专业文章–与Montanari学院学习电梯部件的设计和选择
无齿轮还是有齿轮曳引机？电梯系统如何选择合适的曳引机?
蒙塔纳锐公司产品经理Alberto Mantovani工程师
1 引言
怎样才能用最合适的机器和最合适的配置来最大化提升系统的效率呢？
在这篇技术文章中，我们希望为支持选择正确的曳引机和设计电梯系统时要牢记的参数提供一些帮助让我们从最先进的技术开始吧。
与齿轮箱（有齿轮）相比，通常认为无齿轮是最有效的选择，但如果仔细观察，我们会发现曳引机效率会受到电梯系统的巨大影响。
2 转矩、转度、功率
转矩是选择曳引机最重要的参数之一。
为简单起见，忽略钢丝绳的重量和井道的摩擦，对于既定的电梯，提升轿厢所需的转矩为：
[m]转矩[Nm] = 力[N] x曳引轮半径r /曳引比
1扭矩=使“物体”绕轴旋转的机械力。
ω[rpm] = （30/π）x （V [m/s]/(曳引轮半径r [m] x曳引比)）
很明显：曳引轮越小，转矩就越低。同样很明显，例如，将曳引比从1:1更改为2:1，转矩减少一半。
相反，转速ω状态正好相反：
- 如果曳引轮直径减小，转速就会增大
- 使用更大的曳引比，转速就会增大
但是，所需电机功率完全取决于：
- 必须提起多少载重
- 电梯具有多少的速度。
电机功率不依赖于曳引轮和曳引力（仍然忽略井道的摩擦力和钢丝绳的重量）。
因此，得出以下公式：
功率[W] =力[N] x 梯速[m/s]
3 无齿曳引机尺寸
在许多情况下，无齿轮曳引机由永磁同步电机组成，永磁同步电机至今是具有最高扭矩密度的电机。
这意味着，在相同的扭矩下，永磁同步电机所需的体积比其他类型的电机更小。永磁同步电机的转矩计算公式为：
扭矩[Nm] = k x B[T] x Δ [A/m] x D²[m²] x L[m]
其中：
- B[T]——气隙磁感应强度
- Δ[A/m]——线性电流密度
- D——气隙直径（定子和转子间的直径）
- L——定子长度
B和Δ是可以考虑为预定义的参数，很难进行深入的干预以做出改变；事实上，它们受到技术和市场上可用材料（主要是铜、铁磁片、永磁体）的约束。
D和L是指曳引机的尺寸，这些是主要决定扭矩的参数。
所需扭矩越大，电机尺寸就越大。
在电梯应用速度(0 – 300 rpm)下，转速对曳引机尺寸的影响几乎可以忽略不计。这意味着，在电梯相同的情况下，即所需机械功率相同的情况下，随着曳引轮直径和电梯曳引比的不同，无齿轮曳引机将增大或减小。
综上所述：一般而言，最能影响电机的参数不是功率，而是转矩。
让我们举一个实例：
- Q = 500 Kg
- P = 600 Kg
- CWT = 850 Kg
- v = 1 m/s
此类电梯所需的曳引机功率计算公式为：
P[W]=(500 Kg + 600 Kg – 850 Kg) x 9.81 m/s² x 1 m/s=2452 W
现在制作两个布局方案来实现上述电梯：
a) 曳引力1:1 – 曳引轮520 mm
C =(500 Kg + 600 Kg – 850 Kg) x 9.81 m/s² x 0.26 [m] / 1=637 [Nm]
ω[rpm] = （30/π） x （1 [m/s]/（0.26 [m] x 1））= 37 [rpm]
b) 曳引力2:1 – 曳引轮 320 mm
C =(500 Kg + 600 Kg – 850 Kg) x 9.81 m/s² x 0.16[m] / 2= 196 [Nm]
ω[rpm] =（30/π） x （1 [m/s] / （0.16 [m] x 2））= 119 [rpm]
尽管曳引机功率相同，但电机a)扭矩必须比电机b)大得多。
由此可见：
- 电机a)将比电机b)大得多
- 电机a)将比电机b)贵得多
在可用于安装的空间很小的场地，曳引机的尺寸成为MRL系统电梯非常重要的因素。
4 电机效率
电机效率采用以下公式进行计算：
η =Pm / (Pm + Pcu + Pfe + Patt + Padd)
其中，
- Pm：电机输出机械功率
- Pm[W] = k0x C[Nm] x ω[rpm]
- Pcu：导线焦耳效应损耗
o Pcu = k1 x I²[A2] = k11 x C²[Nm2]
- Pfe：铁损
- Pfe[W] = k2x ω²[rpm2] + k3 x ω[rpm]
- Patt：摩擦和通风损耗
- Patt= k4 x ω[rpm] + k5 x ω2[rpm2]
- Padd：额外损耗
- Padd = k6x ω2
k0、k1、k11、k2、k3、k4、k5、k6是每一种曳引机特定的常量。
在电梯应用中，ω 非常有限（0 – 300 rpm），这意味着 Pcu >> Pfe、Patt、Padd，因此效率近似值计算公式为：
η ≈（k0 x C x ω） / (k0 x C x ω + k11 x C2)
在曳引机转矩和尺寸相同的情况下，由上述公式可以推导出：
- 电机转速越低，效率就越低（转速趋于0 rpm时，效率趋于0）
- 随着转速的增大，效率会提高。
可以得出结论：同样对于效率，建议使用小曳引轮和多的曳引比，以尽可能提高转速。
5 有齿曳引机的效率
有齿曳引机由两个部件组成：
- 电机（通常是4极或6极异步感应电机）
- 减速机（通常是涡轮蜗杆减速机）
这种曳引机总效率为这两个部件效率的乘积：
有齿轮η = 电机η x 减速机η
电机始终以高速（1500 – 1000 rpm）旋转，因此，效率值处于非常高的范围内（约82 – 92%）。
蜗轮蜗杆减速机效率范围为：
- 对于最慢的减速比（涡轮齿数多、蜗杆螺旋略微倾斜），效率约55%。
- 对于最快的减速比（涡轮齿数少，蜗杆螺旋非常倾斜），效率约90%。
因此，很明显：
- 然而，在最坏的情况下，总效率高于45%(0.55 x 0.82)
- 然而，在最好的情况下，总效率很难超过82%(0.9 x 0.92)
6 有齿曳引机和无齿轮曳引机比较
本文模拟了典型电梯的各种运行配置。
下面是一个载重为450 Kg的电梯对照表，电梯以3种不同的速度移动，并以5种不同的方式制造。
从表格数据中可获取诸多有意义的信息来总结已确认的内容：
a)当无齿轮曳引机转速较低时，如在电梯2的情况下，电梯效率低于有齿轮效率。
b)水平滚动表格时可以看到，在轿厢速度相同的情况下，
使用较小的曳引轮和2:1曳引比：
- 扭矩减小
- 无齿轮曳引机变得更轻（因此尺寸更小，成本更低）
- 由于导向轮，井道效率较低，但总效率增加。
c)在电梯相同的情况下：
- 无论是有齿曳引机还是无齿轮曳引机，随着速度的增加，曳引机效率增加，但无齿轮曳引机的电梯效率更高；
- 随着速度的增加，曳引机输出功率(Pmecc)增加，扭矩和铜损失（Pcu）保持不变，铁损耗和摩擦损耗（Pfe + Patt）增加，但相对于所涉及的功率，这些值完全可以忽略不计。
d)在无齿轮曳引机中，还列出了制动器功率(Pfreno)。
事实上，在无齿轮曳引机中，制动器直接作用在曳引轮轴上，因此，必须具有很大的制动扭矩，所需功率不可忽略不计，这会降低电梯的效率。
在有齿轮曳引机上，制动器位于减速机上，因此所需的制动扭矩相当低，制动器所需功率可以忽略不计。
7 结论
综上所述，我们可以确认，从因果论上，无齿曳引机效率并不比有齿曳引机更高。
如果电梯是为提高转速而设置，当然选择无齿轮曳引机。
对于可用空间有限的MRL系统电梯，使用小曳引轮和更多的曳引比，导致选择较小的曳引机，使安装更容易。
本文章确定，在电梯的设计阶段，选择合适的布局需要考虑众多问题，但在能源问题日趋重要的未来，非常有必要需了解如何选择合适的曳引机类别。
