分段式永磁直線同步電機垂直驅動系統建模和仿真

    王淑紅，王琳，張海嘯

(太原理工大學電氣與動力工程學院，太原030024)

摘要：利用有限元法求得單段式永磁直線同步電機初級電磁參數。假設電機次級進入和退出

初級階段勵磁電勢的有效值按線性變化，考慮分段供電，建立了多段初級式承磁直線同步電動機驅動系統整體暫態模型。以五段初級垂直提升系統為例，對系統加載啟動及突變負載的動態特性進行仿真。仿真及實驗結果表明，所建模型能較好地反映系統的可行性和合理性，為分段式永磁直線同步電機驅動的垂直提升系統中永磁直線同步電機控制系統的優化設計等提供理論依據。

關鍵詞：永磁電機；直線電機；同步電機；多段；初級；暫態模型；仿真；實驗

O引  言

    高性能稀土材料、大功率電子器件和電力電子技術的發展為永磁直線同步電動機(PMLSM)的廣泛應用創造了條件。永磁直線同步電機由于其功率因數和效率高、力密度大、定位精度高和反應速度快等特點逐漸成為提升系統的核心[1]。

    永磁直線同步電動機分為永磁體和通電繞組兩部分。從運行過程中的安全可靠性和造價等方面考慮，長距離運行的永磁直線同步電動機一般都采用永磁體安裝在動子上、電樞繞組安裝在定子上的結構。對于長距離、大推力的垂直運輸系統，若定子為整段式結構，即在軌道上安裝完整的長定子這種布置方式雖然控制比較簡單，但是也存在制造困難、穩定性差以及成本高的缺點。因而，對于運行距離遠、推理要求大的系統，需要采用新的分段式結構[2]。對于整個分段式系統而言，原理上近似于長初級、短次級永磁直線同電機。其具有以下優點：①初級(定子)制造、安裝和維修方便；②初級繞組不需全程通電，采用分段供電方式，損耗小，節約能源；③在滿足提升要求的情況下，初級鐵心的有效長度小于不分段的情況，節省電機成本。

    目前實驗室建成的永磁直線同步電動機垂直運輸系統采用的是永磁體安裝在動子上，定子為電樞繞組的分段式單邊型結構[3]，共分為五段。基于長初級、短次級永磁直線同步電動機的特點，本文提出首先根據系統的推力、速度要求，優化設計出單段式永磁同步直線電動機的基本參數(動、定子長度，極數，槽型等)，確定動子永磁體和初級電樞繞組的結構參數，然后在推力滿足設計要求的基礎上，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，并基于永磁直線同步電機矢量控制原理[4]，對其進行建模及動態掙陛研究。

l感應電勢及運動方程

 1.1 數學模型

   根據歐姆定律和電磁感應定律,經整理得PMLSM的數學模型為:

式中，Laa,Lbb,Lcc為初級三相繞組問的自感；Mab=Mba,Mac=Mca,Mbc=Mcb,為初級三相繞組間的互感,Ψaf,Ψbf,Ψcf為永磁體匝鏈三相初級繞組的磁鏈.圖1為有限元計算所得動子不同位置時電機磁力線分布.

    本文假設****磁鐵的相對磁導率μ=1，則該永磁直線同步電機可以認為是隱極的，且氣隙比較大(大于i/π)[5]。電感隨動子位置變化不大，為方便起見，將自感及互感在電機運行過程中視為恒值。

1．2感應電勢的計算

    以A相為例，永磁勵磁磁勢在電樞繞組中的感應電勢為：

式中，E0為同步移動速度下一相繞組對應的感應電勢有效值的****值。圖2所示為垂直運動分段式永磁直線同步電機的結構示意圖。假設E。隨動子位移接線性規律變化，如圖3所示。

    設單段初級長度為L1，兩段初級問距為L2一L1，動子長度為L2。為保證電機有較小的電磁力脈動，一般取L2一L1=2ki。由有限元計算所得，f=1 Hz時，樣機的每相繞組感應電勢有效值的****值為1．2 V。則當動子進入某段初級時的感應電勢幅值E0為：

式中，fs、x0、x分別為穩態時的頻率、動子剛開始進入該段初級的起始位置和動子的位移。    將式(3)代入式(2)便可得A相電樞繞組的感應電勢。A、B、c三相依次相