1998对于上行超速保护的要求，可以不必装设其它的诸如上行安全钳或者钢丝绳夹绳器之类的上行超速保护装置。这点将大大简化电梯整机厂商的安全配件设置，也节约了成本，一定程度上补偿了制动器因为加大力矩而增加的费用。

4）关于电动机短路危险的问题

虽然说短路危险确实存在，但是解决的办法也还是有的。首先是保护线路的设计，短路是靠“短路接触器”构成的，短路危险产生于接触器粘连、犯卡，也就是运行时不能断开，那么只要对该接触器实行监控即可—一旦发现接触器未释放，立即令电梯不能启动，也就不会对电动机构成威胁（因为在运行过程中这个处在释放状态的接触器是绝对不会粘连的），还可以将运行接触器与短路接触器组成有效互锁（包括线路互锁乃至机械互锁）。

5、结论

永磁同步无齿轮曳引机并不是当今电梯优化设计的唯一方案，与其它类型的无机房电梯（如薄型有齿轮曳引机、行星齿轮曳引机、摆线针轮曳引机、皮带传动曳引机）相比各有利弊，但它毕竟是没有任何传动结构（没有机械磨损），而是将电动机的转矩直接传递给电梯（没有传动损耗）。在设计和材料都理想的情况下，它属于制造、装配、安装和维护都是最简单的一种驱动方式，其前景是无限广阔的。只不过商家和厂家以及各级科研人员，都应该多在提高产品质量上做足文章，而不只是一味的跟风。