分段式永磁直線(xiàn)同步電機(jī)垂直驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模和仿真
王淑紅，王琳，張海嘯
(太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030024)
摘要：利用有限元法求得單段式永磁直線(xiàn)同步電機(jī)初級(jí)電磁參數(shù)。假設(shè)電機(jī)次級(jí)進(jìn)入和退出
初級(jí)階段勵(lì)磁電勢(shì)的有效值按線(xiàn)性變化，考慮分段供電，建立了多段初級(jí)式承磁直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體暫態(tài)模型。以五段初級(jí)垂直提升系統(tǒng)為例，對(duì)系統(tǒng)加載啟動(dòng)及突變負(fù)載的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所建模型能較好地反映系統(tǒng)的可行性和合理性，為分段式永磁直線(xiàn)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的垂直提升系統(tǒng)中永磁直線(xiàn)同步電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：永磁電機(jī)；直線(xiàn)電機(jī)；同步電機(jī)；多段；初級(jí)；暫態(tài)模型；仿真；實(shí)驗(yàn)
O引 言
高性能稀土材料、大功率電子器件和電力電子技術(shù)的發(fā)展為永磁直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)(PMLSM)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。永磁直線(xiàn)同步電機(jī)由于其功率因數(shù)和效率高、力密度大、定位精度高和反應(yīng)速度快等特點(diǎn)逐漸成為提升系統(tǒng)的核心[1]。
永磁直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)分為永磁體和通電繞組兩部分。從運(yùn)行過(guò)程中的安全可靠性和造價(jià)等方面考慮，長(zhǎng)距離運(yùn)行的永磁直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)一般都采用永磁體安裝在動(dòng)子上、電樞繞組安裝在定子上的結(jié)構(gòu)。對(duì)于長(zhǎng)距離、大推力的垂直運(yùn)輸系統(tǒng)，若定子為整段式結(jié)構(gòu)，即在軌道上安裝完整的長(zhǎng)定子這種布置方式雖然控制比較簡(jiǎn)單，但是也存在制造困難、穩(wěn)定性差以及成本高的缺點(diǎn)。因而，對(duì)于運(yùn)行距離遠(yuǎn)、推理要求大的系統(tǒng)，需要采用新的分段式結(jié)構(gòu)[2]。對(duì)于整個(gè)分段式系統(tǒng)而言，原理上近似于長(zhǎng)初級(jí)、短次級(jí)永磁直線(xiàn)同電機(jī)。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：①初級(jí)(定子)制造、安裝和維修方便；②初級(jí)繞組不需全程通電，采用分段供電方式，損耗小，節(jié)約能源；③在滿(mǎn)足提升要求的情況下，初級(jí)鐵心的有效長(zhǎng)度小于不分段的情況，節(jié)省電機(jī)成本。
目前實(shí)驗(yàn)室建成的永磁直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)垂直運(yùn)輸系統(tǒng)采用的是永磁體安裝在動(dòng)子上，定子為電樞繞組的分段式單邊型結(jié)構(gòu)[3]，共分為五段。基于長(zhǎng)初級(jí)、短次級(jí)永磁直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，本文提出首先根據(jù)系統(tǒng)的推力、速度要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)出單段式永磁同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)(動(dòng)、定子長(zhǎng)度，極數(shù)，槽型等)，確定動(dòng)子永磁體和初級(jí)電樞繞組的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后在推力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)對(duì)垂直系統(tǒng)進(jìn)行分段，確定****分段方案，并基于永磁直線(xiàn)同步電機(jī)矢量控制原理[4]，對(duì)其進(jìn)行建模及動(dòng)態(tài)掙陛研究。
l感應(yīng)電勢(shì)及運(yùn)動(dòng)方程
1.1 數(shù)學(xué)模型
根據(jù)歐姆定律和電磁感應(yīng)定律,經(jīng)整理得PMLSM的數(shù)學(xué)模型為:
式中，Laa,Lbb,Lcc為初級(jí)三相繞組問(wèn)的自感；Mab=Mba,Mac=Mca,Mbc=Mcb,為初級(jí)三相繞組間的互感,Ψaf,Ψbf,Ψcf為永磁體匝鏈三相初級(jí)繞組的磁鏈.圖1為有限元計(jì)算所得動(dòng)子不同位置時(shí)電機(jī)磁力線(xiàn)分布.
本文假設(shè)****磁鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率μ=1，則該永磁直線(xiàn)同步電機(jī)可以認(rèn)為是隱極的，且氣隙比較大(大于i/π)[5]。電感隨動(dòng)子位置變化不大，為方便起見(jiàn)，將自感及互感在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中視為恒值。
1．2感應(yīng)電勢(shì)的計(jì)算
以A相為例，永磁勵(lì)磁磁勢(shì)在電樞繞組中的感應(yīng)電勢(shì)為：
式中，E0為同步移動(dòng)速度下一相繞組對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電勢(shì)有效值的****值。圖2所示為垂直運(yùn)動(dòng)分段式永磁直線(xiàn)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。假設(shè)E。隨動(dòng)子位移接線(xiàn)性規(guī)律變化，如圖3所示。
設(shè)單段初級(jí)長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，兩段初級(jí)問(wèn)距為L(zhǎng)2一L1，動(dòng)子長(zhǎng)度為L(zhǎng)2。為保證電機(jī)有較小的電磁力脈動(dòng)，一般取L2一L1=2ki。由有限元計(jì)算所得，f=1 Hz時(shí)，樣機(jī)的每相繞組感應(yīng)電勢(shì)有效值的****值為1．2 V。則當(dāng)動(dòng)子進(jìn)入某段初級(jí)時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)幅值E0為：
式中，fs、x0、x分別為穩(wěn)態(tài)時(shí)的頻率、動(dòng)子剛開(kāi)始進(jìn)入該段初級(jí)的起始位置和動(dòng)子的位移。 將式(3)代入式(2)便可得A相電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)。A、B、c三相依次相 |
