磁悬浮电梯理论研究及其应用

苏学艺 孙汝昊

摘要：当今社会电梯普遍采用钢丝绳拖曳轿厢进行升降，这种电梯运行方式单一，运行效率低，而且钢缆长期沉重、磨损等问题存在断裂隐患，社会的发展急需一种高速化、高效化、高层化的新型电梯。我们利用三维建模软件对电磁电梯机械结构进行建模，并利用亚克力板和3D打印机构造井道、轿厢实物模型，进行了研究与分析，而电磁无绳电梯作为一种新型的电梯技术，与传统电梯比较，具有无绳运行、高速运行、高自由度运行的技术优势，能够更适用于极高层的建筑物，电磁无绳电梯具有很好的发展前景和未来市场发展效益。

关键词：电梯;电磁;机器人;节能措施;重力势能

引言：目前全球建筑物的电梯普遍采用的是钢丝绳拖曳轿厢进行升降的，这种曳引式电梯的运行方式比较固定单一，只能在井道中直上直下运动，并且一个井道只能运行一个轿厢，对于居住在高层建筑的乘客来说会存在长时间等待的问题，电梯的运行使用效率也会随楼层数的增加而下降;由于材料的限制，建筑物越高，钢丝绳顶端处所承受的拉力会越强，钢缆长时间承重、磨损等问题而存在断裂的危险。

综上所言，钢缆曳引式电梯将渐渐不再适用于未来的极高层的建筑物。社会的发展急需一种高速化、高效化、高层化的新型电梯。

系统介绍

本次我们利用三维建模软件对电梯机械结构进行建模，并利用亚克力板和3D打印机构造井道、轿厢理论实物模型。使用直流电压调节驱动板对直流电源的恒定直流电压12V进行调节，使之输出0—12V的线性变化的电压，通过给井道两侧的电磁线圈通0-12V直流电压使之产生强度渐变的电磁场，在电磁场与轿厢上的永磁体磁场相互作用下，为轿厢提供一个向上的合力。并利用光电门对轿厢进行定位，对电磁线圈的通电顺序进行精确控制，使电磁线圈呈“流水灯”方式逐个依次通电运行，在井道中形成移动的电磁场，实现轿厢连续的升降运行，设计楼层按钮电路和轿厢运行信息显示屛电路，通过程序控制，使无绳电梯的控制方式和生活中的电梯基本一致。由于该电梯采用了无绳运行的方式，当电梯电路发生断电时，轿厢会因失去电磁力的驱动而存在坠落的危险，因此在井道两侧安装多个吸入式弹簧电磁铁装置，在正常通电时，装置中铁质卡盘会因装置内部电磁场的吸引而处于吸入状态，一旦电路发生故障导致断电，装置的内部电磁场消失，卡盘则会在弹簧的作用力下弹出，将轿厢卡住并使之静止，从而实现对无绳电梯运行的保护作用。

电梯模型主体主要由井道、轿厢、电磁线圈、电梯保护装置组成（如图2）。下面将对主要的部件结构进行详细说明。

轿厢的结构

轿厢八个角分别安装有八个导向滚轮，在井道中起到导向的作用。轿厢两侧安装八个永磁体，面向外侧的磁极一致，磁铁高度与线圈的直径尺寸一致（20mm）。轿厢顶端安装有铁块，用于水平运行时起重线圈的吸引。

电梯保护装置

由于该电梯采用了无绳运行的方式，当电梯电路发生断电时，轿厢会因失去电磁力的驱动而存在坠落的危险。因此需要在井道两侧安装多个吸入式弹簧电磁铁装置，在正常通电时，装置中铁质卡盘会因装置内部电磁场的吸引而處于吸入状态，一旦电路发生故障导致断电，装置的内部电磁场消失，卡盘则会在弹簧的作用力下弹出，将轿厢卡住并使之静止，从而实现对无绳电梯运行的保护作用。

运行原理分析

通过给电磁线圈供直流电压使之产生电磁场，在电磁场与轿厢上的永磁体磁场相互作用下，形成对轿厢“一推一拉”的受力状况，为轿厢提供一个向上的合力。并对电磁线圈的通电顺序进行精确控制，使电磁线圈呈“流水灯”方式逐个依次的通电运行，在井道中形成一个移动的电磁场，如此能够实现轿厢连续的升降运行。

控制系统

控制系统各模块分别为单片机核心控制端、12V直流电源、直流电压调节驱动板、继电器组、楼层按键控制模块，轿厢运行状态信息显示模块等主要控制模块，下面对控制模块之间的联系进行详细的说明。

直流电压线性调节控制系统

通过单片机传输PWM脉冲宽度调制数字信号给DA数模转换模块，DA数模转换模块输出模拟电压信号给直流电压调节驱动板，驱动板将12V恒定直流电压转换为0—12V线性变化的电压，此线性变化的电压提供给线圈使之产生渐变的电磁力与轿厢相互作用，使之平稳运行。

线圈电路控制系统

利用光电传感器识别轿厢的位置以及运行状态，并传输信号给arduino单片机，单片机识别光电传感器的信号后传输信号给继电器电路，继电器电路通电，线圈得到0—12V线性变化的直流电压，产生渐变的电磁力与轿厢相互作用，使轿厢运行。

轿厢运行状态信息显示电路

结合按键控制轿厢的运行，使显示屏显示出轿厢的所在位置、运行状态、目的楼层等运行信息。显示屏选择12864液晶屏。

作品技术特点及优势

该电梯采用无绳运行的方式，可以避免钢缆因长时间承重，磨损等问题而存在断裂的危险。且由于不存在钢缆材质强度的限制，电梯运行时可以达到传统曳引式电梯无法企及的高度。通过该无绳电梯运行原理的技术优势，建筑物的建造形状将不再受到曳引式电梯的约束限制，可以建造成任意合适、合理的建筑风格样式。

推广前景及市场分析

随着社会的飞速发展，人口的爆炸增长，土地资源日益紧张，未来的建筑物势必会趋于极高层化，上千米的建筑物完全有可能出现，电梯钢丝绳的材质强度将渐渐不能满足这种极高层建筑物中电梯的设计要求，传统曳引式电梯将面临严峻的挑战和考验，未来电梯的设计研制必然会以无绳化、高速化、高效化、高层化运行为改革方向。而电磁无绳电梯作为一种新型的电梯技术，与传统电梯比较，具有无绳运行、高速运行、高自由度运行的技术优势，能够更适用于极高层的建筑物，电磁无绳电梯具有很好的发展前景和未来市场发展效益。