專利名稱：用于電梯門的線性電機系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電梯，特別涉及用于驅(qū)動電梯門的裝置和方法。
電梯門系統(tǒng)一般由單一的滑動門或由兩個滑動門組成，在正常的動力驅(qū)動下該門被自動打開和自動關(guān)上。有效的門板在一個水平平面內(nèi)滑開，以提供入口;或?qū)㈤T關(guān)閉，以確保電梯乘客的安全。傳統(tǒng)的作法是，這些自動操作系統(tǒng)由一電機提供動力，該電機提供轉(zhuǎn)動力矩，如

圖1所示。圖1中示出了機械連桿機構(gòu)，它把由電機產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)變成移動門所需要的線性力。所使用的機械連桿的兩種常見的形式包括一種雙桿連桿和一種螺旋的導(dǎo)向螺桿。
本發(fā)明提出的原理是要用線性電機替換旋轉(zhuǎn)電極與連桿相組合的方式。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)有人提出過將線性電機用于操縱滑動門和電梯門。
例如，美國專利US 3，462，883示出了一種由線性感應(yīng)電機驅(qū)動的滑動門，該電機具有一個控制電路，它包括若干個在門移動期間被順序啟動的開關(guān)，用以實現(xiàn)可變化的減速度。還利用檢測出的速度來修正減速控制。
美國專利US 4，067，144和US 4，090，113公開了一種用安裝在自動門裝置中的線性電機來驅(qū)動該自動門裝置中門的方法。該門由一個法向推力驅(qū)動，該推力在門行程的最后階段被增大，因此克服位于門行程端部附近的緩沖裝置的作用力。
美國專利US3，872，622公開了一種用于驅(qū)動一對滑動門的線性電機，線性電機中的定子相對門框架及電機的轉(zhuǎn)子而固定，而電機的轉(zhuǎn)子與一個滑輪繩索組件相連結(jié)，該滑輪與繩索組件可與電機轉(zhuǎn)子一起運動以打開門。在三個平面上設(shè)置了用于調(diào)節(jié)滑輪轉(zhuǎn)軸的裝置，以調(diào)節(jié)繩上張力和滑輪定位。
已知線性電機可用于各種各樣的門，例如在美國專利US5，134，324、US4858452、US4188552、US3793944、US4365442和US3708915中所示的奸樣。
用于線性電機的各種速度控制和控制電路是已知的，例如在美國專利US3，891，907和英國專利說明書1，148，144中所示的那樣。
但是，由于需要將線性電機旋轉(zhuǎn)在要被驅(qū)動的門的頂端或底端，所以將會因存在有水平力的力矩臂而對門產(chǎn)生不需要的轉(zhuǎn)矩。這一力矩臂(該力矩臂是水平力的作用點與門裝置的重心之間的距離)在門的整個行程的全程上保持恒定。這個不需要的轉(zhuǎn)矩可能很大并且將會使一個急劇加速的門繞著門的重心發(fā)生轉(zhuǎn)動或擺動。正如可從圖1中看到的那樣，現(xiàn)有技術(shù)中對于高速加速的門是通過將支承點稍微靠近門的中部或靠近門的重心從而減小轉(zhuǎn)動力矩來解決上述這一將會出現(xiàn)的問題的。
除了所需要的水平力外，該線性電機還在電機的初級繞組與次級繞組之間產(chǎn)生一個引力。在與門系統(tǒng)無關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)中，例如在一個用于提升通道中提升電梯的線性電機中，上述的這個引力被初級繞組部件上的輥或軸承抵抗，這樣就在電機的次級繞組組件與初級繞組組件之間保留了所需要的空氣間隙。
本發(fā)明的目的是用一個線性電機控制電梯門，并且與此同時將不需要的轉(zhuǎn)動力矩減小至最小。
按照本發(fā)明，用線性電機的初級繞組與次級繞組之間的引力來平衡轉(zhuǎn)矩，所說的這個轉(zhuǎn)矩是由在不通過門的重心的安裝處驅(qū)動門而引起的。
進(jìn)一步按照本發(fā)明，通過提供一個控制信號而用線性電機來使電梯門移動，所說的這個控制信號的大小隨著門的運動而變化，用以平衡電梯門上的第一轉(zhuǎn)動力矩，這個第一轉(zhuǎn)動力矩是由一個施加于門上的法向力通過一個長度可變的力矩臂而繞著門的重心進(jìn)行作用而引起的，響應(yīng)上述的控制信號，一個施加在門上的大小變化的線性力通過一個長度固定的力矩臂而繞著門的重心進(jìn)行作用，以提供一個與上述的第一轉(zhuǎn)動力矩相反的第二轉(zhuǎn)動力矩，因此而抵消第一轉(zhuǎn)動力矩。
進(jìn)一步按照本發(fā)明，對于將門打開或?qū)㈤T關(guān)閉的操作時，第一和第二轉(zhuǎn)動力矩隨著可變化的力矩臂長度的減小而減小，在該長度可變的力矩臂為零的那一點上該第一和第二轉(zhuǎn)動力矩減小至零，在此之后，該第一和第二轉(zhuǎn)動力矩隨著該長度可變化的力矩臂長度的增加而增加，直到完成門的開或關(guān)動作為止。
進(jìn)一步按照本發(fā)明，該第一和第二轉(zhuǎn)動力矩隨著門的位置而線性減小和線性增加。
進(jìn)一步按照本發(fā)明，可用特定的力分布和速度分布來在門的整個行程上實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡。
進(jìn)一步按照本發(fā)明，對于門的開或關(guān)的操作，門的水平速度按照一條近似于一個橢圓形的在其長軸一側(cè)的曲線進(jìn)行變化。
進(jìn)一步按照本發(fā)明，利用所說的法向力將門浮升起來以減小作用在門的水平運動導(dǎo)向裝置上的重力。
進(jìn)一步按照本發(fā)明，該法向力保持恒定。以這樣的途徑來選擇該法向力，即使門局部磁化浮升，以減小門輥或其它懸浮元件上的重力載荷，這樣延長它們的使用壽命并減小噪音。
進(jìn)一步按照本發(fā)明，響應(yīng)所檢測到的門位置信號而提供一個或多個控制信號。通過數(shù)字技術(shù)(digitel technigues)可獲得對線性電機法向力的控制，以提供更加完美的轉(zhuǎn)矩平衡。通過對門位置和門速度進(jìn)行檢測并調(diào)節(jié)電機的驅(qū)動頻率和轉(zhuǎn)差率可以實現(xiàn)上述控制以同步獲得所需要的法向力和線性力，可選擇特定的力分布和特定的速度分布以在門的整個行程上實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡。
進(jìn)一步按照本發(fā)明，響應(yīng)開門或關(guān)門的指令信號，可以以開環(huán)的形式提供控制信號。
這里所教導(dǎo)的發(fā)明思想實現(xiàn)了用線性電機置換旋轉(zhuǎn)電機與連桿相組合的方式，這一設(shè)計思想具有一些顯著的優(yōu)點，它們包括1、大大減少了移動部件，這樣對門的操作系統(tǒng)可以提供更大的強度并減小磨損;
2、通過減小連桿和門的懸掛載荷而使操作更平穩(wěn)和更安靜;
3、通過簡化安裝和維修而節(jié)省成本;
4、在運轉(zhuǎn)出現(xiàn)故障的情況下系統(tǒng)的性能雖有所下降但工作仍是安全可靠的。
本發(fā)明的這些以及其它目的、特征和優(yōu)點將從結(jié)合附圖對本發(fā)明的最佳實施例的詳細(xì)說明中變得更加清楚。
圖1表示的是現(xiàn)有技術(shù)中的OVL操縱裝置，其中，借助于連桿機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動。
圖2表示的是按照本發(fā)明的一對由線性電機驅(qū)動的電梯門。
圖3表示的是按照本發(fā)明的電梯門電機安裝的側(cè)視示意圖。
圖4表示的是按照本發(fā)明的控制系統(tǒng)。
圖5表示的是按照本發(fā)明的由線性電機驅(qū)動的電梯門系統(tǒng)。
圖6是線性電機的示意圖，它用于表示除了由電機產(chǎn)生的線性力(即對門的推力)外，在初級繞組與次級繞組之間還產(chǎn)生一個有特殊意義的法向引力(大約是所述推力的0.5-10倍)，按照本發(fā)明，利用該法向力對于將門浮升起來以減小作用在門的水平運動導(dǎo)向裝置上的重力以及對于平衡不需要的轉(zhuǎn)矩都具有優(yōu)越性。
圖7表示的是本發(fā)明中電梯門上所受到的各個力。
圖8表示的是對于浮動初級繞組的輥子上的載荷為時間函數(shù)的狀態(tài)。
圖9表示的是對于剛性初級繞組上輥子的受力狀態(tài)。
圖10表示的是按照本發(fā)明所實現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩平衡。
圖11表示的是按照本發(fā)明，線性力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與法向力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的平衡情況。
圖12表示的是隨門位置而線性變化的力的分布，在本發(fā)明中這種力的分布使得在電梯門的整個行程上抵消轉(zhuǎn)矩。
圖13表示的是本發(fā)明中的速度分布圖。
圖14更詳細(xì)地示出了圖6中所示的本發(fā)明的線性電機示意圖，它示出了一個電機間隙，該間隙對于獲得平衡的加速度是很重要的。
圖15表示的是本發(fā)明中初始間隙與進(jìn)行轉(zhuǎn)矩平衡所需要的加速度之間的關(guān)系，這一圖表是從一個成比例的模型門試驗裝置獲得的。
圖16表示的是按照本發(fā)明在理論上所繪制的門的豎直位置和轉(zhuǎn)動對時間的曲線圖，它表示出了在位置橫移期間門被實際提升一個小的距離。
圖17表示的是在本發(fā)明中門的運動(包括加速度、速度和位置)對時間的曲線圖。
圖18表示的是在本發(fā)明中線性電機的力(包括法向磁性力和線性力)對時間的曲線圖。
圖19表示的是在本發(fā)明中輥子上的力(包括前輥上的力、后輥上的力以及輥子上力總和)對時間的曲線圖，該圖說明了前輥上的力和后輥上的力是相等的，因此呈現(xiàn)出完美的轉(zhuǎn)矩平衡。
圖2示出了按照本發(fā)明的處于關(guān)閉位置的一對電梯門12、14，它們是一種與圖1中裝置的開、閉運動相類似的往復(fù)形式來打開和關(guān)閉門12、14，線性電機致動器16、18同時與頂部支承件20及門12、14相聯(lián)接。
圖3示出了與門的懸掛裝置24(該懸掛裝置24也已在圖2中示出)相聯(lián)接的左門12的側(cè)視圖，該懸掛裝置24包括一個在門導(dǎo)軌30的升高的位置28上轉(zhuǎn)動的輥26門;導(dǎo)軌30可做成與第二輥32也是滾動接觸的形狀。門導(dǎo)軌30可與圖2中的支承件20相聯(lián)接。懸掛裝置24還可以用來支承一個線性電機的反應(yīng)式極板34(有時也稱作次級繞組)，該線性電機包括一個分離的初級繞組36，它借助于例如一個支架38而安裝在支承件20上。在圖2和圖3中還都圖示了一個防塵罩40。
從對圖2和圖3的說明中可明顯地看出，所示實施例的初級繞組安裝在支承件20上，與此同時次級繞組與門相聯(lián)接并因此而相對于初級繞組移動。該初級繞組可采用較小的線圈外殼，以被一個或多個用于產(chǎn)生隨時間變化的電機磁場的隨時間變化的電信號激磁，從而使次級繞組相對于初級繞組移動。
這樣一個線性電機由Krauss Maffei提供，Krauss Maffei還提供了用于控制該線性電機運動的線性直接驅(qū)動裝置，這可在系列No.LIM-E單一凸輪線性電機系列(Series single-Cam LinearMotors)下在Krauss Maffei的生產(chǎn)線上發(fā)現(xiàn)。一本敘述這一系列的小冊子可從Krauss Maffei AG的美國代理商-亦即從“自動化與伺服電機技術(shù)有限公司”(地址1 Tunxis Roael，Simsburg，Connecticut，USA)那里得到。這些驅(qū)動裝置和電機具有公知的特性并能適用于這里所公開的電梯。一般來說，該控制系統(tǒng)包括一個三級管脈沖控制的AC變換器，它響應(yīng)導(dǎo)引系統(tǒng)的控制信號，以向初級繞組的線圈提供(例如)三相電源。該導(dǎo)引系統(tǒng)可對若干設(shè)置點進(jìn)行響應(yīng)，它也可以是一個閉合回路的一部分，例如，該導(dǎo)引系統(tǒng)響應(yīng)所檢測的位置信號，該位置信號具有一個表示初級繞組沿著次級繞組所相對位移量。一個線性測量系統(tǒng)由Krauss Maffei提供，它適用于這一線性測量。然而，人們將會懂得，這一控制系統(tǒng)不一定是閉環(huán)回路，而可以是開環(huán)回路;相類似地，它不一定在一個位置控制回路中得以使用，而是還可以在一個速度調(diào)節(jié)驅(qū)動線路、單軸定位驅(qū)動線路、位置調(diào)節(jié)驅(qū)動線路、線性動力執(zhí)行線路或其它任何所需的線路中得以使用。
舉例來說(但并不局限于此)，圖4示出了一個改進(jìn)的門驅(qū)動系統(tǒng)的方框流程圖。計算機控制系統(tǒng)50響應(yīng)操作指令及若干檢測信號中的某些信號或全部信號，以在線62上向電機控制裝置64提供一個控制信號，這些檢測信號包括線52上的所檢測的位置信號;線54上的障礙探查信號;線56上的運行界限信號;線58上的反向EMF檢測信號和線60上的力/載荷檢測信號。該電機控制裝置64還響應(yīng)線58上的反向EMF檢測信號。計算機控制系統(tǒng)50還可在線66上提供狀態(tài)信息。該計算機控制系統(tǒng)在信號線51上接收來自另一部電梯或來看建筑系統(tǒng)或輔助系統(tǒng)的操作指令，以激發(fā)門系統(tǒng)的各種不同的操作特性(例如，打開、關(guān)閉、停止、轉(zhuǎn)向等)。正如所提及的，該計算機控制系統(tǒng)50還可在線66上向其它系統(tǒng)提供描述門系統(tǒng)狀態(tài)的狀態(tài)信號。該計算機控制系統(tǒng)將從各種傳感器接收輸入信號，根據(jù)儲存在其內(nèi)部的算法規(guī)則，該計算機控制系統(tǒng)將實現(xiàn)下列這些功能，即產(chǎn)生門的運動曲線，計算電機的驅(qū)動相位和電流，控制門的位置、速度和加速度(通過開環(huán)或閉環(huán)控制)，監(jiān)視門系統(tǒng)的工作狀況;以及實現(xiàn)其它任何以取得所期望的門系統(tǒng)的操作特性所必要的功能。
如果在一個以位置為基準(zhǔn)的閉環(huán)系統(tǒng)中使用，則線52上的位置傳感器52a的信號將被輸入一比較器(未示出)中，在該比較器中該信號將與一個裝置指令信號相比較，所說的位置指令信號可以是線51上的一個信號，或者是產(chǎn)生于計算機控制系統(tǒng)50自身內(nèi)部的信號(這種情況下該信號未在圖中示出)。該比較器將提供一個差值信號，這個差值信號被送入到一個補償網(wǎng)絡(luò)中，例如比例控制;比例加積分控制;比例加積分加微商控制;或其它任何所需要的補償網(wǎng)絡(luò)。該補償網(wǎng)絡(luò)將在線62上提供控制信號。當(dāng)然，也可以不使用比較器(象上文所述的那樣以不同程度的模擬形式)，而是借助于分立元件或借助于通用型微處理機中的軟件，用數(shù)字計算的方法實現(xiàn)整個過程，這對于執(zhí)行控制系統(tǒng)的算法這一技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是公知技術(shù)。
電機控制裝置64可包括線路68，該線路68將建立起所要求的適當(dāng)?shù)臅r間與相位的聯(lián)系，以在線性電機中產(chǎn)生所需要的力(線性的和/或法向的)。動力驅(qū)動器70將放大線72上的來自相位與時間控制邏輯的信號，以在線74上向線性電機初級繞組76傳送適當(dāng)?shù)碾娏Α．?dāng)然，線74上的信號可被電機繞組電流傳感器78檢測，該傳感器78可以是所需要的任何類型的電流傳感器。為了進(jìn)行閉環(huán)反饋，該電機繞組電流傳感器78將把所檢測的信號(未示出)送回至計算機控制系統(tǒng)50，正如已敘述過的那樣與位置傳感器52a相連接。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到為控制門也可以使用其它類型的檢測信號來代替這里所述的用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳感器。這樣，電機控制裝置64既可以根據(jù)予先確定的特性曲線進(jìn)行開環(huán)操作，也可以以閉環(huán)的方式、也根據(jù)這一特性曲線、但還利用來自任選的電機繞組電流傳感器和/或任選的門位置傳感器或其它任何所需要的傳感器的反饋而進(jìn)行操作，所說的反饋例如是一個以速度為基準(zhǔn)的反饋回路，或是以某些其它檢測參數(shù)為基礎(chǔ)的反饋回路。
當(dāng)然圖4中的線性電機由兩部分組成。初級繞組76包括若干個電極，電機線圈圍繞著這些電極旋轉(zhuǎn)。次級繞組80包括這樣一個結(jié)構(gòu)，即它響應(yīng)由初級繞組產(chǎn)生的磁場而在一個橫向的線性方向上相對于初級繞組移動。該次級繞組是由上文所提到的銷售商(即Krauaa-Maffei)提供的，該次級繞組被分段以提高效能。一個分段的次級繞組是這樣一個繞組，即在該繞組中，導(dǎo)電體被嵌入次級繞組銜鐵(backiron)的長孔中，這是用于轉(zhuǎn)動感應(yīng)電動機的一個常見的實際應(yīng)用的例子。然而按照本發(fā)明的指教，最好是使用由滲磁材料(例如鐵棒或鋼棒)構(gòu)成的實心的次級繞組，該滲磁材料上覆蓋一導(dǎo)電層，例如銅片或鋁片，它幫助減小振動，并因此而減小門的噪音，這在一定應(yīng)用場合比提高效能更為重要。曾考慮使用一種永磁的次級繞組，但由于在電梯的升降通道這一環(huán)境中可能會聚積金屬粉粒，于是否決了上述這一想法。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到圖4所示的傳感器是可選擇的并可被包括在圖4所示的電驅(qū)動裝置中，以提供任何所需程度的控制或向驅(qū)動系統(tǒng)的其它部件提供其它信息。如已提到的那樣，典型的傳感器可包括反饋裝置52a，它測量門前后移動時該門所處的位置。傳感器78測量流經(jīng)線性電機初級繞組的電流，還可用該傳感器78控制和監(jiān)測對該初級繞組的電力驅(qū)動。運行限位傳感器56a、56b可用于對門的各個運行位置進(jìn)行感應(yīng)。轉(zhuǎn)向EMF傳感器58a可用于監(jiān)測該線性電機的運動速率。障礙探查器54a可被包括在門的驅(qū)動系統(tǒng)中，用以對存在于門路途中的障礙物進(jìn)行感應(yīng)，從而使計算機控制裝置選擇一種能避免與障礙物接觸的控制規(guī)則。力和/或載荷傳感器60a、60b可被包括在驅(qū)動系統(tǒng)中，用以監(jiān)測作用于線性電機上的線性和法向的力與載荷。所有這些傳感器都僅僅是對在實際執(zhí)行過程中可使用的裝置的一種舉例說明，而不是必須如此。
圖5表示的是一個中部敞開的電梯門，它具有兩部線性電機100、102，每部電機用于驅(qū)動一對門106、108(總起來用104標(biāo)示)的一側(cè)。圖中所示的門106處于關(guān)閉位置，而門108則是處于打開位置。當(dāng)然，這并不是一種正常的情形，因為在正常的情況下這兩扇門是同時打開或是同時關(guān)閉的。每一部線性電機的初級繞組由一個小的(大約100×150mm)接電源的初級繞組110、112組成，該繞組被牢固地安裝在電梯框架例如圖2中的支承件20(圖3中又進(jìn)一步示出)上。無電源的次級繞組114、116或反應(yīng)式極板(大約760×100mm)安裝在可移動的門上，如上文中結(jié)合圖2和圖3所敘述的那樣。圖5中所示的結(jié)構(gòu)具有安裝于電梯頂部的線性驅(qū)動系統(tǒng)，但這對于本發(fā)明的實施不是絕對必要的。當(dāng)然，還應(yīng)該理解到本發(fā)明可使用一個與圖5中所示的一對可移動的門104不同的，單一的可移動的門。
返回來參見圖3，圖中的次級繞組或反應(yīng)式極板34簡單地呈L型延伸至現(xiàn)有的電梯門的懸掛裝置24。圖5中的次級繞組可以是類似的。圖3還示出了一個用于初級繞組的鉸接(浮置)的支架，上文中已對此作過描述。已公開的頂部安裝在細(xì)節(jié)上與底部安裝不同，選擇這樣的頂部安裝以對線性驅(qū)動系統(tǒng)提供比較清潔的環(huán)境。通過在整個組裝設(shè)備上使用圖3中的防塵罩40，能使該反應(yīng)式極板的清潔程度得到進(jìn)一步的提高。
應(yīng)當(dāng)再次強調(diào)的是，圖3中所示意的電機初級繞組的安裝是一種鉸接安裝，其中初級繞組在豎直平面內(nèi)可自由移動而在水平平面內(nèi)是受約束的，但這并不是唯一的安裝方式。另一種更好的方法是進(jìn)行固定安裝，在這種固定安裝中，線性電機初級繞組在水平平面和豎直平面內(nèi)都受約束。這種固定安裝的優(yōu)點將在下文中予以說明。
用以確保線性電機始終完好地工作的主要要素之一是要在電機的初級繞組與次級繞組之間保持精確地空氣間隙。在正常運行下，該線性電機不僅產(chǎn)生所需要的線性驅(qū)動力而且在電機的初級繞組元件與次級繞組元件之間產(chǎn)生引力，如圖6和圖7所示。正如在圖7中所建議的那樣，在圖5的右手側(cè)所示的開門狀態(tài)下，可將該線性電機的初級繞組在門的左邊緣的上方處對中。在這里用術(shù)語“法向力”(“normal.force”)表示這個引力。這個用于線性電機的法向力取決于精確的設(shè)計和電機的電特性，而一般來說，可以以0.5-10倍于所產(chǎn)生的所城的線性力為其特征。這個力將試圖把線性電機的初級繞組元件和次級繞組元件位到一起，因此必須控制這個力以在初級繞組元件與次級繞組元件之間保持一始終如一的空氣間隙。上述的這兩幅初級繞組安裝示意圖使用不同的型式來控制該空氣間隙。
在鉸接的初級繞組安裝方式中，用一套輥子(例如圖6中所示)來實現(xiàn)對空氣間隙的控制，所說的一套輥子安裝在同一支架上作為次級繞組元件。由于初級繞組可在豎直平面內(nèi)自由移動，所以所有的法向力載荷都通過輥子而被抑制，并且始終保持有空氣間隙。在這種情況下，該法向力不適用于平衡門上的轉(zhuǎn)矩。這個使用了在豎直方向上鉸接的初級繞組的系統(tǒng)在借助于該初級繞組的組件保持空氣間隙方面進(jìn)行自身調(diào)節(jié)，因此它不受電梯/門的幾何形狀上的小變化的影響，所說的“幾何形狀上的小變化”例如是那些由溫度、應(yīng)力和磨損引起的幾何形狀的變化。
另一方面，在那種將初級繞組剛性地安裝到電梯框架上的安裝方式中，利用門的重力和懸掛裝置來承受法向力，并因此而始終保持空氣間隙。在這一系統(tǒng)中，為始終保持空氣間隙，必須考慮電梯/門的幾何形狀的變化。但這種安裝方法具有利用法向力進(jìn)行轉(zhuǎn)矩抵消的優(yōu)點，這種安裝方法是本發(fā)明所述的較佳的安裝方式。
對于門的懸掛載荷，按照本發(fā)明，是從頂部而不是從重心處驅(qū)動電梯，這就使附加力施加于懸掛裝置上。在圖7中示出了一個典型的電梯門120的受力圖。當(dāng)這個門加速運動時，在門所處的平面內(nèi)的一個轉(zhuǎn)矩由圖7中所示的力矩臂Hc9產(chǎn)生。一般來說，這個力矩必須通過兩個門的懸掛輥122、124上載荷(如圖中力F1和F2所示)的差值而被抵消。而借助于一個使用剛性支架安裝的線性電機系統(tǒng)，由電機產(chǎn)生的法向力(Fn)被用于產(chǎn)生與上述的加速轉(zhuǎn)矩相反的另一個轉(zhuǎn)矩，因此就減小或消除了該加速轉(zhuǎn)矩。
這樣，作為采用線性電機驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)果，在門打開的位置上，有兩個初級繞組上的力作用于門所處的平面上，正如圖7所示。這兩個力一個是初級繞組的推力Flin，一個是圖7中所用Fn所表示的初級繞組與次級繞組之間的引力。如圖中所示，線性電機初級繞組在門的左邊緣的上方處對中。這樣，該線性力繞著門的重心產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩的大小為FlinXHc9。存在于該線性電機上的法向力也繞著門的重心產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，這個轉(zhuǎn)矩的大小為FnXXc9，并且該轉(zhuǎn)矩的方向與由線性力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向相反。因此，如果FlinX Hc9＝FnxXc9，則合力經(jīng)過門的重心，并且不存在沒有抵消的轉(zhuǎn)矩。
對于相反的方向，所要求的力Flin被反向，所得到的轉(zhuǎn)矩的方向也被反向。法向力的方向仍舊保持與上述同樣的方向，然而，由于門運動的原因，力矩臂的方向被反向，因此在相反的方向上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。再次得到上述相同的結(jié)果，合力有效地經(jīng)過門的重心，并且沒有不抵消的轉(zhuǎn)矩。
在圖8和圖9中示出了使用重力對中的頂部安裝的鉸接的線性驅(qū)動裝置與使用頂部安裝的剛性的線性驅(qū)動裝置這兩種情況下的懸掛載荷的比較。取得這一數(shù)據(jù)的實驗場合是一個單一的門運行609毫米并且以1290毫米/秒2的速率進(jìn)行加速。門的最大速度為700毫米/秒。這就導(dǎo)致了這樣一個速度分布，即在最初的0.62秒內(nèi)的進(jìn)行加速，接著是一個恒速區(qū)，然后在0.8秒的時刻開始減速。門整個運行時間是1.4秒。在該例子中，門的重量為68kg。
對于一個例如圖1中的重力對中的驅(qū)動裝置(center-of-gravitg drive)來說，沒有轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，懸掛載荷(圖7中的F1和F2)將恒定地保持在34kg/每輥。
對于鉸接安裝初級繞組的情況而言，由線性驅(qū)動而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩必須由門的輥子來抵消。在圖8中輥子的載荷作為時間的函數(shù)而被示出，該圖表示出必須產(chǎn)生+72kg至-4kg的力以防止門轉(zhuǎn)動。要指出的是，當(dāng)加速度的方向被反向時，要求轉(zhuǎn)矩反向。還要指出的是，在一大段作時間內(nèi)，輥子之一必須產(chǎn)生一個負(fù)的作用力;一個負(fù)的作用力意味著輥子的力必須向下推門。
圖9中示出了使用剛性安裝的初級繞組所要求的力分布。對于這種力的分布，假設(shè)法向力與線性力之比為5.0，并且線性電機的初級繞組距處于起始位置的門的重心304.6mm。前輥上所要求的力(F1)的范圍為-25kg至+15kg，而后輥上的力(F2)要求為-5kg至-40kg。在軌跡的恒速區(qū)段中，假定產(chǎn)生已知的法向力。從圖中注意到，在大多數(shù)軌跡上，所要求的力是負(fù)的，表明門已通過法向力而被升浮。輥上力的減小將能夠得到低的噪音。
已在圖7中已示出了在電梯門行程的兩端上實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩抵消的情況，現(xiàn)在剩下的問題是要檢查行程中剩余的區(qū)域上轉(zhuǎn)矩消的情況。假定在門的整個行程范圍內(nèi)法向力是恒定的，因為門的運動改變了法向力的力矩臂，所以所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩發(fā)生了變化。對于電機的初級繞組部件安裝在門一邊緣的上方并且門的行程距離等于門的寬度的情況下，由法向力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩呈線性變化，當(dāng)門準(zhǔn)確地位于行程的中心位置上時門的位置為零，在行程的每一端部位置上門的位置達(dá)到最大值(這兩個最大值的正負(fù)號不同)。
按照這里的指教，用于驅(qū)動門的力的分布情況是這樣的，即它將導(dǎo)致由力Flinear產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行線性變化，這個線性變化的轉(zhuǎn)矩精確地抵消由力Fnormal產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。這種特定的力的分布是力隨距離的線性變化，它在行程范圍的端點處具有最大值，在行程的中間點其值為零。
這樣，按照這里的指教，可用下列數(shù)學(xué)公式來描述這一特定的力的分布Flinear＝Flinearmax×[1-(2×X/D)]其中Flinearmax是Flinear的最大值，該最大值是由所要求的加速來確立的;
X＝門在行程中所處的某一位置;
D＝所要求的門的最終位置這種力的分布是對稱的，在初始狀態(tài)(X＝O)具有最大的正值，在終結(jié)狀態(tài)(X＝D)具有最大的負(fù)值，在行程的中間處(X＝D/2)走向零值。這在圖12中圖示出來了。
在圖12中還用實線表示出了對于動力操縱的門通常所使用的標(biāo)準(zhǔn)的力分布。這種通常使用的力的分布是不連續(xù)的，它在行程范圍內(nèi)的前一半行程上一直分布有最大的力，在行程范圍內(nèi)的后一半行程上一直分布有最大的負(fù)力。使用這樣的力的分布就導(dǎo)致了如圖13中實線所示的三角形的速度分布。這種速度分布中的尖峰造成了現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)中門運動的噪音和顛簸。比較起來，圖12中虛線所示的使轉(zhuǎn)矩抵消的力的分布就導(dǎo)致了如圖13所示的具有光滑峰值的速度分布。
總之，如這里所述，用于區(qū)動門的力Flinear繞門的重心產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，由于力Flinear在變化，所以所說的這個轉(zhuǎn)矩隨著門的位置而呈線性變化。引力Fnormal在與Flinear的矢量方向相反的方向上產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，并且由于力矩臂的改變，該轉(zhuǎn)矩也呈線性變化。通過選擇適當(dāng)?shù)牧normal值和門的加速度A，就可在門的行程的所有點上獲得完全平衡的轉(zhuǎn)矩。
正如已經(jīng)建議過的那樣，本發(fā)明的核心是要沿著門行程的長度改變磁力，從而恰好抵消由于不在重心處驅(qū)動門而產(chǎn)生的全部或部分轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。按照圖10的指教，通過在門的整個行程上使力矩臂XCG與力Fnormal的乘積等于力矩臂YCG與力Flinear的乘積，可產(chǎn)生這種能抵消轉(zhuǎn)矩的力的分布。這與上文中結(jié)合圖7已討論過的是同樣的原理。由于力矩臂XCG表示的是門的重心與固定的初級繞組之間的水平距離，并且由于這一水平距離根據(jù)門的位置而改變，所以本發(fā)明指出在計算施加于門上的水平方向上的線性力(Flinear)的數(shù)值時要考慮隨著門的移動上述這一力矩臂長度的改變。為了沿著門的運行行程的全長滿足圖10所示的等式，即Fnormal×XCG＝Flinear×YCG將要求水平的線性力(Flinear)也以適當(dāng)?shù)姆绞阶兓?因為水平力矩臂(XCG)根據(jù)門的位置而改變)，以保持該等式平衡。用這一種方法，那些在不同情況下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩均被抵消。
這種能抵消掉轉(zhuǎn)矩的力的公布可通過下列措施來產(chǎn)生A、使一套算法程序進(jìn)入圖4的計算機控制系統(tǒng)50或類似的系統(tǒng)中，它確定出在任何時刻(在一個開門或關(guān)門的指令之后)施加于門上的水平力，并據(jù)此計算出所需要的修正轉(zhuǎn)矩。這就需要借助于計算機控制系統(tǒng)(或類似的控制系統(tǒng))使預(yù)先的程序信息實際地表示整個系統(tǒng)的模擬情況，借助于該計算機控制系統(tǒng)，以開環(huán)的形式控制力。
B、測量力和/或門的位置、加速度或速度，并在一個閉環(huán)系統(tǒng)中將這一信息反饋給計算機控制系統(tǒng)50(或類似的控制系統(tǒng))，它用所檢測的信息與所產(chǎn)生的分布指令進(jìn)行比較，計算出在任何時刻所需要的修正力矩。
按照上述實施例，由于法向力保持恒定但具有可變化的力矩臂，還由于線性力具有恒定的力矩臂但力是可變的(如圖10所示)，所以，按照本發(fā)明，力的分布情況如圖12中虛線所示是隨著門的位置而呈線性變化的，這就如圖11所示給出了在門的整個行程上的轉(zhuǎn)矩平衡。從圖12中將會了解到，為了保持與圖1的現(xiàn)有技術(shù)中所具有的操作時間相同的操作時間，用于線性電機的力的分布(見虛線)中的力峰稍大于現(xiàn)有技術(shù)中的在固定的力分布(見實線)情況下的力峰值。
相類似地，如圖13所示，利用圖12中的線性力而得到的速度分布(見虛線)比利用圖12中現(xiàn)有技術(shù)中的固定的力分布而得到的速度分布(見實線)要光滑得多。
由于圖12中的呈線性的力分布的原因，圖13中的速度曲線(見虛線)可用下列等式表示V=zaX(1-X/XT)]]>其中a＝門的加速度;
XT＝在門的開或關(guān)操作期間門所走過的整個距離;
X＝在整個距離XT處上在從一個所選定的零點開始增加正負(fù)數(shù)值的情況下所測量到的某一位置。
正如上文已建議過的那樣，本發(fā)明的進(jìn)一步的教導(dǎo)是要用由線性電機提供的磁性排斥力或吸引力來完全抵消或部分抵消門系統(tǒng)上的重力，例如上文所述。
在常規(guī)的門重量下，標(biāo)準(zhǔn)的門輥輪胎受壓約0.25mm。如果該門被提起0.10mm，則門輥上的載荷減小至約為門重量的60%。線性電機的法向力這一分力提供提升力以使門達(dá)到平衡，該法向力的值由初級繞組-次級繞組的間隙來控制。
作用于門輥上的門重量的百分率關(guān)系到所需要的門的水平加速度由于需要一個使力矩平衡的法向力，因此我們具有一個局部磁化的懸浮門。
電機間隙由圖14示出。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，正如圖15所示，平衡的加速度是固有間隙的函數(shù)，圖15中示出了用于完全的力矩平衡的間隙作為加速度的函數(shù)。這一數(shù)據(jù)資料是從一個密封的電梯門系統(tǒng)的模型獲得的。
對所研究的門系統(tǒng)的平面3自由度動態(tài)模擬已經(jīng)被提出并被用于發(fā)展本發(fā)明目前所公開的理論和實現(xiàn)本發(fā)明。
圖16示出了門的豎直位置和其轉(zhuǎn)動的模擬結(jié)果，圖17示出了門的運動，圖18示出了上文中結(jié)合圖10所描述的線性電機的力，圖19示出了上述的輥子的力。
圖16表示門上的轉(zhuǎn)矩是平衡的(轉(zhuǎn)動＝0)以及表示在這種情況下門被法向力稍微提起(約0.03mm)。由于線性電機的法向力，門的這種提升相當(dāng)于減小了壓在門輥上的重量。通常，門被提升的量是輥子剛度、門的重量以及特定的加速度的函數(shù)。
圖17中所示的加速度、速度和位置軌跡相應(yīng)于上文中所述的力的分布F＝Fmax(1-2X/D)在所選定的Fmax下給出加速度為1707毫米/秒2。如上所述，在圖17中示出的這些分布曲線是作為時間的函數(shù)而不是距離的函數(shù)。圖18示出了與這一特定的情況相關(guān)聯(lián)的Fnormal和Flinear。
這些結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)、力的取值以及加速度、速度和位置足以能夠使本技術(shù)領(lǐng)域的任何一位普通技術(shù)人員作出理論分析上的和實際實驗上的試驗，這些試驗是以這里所述的本發(fā)明為基礎(chǔ)的。
盡管已經(jīng)根據(jù)最佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了圖示和描述，但本技術(shù)領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)懂得上述的以及其它的各種變化、在形狀和細(xì)節(jié)上所作的省略和添加都屬于本發(fā)明的實質(zhì)精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用線性電機移動電梯門的方法，包括以下步驟提供一個用于平衡電梯門上的第一轉(zhuǎn)動力矩的控制信號，該第一轉(zhuǎn)動力矩的大小隨著門的移動而變化，該第一轉(zhuǎn)動力矩是由一個施加于門上的法向力通過一個長度可變的力矩臂而繞著門的重心進(jìn)行作用而引起的；響應(yīng)所述的控制信號，一個施加在門上的大小變化的線性力通過一個長度固定的力矩臂而繞著門的重心進(jìn)行作用，以提供一個與上述的第一轉(zhuǎn)動力矩相反的第二轉(zhuǎn)動力矩，因此而抵消第一轉(zhuǎn)動力矩。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，對于進(jìn)行將門打開或?qū)㈤T關(guān)閉的操作時，第一和第二轉(zhuǎn)動力矩隨著所述的長度可變的力矩臂的長度的減小而減小，在該長度可變的力矩臂為零的那一點上該第一和第二轉(zhuǎn)動力矩減小至零，在此之后，該第一和第二轉(zhuǎn)動力矩隨著該長度可變化的力矩臂的長度的增加而增加，直到完成門的開或關(guān)的操作為止。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，第一和第二轉(zhuǎn)動力矩呈線性地減小和增加。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，對于門的開或關(guān)的操作時，門的水平速度(V)按照關(guān)系式V＝ 而變化，其中a＝門的加速度;XT＝在門的開或關(guān)操作期間門所移過的全部距離;X＝從上述的整個距離XT上的一個選定的零點開始用增加的正值或負(fù)值測量的門所處的某一位置。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括下列步驟，即，提供法向力以使門浮升起來，從而減小作用在門的水平運動導(dǎo)向裝置上的重力。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其特征在于，該法向力保持恒定。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，響應(yīng)所檢測的門的位置信號而實現(xiàn)所述的提供控制信號的步驟。
8.用于用線性電機來移動電梯門的設(shè)備，包括用于提供一個控制信號的裝置，所說的這個控制信號的大小隨著門的移動而變化，用以平衡電梯門上的第一轉(zhuǎn)動力矩，該第一轉(zhuǎn)動力矩是由一個施加于門上的法向力通過一個長度可變的力矩臂而繞著門的重心進(jìn)行作用而引起的;響應(yīng)上述的控制信號而使得一個施加在門上的線性力的大小發(fā)生變化的裝置，該線性力通過一個長度固定的力矩臂而繞著門的重心進(jìn)行作用，以提供一個與上述的第一轉(zhuǎn)動力矩相反的第二轉(zhuǎn)動力矩，因此而抵消第一轉(zhuǎn)動力矩。
9.按照權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，對于開門或關(guān)門操作時，該控制信號是變化的，從而引起第一和第二轉(zhuǎn)動力矩隨著該長度可變的力矩臂的長度的減小而減小，在該長度可變的力矩臂為零的那一點上該第一和第二轉(zhuǎn)動力矩減小至零，在此之后，該第一和第二轉(zhuǎn)動力矩隨著該長度可變化的力矩臂的長度的增加而增加，直到完成門的開或關(guān)的操作為止。
10.按照權(quán)利要求9的設(shè)備，其特征在于，該控制信號是變化的，以引起第一和第二轉(zhuǎn)動力矩呈線性地減小和增加。
11.按照權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，該控制信號是變化的，以引起門的水平速度(V)按照關(guān)系式V＝ 而變化，其中a＝門的加速度;XT＝在門的開或關(guān)操作期間門所移過的全部距離;X＝從上述的整個距離XT上的一個選定的零點開始用增加的正值或負(fù)值測量的門所處的某一位置。
12.按照權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，對線性電機提供一個第二控制信號，用以控制所說的法向力，以將門浮升起來，從而減小作用在門的水平運動導(dǎo)向裝置上的重力。
13.按照權(quán)利要求12的設(shè)備，其特征在于，該法向力保持恒定。
14.按照權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，用于提供控制信號的裝置響應(yīng)一個所檢測到的位置信號。
15.一種用于驅(qū)動電梯門的線性電機，包括一個初級繞組和一個不分段的次級繞組。
16.按照權(quán)利要求15的線性電機，其特征在于，該次級繞組是一個實心的、在可滲磁材料上覆蓋有一片導(dǎo)電材料制成的繞組。
17.按照權(quán)利要求15的線性電機，其特征在于，該次級繞組與電梯門成整體結(jié)構(gòu)或與電梯門剛性聯(lián)結(jié)。
18.按照權(quán)利要求8的線性電機，其特征在于，次級繞組與電梯門成整體結(jié)構(gòu)或與電梯門剛性聯(lián)結(jié)。
19.按照權(quán)利要求15的線性電機，其特征在于，該初級繞組這樣安裝在電梯上，即，一個法向力至門重心的力矩臂隨著門的位置而線性變化，當(dāng)門處于其行程范圍的中點時該力矩臂為零。
20.按照權(quán)利要求8的線性電機，其特征在于，該電機的初級繞組這樣安裝在電梯上，即，該長度可變化的力矩臂隨著門的位置而線性變化，當(dāng)門處于其行程范圍中點時該力矩臂為零。
全文摘要
線性電機響應(yīng)一個以平衡轉(zhuǎn)動力矩的控制信號來驅(qū)動電梯門，所說的這個轉(zhuǎn)動力矩是由一個施加于門上的法向力通過一個長度可變的力矩臂而繞著門的重心進(jìn)行作用而引起的；一個施加在門上的大小變化的線性力通過一個長度固定的力矩臂而繞著門的重心進(jìn)行作用，以提供一個相反的轉(zhuǎn)動力矩，從而抵消了由法向力引起的轉(zhuǎn)動力矩。該第一和第二轉(zhuǎn)動力矩可被控制，當(dāng)門進(jìn)行移動時該第一和第二轉(zhuǎn)動力矩呈線性地減小和增加。用這種方法，速度的分布按照一條類似于一個橢圓的長軸的一側(cè)的曲線而進(jìn)行變化?？商峁┰摲ㄏ蛄σ詫㈤T浮升起來，從而減小作用在門輥上的重力。該控制可以以開環(huán)或閉環(huán)的方式實現(xiàn)。
文檔編號B66B13/08GK1101889SQ9410425
公開日1995年4月26日 申請日期1994年3月10日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月10日
發(fā)明者D·W·巴列特, R·E·佩盧吉, L·比阿力, E·P·加農(nóng) 申請人:奧蒂斯電梯公司