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垂直提升用永磁同步直線電動機分段設計研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3337

   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。

O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首選電機類型。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。

    圖l PMLSM初、次級磁場分布示意圖

   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。電機動子上永久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l#。在動子縱向運動過程中,始終有兩段初級與動子接觸.既保證初次級之問的耦合磁場面積始終保持不變,且氣隙均勻。

    圖2 PMLSM垂直運輸系統結構

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,確定最佳分段方案,建立分段式PMLSM的最佳分段模型。

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:    i=1,2,…,m

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=(X1,X2,…Xn);

      gi(X)——不等式約束條件,gi(X)≤0;

      m——約束條件的個數。

   (1)優化變量

   考慮到影響PMLSM推力力能指標和體積的諸多因素,選取PMLSM的極對數、每槽導體數、線徑、齒寬、槽高、定子軛高、永磁體高、永磁體寬共8個變量作為PMLSM優化設計的優化變量。即:

   (2)約束條件

   同旋轉電機優化設計類似,PMLSM優化設計的約束條件可分為:電機性能約束,電磁參數約束,結構約束,成本約束。本文對PMLSM進行優化設計的約束條件為電機參數,主要包括槽寬、槽高、電磁推力、槽滿率、導線線徑、初級繞組電密等。約束條件如下: 式中:n為等式約束的個數;m為總約束的個數。

   (3)目標函數

   建立目標函數是優化設計的一項決策設計變量性的工作,直接影響優化方案的理論價值和實用價值。在保證電機性能的前提下,盡量降低電機的成本,使單位體積或重量的PMLSM的推力最大,具有實際意義。選擇電磁推力和體積為優化目標,目標函數為: 式中:Fu為電機電磁推力;∨為電機體積。

2.2單臺PMLSM優化方法和優化設計結果

   在電機優化設計中,由于目標函數為優化變量的多峰函數,優化結果往往只是局部最優解,而不是全局最優解。為了防止優化過程中過早地進入局部最優解,本文采用隨機搜索法。即首先用隨機實驗法進行優化,把得到的優化解作為隨機方向法的初值點再進行二級優化,又結合有限元數值分析法分析了動子中永磁體的高度和寬度對力的影響。

2 .2.1定子部分

   電機在同樣體積下,速度越大,功率越高,因此在滿足推力要求的情況下,可提高提升速度,即適當減少極對數p。根據E=4 Φ,E作為端電壓已固定,要提高推力,需提高Φ(在一定范圍內提高,過高會導致飽和),只能降低電源頻率或減少線圈匝數,因為PMLSM的同步速度、電抗以及勵磁電勢都正比于頻率,頻率的變化將會引起它們的變化,所以本文將采用減少線圈匝數來提高Φ,即減少每槽導體數,增加線徑。在定子總長度一定的情況下,齒寬和槽寬兩者之和是定值。為防止磁密過飽和,并盡量能在槽中放置較多的導線.可適當增加齒寬和減小軛高并采用半閉口槽,調整裕量不宜過大,過大容易導致過飽和,增加齒寬后,槽寬還有調整的余地,可適當增加槽高。

2.2.2動子部分

2.2. 2.1永磁體高度對力性能的影響

   改變永磁體高度,讓其從lmm變化到5.8mm。圖3顯示了電磁推力、法向力與永磁體高度之間的關系曲線。隨著永磁體高度的增加,電磁推力與法向力呈非線性變化,永磁體高度較小時增加較快,而后增加變緩慢,這是受限于磁路的飽和性。隨著永磁體高度的增加,不同電勵磁電流情況下電磁推力的差距明顯縮小。

(a)電磁推力與永磁體高度的關系曲線

   (b) 法向力與永磁體高度的關糸曲線

   圖3永磁體高度對力特性的影響曲線

   由圖中可見,相同的電磁推力時可以選擇不同的永磁體高度與相應的電勵磁電流,具體選擇可以根據系統要求的氣隙長度,選擇最佳的永磁體高度,使永磁體能夠產生最大的磁場,以節約成本。

2. 2.2.2永磁體寬度對力性能的影響

圖4顯示了不同電勵磁電流情況下電磁推力、法向力與永磁體寬度之間的關系。由圖中可見,隨著永磁體寬度的增加,電磁推力與法向力都在增加。選擇永磁體寬度大時,電勵磁增磁情況下電磁推力與法向力的增加變小,這主要是由于磁路的飽和所引起的,因此選擇永磁體寬度時必須考慮這個因素,選擇一個最佳值,既可以充分利用永磁體,又可以節省費用。

            

(a)電磁推力與永磁體寬度的關系曲線         (b)法向力與永磁體寬度的關系曲線

                       圖4永磁體寬度對力特性的影響曲線

   基于隨機搜索法算法和有限元數值分析法的永磁直線同步電動機設計結果如表L所示。

表l PMLSM優化結果

3結語

   本文分析了系統的分段原理和分段準則,對單臺電機進行了優化設計,單臺電機優化設計時考慮推力和體積的要求以及經濟性的要求,從而確定最佳方案。由優化結果表明,文中建立的數學模型是合適的,提高了PMLSM單位體積的推力,約為5.16%,降低了電機有效材料成本,取得了良好的效果。

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