垂直提升用永磁同步直線電動機分段設計研究
劉瑞英，崔建明，朱善俊，汪樹東
(太原理工大學，山西太原030024)
摘要：介紹了分段設計的原理和準則，針對垂直運輸系統用永磁同步直線電動機的特點，選擇以電磁推力和體積為目標函數建立數學模型，對單臺電機進行優化設計，最后用隨機搜索法得出優化結果。
關鍵詞：永磁同步直線電動機；垂直運輸系統；分段設計
0引 言
與其它類型的直線電機相比，永磁同步直線電動機(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點，是構成直接驅動直線伺服系統的****電機類型。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、動子采用電樞繞組的單段式結構，在大行程、大推力的應用場合，需要的永磁體多，系統造價較高；而對于定子為電樞繞組、動子為永磁體的單段式結構，即在整個軌道上鋪設定子電樞繞組，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輸系統，從經濟、供電、可靠性等方面考慮，應采用定子電樞繞組分段式結構。
1分段原理
直線電動機是由初次級之間的磁場相互作用產生推力來驅動動子運行。對旋轉電機來說，次級磁場受整個初級磁通的影響。而當垂直運輸系統采用PMLsM驅動時，由于直線電動機的特殊結構，磁場耦合只在某些范圍內有效，PMLsM初、次級之間磁場分布如圖1所示。由圖1可知，動子僅受和它接觸的初級磁通的影響。所以從直線電動機的運行原理方面考慮，在不影響電機運行的情況下，采用定子電樞繞組分段式結構對定子進行分段供電。
針對垂直運輸系統用PMLSM推力大的要求，相應的定子電樞繞組單位有效面積也較大。若采用單段式結構，需要在整個井道中鋪設定子電樞繞組，系統成本較高，并且制造難度較大，安裝也不方便。同時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。根據前面分析，動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行分段，根據動子的位置來確定需要導通的定子繞組。分段的各臺電機分別進行供電，段間允許有一定的間隙。這樣定子可以分成許多規格相同的段，既節省成本、降低能耗，又方便了電機的制造和安裝。
實驗室模型全程布置五段短初級電機。電機動子上****磁鐵的分布長度為一段定子長度和段間距離之和，以保證次級連續均勻地產生提升力。
圖2為基于以上考慮的PMLsM垂直運輸系統結構示意圖。系統由五段定子(初級)電樞繞組、動子(次級)和轎廂構成，動子由交替排列的NdFeB永磁體組成，轎廂作乘載重物用，隨動子一起作垂直運動，電機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。根據動子運行的位置來切換定子繞組供電，即上升時初級供電組號依次為l#與2#，2#與3#，3#與4#，4#與5#；下降時，與上述供電順序相反，依次為5#與4#，4#與3#，3#與2#，2#與1#。在動子縱向運動過程中，始終有兩段初級與
動子接觸，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垂直運輸系統整體設計
由于永磁材料的特殊性及其價格較高等因素，對其進行優化設計尤為重要。
根據系統的推力、速度要求，首先設計出單臺式直線電動機的基本參數，確定動子永磁體和初級電樞繞組的最小結構參數，然后在推力滿足設計要求的單段電機基礎上，以經濟指標為目標函數對垂直系統進行分段，確定****分段方案，建立分段式PMLsM的****分段模型。
2 1單臺PMLSM優化設計的數學模型
優化設計首先要確定數學模型，再確定優化方法。優化數學模型包括設計優化變量、約束條件以及目標函數。PMLsM優化數學模型歸納為：
式中：F(x)——優化問題的目標函數；
x——由n個優化變量組成的向量，
x=(xl，x2，…，xn)；
gi(x)——不等式約束條件，gi(x)≤O；
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