崔言亨
0 引言
傳統客運索道驅動系統一般採用電機加減速器的驅動模式，減速器作為動力傳達機構，可以降低輸出軸的旋轉速度，同時將電機的轉矩成比例地放大到減速器的輸出軸[1]，再通過與減速器輸出軸相嚙合的驅動輪將動力傳遞至運載索，從而使索道的運行速度符合設計要求。但減速器在使用過程中，存在漏油、振動、過熱和噪聲大等缺點，會降低設備的連續運轉能力與可靠性。由於減速器存在機械效率損失，使得系統對電能的利用率降低。在索道的維護工作中，減速器維護一直是重要部分。減速器潤滑油洩漏或汙染、軸承及齒輪等零部件的損壞均可能導致減速器無法正常工作，造成安全隱患。在高溫環境下工作的減速器應設置循環式冷卻系統，在低溫地區工作的減速器還應設有防凍措施。
近年來，直接驅動系統在國際索道公司產品上被採用，其概念圖如圖1 所示。採用直接驅動技術的索道，淘汰了笨重的減速器，將低速大轉矩直接驅動電機直接連接到驅動輪上，與傳統電機加減速器驅動相比，直接驅動省略了由減速器帶來的一系列缺點，因而有諸多優勢，目前國內已有直接驅動式索道建成並投入使用。
1 直接驅動技術
直接驅動的概念於1980 年由麻省理工學院的H.Asada 首次提出[2]，最早應用在機器人上。直接驅動旨在將新型旋轉電機或直線電機直接耦合或連接到從動負載上實現驅動，由於省略了皮帶或齒輪箱等中間傳動部件，結構極大簡化，從而使整個系統具有高效率、低能耗、高速、高精度、高可靠性、低維護、高剛度、快響應、無需潤滑、運行安靜等優點。直接驅動技術被國外工業界稱為現代驅動技術中的先進方法和技術，越來越多地應用在各行業中[3]。
空調、冰箱、洗衣機等家用電器採用直接驅動電機可實現直驅變頻調速，電機的轉速可根據電器所需工況自動調節，從而提高效率，降低能耗和噪聲。如採用直驅式永磁無刷電動機的洗衣機效率可提高近30%，採用直驅式永磁無刷電動機的變頻空調效率可以提高近20%。
直接驅動電機在現代電動汽車領域應用較為廣泛,其中永磁同步電動機具有高效率、高控制精度、高轉矩密度、較好的轉矩平穩性及低振動噪聲等優點。在相同質量與體積下，與其他類型的電機驅動系統相比，永磁同步電機直驅系統能夠為新能源汽車提供最大的動力輸出與加速度。
在數控工具機、紡織、冶金、印刷、郵政機械、包裝、自動化生產線以及專用特種設備等領域，常需要高性能伺服系統，採用低速大轉矩直接驅動電機可以避免由中間傳動機構帶來的精度誤差, 簡化結構，節省空間，滿足高效率、高精度、高性能的要求[4]。
2 索道直驅的優勢分析
1）高效節能環保
直接驅動由於省略了中間傳動機構，將多級轉換系統簡化為單一直接的驅動系統，將多個效率相乘的低效系統轉變為單個效率的高效系統，減少了中間過程的能量損耗，其綜合效率比傳統普通電機加減速器驅動的綜合效率高出5% 左右。客運索道作為一種需要長時間連續運轉的運載工具，採用直接驅動可節省電能，符合國家節能減排的要求。由於不使用潤滑油，減少了對環境的汙染。
2）結構緊湊，佔用空間少
索道採用直接驅動省去了笨重的減速器及聯軸器，可以極大地節省索道站房空間，為日常維護提供了方便，同時與直接驅動電機配套的變頻器功率降低，電氣控制櫃尺寸減小，控制室更加寬敞。
3）控制精度提高
直接驅動消除了傳統齒輪減速器的傳動間隙，使系統的傳動控制誤差降低，從而降低了系統的結構諧振頻率，被控量的誤差得到有效控制，系統增益提高。
4）可靠性高，減少維護
由於省略了減速器，繁瑣的減速器維護工作不復存在。緊急驅動通常由輔電機直接嚙合在大輪上，確保在緊急情況下也能啟動索道。同時，作為動力源的直接驅動電機通常為永磁同步電機，其維護工作量極低。
5）運轉平穩，噪聲低
採用直接驅動極大地降低了低速運行時的站內振動，因此站房內更加安靜，與傳統驅動模式相比，站房內噪聲可降低15 dB 以上。由於變頻器功率降低，電氣櫃所在的控制室也更加安靜。
3 索道直驅的可行性分析
在工業自動化領域，經常存在需要低速大轉矩電機作為動力源的場合，如高性能數控工具機、擠塑機等。客運索道作為一種特種設備，依據《客運架空索道安全規範》，其運載速度有嚴格要求。客運索道驅動、迂迴站之間存在一定高差，因此有空載、重上空下、重下空上、重上重下四種不同工況。索道的驅動系統必須滿足不同工況下的速度及轉矩要求，這就要求索道用直驅電機及其驅動器既能提供足夠的輸出轉矩，又能在重下工況時將產生的負功率安全地返回電網。永磁同步電機在設計成多級結構時，能夠實現低轉速與大轉矩的動力輸出，這種類型電機在低速範圍下具有很好的轉矩輸出特性，因此從理論上講，低速大轉矩永磁同步電機是索道實現直接驅動的首選核心部件。本文從永磁同步電機的結構出發，分析其作為索道直驅動力源的可行性、安全性與實用性。
索道用永磁同步電機的結構主要包括定子、轉子、檢測元件和冷卻系統。
3.1 定子
永磁同步電機的定子主要包括定子繞組和定子鐵心兩部分。定子繞組按照一定排列方式固定在定子槽中，並將其從內部與電動機接線盒中的對應端子相連[5]。除導電材料外，需要用各種絕緣材料將線圈之間及其與鐵心之間隔離開，同時起到初步固定線圈的作用。繞組中裝有熱傳感器，避免電機過熱，實物如圖2 所示。該種類型電機定子塊更換十分方便，極大降低了電機的維護量。當其中某一個或幾個定子塊發生損壞時，電機依然能夠運行，只是運行速度達不到設計要求，但對於客運索道而言，此時能夠在低速狀態下將線路遊客安全地送回站內，提供了除緊急驅動電機外的另一道安全屏障。目前，還有一種串聯磁路雙定子永磁同步電機已經在索道上應用，該種電機可以理解為兩個電機的串聯，兩個電機分別與各自的驅動器相連，當其中一個電機發生損壞時，另一個電機依然可以帶動索道運行。
（a）定子圖 （b）定子塊
3.2 轉子
永磁同步電機的轉子由永磁體、轉子鐵心、轉軸和軸承等組成[5]。根據永磁體在轉子鐵心中的位置可以將轉子分為表面式和內置式兩種，如圖3 所示。根據磁路結構的不同，表面式轉子又分為突出式和插入式兩種。內置式轉子按永磁體磁化方向與旋轉方向的相互關係，可以分為徑向式、切向式和混合式三種。轉子由軸承支撐，軸承的溫度通過溫度傳感器進行監控，軸承的維護工作量較低。
1. 永磁體 2. 鐵心 3. 轉軸 4. 鼠籠條 5. 隔離磁橋
3.3 檢測裝置
為了提高永磁同步電機的運行穩定性，通常需要採用位置傳感器檢測電機的轉子位置用以對電動機進行高性能的控制。這裡的位置傳感器通常是旋轉編碼器，從工作原理上可以分為磁性編碼器與光學編碼器，根據旋轉編碼輸出信號的不同又可以分為絕對值編碼器和增量式編碼器[5]。
目前在永磁同步電機中應用較廣的一種旋轉編碼器為旋轉變壓器，這是一種基於磁性原理的編碼器，從本質上講它是一種微電機。旋轉變壓器可以將機械轉角轉換成與其呈特定函數關係的電氣變量輸出。旋轉變壓器的輸出繞組提供了經過轉子位置調製後的兩相高頻交流電壓信號，通過解碼電路獲取轉子的絕對位置信息。索道用直驅電機通常採用兩套獨立的編碼器對轉速和位置進行測算，兩套編碼器分別將信號直接傳遞給索道的控制系統，這體現了安全領域的冗餘設計思想。
3.4 冷卻系統
索道是一種需要長時間連續運轉的運載工具。電機在進行機電能量轉換時不可避免地要產生各種損耗，如鐵心損耗和機械損耗等，這些損耗最終都以熱的形式散發到電機當中，造成電機的溫升，因此有必要通過冷卻系統對電機進行冷卻以保證電機在正常溫度範圍內可靠運行。永磁電機的冷卻有水冷和風冷兩種方式，水冷從結構上可分為機殼水冷、端蓋水冷和軸水冷三種方式。索道用直驅電機通常採用風冷方式，採用多個風扇的強制冷卻系統如圖4 所示。
4 索道直驅電機的控制
4.1 控制策略
目前，永磁同步電機的高性能控制方法有矢量控制技術（又稱磁場定向控制技術）和直接轉矩控制技術兩種。矢量控制的基本原理為：通過坐標變換實現轉矩電流和勵磁電流的解耦，從而能像直流電機一樣分別控制轉矩電流和勵磁電流，能夠達到較好的靜態剛度和動態響應性能。直接轉矩控制技術是通過電壓型逆變器輸出的電壓空間矢量對電動機定子磁場和電動機轉矩進行直接控制[6]。目前市場上大多數永磁同步電機的驅動器均是基於矢量控制技術，該技術已經較為成熟，可滿足索道用直驅電機的控制要求。
4.2 基於PLC 和變頻器的控制系統簡介
永磁同步電機直驅式索道可通過PLC 和變頻器對電機轉矩和轉速進行精確控制，PLC 通過控制面板讀入設定指令和相關參數，向變頻器發出轉速和轉矩控制指令，當索道出現故障時，變頻器和其他外圍檢測元件將故障信號送回PLC，PLC 處理故障信息並發出相應指令。其基本框圖如圖5 所示。
5 結語
隨著我國旅遊與滑雪產業的迅速發展，國內市場對於客運索道的需求量越來越大。本文從多方面總結了直接驅動相對於傳統驅動模式的優點，並對實現直接驅動的核心部件—低速大轉矩永磁同步電機的結構及其控制進行了詳細介紹。目前國內已有四條直接驅動式索道建成並投入使用，隨著我國索道產業的發展，直接驅動技術在索道上的應用也會越來越廣泛。