電梯磁力緩沖保護裝置的制作方法

本發明涉及一種電梯安全裝置，尤其涉及一種電梯故障墜落時的緩沖、減震保護裝置。

背景技術：

隨著我國城鎮化發展進程的加快，各城市高層建筑的興建逐漸增多，電梯已逐漸成為人們日常生活中必不可少的垂直升降工具。目前，中國電梯保有量、年產量、年增長量均位列世界第一，電梯在給人們的生活帶來便利的同時頻繁的電梯事故也給人們敲響了警鐘。其中，電梯發生蹲底故障后，導致的后果較為嚴重，如何讓電梯在發生蹲底故障后，最大限度的減少對乘客的傷害，已經成為當今的熱門問題。緩沖器作為電梯故障時的最后一道保障其安全性能越來越受到人們的關注。

現有技術中，比較常用的緩沖器有聚氨酯緩沖器和液壓緩沖器。

聚氨酯緩沖器為蓄能型緩沖器，利用聚氨酯材料特殊的微孔氣泡結構吸能緩沖，在受到沖擊時，相當于一個帶有多氣囊阻尼的彈簧，因而其緩沖容量可隨碰撞速度的提高而加大。聚氨酯緩沖器因有許多優點，如彈性好、吸振容量大、絕緣、防爆、耐高低溫、重量輕、成本低、易于安裝與更換等，在低速電梯上得到較為廣泛的應用。但聚氨酯材料存在著一些問題缺陷，使用一段時間后其緩沖性能難以保證，存在安全隱患。如，聚氨酯材料在受自身及外界條件影響下易出現老化問題，由于老化其性能也會產生變化，如彈性降低、減振性能變差等現象，聚氨酯緩沖器的阻尼不可調。

液壓緩沖器為耗能型緩沖器，依靠液壓阻尼對作用在其上的物體進行緩沖減速至停止，起到一定程度的保護作用。當液壓緩沖器受到碰撞壓力時，動能經塞頭和加速彈簧轉給活塞，活塞的運動擠壓工作腔內的油液，使其復位彈簧壓縮，同時使油液從活塞與頂桿之間的環形間隙擠壓出來，進入貯油腔。緩沖器被壓縮的過程是通過活塞擠壓油液做功的過程。這一過程消耗了大量動能，起到緩沖作用。當工作完畢，活塞被復位彈簧推至原始位置，完成一個工作循環。對于液壓緩沖器長時間使用會出現開關失效，漏油等現象。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術中的不足，提供一種更加有效、可靠的電梯緩沖裝置，該電梯緩沖裝置為一種磁力緩沖裝置，在電梯發生蹲底故障時，利用磁力緩沖裝置減小電梯下降時的撞擊力，進而減少財產損失及人員傷亡。

本發明所采用的技術方案是：電梯磁力緩沖保護裝置，其安裝于電梯轎廂的底部與電梯井道底坑內，其特征在于：所述電梯磁力緩沖保護裝置包括至少一個永磁體和至少一個電磁體，所述永磁體安裝于電梯轎廂的底部，所述電磁體安裝于電梯井道底坑內，且電磁體中的電磁線圈通電后，產生的磁場與永磁體產生同極性磁場。

進一步的，所述的電梯磁力緩沖保護裝置由9個電磁-永磁單元規則排列構成，所述永磁體成九宮格陣 列形式分布于電梯轎廂的底部，所述電磁體成對應的九宮格陣列形式分布于電梯井道底坑內。

進一步的，所述電梯磁力緩沖保護裝置還包括加速度傳感器和增量式PID控制器，所述的加速度傳感器安裝于電梯轎廂的底部，所述的增量式PID控制器用于控制電磁體中電流的大小。

進一步的，所述永磁體與電梯轎廂之間設有磁場屏蔽材料。

電梯磁力緩沖保護裝置的工作原理是，當電梯轎廂發生故障墜落時，通過安裝于電梯轎廂底部的加速度檢測系統(由飛思卡爾MMA7260三軸加速度傳感器構建組成)檢測電梯的加速度，當電梯速度超過電梯額定運行加速度時，電磁體通電，啟動電梯磁力緩沖裝置。如圖1所示，電磁體中的電磁線圈通電后，電磁體產生與永磁體同極性的電磁場，利用磁場“同極相斥，異極相吸”原理，控制電磁線圈通電電流大小，使永磁鐵的勻減速落下，以實現對電梯轎廂墜落的緩沖效果。

為了降低緩沖過程中對人體的傷害，根據國標GB7588-2003中10.4.3.3條規定，電梯轎廂作用在緩沖器上時平均減速度應不大于1g，且2.5g以上的減速度時間不得超過0.04s。通過加速度檢測系統，實時檢測電梯在減速過程中的減速度(加速度為負值)，進而通過增量式PID控制器調節電磁體的直流電源控制器輸出，改變直流電源輸出電流大小，實現電梯轎廂在電磁體緩沖器作用下的減速度不大于1g。

電磁-永磁緩沖單元非線性建模：

如圖2所示。設繞在鐵芯兩極的線圈各為N匝，線圈通電電流為i(t)，電壓為u(t)，下墜物和電磁鐵之間的空氣間隙為δ(t)，永磁鐵質量為m，重力加速度為g，鐵芯截面積為S，下墜物受到電磁力為F_m(i，δ)。

將下墜物考慮為簡單力學質點，只受到向下的重力和向上的斥力作用。

當下墜體處于平衡狀態時，加速度為零，即所受合力為零，下墜體的重力等于其所受到的向上的電磁斥力，即：

mg＝F_m(i₀，δ₀) (1)

在電磁系統方面，為降低研究問題的復雜度，忽略次要因素，假定在系統磁路中，只考慮氣隙磁阻，忽略鐵芯和下墜體的磁阻，且鐵磁材料的導磁率為無窮大。

則有，磁路總磁通為：

式中：C_φ——漏磁系數，與漏磁通φ_l有關；

S_c(δ)——與δ(t)有關的磁通等效面積函數。

則氣隙中的磁感應強度為：

由于永磁體所受的電磁力為：

而磁場能量W(i，δ)又可以用磁感應強度表示為：

整理得永磁鐵所受的電磁力為：

可以看出，下墜物所受電磁力F_m(i，δ)可表示為一個線積分式，如果要精確計算，需要知道磁通等效面積函數S_c(δ)、漏磁系數C_φ、電流i(t)和懸浮高度δ(t)等參數。

根據電磁學理論和基本回路方程，電磁鐵線圈的端電壓：

電磁-永磁陣列緩沖系統設計：

電梯轎廂為長方體形狀，永磁鐵固定在電梯轎廂的底面，為了降低緩沖系統的通電電流，提高緩沖系統運行的可靠性，將電磁緩沖系統設計成9宮格陣列形式，由9個電磁-永磁單元規則排列構成，電磁-永磁系統安裝視圖如圖3所示。

設電梯質量為M，當電梯發生蹲底故障時，啟動電磁-永磁電梯安全緩沖系統。在9個電磁-永磁單元組成的緩沖系統的作用下，其平均減速度為a，得：

9F_m(i₀，δ₀)-(9m+M)g＝(9m+M)a (8)

設緩沖器有效行程為L，減速起點速度為v_b，減速末端速度為v_end，得：

結合人體承受能力，可求的電磁-永磁緩沖器的具體設計相關參數。

增量式PID電流控制算法：

增量式PID的原理與位置式PID基本相同，區別是位置式PID的輸出是最終的控制量，而增量式 PID的輸出是最終的控制量與其前一個值相比的變化量。控制系統的整體控制框圖如圖4所示。

由位置算法求的：

再求出：

兩式相減，得出控制量的增量算法：

可以看出，數字增量式PID算法，只要儲存最近的三個誤差采樣值e(k)、e(k-1)、e(k-2)就足夠了。

本發明的有益效果是：電梯磁力緩沖裝置能夠實現阻尼力的連續可調、可控，調節范圍寬、溫度適應性強、響應速度快等特點，克服了傳統緩沖器的主要缺陷，具有傳統電梯緩沖器無法比擬的優勢。因此，將電磁-永磁緩沖裝置應用到特種設備的緩沖機構中是技術的革新、設備的升級。

附圖說明

圖1為電磁-永磁緩沖系統的結構。

圖2為電磁-永磁緩沖單元。

圖3為電磁永磁緩沖器安裝視圖。

圖4為控制系統的整體控制框圖。

具體實施方式

電梯轎廂為長方體形狀，永磁鐵固定在電梯轎廂的底面，電磁體安裝于電梯井道底坑內，當電磁體中的電磁線圈通電后，產生的磁場與永磁體產生同極性磁場。為了降低緩沖系統的通電電流，提高緩沖系統運行的可靠性，將電磁緩沖系統設計成9宮格陣列形式，由9個電磁-永磁單元規則排列構成，電磁-永磁系統安裝視圖如圖3所示。

當電梯轎廂發生故障墜落時，通過安裝于電梯轎廂底部的加速度檢測系統(由飛思卡爾MMA7260三軸加速度傳感器構建組成)檢測電梯的加速度，當電梯速度超過電梯額定運行加速度時，電磁體通電，啟動電梯磁力緩沖裝置。

通過加速度檢測系統，實時檢測電梯在減速過程中的減速度(加速度為負值)，進而通過增量式PID控制器調節電磁體的直流電源控制器輸出，改變直流電源輸出電流大小，實現電梯轎廂在電磁體緩沖器作用下的減速度不大于1g。