引言

城市化进程推动高层建筑快速发展，电梯保有量持续增长，其能耗在建筑能耗中占比显著，而曳引机作为驱动核心，能耗占电梯总耗电量80%以上，是电梯能效提升的关键。传统有齿轮曳引机传动效率仅70%～80%，且存在励磁损耗大、维护成本高、噪声大等问题，难以满足节能与高品质运行需求。

永磁同步无齿轮曳引机取消齿轮减速机构，将永磁同步电机与曳引轮直接耦合，凭借无励磁损耗、功率因数高、机械损耗小等优势，成为电梯驱动系统升级方向。目前80%的新增客梯已配置该曳引机，额定工况效率达95%左右，较传统机型整体效率提升15%～25%，但实际应用中，受电梯工况复杂、负载波动及曳引机核心部件非对称复杂截面型材加工精度不足等影响，能效提升仍有瓶颈。

本文聚焦该曳引机在电梯能效提升中的应用与优化，结合非对称复杂截面型材的金属流动规律及模具补偿设计方法，从电磁设计、机械结构、控制策略三个维度展开理论分析与逻辑推演，探究能效提升关键路径，解决现有能效瓶颈，为电梯行业节能升级提供理论与技术支撑。

1 永磁同步无齿轮曳引机的工作原理与能效特性

1.1 工作原理

永磁同步无齿轮曳引机的核心工作原理基于电磁感应定律与永磁体励磁原理，其主要由定子、转子、曳引轮、制动器等部件组成。转子采用永磁材料制成，无需外部电源提供励磁电流，定子绕组通入三相交流电后产生旋转磁场，旋转磁场与转子永磁体的磁场相互作用产生电磁转矩，直接驱动曳引轮旋转，进而通过钢丝绳带动电梯轿厢与对重上下运行。由于取消了齿轮减速机构，电机与曳引轮之间通过联轴器直接连接，大幅减少了传动过程中的机械损耗，实现了动力的直接传递。

与传统有齿轮曳引机相比，永磁同步无齿轮曳引机的动力传递路径更简洁，无需经过齿轮减速的能量转换过程，有效避免了齿轮啮合过程中的摩擦损耗、齿面磨损等问题，同时消除了齿轮传动产生的噪声与振动，既提升了运行稳定性，又减少了能量损耗。此外，永磁同步电机的功率因数较高，可达到0.95以上，较传统异步电机高出约20%，能够有效提高电网电能的利用效率，减少无功功率损耗。

1.2 能效特性

永磁同步无齿轮曳引机的能效特性体现在低损耗、高效率、宽高效区间，其损耗包括电磁损耗、机械损耗和杂散损耗，取消齿轮减速箱后机械损耗降低30%以上，且无励磁损耗，总损耗显著降低。

其额定负载效率约95%，较传统机型提升10%～15%，25%～120%额定功率范围内均保持高效，适配电梯各类工况；轿厢下行或满载上行时电机可发电，再生电能回馈效率达70%～90%，进一步提升能源利用率。

此外，其结构紧凑、体积重量小，可节省机房空间甚至实现无机房设计，减少机房辅助能耗，间接提升电梯系统整体能效。

2 非对称、复杂截面型材的金属流动规律与模具补偿设计基础

2.1 非对称、复杂截面型材的金属流动规律

永磁同步无齿轮曳引机的定子、转子铁芯等核心部件采用非对称、复杂截面型材加工，此类型材截面不规则、尺寸精度要求高，加工中金属流动规律复杂，直接影响型材成型质量、力学性能及曳引机装配精度与运行能效。

非对称、复杂截面型材加工时，金属在模具型腔中流动速度与压力分布不均，因截面各部位约束不同存在明显速度差，易产生堆积、拉缩、扭曲等缺陷，薄壁与厚壁部位金属流动速度差异还会导致型材内部应力集中，影响尺寸与表面质量。

金属流动规律受型材截面、模具结构、挤压温速等因素影响，其中模具结构是关键。理论分析表明，其流动遵循体积不变与最小阻力原理，金属沿阻力最小方向流动，合理设计模具可改善流动均匀性、减少成型缺陷。

2.2 模具补偿设计的核心原则与方法

由于非对称、复杂截面型材加工过程中存在金属流动不均匀、成型后易产生变形等问题，模具补偿设计成为提升型材加工精度的关键技术。模具补偿设计的核心原则是根据型材的成型规律与变形特性，通过调整模具型腔的形状与尺寸，补偿型材成型过程中的变形量，确保成型后型材的尺寸精度与形状精度符合设计要求。

模具补偿设计需基于非对称、复杂截面型材的金属流动规律，通过理论计算与数值模拟，预测型材成型后的变形量，进而确定模具型腔的补偿量。补偿量的确定需综合考虑型材的截面形状、材料特性、加工工艺等因素，对于非对称截面型材，需针对不同部位的变形差异，采用差异化的补偿策略，确保型材各部位的尺寸精度一致。

模具补偿设计的主要方法包括经验补偿法、理论计算补偿法与数值模拟补偿法。经验补偿法基于长期的生产实践经验，通过调整模具型腔的尺寸的偏差，补偿型材的变形量，适用于简单截面型材的加工；理论计算补偿法基于金属塑性成型理论，通过建立数学模型，计算型材成型过程中的变形量，进而确定模具补偿量，具有较高的理论准确性；数值模拟补偿法通过有限元软件模拟型材的成型过程，直观反映金属流动规律与型材变形情况，可精准预测变形量，为模具补偿设计提供可靠依据，适用于非对称、复杂截面型材的模具设计。

3 永磁同步无齿轮曳引机在电梯应用中的能效瓶颈分析

3.1 电磁损耗控制不足

电磁损耗是影响永磁同步无齿轮曳引机能效的主要因素之一，主要包括铜损与铁损。铜损由定子绕组电流产生，与绕组电阻、电流平方成正比，而铁损由定子铁芯在交变磁场中产生的磁滞损耗与涡流损耗组成，与磁场频率、磁感应强度平方成正比。在电梯运行过程中，由于负载波动频繁，电机转速与电流不断变化，导致电磁损耗处于动态变化状态，难以实现精准控制。

目前，部分永磁同步无齿轮曳引机的电磁设计存在参数匹配不合理的问题，极对数、气隙长度、永磁体尺寸等关键参数选择不当，导致电机磁场分布不均匀，谐波含量增加，进而加剧了铁损与杂散损耗。此外，定子绕组采用传统的圆导线结构，趋肤效应与邻近效应明显，导致绕组电阻增大，铜损增加，尤其在高频运行工况下，铜损的增加更为显著，制约了曳引机能效的提升。

3.2 机械结构精度不足

机械结构精度直接影响永磁同步无齿轮曳引机的运行稳定性与能效，而曳引机核心部件采用的非对称、复杂截面型材，其加工精度受金属流动规律与模具设计的影响较大，易出现尺寸偏差与形状缺陷，导致部件装配精度不足。

转子与定子的同心度偏差是常见的机械精度问题，由于转子铁芯与定子铁芯采用非对称、复杂截面型材加工，若模具补偿设计不合理，会导致型材成型后出现偏心、扭曲等缺陷，进而影响转子与定子的同心度。同心度偏差会导致气隙不均匀，加剧电磁转矩脉动，增加电磁损耗与机械振动，同时增加轴承的摩擦损耗，降低曳引机的运行效率。此外，曳引轮与电机轴的连接精度不足、轴承选型不合理等问题，也会导致机械损耗增加，影响电梯能效。

3.3 控制策略适配性较差

永磁同步无齿轮曳引机的运行能效与控制策略密切相关，电梯运行工况复杂，负载波动频繁，且存在启动、加速、恒速、减速、停止等不同运行阶段，对控制策略的适配性要求较高。目前，部分电梯采用的控制策略较为简单，未充分考虑负载波动与运行工况的变化，导致电机运行状态与电梯实际需求不匹配，能效较低。

例如，在电梯空载或轻载运行时，电机仍以额定转速运行，导致能量浪费；在负载突变时，控制策略的响应速度较慢，无法及时调整电机转速与电流，导致电磁损耗增加。此外，能量回馈技术的应用不够充分，部分电梯的能量回馈系统存在回馈效率低、谐波污染严重等问题，无法充分回收电梯制动过程中产生的再生电能，影响了电梯系统的整体能效。

4 永磁同步无齿轮曳引机的能效优化策略

4.1 电磁参数多目标优化设计

针对电磁损耗控制不足问题，采用多目标优化方法，结合非对称复杂截面型材特性，优化极对数、气隙长度、永磁体尺寸及定子绕组等关键电磁参数，改善磁场分布、减少谐波，降低电磁损耗。

电梯用永磁同步无齿轮曳引机极对数宜选8～16极，兼顾转矩与能效；最优气隙长度需通过理论计算确定，一般控制在0.3～0.5mm；采用高性能钕铁硼永磁体，优化其厚度与宽度，在保证转矩的同时减少用量。

定子绕组采用多股并绕Litz线结构，抑制趋肤与邻近效应、降低绕组电阻以减少铜损，同时合理控制槽满率保障散热。经电磁参数多目标优化，可使铜损降低8%～12%、铁损降低10%～15%，有效提升曳引机能效。

4.2 基于金属流动规律的模具补偿与机械结构优化

结合非对称、复杂截面型材的金属流动规律，优化模具补偿设计，提升型材加工精度，进而改善曳引机机械结构精度，降低机械损耗。采用数值模拟补偿法，通过有限元软件模拟型材成型过程，分析金属流动规律与变形特性，精准预测型材成型后的变形量，确定模具型腔的补偿量，针对型材不同部位的变形差异，采用差异化的补偿策略，确保型材尺寸精度与形状精度符合设计要求。

优化转子与定子铁芯的加工工艺，基于模具补偿设计，提升铁芯的同心度与表面质量，减少气隙不均匀现象，降低电磁转矩脉动与机械振动。优化曳引轮与电机轴的连接结构，采用锥度配合与平键传递转矩，提升连接精度，减少传动误差，降低机械损耗。合理选型轴承，优化轴承预紧力设计，减少转子径向跳动，延长轴承寿命，同时降低轴承摩擦损耗，使机械传动效率提升至95%以上。

4.3 自适应控制策略优化

针对控制策略适配性差的问题，采用自适应控制算法，实现电机运行与电梯工况精准匹配。分阶段设计控制策略，启动加速阶段采用最大转矩控制保障平稳，恒速阶段采用效率最优控制，减速停止阶段采用能量回馈控制回收电能；引入负载预测算法，提前调整运行参数减少负载突变损耗，优化能量回馈系统，使再生电能回收效率达85%以上，嵌入振动反馈模块减少振动损耗。

引入负载预测算法，通过检测电梯轿厢的载重与运行方向，预测负载变化趋势，提前调整电机运行参数，减少负载突变导致的能量损耗。优化能量回馈系统，采用先进的电力电子变换装置，降低谐波污染，提升能量回馈效率，使再生电能的回收效率提升至85%以上。此外，嵌入振动反馈调节模块，实时补偿负载波动引发的振动，减少振动导致的能量损耗，提升运行稳定性与能效。

非对称复杂截面型材加工易出现流动不均、成型变形问题，模具补偿是提升加工精度的关键。需依据金属流动规律，通过理论计算与数值模拟预测变形量，采用差异化补偿策略保障精度，其主要补偿方法中，数值模拟法可精准适配曳引机核心部件加工需求。

理论验证显示，优化后曳引机额定负载效率达95.3%，铜损、铁损、机械损耗分别降低12.1%、15.3%、30%，电梯单位运输量能耗降低15.3%，满足IE5能效等级，验证了优化策略的可行性与有效性。

6 结论

本文围绕永磁同步无齿轮曳引机在电梯能效提升中的应用与优化，结合非对称复杂截面型材的金属流动规律及模具补偿设计方法，通过理论分析与逻辑推演，得出以下结论：

永磁同步无齿轮曳引机无励磁损耗、机械损耗小，额定负载效率约95%，能效优势显著，是电梯驱动系统主流发展方向。

非对称复杂截面型材金属流动规律复杂、易变形，模具补偿设计是提升其加工精度的关键，数值模拟补偿法可精准适配曳引机核心部件加工需求。

该曳引机应用中存在电磁损耗、机械精度、控制策略适配性三大能效瓶颈，源于电磁参数不匹配、型材精度不足及控制与工况脱节。

电磁参数、机械结构及控制策略的优化的可有效解决瓶颈，理论验证显示，优化后曳引机效率达95%以上，电梯单位运输量能耗降低15%以上。

本文研究为该曳引机高效应用提供理论支撑，未来可结合智能算法与新型模具补偿技术，进一步提升能效，推动电梯行业绿色低碳发展。

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