垂直提升用永磁同步直線電動(dòng)機(jī)分段設(shè)計(jì)研究
劉瑞英，崔建明，朱善俊，汪樹東
(太原理工大學(xué)，山西太原030024)
摘要：介紹了分段設(shè)計(jì)的原理和準(zhǔn)則，針對垂直運(yùn)輸系統(tǒng)用永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，選擇以電磁推力和體積為目標(biāo)函數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，對單臺電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后用隨機(jī)搜索法得出優(yōu)化結(jié)果。
關(guān)鍵詞：永磁同步直線電動(dòng)機(jī)；垂直運(yùn)輸系統(tǒng)；分段設(shè)計(jì)
0引 言
與其它類型的直線電機(jī)相比，永磁同步直線電動(dòng)機(jī)(以下簡稱PMLsM)具有定位精度高、效率高、推力體積比大等突出優(yōu)點(diǎn)，是構(gòu)成直接驅(qū)動(dòng)直線伺服系統(tǒng)的****電機(jī)類型。PMLsM一般采用NdFeB等高性能永磁材料作為磁源，對于定子采用永磁體、動(dòng)子采用電樞繞組的單段式結(jié)構(gòu)，在大行程、大推力的應(yīng)用場合，需要的永磁體多，系統(tǒng)造價(jià)較高；而對于定子為電樞繞組、動(dòng)子為永磁體的單段式結(jié)構(gòu)，即在整個(gè)軌道上鋪設(shè)定子電樞繞組，定子全程供電，將造成較大的能源消耗。因此對于行程、推力要求大的垂直運(yùn)輸系統(tǒng)，從經(jīng)濟(jì)、供電、可靠性等方面考慮，應(yīng)采用定子電樞繞組分段式結(jié)構(gòu)。
1分段原理
直線電動(dòng)機(jī)是由初次級之間的磁場相互作用產(chǎn)生推力來驅(qū)動(dòng)動(dòng)子運(yùn)行。對旋轉(zhuǎn)電機(jī)來說，次級磁場受整個(gè)初級磁通的影響。而當(dāng)垂直運(yùn)輸系統(tǒng)采用PMLsM驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于直線電動(dòng)機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，磁場耦合只在某些范圍內(nèi)有效，PMLsM初、次級之間磁場分布如圖1所示。由圖1可知，動(dòng)子僅受和它接觸的初級磁通的影響。所以從直線電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理方面考慮，在不影響電機(jī)運(yùn)行的情況下，采用定子電樞繞組分段式結(jié)構(gòu)對定子進(jìn)行分段供電。
針對垂直運(yùn)輸系統(tǒng)用PMLSM推力大的要求，相應(yīng)的定子電樞繞組單位有效面積也較大。若采用單段式結(jié)構(gòu)，需要在整個(gè)井道中鋪設(shè)定子電樞繞組，系統(tǒng)成本較高，并且制造難度較大，安裝也不方便。同時(shí)定子電樞繞組全程通電，能量損耗增大，且通電的電樞繞組不完全起作用，造成漏磁增加。根據(jù)前面分析，動(dòng)子僅受和它耦合的初級磁場的影響，因此在滿足推力要求的情況下，即在保證初、次級間有效接觸面積不變的情況下，可以將定子電樞繞組進(jìn)行分段，根據(jù)動(dòng)子的位置來確定需要導(dǎo)通的定子繞組。分段的各臺電機(jī)分別進(jìn)行供電，段間允許有一定的間隙。這樣定子可以分成許多規(guī)格相同的段，既節(jié)省成本、降低能耗，又方便了電機(jī)的制造和安裝。
實(shí)驗(yàn)室模型全程布置五段短初級電機(jī)。電機(jī)動(dòng)子上****磁鐵的分布長度為一段定子長度和段間距離之和，以保證次級連續(xù)均勻地產(chǎn)生提升力。
圖2為基于以上考慮的PMLsM垂直運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)由五段定子(初級)電樞繞組、動(dòng)子(次級)和轎廂構(gòu)成，動(dòng)子由交替排列的NdFeB永磁體組成，轎廂作乘載重物用，隨動(dòng)子一起作垂直運(yùn)動(dòng)，電機(jī)初級均勻地布置在固定框架(提升罐道)上，采用遞推方式供電。根據(jù)動(dòng)子運(yùn)行的位置來切換定子繞組供電，即上升時(shí)初級供電組號依次為l#與2#，2#與3#，3#與4#，4#與5#；下降時(shí)，與上述供電順序相反，依次為5#與4#，4#與3#，3#與2#，2#與1#。在動(dòng)子縱向運(yùn)動(dòng)過程中，始終有兩段初級與
動(dòng)子接觸，既保證初次級之間的耦合磁場面積始終保持不變，且氣隙均勻。
2垂直運(yùn)輸系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
由于永磁材料的特殊性及其價(jià)格較高等因素，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。
根據(jù)系統(tǒng)的推力、速度要求，首先設(shè)計(jì)出單臺式直線電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)，確定動(dòng)子永磁體和初級電樞繞組的最小結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后在推力滿足設(shè)計(jì)要求的單段電機(jī)基礎(chǔ)上，以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)對垂直系統(tǒng)進(jìn)行分段，確定****分段方案，建立分段式PMLsM的****分段模型。
2 1單臺PMLSM優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型
優(yōu)化設(shè)計(jì)首先要確定數(shù)學(xué)模型，再確定優(yōu)化方法。優(yōu)化數(shù)學(xué)模型包括設(shè)計(jì)優(yōu)化變量、約束條件以及目標(biāo)函數(shù)。PMLsM優(yōu)化數(shù)學(xué)模型歸納為：
式中：F(x)——優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)；
x——由n個(gè)優(yōu)化變量組成的向量，
x=(xl，x2，…，xn)；
gi(x)——不等式約束條件，gi(x)≤O；
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