★ 新型节能扶梯驱动主机开发的背景综述

　　在现今社会中自动扶梯(含自动人行道)对城市交通事业的发展起着越来越大的作用，在商场、车站、码头、机场、地铁等公共建筑中随处可见其身影，但与此同时扶梯的高能耗也极大增加了终端客户的运营成本，在能源日益紧张的今天给整个社会带来了不良效应。

　　作为扶梯运行的核心部件——驱动主机现在仍普遍采用异步电机+蜗轮蜗杆减速的技术，其所应用的电机最高效率为80%，平均效率仅为76%，而蜗轮蜗杆减速特点为：结构简单，运行平稳，噪音适中，其仅以一组蜗轮副进行大减速比传动来提升电机的转矩，成本也较低，但此类技术有着以下严重缺陷：效率低(国内普遍采用的两头蜗轮副的传动效率仅在62~68%之间)、能耗高、齿面易磨损(降低整机使用寿命，增加维保量)。两种技术复合而成的驱动主机总效率仅为51%左右，既造成能源的巨大浪费，也制约了扶梯品质的提升。

　　自动扶梯作为城市重要交通设备之一，还有着运转率极高(统计表明自动扶梯每天运行平均达10~16小时)、运行过程空载率较高的特征(空载时驱动主机电机的电流与负载时相差不大)，为了降低扶梯的能耗，部分厂商采用了加装变频调速控制系统的技术，此类应用的确实现了扶梯节能的目的，但节能效果却很有限，不能从根本上解决扶梯节能的问题。

　　其实，解决这个问题的关键途径在于开发一种全新的节能型扶梯驱动主机，措施如下：1)采用高效、高功率因素的永磁同步电机取代异步电机作为主机驱动源;2)采用结构紧凑、机械传动效率高达98%的行星斜齿轮机构作为减速装置。这两种措施组合可使新型主机的总效率比传统蜗轮副主机提升了35%以上 ，运行可靠性、舒适感也得到有效提高，配合变频控制系统、漫反射传感器、下行反馈节能系统等装置，可进一步实现无人乘梯自动停止、低速运行、下行反馈电能等多种节能模式，可再降低能耗30~60%，大幅提升扶梯的性能及品质。

　　本文在论述过程中，着重于扶梯驱动主机的技术介绍，以下就主机的配置电机、减速机构、组合效应、YF80永磁同步行星齿轮驱动主机的特性作一些讨论。

　　★ 关于驱动主机的电机选配论述

　　一、传统主机配置异步电机的三大技术缺陷：

　　1.功率因素较低，仅为0.76~0.80之间，因而产生较大的无功损耗。

　　2.起动电流及空载电流都很大：异步电机起动电流是额定电流的3~6倍，原因是这种电机的转子磁场由定子绕组的感应电势来感应转子产生电流，转子的磁通量必须要有足够大的感应电流来维持磁通密度，驱动时直接以工频电压驱动的方式控制电流运行，空载电流每千瓦接近1.07安培。

　　测试实例：7.5kw异步电机的空载电流为7.9安培，YF80主机的7.5kw永磁同步电机的空载电流仅为1.2安培。

　　3.过载转矩不足：扶梯经常出现短时重载的运行状况，此时电机转矩不足引起电流急剧上升，往往因此烧坏线圈，为了解决这个问题，主机生产厂家通过增大配置电机功率的方式来提高过载起动转矩，但代价是增大了能耗。

　　二、电梯曳引机已普及应用了无齿轮永磁同步电机技术，为何这种技术不适宜直接应用于扶梯驱动主机，原因在于：

　　1.输出转矩、安装空间及成本问题：单纯采用无齿轮电机结构设计扶梯主机，为了达到驱动扶梯运行的额定转矩，主机的体积、外形尺寸、重量将为传统蜗轮副主机的2~3倍，超过扶梯机房安装空间的规定，制造成本也将非常可观。

　　2.电机效率不高：据中国电梯杂志报导，无齿轮电梯曳引机所采用的永磁同步电机效率为76~78%，其能耗损失与同功率的异步电动机基本相同，这是由于永磁同步电机的技术特性决定的——磁极数越多、频率与转速越低，电机效率呈现大幅下降。

　　3.电机转动惯量过低：扶梯在制停过程中要求驱动主机的配置电机具备较大的转动惯量以保证在应急情况下(例如扶梯外部突然失电)实现匀减速滑行制停，而无齿轮结构电机的低速转动惯量根本不能满足这个要求。

　　三、YF80永磁同步行星齿轮驱动主机的电机选配：

　　驱动源配置了效率达92~94%的永磁同步电机，其采用德国永磁伺服电机技术并按照国家最新电机标准作进一步优化而成，是一种内转子交流电机(同步转速600r/min，磁极数10极)，主要特性为：体积小、功率因素接近1、不需励磁电流、起动及运行电流小(较同功率的异步电机起动电流可下降4~6倍，空载运行电流减少了5~6倍)、最大起动转矩可达额定转矩的1.8~2.5倍，功率配置相较蜗轮蜗杆主机(同等规格扶梯)可下降2~4KW。

　　再配合力矩放大机构(即减速器)，就可应用于扶梯驱动系统，其体积、效率、运行电流、转动惯量等特性都可满足扶梯驱动的需要。

　　★ 与其它类型主机在减速机构的比较论述

　　进口电梯主机的主要生产地集中在德国、意大利、芬兰、美国、日本、韩国等国家，其产品传动技术主要为蜗轮副减速，中国多家企业也在生产类似结构的主机，其主要生产设备为德国格林贝尔阿基米德渐开线精密蜗杆加工设备，也有国产改进型，产品为双包络齿型结构和尼曼涡轮副，其齿形齿面改善了润滑效果，提升了齿轮副的传动效率，但这种减速结构的正转效率也仅在62~72%之间，它的反转效率则只有56%左右。许多营销人员与客户谈到曳引机的安全性能时经常会提及蜗轮副的自锁性能，而实际上此类曳引机的自锁能力只有在正反转效率低于55%时才可以实现，这同样以牺牲能耗的代价来换取的，这是生产商不希望看到的结果。

　　现在日本、美国的电梯市场还有少量采用斜齿轮减速传动机构的扶梯驱动主机(所配置的异步电机效率较低，为80%左右)，这类型的减速箱采用三级平行轴斜齿轮方式减速，减速箱的传动效率可达92~94%，但其缺点是运行噪声较高、齿轮受力比压大、承载系数低、过载能力差。

　　而行星斜齿轮减速箱具有传动效率高、齿轮均载性能好、结构紧凑、体积小、重量轻等许多优良特性，其运行噪声较大的缺点通过与永磁电机组合后也得以彻底改进，它是扶梯驱动主机减速结构的最佳选择。

　　★电机及传动技术的组合效应

　　传统主机通常采用工频380V交流异步电机+蜗轮蜗杆减速箱结构，当减速箱的传动平均效率为66%，电机平均效率为76%时，它的总效率是两者效率的乘积：66×76=50.16，这个理论上的计算结果可以从电梯曳引机和扶梯驱动主机的现场测试数据来证实。

　　相应来说采用其它高效的电机及减速箱，例如采用效率为92%的永磁同步电机+效率为98%的行星斜齿轮减速箱，这种组合的总效率则可达到90.16%，应用于扶梯驱动主机就可有效地减少能耗，尤其在自动扶梯大部分时间都处于空载或轻载运行的情况下，能够显著降低有功、无功损耗，节能效果特别明显。

　　因此，电机和减速箱的选配决定了扶梯的主要能耗及节能效果，是根本上解决扶梯节能问题的关键途径。

　　★ YF80永磁同步行星齿轮驱动主机的主要特点

　　一、可靠性好：YF80主机的电机运行温升低，散热性好，减速箱采用的行星斜齿轮均载性能好、安全可靠，主机设计使用寿命可达25年。

　　二、效率高：YF80主机的快速永磁同步电机效率高达92~94%，其减速箱传动效率达98%，经型式试验检测，额定载荷时主机总效率86.4~91.4%，与传统扶梯驱动主机(蜗轮蜗杆)相比，其能耗损失减少36%以上。 图4. YF80永磁同步行星齿轮主机运行效率曲线

　　三、运行舒适安静：YF80主机的行星斜齿轮减速箱通过与永磁电机组合传动后运行噪声大幅降低，整机运行噪声≤50分贝。

　　四、YF80主机可直接替代传统蜗轮副主机安装于机房原位，适用于所有的现用常规扶梯。

　　★YF80主机的其它特性

　　一、YF80主机的控制系统采用3VF变频矢量技术，运行时电机输出功率、电流及电压始终会根据扶梯的负载及速度状况适时自动调整，比如说以扶梯(4.5m)空载运行时的电流值约为2~3安培，随着负载的加大至额定负载时最大为11.2安培，而作变频慢速运行时(0.15m/s)电流仅为1~1.6安培，这种方式下主机的电机定子电流下降了70%，其节能效果特别明显。而采用异步电机驱动的蜗杆主机在扶梯空载运行时电机(7.5kw)电流为7.9~9.0安，即使采用变频慢速运行方式，电流也只降低20%左右，节能效果并不好。

　　二、YF80主机采用3VF变频及分组双块制动技术进行制停，可以保证扶梯在常规停止运行或在外部失电应急的情况下，平稳实现整梯的匀减速滑行制停。注：在这里需要说明三个问题 ：1)根据中国梯杂志译文报告的调研，全世界在用的传统扶梯在紧急制停过程中，由于制动器不同时具备轻载或重载的匀减速滑行制停功能，因而在制停过程中造成约2.5%的乘客跌倒并受到伤害;2)在扶梯采用3VF变频调速技术后，驱动主机在常规制停过程是按变频器的制停时序曲线进行匀减速滑行制停，因而制停过程相当平稳，不会对乘客造成伤害(对于大高度和大斜度的扶梯，匀减速制停功能尤为重要，所以对于跨度高于6米的扶梯，标准规定必须增加一组附加制动器，这是非常必要的);3)按照国家有关标准，在扶梯外部失电的条件下，变频器的安全回路必须断开，此时已无法以变频制停方式进行匀减速制停，因而要求主机的失电电磁制动器与电机转子转动惯量共同作用，产生一定的制动力矩和制动时间，方能保证整梯匀减速滑行制停的良好效果，这是一个世界性的技术难题，柳州凯迪在这一问题的解决作了技术创新：首先YF80主机驱动电机的转速为489r/min，转子端的转动惯量可满足扶梯匀减速滑行制停的要求;其次配合分组双块式失电电磁制动器产生有一定时间差的抱闸制动力，从而在外部失电条件下实现了主机的匀减速滑行制停功能。

　　三、有效解决电机散热问题：由于主机在驱动扶梯运行时是处于一个相对密封的环境中，假如主机配置异步电动机驱动，而电机采用转子轴端外加外风罩风扇的方式降温，这种主机是不适宜应用变频减速节能模式的，因为这种加在转子轴上的风扇在电机低速运行时，风速小、风量弱，不能有效地带走线圈绕组升温时产生的热量，电机温度会升高从而加速绕组绝缘层老化，缩短电机使用寿命。而YF80主机设计时给电机增加了一个外置小功率风机，当电机长时间重负荷运行时，温度上升超过温控器感应设定温度，风机启动，有效降低电机内部温升，延长电机寿命。

　　四、可加装下行节能反馈电能装置，利用扶梯重载下行的势能将主机驱动电机转为发电状态，向内部电网回馈电能。这种技术对于异步电机驱动的主机而言，其下行时蜗杆蜗轮为反转运行，扶梯负载所产生的势能几乎完全被蜗轮副机构的摩擦传动消耗掉，因而采用传统驱动主机的扶梯去做回馈节能几乎是白费工夫，电梯界内也通过实例论证了这点，而对于采用3VF变频驱动的永磁同步电机+高效齿轮减速箱的主机，这种技术可将绝大部分势能转化为电能向内部电网回馈电能，可给终端用户带来极其可观的效益。

　　五、提高电机轴承使用寿命。根据我司技术人员对使用变频异步电机的客户长达9年的跟踪，发现此类电机两端的轴承易产生感应轴电流，电流通过轴承向电机壳接地端放电而造成火花蚀损，令轴承损坏加剧。这是因为变频器在调速过程中对电机输入的载波电流内含高次階波电流，电压峰值达1500伏，虽然电流很小仅为几个微安，但这种放电电化学蚀损的过程是长期存在的，特别是有些轴承填充的润滑油脂导电性很强，造成轴承的电蚀损坏来得更快，所以用于变频调速控制方式的异步电机必须采取相应特殊措施方能防止轴承过早损坏。而同步电机的内转子是依靠永磁体的天然磁场与定子电磁场产生相互作用来产生电机的电磁转矩，转子的天然磁场本身具有反作用力来对抗定子绕组感应产生的高次階波，因而同步电机的轴承被烧蚀的几率大为减少了。

　　谨将此文献给从事扶梯产品设计的技术同仁，期盼在一定时间内，有助于改变我国扶梯能耗过高、技术含量低的状况，促进及推广扶梯产业的技术进步和市场繁荣。

　　本文由于一些资料尚未进一步印证，文中难免有误，希望专家予以指正。