永磁同步电机+能量回馈系统：电梯节能新趋势

永磁同步电机+能量回馈系统：电梯节能新趋势

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中国科学院

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来源

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随着城市化进程的加速，高层建筑越来越多，电梯已经成为现代生活中不可或缺的交通工具。然而，电梯的能耗问题也日益凸显。据统计，电梯能耗占整个建筑能耗的5%~10%，在一些超高层建筑中甚至高达20%。因此，如何提高电梯的能源利用效率，减少对环境的影响，已成为电梯行业亟待解决的重要课题。

近年来，永磁同步电机和能量回馈系统等新技术的应用，为电梯节能提供了强有力的技术支持。这些创新不仅提升了电梯运行效率，减少了能源消耗，还通过将制动时产生的能量回馈至电网实现循环利用，进一步提升了节能效果。

永磁同步电机是一种采用永磁体作为励磁源的电机，其工作原理基于法拉第电磁感应定律和楞次定律。在电梯系统中，永磁同步电机作为曳引机的核心部件，通过控制定子电流和转矩的关系，实现对电梯运行速度和转矩的精确控制。

与传统的交流感应电机相比，永磁同步电机具有显著的优势：

• 转速恒定且稍高：永磁同步电机的转速为同步转速，且略高于普通电机。例如，普通电机4极转速为1400n/min，而永磁同步电机转速可达1500n/min。

• 功率因数高：永磁电机在正常运转时，转子转速和定子磁场转速一致，转子磁极采用永磁体，没有电流，定子上感应电流减小，因此功率因数高。可以通过合理的设计，可使其工作在滞后功率因数、单位功率因数和超前功率因数。一般滞后功率因数都可以达到和超过0.95，大量使用永磁电机，可以省去无功功率补偿器等设备。

• 效率高：永磁电机正常运转时，由于转子磁极采用永磁体——钕铁硼磁钢，靠永磁体的磁场就可以保证电机的正常运转，因此转子也就没有绕组损耗。转子铁耗也没有，因此效率较普通电机高的多。目前，永磁同步电机一般设计很容易达到GB/T18613-2012版规定的2级能效，甚至达到1级指标；而普通电机，设计达到相应的性能就比较麻烦，这在小功率电机中表现的尤为明显。

• 经济运行范围宽：普通电机的经济运行范围一般为额定负载的60100%，低于60%的负载时，电机的效率和功率因数曲线下降很快，运行效率和功率因数很低。而永磁同步电机的经济运行范围远比普通电机宽，不仅在额定负载时效率很高，而且在25120%额定负载的范围内都有较高的效率，效率曲线比较平滑，变化不大。电机效率基本不低于额定效率的80%。而普通电机在35%额定负载附近效率迅速下降，能低至30~40%。永磁电机在25%的负载时，功率因数也可以达到0.9以上，越轻载功率因数越高；而普通电机从额定负载时的0.85左右迅速下降到0.5以下。

• 体积小、重量轻：由于永磁电机转子上应用了稀土永磁材料，损耗低，效率和功率因数高，达到同样的功率，在保证效率和功率因数的基础上，体积可以做的比普通电机小，重量可以轻。这在一些要求小机座号，做大功率的场合，具有普通电机不可比拟的优势。

• 堵转转矩倍数高：普通电机堵转转矩倍数一般是额定转矩1.6~2.3倍，而永磁电机的堵转转矩一般可达2.4倍以上，有些规格甚至可达到3.5倍以上。

电梯在运行过程中，特别是在重载下行或轻载上行时，会产生大量的再生能量。传统的电梯系统中，这些能量通常通过制动电阻以热能的形式消耗掉，不仅浪费能源，还会导致机房温度升高，需要额外的空调或通风设备来散热，进一步增加了能耗。

能量回馈系统则巧妙地解决了这一问题。当电梯处于发电状态时，曳引机作为发电机工作，产生的电能通过变频器回馈到直流母线。这些能量随后被储存在储能装置中，如锂电池或超级电容器。当电梯需要加速或照明、通风设备需要用电时，储存的能量就会被重新利用。

这种能量回收机制不仅减少了制动电阻的发热，降低了机房温度，还避免了额外散热设备的使用，实现了双重节能。同时，由于控制系统能够精确管理能量的存储和释放，电梯的运行效率得到了进一步提升。

这些先进的节能技术已经在多个实际项目中得到应用，并取得了显著的成效。

以某大型写字楼为例，该写字楼共安装了20部采用永磁同步技术的电梯。经过一年的运行统计，与传统电梯相比，采用永磁同步技术的电梯平均节能率高达30%。这不仅降低了写字楼的运营成本，也为环保事业做出了积极贡献。

在多个城市的地标性建筑中，如上海东方明珠广播电视塔、北京国贸三期等，也都采用了永磁同步技术的电梯系统。这些建筑通过引入先进的电梯节能技术，不仅提升了建筑的整体品质，也为城市绿色发展树立了典范。

值得一提的是，三菱电机在电梯节能技术方面一直处于行业领先地位。其开发的能量回馈技术和混合电力电梯系统，已经在日本得到广泛应用，并逐步推广到全球市场。混合电力电梯系统通过将反馈的电能存储在蓄电池中，不仅实现了约20%的节能效果，还在停电时提供了应急电源，确保乘客安全。

永磁同步电机和能量回馈系统的应用，正在推动电梯行业向更加绿色、高效的未来迈进。这些技术不仅优化了电梯的运行效率，降低了能耗，还通过智能能量管理实现了能源的循环利用。随着技术的不断进步和成本的逐步降低，这些节能技术有望在更多建筑中得到普及，为实现碳达峰、碳中和目标贡献力量。

可以预见，在不久的将来，更加智能化、高效化的电梯系统将为我们的生活带来更加便捷、环保的体验。而这些创新技术的应用，也将为建筑业主和社会带来显著的经济效益和环保效益，推动整个行业的绿色转型。