CN106744223B - 一种磁浮斜行电梯及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁浮斜行电梯及其控制方法，属于电梯领域。该斜行电梯包括：斜行轨道、悬浮系统、驱动系统、控制系统、踏板。所述悬浮系统包括两对悬浮永磁体，每对悬浮永磁体上下同轴相对；每对中的一个悬浮永磁体沿线安装在斜行轨道的两边，每对中的另一个悬浮永磁体安装在所述踏板的底部两边；所述驱动系统包括定子和动子，定子沿线敷设在斜行轨道的中间；动子包括动子铁心和Halbach阵列永磁体，动子固定在踏板的底部中间；控制系统通过给定加速度曲线和实际测得的载荷得到牵引力的给定值，以此控制定子绕组的输入电流，最终实现电梯速度、加速度的闭环控制。本发明控制简单、运行安全、功耗小，尤其适合在楼梯、舷梯和斜坡上运行。

Description

一种磁浮斜行电梯及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电梯，尤其是一种可在楼梯、舷梯和斜坡上运行的磁浮斜行电梯，属于电梯领域。

背景技术

斜行电梯作为一种无障碍设施，主要使用在无垂直电梯大楼的楼道、车站、机场、船舶、地下通道等公共场所，用来运输人员或行李等货物，给人们带来了便利。

现有斜行电梯一般为曳引式，主要部件是曳引机和曳引钢丝绳，其工作原理是通过钢丝绳与曳引轮的摩擦力由曳引机驱动，使电梯运行，达到运输人员或货物的目的。现有技术中，斜行电梯结构较为复杂，不仅生产成本高，而且安装、维护不便，故障率高、能耗大。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种结构简洁、控制简单、功耗小、安全系数高的斜行电梯，该电梯采用磁浮技术，无需曳引机和曳引绳，安装、维护简便。

为了达到以上目的，本发明一种磁浮斜行电梯，包括：斜行轨道、悬浮系统、驱动系统、控制系统、称重传感器、踏板。

所述悬浮系统包括两对悬浮永磁体：第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体为一对，两者上下同轴相对，磁极极性相同，如均为N极、S极；第三悬浮永磁体和第四悬浮永磁体为另一对，两者上下同轴相对，磁极极性相同(如均为S极、N极)，与另一对悬浮永磁体(第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体)的磁极极性相反(如均为N极、S极)。其中，所述第一悬浮永磁体和第三悬浮永磁体沿线安装固定在所述斜行轨道的左右两边；所述第二悬浮永磁体和第四悬浮永磁体分别安装固定在所述踏板的底部左右两边。

所述驱动系统包括定子和动子，所述定子和所述动子同轴相对。所述定子含有定子铁心和定子绕组，所述定子绕组由A、B、C三相绕组组成，所述定子沿整个线路敷设在所述斜行轨道的中间。所述动子包括动子铁心和永磁体，所述永磁体以Halbach阵列均匀黏贴固定在所述动子铁心的表面，所述动子固定在所述踏板的底部中间。

所述称重传感器安装在所述踏板的承重面中间。

所述控制系统包括一个三相逆变器，所述三相逆变器与所述定子绕组相连。

所述斜行轨道固定在楼梯、舷梯或斜坡上。

上述磁浮斜行电梯的控制方法，其技术方案是采用如下步骤：

1)根据斜行电梯的实际长度，确定加速、匀速、减速的运行距离及其运行时间，设置斜行电梯的速度、加速度曲线预设模块，得到电梯运行的给定速度v^*和加速度a^*；

2)当电梯乘客站到或待输送货物放到所述踏板上之后，在电梯运行前，读取此时所述称重传感器测得的实际载荷mg；

3)将步骤1)得到的给定速度v^*和加速度a^*及步骤2)得到的实际载荷mg均输至牵引力给定值计算模块，得到牵引力给定值F_x ^*，将此牵引力给定值F_x ^*输至定子绕组电流给定值计算模块，得到定子绕组直轴和交轴电流给定值i_d ^*、i_q ^*，将此定子绕组直轴和交轴电流给定值i_d ^*、i_q ^*输至所述三相逆变器；

4)将步骤3)得到的定子绕组直轴和交轴电流给定值i_d ^*、i_q ^*，经所述三相逆变器得到定子三相绕组输入电流i_A、i_B、i_C。

本发明的有益效果是：

1)采用磁浮技术，结构简洁、控制简单、运行稳定、安全系数高，安装、维护简便。

2)永磁体采用聚磁功能优良的Halbach阵列结构，可以增加气隙磁密，增大悬浮力，节省永磁材料，使得电梯自重轻、成本低、有效载荷大、功耗大大降低。

附图说明

图1为本发明磁浮斜行电梯的结构示意图。

图2为本发明磁浮斜行电梯的定动子排布示意图。

图3为本发明磁浮斜行电梯的斜行轨道上定子及第一、第三悬浮永磁体的安装示意图。

图4为本发明磁浮斜行电梯的结构侧视图。

图5为本发明磁浮斜行电梯的力学分析示意图。

图6为控制系统结构框图。

图7为预设的速度曲线示意图。

图8为预设的加速度曲线示意图。

图9为本发明磁浮斜行电梯的另一种实施例的定动子排布示意图。

图中标号：1-斜行轨道；2、3-第一、第二悬浮永磁体；4、5-第三、第四悬浮永磁体；6-定子，60-定子铁心，61-定子绕组，62-速度、加速度曲线预设模块，63-牵引力给定值计算模块，64-定子绕组电流给定值计算模块，65-三相逆变器；7-动子，70-动子铁心，71-永磁体；8-称重传感器；9-踏板，91-踏板承重面；6a-定子，60a-定子铁心，61a-永磁体；7a-动子，70a-动子铁心，71a-动子绕组。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

如附图1所示，本发明磁浮斜行电梯包括：斜行轨道1、悬浮系统、驱动系统、控制系统、称重传感器8、踏板9。

本发明磁浮斜行电梯的线路轨道为斜行轨道1，其作用是引导电梯前进方向。

斜行电梯的悬浮系统包括两对悬浮永磁体：第一悬浮永磁体2和第二悬浮永磁体3为一对，两者上下同轴相对，磁极极性相同，如均为N极、S极；第三悬浮永磁体4和第四悬浮永磁体5为另一对，两者上下同轴相对，磁极极性相同，如均为S极、N极，与另一对悬浮永磁体(第一悬浮永磁体2和第二悬浮永磁体3)的磁极极性相反。其中，第一悬浮永磁体2和第三悬浮永磁体4沿线安装固定在斜行轨道1的左右两边；第二悬浮永磁体3和第四悬浮永磁体5分别安装固定在踏板9的底部左右两边。

称重传感器8安装在踏板9顶部中间的乘客站立区，控制系统根据称重传感器8测得的电梯载荷mg，确定电梯牵引力给定值。

斜行电梯的驱动系统包括定子6和动子7，定子6和动子7同轴相对。如图2、图3所示，定子6为长定子，包括定子铁心60和定子绕组61，定子绕组61由A、B、C三相绕组组成。定子6沿整个线路敷设在斜行轨道1的中间。动子7包括动子铁心70和永磁体71，永磁体71以Halbach阵列均匀黏贴固定在动子铁心70的表面。动子7安装固定在踏板9的底部中间。定子6与动子7构成长定子永磁直线同步电机，既用于牵引也用于制动。

如图4、图5所示，斜行电梯的踏板9为直角三角体，它的一个锐角与楼梯或斜坡的坡度角θ相同，确保其承重面91与地面平行。在整个运行过程中，踏板9及其承载物悬浮在线路轨道上方，且沿斜行轨道1运行。

斜行轨道1固定在楼梯、舷梯或斜坡上。

图5为本发明磁浮斜行电梯的力学分析示意图，图中电梯载荷mg分为两个分量：平行于斜行轨道1的分量f_x＝mgsinθ和垂直于斜行轨道1的分量f_y＝mgcosθ(其中θ为楼梯、舷梯或斜坡的坡度角)，f为踏板9受到的与f_y方向相反的悬浮力，它是由两对悬浮永磁体(即：悬浮永磁体2和3、悬浮永磁体4和5)产生的斥力，F_x为电梯牵引力。

则电梯在平行于斜行轨道1方向上的运动方程为：

F_x-f_x＝ma (1)

将f_x＝mgsinθ代入式(1)，得

F_x＝ma+mgsinθ (2)

如图6所示，实现本发明斜行电梯的控制系统由速度、加速度曲线预设模块62，牵引力计算模块63，定子绕组给定电流计算模块64，三相逆变器65构成。

牵引力计算模块63的输入端分别连接速度、加速度曲线预设模块62的输出端和称重传感器8的输出，牵引力计算模块63的输出端连接定子绕组给定电流计算模块64，定子绕组给定电流计算模块64的输出端连接三相逆变器65，三相逆变器65的输出端连接定子绕组61。

当电梯乘客站到踏板9上或货物放到踏板9上后，在电梯运行前，此时称重传感器8测得电梯载荷mg(如图3所示)，将mg输入至牵引力计算模块63得到牵引力F_x ^*给定值，将此牵引力F_x ^*给定值输至定子绕组给定电流计算模块64，得到定子绕组电流直轴分量、交轴分量的给定值i_d ^*、i_q ^*，将此定子绕组电流给定值i_d ^*、i_q ^*输至三相逆变器65。

上述控制系统通过给定速度、加速度曲线，和实际测得的载荷，得到牵引力的给定值，以此控制定子绕组输入电流，最终实现了电梯速度、加速度的闭环控制。

具体步骤如下：

1)根据斜行电梯的实际长度，确定加速、匀速、减速的运行距离及其运行时间，设置斜行电梯的速度、加速度曲线预设模块62，得到电梯运行的给定速度v^*和加速度a^*；其中速度、加速度曲线预设模块62中预设的速度曲线和加速度曲线示意图分别如图7、图8所示：

在0-t₁期间，可设为匀加速阶段，设其运行距离为s₁，则由s₁＝0.5a₁t₁ ²可求得此阶段的加速度a₁，则此期间给定加速度a^*＝a₁，由此进一步求得给定速度v^*＝a^*t，以及在t₁时刻的速度v^*(t₁)＝a^*t₁；

在t₁-t₂期间，设为匀速阶段，则其给定加速度a^*＝0，给定速度v^*＝v^*(t₁)。这段运行距离为s₂，且有s₂＝v^*(t₁)×(t₂-t₁)；

在t₂-t₃期间，可设为匀减速阶段，设这段运行距离为s₃，则根据s₃＝-0.5a₃(t₃-t₂)²可求得此阶段的加速度a₃(a₃为负值)，则此期间给定加速度a^*＝a₃，由此求得其给定速度v^*＝v^*(t₁)+a^*t。

2)当电梯乘客站到或待输送货物放到踏板9上后，在电梯运行前，读取此时称重传感器8测得的实际载荷mg；

3)将步骤1)得到的给定速度v^*和加速度a^*及步骤2)得到的实际载荷mg均输至牵引力给定值计算模块63，得到牵引力给定值F_x ^*，将此牵引力给定值F_x ^*输至定子绕组电流给定值计算模块64，得到定子绕组电流给定值i_d ^*、i_q ^*，将此定子绕组电流给定值i_d ^*、i_q ^*输至三相逆变器65。

其中，牵引力给定值计算模块63的牵引力给定值F_x ^*计算方法如下：

由式(2)有：

F_x ^*＝ma^*+mgsinθ (3)

定子绕组电流给定值计算模块64的定子绕组电流给定值i_d ^*、i_q ^*计算方法如下：

由永磁直线同步电机产生的牵引力为：

F_x＝(3π/2τ)n_p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q] (4)

式中，F_x为牵引力，τ为电机磁极矩，n_p为电机极对数，L_d、L_q分别为定子直轴和交轴电感，i_d、i_q分别为定子三相绕组的直轴和交轴电流，它是定子三相绕组电流i_A、i_B、i_C经dq坐标变换后得到的虚拟电流，ψ_f为动子磁链。

令定子三相绕组的直轴电流给定值i_d ^*＝0，则由式(4)，可得到牵引力给定值F_x ^*

F_x ^*＝(3π/2τ)n_pψ_f i_q ^* (5)

联立式(3)、式(5)，有：

4)将步骤3)得到的定子绕组电流给定值i_d ^*、i_q ^*，经三相逆变器65得到定子三相绕组61输入电流i_A、i_B、i_C。

作为本发明磁浮斜行电梯的另一个实施例，将上述实施例中的定子6和动子7对调，即原定子6安装在踏板9上作为动子，而原动子7安装在斜行轨道1的中间作为定子。如图9所示，在此实施例中，定子6a包括定子铁心60a和永磁体61a，定子6a沿线路敷设固定在斜行轨道1中间；动子7a包括动子铁心70a和动子绕组71a，动子7a固定在踏板9的底部中间。控制系统将按牵引力给定值控制动子绕组71a的输入电流i_A、i_B、i_C来实现对电梯的运行速度、加速度的控制。

Claims (1)

1.一种磁浮斜行电梯的控制方法，磁浮斜行电梯包括斜行轨道（1）、悬浮系统、驱动系统、控制系统、称重传感器（8）、踏板（9）；所述悬浮系统包括第一悬浮永磁体（2）、第二悬浮永磁体（3）和第三悬浮永磁体（4）、第四悬浮永磁体（5），所述第一悬浮永磁体（2）和第二悬浮永磁体（3）为一对，两者上下同轴相对，磁极极性相同；所述第三悬浮永磁体（4）和第四悬浮永磁体（5）为另一对，两者上下同轴相对，磁极极性相同，但与第一悬浮永磁体（2）和第二悬浮永磁体（3）的磁极极性相反，其中，所述第一悬浮永磁体（2）和第三悬浮永磁体（4）沿线安装固定在所述斜行轨道（1）的左右两边，所述第二悬浮永磁体（3）和第四悬浮永磁体（5）分别安装固定在所述踏板（9）的底部左右两边；所述驱动系统包括定子（6）和动子（7），所述定子（6）和所述动子（7）同轴相对，所述定子（6）含有定子铁心（60）和定子绕组（61），所述定子绕组（61）由A、B、C三相绕组组成，所述定子（6）沿整个线路敷设在斜行轨道（1）的中间，所述动子（7）包括动子铁心（70）和永磁体（71），所述永磁体（71）以Halbach阵列均匀黏贴固定在所述动子铁心（70）的表面，所述动子（7）固定在所述踏板（9）的底部中间；所述称重传感器（8）安装在所述踏板（9）的承重面中间；所述控制系统包括一个三相逆变器（65），所述三相逆变器（65）与所述定子绕组（61）相连；其特征在于，采用如下步骤：

1）根据所述磁浮斜行电梯的实际长度，确定加速、匀速、减速的运行距离及其运行时间，设置所述磁浮斜行电梯的速度、加速度曲线预设模块（62），得到磁浮斜行电梯运行的给定速度v ^* 和加速度a ^* ；

2）当磁浮斜行电梯乘客站到所述踏板（9）上之后，在磁浮斜行电梯运行前，读取此时所述称重传感器（8）测得的实际载荷mg；

3）将步骤1）得到的给定速度v ^* 和加速度a ^* 及步骤2）得到的实际载荷mg均输至牵引力给定值计算模块（63），得到牵引力给定值F _x ^*，将此牵引力给定值F _x ^*输至定子绕组电流给定值计算模块（64），得到定子绕组直轴和交轴电流给定值i _d ^* 、i _q ^* ，将此定子绕组直轴和交轴电流给定值i _d ^* 、i _q ^* 输至所述三相逆变器（65）；

4）将步骤3）得到的定子绕组直轴和交轴电流给定值i _d ^* 、i _q ^* ，经所述三相逆变器（65）得到所述定子绕组（61）输入电流i _A、i _B、i _C。