1 引言
隨著我國城市率的增長，對電梯需求量也迅猛增長，與1992年相比,當時城市率為27.8％，新電梯量為1.6萬臺，2005年,城市率為43％，新電梯量已猛增長為12.5萬臺，而根據(jù)最新統(tǒng)計，2006年我國電梯產(chǎn)量已突破15萬臺，占世界年產(chǎn)量的三分之一[1]。而電梯和空調(diào)又是耗能最大的“電老虎”，據(jù)調(diào)查[2]，全國三星級以上酒店，空調(diào)和電梯兩項耗電量就占城市耗電量的三分之一，因此節(jié)能在電梯領(lǐng)域有著特別重要的意義。
電梯技術(shù)中，驅(qū)動系統(tǒng)是典型的運動控制系統(tǒng)，它控制電梯的起動、加速、穩(wěn)速運行以及減速等運動方式，驅(qū)動系統(tǒng)的性能直接影響到電梯的平層精度、振動、噪聲等乘坐舒適度。目前在老式電梯的驅(qū)動系統(tǒng)中，幾乎是交流感應電動機的一統(tǒng)天下，驅(qū)動方式主要是：
（1）交流雙速驅(qū)動系統(tǒng)
其三相交流感應電動機定子采用兩個不同極對數(shù)的繞組,開環(huán)控制方式,線路簡單,耗能大,乘坐舒適性差。
（2）交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)
三相交流感應電動機定子由采用晶閘管的交流調(diào)壓器供電，調(diào)速性能優(yōu)于前者，但它本質(zhì)上是屬于改變電動機轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法，在調(diào)速過程中，大量的轉(zhuǎn)差功率被消耗，導致電動機轉(zhuǎn)子發(fā)熱，是一種低效的調(diào)速方法。
（3）變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)
變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，使其調(diào)速性能達到直流調(diào)速水平，與前兩種相比，是一種高效調(diào)速技術(shù)，且驅(qū)動控制設(shè)備體積小，重量輕。
2000年我們研發(fā)的國內(nèi)第一臺永磁同步曳引機在西子奧的斯電梯公司實梯試驗成功，公司以節(jié)能的戰(zhàn)略眼光，2001年在我國率先推出了采用無齒輪永磁同步曳引機驅(qū)動的oh5000電梯系列，引領(lǐng)了電梯驅(qū)動系統(tǒng)的新潮流，為電梯節(jié)能作出了貢獻。無齒輪永磁同步曳引機驅(qū)動系統(tǒng)有如下突出優(yōu)點：
● 高效節(jié)能、驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)性能好
采用多極低速直接驅(qū)動的永磁同步曳引機，無需龐大的機械傳動效率僅為70％左右的蝸輪、蝸桿減速齒輪箱；與感應電動機相比，無需從電網(wǎng)汲取無功電流，因而功率因數(shù)高；因沒有激磁繞組沒有激磁損耗，故發(fā)熱小，因而無需風扇、無風摩耗，效率高;采用磁場定向矢量變換控制，具有和直流電動機一樣優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，起、制動電流明顯低于感應電動機，所需電動機功率和變頻器容量都得到減小。
● 運行平穩(wěn)、噪聲低
低速直接驅(qū)動，故軸承噪聲低，無風扇、無蝸輪蝸桿噪聲。噪聲一般可低5～10分貝，減小對環(huán)境噪聲污染。
● 節(jié)省建筑空間
無龐大減速齒輪箱、無激磁繞組、采用高性能釹鐵硼永磁材料，故電機體積小，重量輕，可縮小機房或無需機房。
● 使用壽命長、安全可靠
電機無需電刷和集電環(huán)，故使用壽命長，且無齒輪箱的油氣，對環(huán)境污染少。
● 運行維護費用少
無刷、無減速箱，維護簡單。

2 電梯主機—永磁同步曳引機的發(fā)展趨勢
為實現(xiàn)高效節(jié)能，為獲得優(yōu)良控制性能，電梯主機－永磁同步曳引機的優(yōu)化設(shè)計很有必要。研究集中在轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、磁場分布調(diào)整、低速轉(zhuǎn)矩波動抑制、分數(shù)槽繞組和極槽比的優(yōu)化組合以及飽和對磁場的影響等方面：
2.1 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)研究
除少數(shù)公司如通力外，氣隙磁場一般仍采用徑向磁場。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子兩種（見圖1、圖2），目前以外轉(zhuǎn)子居多。在相同外形尺寸限制下，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可獲得更大的電樞內(nèi)徑，從而擴大了力臂，在相同轉(zhuǎn)矩下，可縮小電機軸向長度，節(jié)省磁鋼用量和成本。但隨著電梯載重和梯速的增加，永磁同步曳引機的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩也不斷需要增大，需要注意發(fā)熱等問題。外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損耗的定子在內(nèi)側(cè)，熱量散發(fā)要通過定、轉(zhuǎn)子間氣隙和轉(zhuǎn)子磁軛與機座間的氣隙。在一些軸向長度短的薄型結(jié)構(gòu)中，這兩個氣隙傳導熱阻較大，引起發(fā)熱。

圖1載重1600kg梯速2.5m/s電梯用外轉(zhuǎn)子永磁同步曳引機（用于西子奧的斯電梯,由西子富沃德公司制造）

圖2 新穎的無機房電梯用內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步曳引機（用于西子—奧的斯電梯,由西子富沃德公司制造）

以磁鋼結(jié)構(gòu)來說,目前仍集中在表面貼裝的面裝式結(jié)構(gòu),因目前大多數(shù)中低速電梯曳引機的轉(zhuǎn)速都較低，磁鋼較易固定和調(diào)整，從而避免了磁鋼內(nèi)置式（ipm）結(jié)構(gòu)復雜的隔磁橋。釹鐵硼永磁材料的導磁率μ近似于空氣隙，采用面裝式磁鋼結(jié)構(gòu)時，相對電樞反應來說，相當于增大了等效氣隙，從而可削弱負載時因飽和對磁場的影響，可減小交、直軸電樞反應電抗，提高功率因數(shù)[4][5]。
2.2 磁場分布調(diào)整
面裝式磁鋼可以選擇更大的極弧系數(shù)，從而更多地利用磁鋼，增大氣隙磁通，減小電樞電流，減小銅耗，提高效率。為簡化加工工藝，一般采用均勻氣隙結(jié)構(gòu)，一定程度影響氣隙磁場的空間分布接近梯形波，而不是正弦波。近年來已有研究將halbach陣列的磁鋼結(jié)構(gòu)用于洗衣機電機[5]，取得較好效果。在磁鋼拼圓無間隙，且氣隙均勻的情況下，仍獲得正弦波氣隙磁場，提高出力。此外也有研究通過控制永磁體充磁磁場的分布來改善氣隙磁場波形[6]。
2.3 低速時轉(zhuǎn)矩波動的抑制
轉(zhuǎn)矩波動來源于紋波轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩，前者是由于定子感應電動勢和定子電流中不同次的高次諧波相互作用而產(chǎn)生的6倍頻次的紋波轉(zhuǎn)矩，后者則是由于在強氣隙磁密下（設(shè)計合理時可達0.7～0.8t或更高），由于齒、槽效應引起的。
減小轉(zhuǎn)矩波動的方法可分為兩類:一類從優(yōu)化控制方案出發(fā)，采用快速電流跟蹤變頻器，以盡可能減小電流諧波。目前與電梯配套的變頻器輸出電流波形差異很大，基波頻率越高，電樞電流越大，差異越大，使得同一主機在不同變頻器控制下效率、溫升、振動和噪聲會有大的差異。另一類方法則從改善電梯本體設(shè)計出發(fā)，優(yōu)化氣隙磁場波形，以改善永磁電機運行性能；或采用斜槽或斜磁極、磁性槽楔、定子鐵心齒面設(shè)置輔助槽、表面貼裝式磁鋼結(jié)構(gòu)以及適當放大氣隙等方法削弱齒槽效應的影響；此外分數(shù)槽繞組是永磁電機中普遍采用的措施，它可以有效地抑制定位轉(zhuǎn)矩，消除齒諧波磁場引起的齒諧波感應電勢；在多極少槽的情況下，分數(shù)槽繞組提高了等效整數(shù)槽的每極每相槽數(shù)，可消除感應電動勢中的高次諧波,從而減小紋波轉(zhuǎn)矩。一般而言，采用分數(shù)槽繞組和斜槽或斜極是最有效的措施。
2.4 分數(shù)槽繞組和極槽比的優(yōu)化組合
分數(shù)槽的每極每相槽數(shù):
（1）
一般而言，注意了分數(shù)槽繞組的兩個對稱條件，即：

（2）
式中m為相數(shù)，2p為極數(shù)，a為定子繞組的并聯(lián)支路數(shù)，d為分數(shù)槽繞組分母。滿足了（2）的兩個對稱條件，設(shè)計方案即可行了。
但近年來永磁同步電動機的設(shè)計有多極化的趨勢，為優(yōu)化線圈制造工藝和減小齒諧波磁場頻率，有采用少槽的趨勢。齒諧波次數(shù)：

k=1,2,3… （3）
式中:2p為極數(shù)，z1為定子槽數(shù)，nm為z1和2p的最大公約數(shù)，γ越大，齒、槽轉(zhuǎn)矩幅值越小。評價因子:
（4）
式中nc為z1和2p的最小公倍數(shù)，ct越大，齒槽轉(zhuǎn)矩越大。
從式（3）、（4）可見，分數(shù)槽繞組和極槽比之間，有一個優(yōu)化組合關(guān)系，即近年來永磁同步電動機有少槽、多極、大分母分數(shù)槽的趨勢，用于減小齒槽轉(zhuǎn)矩、定位轉(zhuǎn)矩、振動和噪聲。但這種配合，往往帶來斜槽系數(shù)低的缺點，對那些尺寸緊湊如薄型永磁同步曳引機，或為提高槽滿率和改善下線工藝的定子齒拼接結(jié)構(gòu)，都無法采用斜槽結(jié)構(gòu)，這時應特別注意轉(zhuǎn)子磁路的對稱性，從磁鋼材料均勻性的篩選、磁鋼裝配的均勻性、氣隙的均勻性，嚴格工藝，否則極難獲得滿意效果。

3 專用變頻器的優(yōu)化設(shè)計
3.1 能量反饋（亦稱再生能源）變頻器的研究
所謂能量反饋或再生能源，就是指當電梯系統(tǒng)運行不需要電力驅(qū)動，驅(qū)動電機處于制動發(fā)電狀態(tài)，把電梯轎廂和對重系統(tǒng)運行的機械能轉(zhuǎn)化為電能，并把產(chǎn)生的電能回饋到局部電網(wǎng)中[1]。目前采用傳統(tǒng)的交—直—交電壓源型變頻器，受逆變器處電力電子器件的單向?qū)щ娦砸约爸虚g直流直流環(huán)節(jié)電容器的耐壓所限，一般都裝有制動電阻，其作用即把上述運動系統(tǒng)倒拖電動機時所發(fā)電能，通過電阻發(fā)熱消耗掉。電梯運動越頻繁，制動電阻消耗的電能越多，產(chǎn)生的熱量也越多。
無齒輪直接驅(qū)動的永磁同步曳引機，不再需要蝸輪蝸桿減速箱，這就為中低速電梯的能量反饋或稱再生能源提供了基礎(chǔ)。2006年西子奧的斯公司推出的“regen（銳進）能源再生電梯”[7]，就是在原oh5000無齒輪系列基礎(chǔ)上，對電梯節(jié)能技術(shù)的再一次升級。通過特殊的專用雙pwm調(diào)制的變頻器優(yōu)化設(shè)計，變頻器處的整流主電路亦采用igbt器件，并通過電壓和快速電流跟蹤的pwm調(diào)制雙閉環(huán)控制，使傳統(tǒng)電梯制動時消耗在制動電阻上的能量轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的電能，反饋到同一電網(wǎng)中，為其它設(shè)備提供能源。經(jīng)檢測，該系列電梯節(jié)能效果顯著，綜合節(jié)能達55％，且噪聲低，平穩(wěn)性好。目前西子孚信公司、上海三菱電梯公司和廣州日立電梯公司都有這方面的考慮。山東百斯特電梯公司采用交－交變頻器－矩陣變頻器，亦具有能量反饋功能，節(jié)能效果好，且對電源無諧波干擾[8]。
3.2 一體化、集成化、通用化智能化的趨勢
在小功率伺服系統(tǒng)中把電動機、反饋、控制、驅(qū)動和通訊縱向一體化是一種新潮[9]。圖3為電梯門機系統(tǒng)的一體化裝置，電梯門機系統(tǒng)是電梯運行最頻繁，受人、物干擾運行條件最差的部件。采用一體化的設(shè)計，主機仍為扁平多極永磁同步電動機，智能化的伺服驅(qū)動器集控制、驅(qū)動和通訊一體化，提高了可靠性。

圖3 一體化的電梯門機系統(tǒng)（用于西子奧的斯電梯,由西子孚信及富沃德公司制造）

國產(chǎn)變頻器雖然都采樣了磁場定向的矢量變換控制，但與國外的變頻裝置相比，在通用化、智能化方面仍有不少差距。如進口變頻器可適用感應電動機、永磁同步電動機等不同機種，可適用旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器等不同的位置傳感器、在智能化方面，現(xiàn)代的伺服驅(qū)動器正朝著參數(shù)記憶、故障診斷分析、甚至預測性技術(shù)努力。不少進口電梯用變頻器具有自動增益調(diào)整功能，自動測定電機電阻、電感參數(shù)功能和自動測定編碼器零位的功能。最新的現(xiàn)代伺服驅(qū)動器嵌入預測性維護技術(shù)，及時反映重要技術(shù)參數(shù)的動態(tài)趨勢，如電流的升高、電流波形的畸變、溫度的變化等，從而可及時采取預防措施，避免發(fā)生故障。

4 傳統(tǒng)懸掛媒介和驅(qū)動方式的革新
目前電梯的一些傳統(tǒng)的懸掛媒介和驅(qū)動方式正受到挑戰(zhàn)。圓形鋼絲繩作為懸掛媒介是標準方式，但目前國外已經(jīng)出現(xiàn)扁平鋼絲芯皮帶、非金屬繩以及扁平鋼絲繩作為懸掛媒介。這不但可以減小高層建筑中懸掛媒介自重需要的曳引機輸出功率，而且可以減小曳引輪直徑，意味著在同樣梯速下可以提高電動機的轉(zhuǎn)速，從而減小所需電動機轉(zhuǎn)矩，縮小電動機體積、重量和成本。
日本東芝正在研制的磁懸浮電梯[2]，是傳統(tǒng)驅(qū)動方式的革命，它無需垂直軌道牽引升降，從而除去傳統(tǒng)的鋼纜、鋼絲導軌、配重、限速器、導向輪、配重輪等復雜的機械設(shè)備。該磁懸浮電梯的主機為直線電動機，動子為裝在轎廂內(nèi)的磁鐵，定子為裝在導軌上的鐵心和線圈，在轎廂移動時，通過定、動子間磁力的相互作用綜合調(diào)整，使轎廂與導軌無接觸。由于不存在摩擦，磁懸浮電梯運行時安靜舒適，還可達到傳統(tǒng)驅(qū)動電梯無法達到的梯速。它還可利用電磁導軌切割磁場的形式來回收轎廂動能及勢能，獲得節(jié)能效果。
芬蘭通力電梯公司已進入試驗階段的“supereco 太陽能電梯”是將太陽能電動機在光伏發(fā)電系統(tǒng)的井道中運行，光伏發(fā)電井道提供電梯運行所需之電能。通過光伏電池將光能轉(zhuǎn)化為電能，可靠性高，不產(chǎn)生廢氣和噪聲，環(huán)保，具有發(fā)展前景。

5 可編程電子電氣安全系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械安全設(shè)施[1]
雖然近年來我國新電梯的曳引機的控制和驅(qū)動已采用了許多先進技術(shù)，但保證電梯安全的技術(shù)卻基本沒有變化。傳統(tǒng)的機械安全設(shè)施由于機械系統(tǒng)失效、觸點污漬、燒蝕以及機械損壞所導致的停梯故障或事故還時有發(fā)生。
目前歐洲可編程電子系統(tǒng)已使用在電梯的安全防護上，從而提高了電梯的安全可靠性，減少了維護費用，降低了噪聲。用可編程電子電氣安全系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械安全設(shè)施是發(fā)展的必然趨勢。
綜上所述，在此電梯技術(shù)飛速發(fā)展的時代，不但在開發(fā)新的電梯產(chǎn)品上有很多工作可做，而且我國許多老電梯、老建筑都面臨老梯改造和加裝電梯的需求，圖4為適合多層建筑和小別墅的無機房電梯用永磁同步曳引機。

圖4 無機房電梯用永磁同步曳引機（用于西子奧的斯電梯，由西子富沃德公司制造）