电梯曳引机的结构和工作原理

曳引机又称主机，是驱动电梯的轿厢和对重装置做上、下运动的动力装置，是将电能转换为机械能的电气设备，是专为电梯设计和制造的，具有良好的频繁启停、正反转运行和调速性能，是电梯中的核心部分之一。

电梯用电动机的特性要求包括：能承受沉重而频繁的启动冲击和正反转；要有大的启动转矩，使之能满足轿厢满载加速时的启动力矩；启动电流要小，避免由于电梯频繁启制动而过大影响电网电压，使电动机发热；具有发电制动的特性，不因负载变化而引起较大的速度变化；调速电动机应具有良好的调速特性，保证电梯速度变化平稳和平层准确度。

曳引机一般由电动机、制动器、减速器、曳引轮、联轴器等组成。曳引机工作时，曳引轮旋转，缠绕在曳引轮绳槽中的曳引钢丝绳由于受到曳引轮绳槽对其摩擦力的作用而被驱动，从而带动轿厢和对重运行。

目前，国内外曳引机技术发展非常快，出现了很多新型的曳引机，其基本分类有如下几种形式。

1.按照驱动电动机分类

（1）交流电动机驱动曳引机

交流电动机分为异步电动机和同步电动机两类，其中异步电动机又分为单速、双速、调速等形式。异步单速电动机适用于杂物梯，异步双速电动机适用于货梯，调速电动机多用于客梯、住宅梯和病床梯等。随着交流变频技术的发展和成本的降低，目前交流电动机采用变压变频调速（VVVF）技术，因此得到了非常广泛的使用。

（2）直流电动机驱动曳引机

直流电动机调速和控制较为方便，运行速度平稳，传动效率高，在电梯上得到了较多应用，一般在超高速电梯上大量使用。直流电动机的缺点是结构复杂，必须配备交、直流转换设备，价格昂贵。随着电子及电工技术的发展，该问题逐步得到了较好解决。

（3）永磁同步电动机驱动曳引机

永磁同步电动机驱动曳引机具有结构紧凑、重量轻、功率密度高、转子无发热和控制系统较异步电机简单等优点。采用数字化的控制方法可以使系统获得很高的精度和可靠性，使系统具备较强的抗干扰能力。因此，永磁同步电动机驱动曳引机已成为当今电梯驱动发展的方向。

2.按照有无减速器分类

曳引机按照有无减速器可分为传统的有齿轮曳引机和新发展起来的无齿轮曳引机。

（1）有齿轮曳引机

有齿轮曳引机含有减速器，减速器被用于有齿轮曳引机上，安装在曳引电动机转轴和曳引轮转轴之间。有齿轮曳引机按照传动方法分为斜齿轮减速器曳引机、行星齿轮传动有齿轮曳引机、蜗轮蜗杆减速器曳引机。有齿轮曳引机一般使用在运行速度不超过2.0 m/s的各种交流双速和交流调速客梯、货梯及杂物梯上，以蜗轮蜗杆减速机为主。

有齿轮曳引机具有结构紧凑、外形尺寸小、受力合理、传动平稳、运行噪声低、维修方便、有较好的抗冲击载荷等特点，但也存在传动效率低、工作时易发热、需要良好润滑的缺点。有齿轮曳引机广泛适用于中低速电梯。

斜齿轮减速器如图2-14所示，其特点是传动效率较蜗轮蜗杆要高，齿面寿命较长，但运行不如蜗轮蜗杆平稳，运行过程中齿间冲击较大；要求齿面精度、装配精度较高，疲劳强度较高，因齿轮减速机单级减速比较小而需要多级齿轮传动，故体积较大，总体成本较高。

图2-14　斜齿轮减速器

行星齿轮减速器如图2-15所示，具有结构紧凑、减速比大、传动平稳性和抗冲击能力优于斜齿轮传动、噪声小等优点，在交流拖动占主导地位的中高速电梯上具有广泛的发展前景。它有利于采取体积小、高转速的交流电动机，且有维护要求简单、润滑方便、寿命长的特点，是一种新型的曳引机减速器。由于其具有上述优点，加之整体体积小、重量轻，此类曳引机目前也得到了较为广泛的应用。

图2-15　行星齿轮减速器结构及行星齿轮曳引机

蜗轮蜗杆减速器是由带主动轴的蜗杆与安装在壳体轴承上带从动轴的蜗轮组成，其速比可为18～120，蜗轮的齿数不少于30，其效率不如齿轮减速器，但其结构紧凑，外形尺寸不大。蜗轮蜗杆减速器的特点是传动比大、噪声小、传动平稳，而且当由蜗轮传动蜗杆时，反效率低，有一定的自锁能力，可以增加电梯制动力矩，增加电梯停车时的安全性。

蜗轮蜗杆减速器曳引机可分为卧式蜗轮蜗杆曳引机和立式蜗轮蜗杆曳引机两种，如图2-16所示。卧式蜗轮蜗杆曳引机，体积大，功率大；立式蜗轮蜗杆曳引机，结构紧凑，体积小。

图2-16　蜗轮蜗杆曳引机结构

卧式蜗轮蜗杆曳引机，又可分为蜗杆上置式和蜗杆下置式两种。图2-17为蜗杆下置式曳引机，曳引电动机通过联轴器与蜗杆连接，蜗杆的安装位置在蜗轮以下，蜗轮与曳引轮同装在一根轴上。工作时曳引电动机旋转，动力经蜗杆蜗轮减速后驱动与蜗轮相连的曳引轮运转，并通过绕在其上的曳引钢丝绳使电梯工作。

图2-17　蜗杆下置式曳引机

1—曳引电动机；2—制动电磁铁；3—曳引轮；4—曳引机轴支撑；5—曳引机底座；
6—下置蜗杆减速箱；7—制动臂及制动蹄片。

图2-18为蜗杆上置式曳引机。蜗杆轴线位于蜗轮上方，曳引轮位置得以下降，曳引机整体重心降低，减速箱整体密封情况好转，但蜗杆与蜗轮的啮合面间润滑变差，磨损相对严重。

图2-18　蜗杆上置式曳引机

1—曳引电动机；2—制动电磁铁；3—曳引轮；4—曳引机底座；
5—上置蜗杆减速箱；6—制动臂及制动蹄片。

（2）无齿轮曳引机

无齿轮曳引机包括直流无齿轮曳引机、交流无齿轮曳引机、永磁无齿轮曳引机。如图2-19所示，无齿轮曳引机不含减速器，曳引轮直接安装在电动机的轴上，来执行曳引轿厢运行。该类型的曳引机因无传动机构，也不需要联轴器，所需曳引速度大小，由改变电动机的转速方法来实现。无齿轮曳引机具有结构紧凑、体积小、重量轻、传动效率高、振动小、噪声低等优点，但也存在耗能大、成本高等不足之处。无齿轮曳引机适用于高速和无机房电梯。

图2-19　无齿轮曳引机

1—制动电磁铁；2—曳引轮；3—曳引电动机；4—制动臂；5—制动蹄；6—曳引机底座。

（3）永磁同步曳引机

永磁同步曳引机可分为永磁同步外转子式无齿曳引机、永磁同步内转子式无齿曳引机、永磁磁盘式无齿曳引机。如图2-20、图2-21所示，该类型的曳引机的主机由永磁同步电动机驱动，在结构上取消了蜗轮蜗杆传动，并将同轴传动技术、数字变频技术和组合控制技术充分融合，使用永久密封轴承、加强型弹簧、双线圈、正余弦编码器等新技术，以永久磁体取代电动机转子上的绕组，因而电动机运行时没有感应电流、电阻和电抗，相反可得到由电子额外提供的励磁电流而形成转子感应磁场的部分能量。

图2-20　永磁同步无齿轮曳引机（外转子）

1—制动器电磁铁；2—防脱盘车装置；3—松闸限位开关；4—制动臂；5—接线盒；
6—曳引轮；7—曳引机底座；8—注油螺钉孔；9—接地螺栓。

图2-21　永磁同步无齿轮曳引机（内转子）

1—制动器电磁铁：2—接线盒；3—曳引电动机；4—制动蹄；
5—制动臂；6—曳引机底座；7—曳引轮。(www.xing528.com)

永磁同步曳引机的最大优势在于没有任何传动机构，因而体积小，重量轻，机械磨损、功率损耗均很低，节能环保，运行平稳，噪声低，使用方便，安全可靠，高性能，高效率，安装简单，不需要维护。不同外形尺寸的曳引机有不同的额定转矩，同时也有不同的额定电流。该类型的曳引机也有不足之处，即成本造价高，永磁体寿命有限，目前多适用于无机房电梯，已成为电梯行业的发展方向。

3.有齿轮曳引机与永磁同步无齿轮曳引机工作特性

永磁同步无齿轮曳引机是近些年来得到迅速发展的新型曳引机。与传统曳引机相比，永磁同步无齿轮曳引机具有如下主要特点：

（1）整体成本较低。传统曳引机体积庞大，需要专用的机房，而且机房面积也较大，增加了建筑成本；永磁同步无齿轮曳引机则结构简单，体积小，重量轻，可适用于无机房状态，即使安装在机房也仅需很小的面积，使得电梯整体成本降低。

（2）节约能源。传统曳引机采用齿轮传动，机械效率较低，能耗高，电梯运行成本较高；永磁同步无齿轮曳引机由于采用了永磁材料，没有励磁线圈和励磁电流消耗，使得电动机功率因数得以提高，与传统有齿轮曳引机相比，能源消耗可以降低40%左右。

（3）噪声低。传统有齿轮曳引机采用齿轮啮合传递功率，所以齿轮啮合产生的噪声较大，并且随着使用时间的增加，齿轮逐渐磨损，导致噪声加剧；永磁同步无齿轮曳引机采用非接触的电磁力传递功率，完全避免了机械噪声、振动、磨损。传统曳引电动机转速较快，产生了较大的运转和风噪；永磁同步无齿轮曳引机本身转速较低，噪声及振动小，所以整体噪声和振动得到明显改善。

（4）高性价比。永磁同步无齿轮曳引机取消了齿轮减速箱，简化了结构，降低了成本，减轻了重量，并且传动效率的提高可节省大量电能，运行成本低。

（5）安全可靠。永磁同步无齿轮曳引机运行中，当三相绕组短接时，轿厢的动能和势能可以反向拖动电动机进入发电制动状态，并产生足够大的制动力矩阻止轿厢超速，所以能避免轿厢冲顶或蹲底事故；当电梯突然断电时，可以松开曳引机制动器，使轿厢缓慢地就近平层，解救乘员。

另外，永磁同步电动机具有启动电流小、无相位差的特点，使电梯启动、加速和制动过程更加平顺，改善了电梯的舒适感。

4.曳引机的选型和功率核算

曳引机是电梯的主要部件之一，电梯的额定载荷、运行速度等主要参数直接与曳引机转速、减速箱速比、曳引轮直径、曳引比等相关。

（1）曳引机型号的编制

关于曳引机重要参数及型号编制、技术要求等在GB/T 13435—92《电梯曳引机》中做出了规定，如图2-22所示。

图2-22　曳引机型号编制

标记示例：交流电动机驱动，减速器输出轴中心距为200 mm，第一次改进更新的电梯曳引机，其编号标示如下。

电梯曳引机YJ200A GB/T 13435—92。

（2）曳引机基本参数系列

① 曳引机额定速度（m/s）系列如下：

1.00、1.25、1.60、2.00、2.50等。

② 曳引机额定载重量（kg）系列如下：

630、800、1 000、1 250、1 600、2 000、2 500等。

③ 减速器中心距（mm）系列如下；

125、160、（180）、200、（225）、250、（280）、315。注意：括号中数值为不推荐使用。

5.曳引机基本技术要求

（1）曳引机工作条件应满足：海拔高度不超过1 000 m；机房内的空气温度应保持在5～40 °C；环境相对湿度月平均值最高不大于90%，同时该月月平均最低温度不高于25 °C；供电电压波动与额定值偏差不超过±7%；环境空气不能含有腐蚀性和易燃性气体。

（2）曳引机制动应可靠，在电梯整机上，平衡系数为0.40，轿厢内加上150%的额定载重量，历时10 min，制动轮与制动闸瓦之间应无打滑现象。

（3）制动器的最低启动电压和最高释放电压应分别低于电磁铁额定电压的80%和55%，制动器开启迟滞时间不超过0.8 s。制动器线圈耐压试验时，导电部分对地施加1 000 V电压，历时1 min，不得有击穿现象。

（4）制动器部件的闸瓦组件应分两组装设，如果其中一组不起作用，制动轮上仍能获得足够的制动力，使载有额定载重量的轿厢减速。

6.曳引机速度及功率的计算

对于有齿轮曳引机电梯，其运行速度与曳引机的减速比、曳引轮绳槽节圆直径、曳引电动机转速之间的关系可以用以下公式计算：

式中　v——电梯运行速度（m/s）；

D——曳引轮绳槽节圆直径（m）；

iy——曳引比（曳引方式）；

ij——减速比；

n——曳引电动机转速（r/min）。

曳引电动机是电梯运行的动力源，其工作状况非常复杂和苛刻，电梯运行中存在启动、制动、正反转，同时负载变化大、工作时间短且启动频繁，所以要求曳引机不仅要适应上述情况，还要具有启动电流小、启动力矩大，具有较强的机械特性、工作可靠且噪声低等特点，普通电动机一般难以胜任，所以曳引电动机必须采用专用电机。

曳引电动机的容量一般可按如下静功率公式计算：

式中　N——电动机功率（kW）；

k——电梯的平衡系数（一般取0.4～0.5）；

Q——电梯额定载重量（kg）；

η——电梯机械传动总效率，当蜗轮蜗杆副为阿基米德齿形时取0.5～0.55，对于无齿轮曳引机取0.75～0.8；

v——电梯的额定速度（m/s）。

一般选择电动机的额定功率总是略大于计算值，因为还需考虑轿厢运行时产生的附加阻力（风阻、导轨摩擦阻力等）及满载轿厢启动等因素。