ПРИВОД ЛИФТА
LIFT DRIVE

Область техники
Настоящее изобретение относится к отрасли лифтостроения, однако может быть использовано и в других отраслях при создании прямых (безредукторных) электроприводов производственных механизмов различного назначения.
Уровень техники
Большинство приводов лифтов строится по стандартной кинематической схеме (Фиг.1, Фиг.2): электродвигатель 1 - тормоз 2 - редуктор 3 зубчатых колес - канатоведущий шкив 4 (КВШ) (см., например, авторские свидетельства СССР №140560 (опубл. Бюл. №16 (1961)), №158059 (B66D 3/20, опубл. Бюл. №20 (1963)), №220460 (B66D 1/28, опубл. 28.06.1968, Бюл. №20), №895912 (B66D 3/22, опубл. 07.01.1982, Бюл. №1), №1421681 (B66D 3/26, опубл. 07.09.1988, Бюл. №33), №1768501 (B66D 3/22, опубл. 15.10.1992, Бюл. №38), №1838228 (B66D 3/20, опубл. 30.08.1993, Бюл. №32)).
Главное звено привода - редуктор зубчатых колес с разными видами зубчатых зацеплений (червячным, планетарным или другими) - однозначно определяет высокую стоимость привода из-за применения дорогих материалов (легированные стали, бронза), прецизионного оборудования для изготовления, специальных технологий термообработки, профильной шлифовки и контроля качества зубчатых зацеплений любого типа. Кроме этого, в редукторе применяют жидкие смазки и, следовательно, герметичные уплотнения (сальники) на входном и выходном валах, которые требуют регулярного регламентного обслуживания и замены в процессе эксплуатации, а износ высокоскоростных подшипников, валов, шестерен зубчатых зацеплений однозначно определяет технический ресурс и, следовательно, долговечность и надежность привода в целом.
В патенте США №4355785 (26.10.1982, классы B66D 001/12; B66D 003/20; B66D 005/12 МПК) раскрыт безредукторный привод лифта, содержащий асинхронный электродвигатель, канатоведущий шкив и тормозную систему (Фиг.3). В описании патента раскрыт привод для высокоскоростных лифтов, используемый при скоростях около 150 м/мин. Привод состоит из двух модулей: многоручьевого канатоведущего шкива 5 и электродвигателя 6. Вал 7 ротора 8 электродвигателя 6 соединен со ступицей 9 шкива через конусную посадку и закреплен гайкой 10. Один конец вала ротора опирается на самоустанавливающиеся подшипники 11, а второй конец через ступицу шкива - на сдвоенные роликоподшипники 12. Последние установлены на консольной крышке 13 статора 14 электродвигателя. Консольная крышка посредством подкосов 15 и опорной плиты 16 закреплена на кронштейне 17. С помощью канатов 18 к шкиву подвешена кабина лифта 19 или противовесы. На шкиве предусмотрен диск 20 с тормозом 21. Предлагаемый привод более компактен, имеет более низкую стоимость, чем стандартные приводы.
Однако, как указано в описании патента, предложенный привод лифта предназначен для высокоскоростных лифтов. Это объясняется тем, что примененный асинхронный электродвигатель, безусловно, самый распространенный, простой и дешевый, не может быть выполнен низкоскоростным и при этом иметь приемлемые для практического использования параметры: нагрузочный момент, коэффициент полезного действия, коэффициент мощности. Так асинхронные двухскоростные электродвигатели специальных лифтовых серий при работе обмотки малой скорости (333 или 250 об/мин) имеют КПД в пределах 30-40% и коэффициент мощности - 0,31-0,38, в то время как при работе обмотки большой скорости (1000 или 1500 об/мин) КПД обычно составляет 80-90%, а коэффициент мощности - 0,71-0,78. Поэтому работа на обмотках малой скорости используется кратковременно в переходных режимах для торможения и остановки лифта (см. «Справочник по электрическим машинам», Т. 1, М.: Энергоатомиздат, 1988).
По этой причине электромашиностроители многих стран, выпуская серийно асинхронные электродвигатели, не производят их с частотой вращения менее 750 об/мин, очень редко 600 об/мин.
Однако в лифтовой отрасли 85-90% лифтов работают при скоростях 0,5-1 м/с, около 8% лифтов работают при скоростях 1,4-1,6 м/с, а высокоскоростные лифты (от 2 м/с до 10 м/с) составляют не более 1-2% от общего количества эксплуатируемых лифтов.
Целью настоящего изобретения является создание безредукторного привода лифта переменного тока, обеспечивающего низкие скорости движения лифтов массового применения от 0,5 м/с до 1,6 м/с при использовании самого простого по конструкции и, следовательно, самого дешевого, надежного и долговечного асинхронного электродвигателя специального исполнения.
Сущность изобретения.
Поставленная цель достигается тем, что в безредукторном электроприводе лифта, содержащем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, канатоведущий шкив и тормозную систему, асинхронный электродвигатель выполнен с электрической редукцией, которая образована тем, что обмотка статора состоит из i отдельных двухслойных обмоток (i - целое число не менее 2), рассчитанных на полное напряжение питания, гальванически не связанных и изолированных друг от друга, каждая из них занимает 1/i-ю часть окружности статора, внешние стороны секций каждой обмотки, образующих ее крайние полюсы, уложены совместно с внешними сторонами секций смежных обмоток в общие пазы статора, причем полюса смежных обмоток на стыке обмоток являются разноименными.
При этом обеспечивается следующий технический эффект.
При параллельном подключении обмоток к питающей сети вдоль дуги статора, занятой каждой обмоткой, образуется локальное «бегущее» магнитное поле, скорость которого определяется числом полюсов обмотки и которое, взаимодействуя с ротором, создает крутящий момент, действующий на участке статора, занятом этой обмоткой. Крутящие моменты всех обмоток суммируются, а скорость вращения ротора двигателя менее скорости «бегущего» магнитного поля одной обмотки во столько раз, во сколько раз длина окружности расточки статора больше дуги, занимаемой одной обмоткой, т.е. равно числу отдельных обмоток (i).
Ротор асинхронного электродвигателя с электрической редукцией скорости вращения выходного вала может быть любого типа: короткозамкнутый, типа «беличье колесо», массивный ферромагнитный или из немагнитного металла с высокой проводимостью (медь, алюминий и т.п.). Обмотки статора могут быть выполнены многофазными или однофазными любого типа, обязательным условием является то, что они должны создавать «бегущее» (вращающееся) магнитное поле и быть двухслойными.
Тормозная система электропривода лифта обычно содержит тормозной шкив (или диск) и механический, обычно пружинный, тормоз с электромагнитным растормаживанием.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 и Фиг.2 показаны стандартные кинематические схемы редукторных приводов: на Фиг.1 - с червячным редуктором, на Фиг.2 - с планетарным редуктором.
На Фиг.3 приведен чертеж устройства прототипа.
На Фиг.4 показана кинематическая схема безредукторного привода по настоящему изобретению.
На Фиг.5 показана конструктивная схема электродвигателя с электрической редукцией i=4.
1
На Фиг.6 показана принципиальная электрическая схема - фрагмент асинхронного двигателя с электрической редукцией i=4(Z=144). Число полюсов одной обмотки
1
2p=6. Показана полностью первая обмотка и ее сопряжение со смежными обмотками второй и четвертой.
1
1
На Фиг.7 изображен фрагмент принципиальной электрической схемы статора трехфазного асинхронного электродвигателя с 4-мя независимыми двухслойными обмотками, i=4(Z=48). Число полюсов одной обмотки 2p=2.
На Фиг.8-11 показано соединение фаз каждой обмотки статора.
На Фиг.12 представлены нагрузочные характеристики электродвигателя, используемого в настоящем изобретении.
На Фиг.13 и Фиг.14 представлена конструкция асинхронного электродвигателя с электрической редукцией, аналогичная конструкции серийных асинхронных электродвигателей.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
В безредукторном электроприводе лифта по настоящему изобретению (Фиг.4) использован асинхронный электродвигатель с электрической редукцией скорости вращения вала, непосредственно на котором смонтированы канатоведущий шкив 23 и тормозная система, состоящая из тормозного шкива 24 и тормоза 25. Электродвигатель 22 содержит ротор 26 с обмоткой, например обмоткой типа «беличье колесо», а также статор 27, смонтированный в корпусе 28 электродвигателя, причем обмотка статора состоит из i отдельных двухслойных обмоток, где i - целое число не менее 2. На Фиг.5 представлена конструктивная схема электродвигателя с 4-мя обмотками, т.е. электрическая редукция скорости вращения выходного вала i=4. Каждая обмотка занимает 1/i-ю часть окружности статора, гальванически не связана с другими обмотками, изолирована от них и рассчитана на полное напряжение питающей сети (29 - первая обмотка, 30 - вторая обмотка, 31 - третья обмотка, 32 - четвертая обмотка).
На Фиг.6 изображен фрагмент принципиальной электрической схемы статора асинхронного трехфазного электродвигателя с четырьмя обмотками (i=4). Статор электродвигателя имеет 144 паза. Каждая обмотка двухслойная, имеет 6 полюсов (2р=6), шаг по пазам 1-6', число пазов на полюс и фазу равно 2 (q=2). На Фиг.6 показана полностью 1-я обмотка (1U1-1V1-1W1; 1U2-1V2-1W2) и ее сопряжение с соседними обмотками (2-й и 4-й). Одна сторона секций обмоток («левая») укладывается в 36 пазов (1-36), при этом вторые стороны секций 6-го полюса обмотки («правые») уложены в пазы 37'-41'. В эти же пазы уложены «левые» стороны секций первого полюса 2-й обмотки (2U1-2V1-2W1).
1
Для упрощения изложения описания электрической схемы асинхронного электродвигателя с электрической редукцией на Фиг.7 изображен фрагмент принципиальной электрической схемы статора трехфазного асинхронного электродвигателя с 4-мя независимыми двухслойными обмотками (i=4 Фиг.5), но каждая обмотка имеет только одну пару полюсов (р=1), число пазов на полюс и фазу равно 2 (q=2) и шаг по пазам сторон секций обмотки (с укорочением) - y=1-6. Статор такого электродвигателя имеет 48 пазов.
На Фиг.7 показана полностью схема соединений секций 1-й обмотки (Фаза A: 1U1-1U2; Фаза B: 1V1-1V2; Фаза С: 1W1-1W2). Соединение фаз каждой обмотки - «звезда» (Фиг.7, Фиг.8-11) - концы 3-х фаз каждой обмотки соединены между собой: 1U2, 1V2 и 1W2; 2U2, 2V2 и 2W2; 3U2, 3V2 и 3W2; 4U2, 4V2 и 4W2. На Фиг.7 показано соединение концов фаз в «ноль» 1-й и 4-й обмоток и начала фаз 1-й и 2-й обмоток. «Левые» стороны секций каждой обмотки укладываются в 12 пазов статора (Фиг.7). Для 1-й обмотки - это пазы 1-12; для 2-й обмотки - это пазы 13-24; для 3-й обмотки - это пазы 25-36 и для 4-й обмотки - это пазы 37-48.
Таким образом, первые пять пазов каждой обмотки (при q=2) - полузаполненные (у 1-й обмотки - это пазы 1-5; у 2-й - это пазы 13-17; у 3-й - это пазы 25-29; у 4-й - это пазы 37-41). В то же время, «правые» стороны секций последнего полюса каждой обмотки (при q=2 их число равно 5) укладываются в полузаполненные 5 пазов первого полюса следующей смежной обмотки. На Фиг.7 - это пазы 13-17 2-ой обмотки. А 5 «правых» сторон секций последнего полюса 2-ой обмотки укладываются в 5 полузаполненных пазов первого полюса 3-ей обмотки (это пазы 25-29) и т.д.
Таким образом, во все пазы окружности расточки статора уложено одинаковое число витков, что обеспечивает однородность «бегущего» магнитного поля вдоль всей окружности расточки статора. Причем соединение секций между собой в каждой обмотке выполнено таким образом, чтобы полюса соседних обмоток на стыке были разноименными.
При подаче напряжения питания на обмотки статора каждая из них создает свое автономное локальное непрерывное «бегущее» магнитное поле в секторе двигателя, занимаемом данной обмоткой (см. Фиг.5). Частота вращения поля каждой обмотки определяется ее числом полюсов
c
где f - частота напряжения питания, Гц; р - число пар полюсов; n - частота вращения поля в контуре каждой обмотки, Гц.
Но в секторе каждой обмотки находится 1/i-я часть ротора электродвигателя, следовательно, скорость вращения ротора, т.е. вала последнего, будет в i раз меньше скорости «бегущего» поля в контуре каждой обмотки.
1
Например, электродвигатель по схеме Фиг.6 содержит 4 двухслойные обмотки статора (i=4), каждая обмотка имеет 6 полюсов (2р=6), число пазов на полюс и фазу равно 2(q=2), а общее число пазов статора (на 4 обмотки) равно 144 (z=144). Стандартный, серийно выпускаемый электродвигатель с числом полюсов, равным 6 (2р=6), например АИР132M6Y2, при частоте 50 Гц имеет синхронную частоту вращения поля статора 1000 об/мин:
а электродвигатель по настоящему изобретению с 4-мя обмотками (Фиг.6) имеет скорость вращения вала, соответствующую синхронной скорости поля одной обмотки 1000 об/мин, равную
При этом не происходит снижения скорости движения магнитного потока в обмотках и, следовательно, сохраняется эффективность преобразования электрической энергии в механическую на уровне серийных электродвигателей с числом полюсов, равным их числу в одной обмотке, что обуславливает одинаковый уровень энергетических показателей. Таким образом, механизм преобразования электрической энергии в механическую в предлагаемом электродвигателе осуществляет редукцию скорости вращения в i раз, где i - число отдельных независимых обмоток статора электродвигателя, расположенных в отдельных секторах окружности статора.
Настоящее изобретение предоставляет возможность создавать тихоходные асинхронные электродвигатели с низкими рабочими частотами вращения (десятки об/мин) без ухудшения параметров. Каждая обмотка статора совместно с участком ротора, расположенным с ней в одном секторе электродвигателя, создает свой вращающий момент. Увеличение момента достигается подачей напряжения питания на другие обмотки статора (см. Фиг.12). На Фиг.12 изображены нагрузочные характеристики электродвигателя. По оси ординат отложена скорость вращения электродвигателя (об/мин), а по оси абсцисс - нагрузочный момент (в Н·м). Так как все обмотки одного двигателя одинаковы, то каждая из них имеет в отдельности характеристику I. При подаче одинакового по частоте и напряжению питания на две обмотки крутящий момент удваивается (кривая II), на три обмотки - утраивается и т.д. При этом суммарный вращающий момент электродвигателя равен , где i - число независимых обмоток статора, а  - вращающий момент, создаваемый одной обмоткой.
Такой электродвигатель имеет более высокие показатели надежности, т.к. даже при отказе одной обмотки электродвигатель продолжает обеспечивать вращение рабочего механизма, в частности - подъем лифта, в котором он применен, с уменьшением момента на 1/i-ю часть, что обычно не сказывается на работе, т.к. двигатель выбирают с коэффициентом запаса.
Стандартные серийные двигатели не обладают этим преимуществом и при любом отказе обмотки подлежат демонтажу и замене.
Технология изготовления асинхронного двигателя с электрической редукцией частоты вращения вала не имеет каких-либо особенностей, отличных от технологии изготовления серийных асинхронный электродвигателей (Фиг.13 и Фиг.14). Нет необходимости приобретения каких-либо специфических материалов или дополнительного технологического оборудования, либо освоения новых технологических процессов.
Отличие асинхронного электродвигателя с электрической редукцией заключено в его принципиальной электрической схеме статора (см. Фиг.6 и Фиг.7), в расположении обмоток статора в отдельных секторах и в особенностях укладки крайних секций соседних обмоток в пазы магнитопровода статора.