垂直提升用永磁同步直线电动机分段设计研究
刘瑞英，崔建明，朱善俊，汪树东
(太原理工大学，山西太原030024)
摘要：介绍了分段设计的原理和准则，针对垂直运输系统用永磁同步直线电动机的特点，选择以电磁推力和体积为目标函数建立数学模型，对单台电机进行优化设计，最后用随机搜索法得出优化结果。
关键词：永磁同步直线电动机；垂直运输系统；分段设计
0引 言
与其它类型的直线电机相比，永磁同步直线电动机(以下简称PMLsM)具有定位精度高、效率高、推力体积比大等突出优点，是构成直接驱动直线伺服系统的****电机类型。PMLsM一般采用NdFeB等高性能永磁材料作为磁源，对于定子采用永磁体、动子采用电枢绕组的单段式结构，在大行程、大推力的应用场合，需要的永磁体多，系统造价较高；而对于定子为电枢绕组、动子为永磁体的单段式结构，即在整个轨道上铺设定子电枢绕组，定子全程供电，将造成较大的能源消耗。因此对于行程、推力要求大的垂直运输系统，从经济、供电、可靠性等方面考虑，应采用定子电枢绕组分段式结构。
1分段原理
直线电动机是由初次级之间的磁场相互作用产生推力来驱动动子运行。对旋转电机来说，次级磁场受整个初级磁通的影响。而当垂直运输系统采用PMLsM驱动时，由于直线电动机的特殊结构，磁场耦合只在某些范围内有效，PMLsM初、次级之间磁场分布如图1所示。由图1可知，动子仅受和它接触的初级磁通的影响。所以从直线电动机的运行原理方面考虑，在不影响电机运行的情况下，采用定子电枢绕组分段式结构对定子进行分段供电。
针对垂直运输系统用PMLSM推力大的要求，相应的定子电枢绕组单位有效面积也较大。若采用单段式结构，需要在整个井道中铺设定子电枢绕组，系统成本较高，并且制造难度较大，安装也不方便。同时定子电枢绕组全程通电，能量损耗增大，且通电的电枢绕组不完全起作用，造成漏磁增加。根据前面分析，动子仅受和它耦合的初级磁场的影响，因此在满足推力要求的情况下，即在保证初、次级间有效接触面积不变的情况下，可以将定子电枢绕组进行分段，根据动子的位置来确定需要导通的定子绕组。分段的各台电机分别进行供电，段间允许有一定的间隙。这样定子可以分成许多规格相同的段，既节省成本、降低能耗，又方便了电机的制造和安装。
实验室模型全程布置五段短初级电机。电机动子上****磁铁的分布长度为一段定子长度和段间距离之和，以保证次级连续均匀地产生提升力。
图2为基于以上考虑的PMLsM垂直运输系统结构示意图。系统由五段定子(初级)电枢绕组、动子(次级)和轿厢构成，动子由交替排列的NdFeB永磁体组成，轿厢作乘载重物用，随动子一起作垂直运动，电机初级均匀地布置在固定框架(提升罐道)上，采用递推方式供电。根据动子运行的位置来切换定子绕组供电，即上升时初级供电组号依次为l#与2#，2#与3#，3#与4#，4#与5#；下降时，与上述供电顺序相反，依次为5#与4#，4#与3#，3#与2#，2#与1#。在动子纵向运动过程中，始终有两段初级与
动子接触，既保证初次级之间的耦合磁场面积始终保持不变，且气隙均匀。
2垂直运输系统整体设计
由于永磁材料的特殊性及其价格较高等因素，对其进行优化设计尤为重要。
根据系统的推力、速度要求，首先设计出单台式直线电动机的基本参数，确定动子永磁体和初级电枢绕组的最小结构参数，然后在推力满足设计要求的单段电机基础上，以经济指标为目标函数对垂直系统进行分段，确定****分段方案，建立分段式PMLsM的****分段模型。
2 1单台PMLSM优化设计的数学模型
优化设计首先要确定数学模型，再确定优化方法。优化数学模型包括设计优化变量、约束条件以及目标函数。PMLsM优化数学模型归纳为：
式中：F(x)——优化问题的目标函数；
x——由n个优化变量组成的向量，
x=(xl，x2，…，xn)；
gi(x)——不等式约束条件，gi(x)≤O；
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