电梯驱动系统技术综述

电梯驱动系统技术综述

田少许

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心

摘要：本文通过对直线电机在多轿厢电梯、以及轿厢换向技术领域的专利进行分析，以了解和归纳该领域的国内外发展现状、核心技术以及应用现状。本文选择CNABS中文检索数据库以及VEN检索数据库，通过关键词、分类号相结合的方式进行检索，并对获得的专利申请经过筛选后建立专利申请数据库，作为研究对象，重点对IPC分类号、申请时间、主要申请人、技术主题、重要专利等进行统计和分析。

关键词：电梯；驱动；曳引；直线电机；专利分析

1.概述

在电梯发明后160余年，其驱动方式发生了翻天覆地的变化，电梯主要有以下几种驱动方式：

（1）强制驱动。强制驱动，也叫卷筒驱动，就是用链或钢丝绳悬吊的非摩擦方式驱动电梯。

（2）液压驱动。液压驱动是较早出现的一种驱动方式。早期的液压梯的液体是水，但由于水压波动及生锈问题难以解决，以后就用油为媒介驱动柱塞作直线运动。

（3）曳引驱动。曳引驱动是采用曳引轮作为驱动部件。钢丝绳悬挂在曳引轮上（不是固定在曳引轮上），一端悬吊轿厢，另一端悬吊对重装置，由钢丝绳和曳引轮槽之间的摩擦产生曳引力驱动桥厢作上下运行。

（4）直线电机驱动。直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置，可以看成是将一台旋转电机沿径向剖开，并展成平面而成[1]。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相互作用就产生电磁推力。

虽然曳引驱动凭借其结构和运行性能上的优势，成为应用最广泛的一种电梯驱动方式。但是，它存在两个方面的不足：第一，一个电梯井道只能运行一部轿厢；第二，对于800m以上的超高层建筑来说，由于钢丝绳要求更长更粗，那么其自身重量过大，这样势必要增大旋转电机的功率。对高层及超高层建筑物，通过悬吊钢丝绳牵引轿厢越来越变得不现实了，所以研究开发直线电机驱动的无绳电梯显得越来越有必要。

2.专利申请趋势分析

本文选择CNABS中文检索数据库以及VEN检索数据库，选用的检索词为：电梯、直线、线性、电机、马达、多轿厢、换向，对应的英文关键词为：elevator，linear，motor，multi，cage，direction。IPC分类号为：B66B9/02，B66B11/00及其下位点组。

2.1相关技术分布

针对获取的数据，进行IPC分类号统计，统计结果如图1所示。通过对检索结果的统计结果可知，涉及电梯本身的申请量较为集中的分类号为B66B9/02、B66B11/04、B66B11/00、B66B7/02（分别占申请量的29%、16%和5%），具体为在楼房或其他建筑物内的，或与之配合的电梯的种类和形式，除了钢绳或钢缆以外的机械操纵的、驱动部件、在楼房或其他建筑物内，或与之配合的电梯的主要部件、导轨，导向件。H02K41/02和H02K41/025则为直线电动机本身的分类号。

2.2申请量年度分析

为了研究直线电机驱动电梯的发展情况，对该领域全球范围和中国国内的专利申请数据进行了统计分析。该领域的中国国内专利申请大致分为两个阶段，第一阶段为1962-1988年技术探索期，这一时期该领域全球专利申请量总量不高，每年的申请量波动不大，基本都是个位数。从1989年开始，该领域专利申请量的急剧上升。从1990年起，中国国内的相关研究才开始起步，并保持缓慢增长的态势，这与国外的技术传入中国有关，自2010年之后，申请量逐步提升，国内的直线电机驱动技术正在逐步缩小与国外的差距。

2.3申请的区域分布

电梯直线电机驱动技术领域专利申请的区域分布，就整体情况而言，申请量排名前五的分别是日本、中国、欧洲、美国、韩国，其中仅日本就占据了35%的申请量，中国的起步虽然晚，但申请量已经占到全球总量的18%，可见这二十几年来国内科技进步之快。

2.4重要申请人分析

除了国内上榜的两个申请人，电梯直线电机驱动技术申请量前十位的申请人基本均为跨国大型公司。国内的河南理工大学为国内高校，而焦作市华鹰机电有限公司与河南理工大学有合作关系，两者共同申请了一些专利。国内公司与高校合作，能够有效的进行科研成果的转化，实现高校与企业之间的优势互补，这是值得推广关注的地方。

3.重点专利分析

3.1直线电机驱动电梯的兴起

在目前国内外所研究的直线电机电梯中，有多种不同的类型和结构，归结起来主要有两大类：一类为直线感应电机驱动的电梯，另一类为直线同步电机驱动的电梯。

图1直线感应电机驱动的电梯（FR2491045A1）

关于永磁同步电机驱动的电梯，日本的三菱电机株式会社在1989年5月29日申请了名为“电梯装置”的直线永磁同步电机驱动的电梯，该专利首次提出采用直线永磁同步电机来驱动电梯，轿厢2布置在次级8（或称永磁体）上，初级7（或称电枢绕组）固定不动，布置在井道1上。这样电梯可以彻底摆脱钢丝绳，在同一个井道内可设置多个独立的轿厢，运输效率大大提高。

3.2直线电机在电梯横向移动中的应用

虽然采用直线永磁同步电机驱动的电梯能够方便的实现在同一个井道中布置多个轿厢，但其无法实现轿厢之间的超越。加拿大的TREBRONHOLDLTD在1975年2月25号申请了名为“电梯结构支撑装置”的采用直线电机驱动的循环式电梯（US4004654A），其结构如下图所示，轿厢30悬挂在横杆上，作为动力源的直线电机动子采用铰链结构用于转弯，通过这种形式，使得轿厢能够从一个井道中移动到另一个井道，实现井道间的循环、轿厢之间的超越，但是其存在驱动结构复杂，轿厢固定困难，且运行过程中容易晃动的问题，而且仅能实现单循环。

4.结语

通过针对基于直线电机驱动的电梯技术进行专利分析，对该领域的专利从相关技术分布、申请量年度分布、申请区域分布、重要申请人分析、以及主要申请人和重点专利分析等方面进行分析，总结该领域的发展趋势。在基于直线电机驱动的电梯技术中，国外发展较早，实力较强，尤其是日本，在90年代中后期获得了大量成果，然而我国近些年的发展也是及快速的，主要得益于我国目前经济快速发展，高层建筑越来越多，产生了对高速、高效电梯驱动技术的迫切需要，促使直线电机驱动技术的快速发展。在该领域中水平转向和稳定是核心技术，所以未来的研究方向的重点是对直线电机驱动转向机构的研究，该技术的发展能有效提高电梯的运载能力。

参考文献

[1]叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京:机械工业出版社，2000．