分段式永磁直线同步电机垂直驱动系统建模和仿真

    王淑红，王琳，张海啸

(太原理工大学电气与动力工程学院，太原030024)

摘要：利用有限元法求得单段式永磁直线同步电机初级电磁参数。假设电机次级进入和退出

初级阶段励磁电势的有效值按线性变化，考虑分段供电，建立了多段初级式承磁直线同步电动机驱动系统整体暂态模型。以五段初级垂直提升系统为例，对系统加载启动及突变负载的动态特性进行仿真。仿真及实验结果表明，所建模型能较好地反映系统的可行性和合理性，为分段式永磁直线同步电机驱动的垂直提升系统中永磁直线同步电机控制系统的优化设计等提供理论依据。

关键词：永磁电机；直线电机；同步电机；多段；初级；暂态模型；仿真；实验

O引  言

    高性能稀土材料、大功率电子器件和电力电子技术的发展为永磁直线同步电动机(PMLSM)的广泛应用创造了条件。永磁直线同步电机由于其功率因数和效率高、力密度大、定位精度高和反应速度快等特点逐渐成为提升系统的核心[1]。

    永磁直线同步电动机分为永磁体和通电绕组两部分。从运行过程中的安全可靠性和造价等方面考虑，长距离运行的永磁直线同步电动机一般都采用永磁体安装在动子上、电枢绕组安装在定子上的结构。对于长距离、大推力的垂直运输系统，若定子为整段式结构，即在轨道上安装完整的长定子这种布置方式虽然控制比较简单，但是也存在制造困难、稳定性差以及成本高的缺点。因而，对于运行距离远、推理要求大的系统，需要采用新的分段式结构[2]。对于整个分段式系统而言，原理上近似于长初级、短次级永磁直线同电机。其具有以下优点：①初级(定子)制造、安装和维修方便；②初级绕组不需全程通电，采用分段供电方式，损耗小，节约能源；③在满足提升要求的情况下，初级铁心的有效长度小于不分段的情况，节省电机成本。

    目前实验室建成的永磁直线同步电动机垂直运输系统采用的是永磁体安装在动子上，定子为电枢绕组的分段式单边型结构[3]，共分为五段。基于长初级、短次级永磁直线同步电动机的特点，本文提出首先根据系统的推力、速度要求，优化设计出单段式永磁同步直线电动机的基本参数(动、定子长度，极数，槽型等)，确定动子永磁体和初级电枢绕组的结构参数，然后在推力满足设计要求的基础上，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，并基于永磁直线同步电机矢量控制原理[4]，对其进行建模及动态挣陛研究。

l感应电势及运动方程

 1.1 数学模型

   根据欧姆定律和电磁感应定律,经整理得PMLSM的数学模型为:

式中，Laa,Lbb,Lcc为初级三相绕组问的自感；Mab=Mba,Mac=Mca,Mbc=Mcb,为初级三相绕组间的互感,Ψaf,Ψbf,Ψcf为永磁体匝链三相初级绕组的磁链.图1为有限元计算所得动子不同位置时电机磁力线分布.

    本文假设****磁铁的相对磁导率μ=1，则该永磁直线同步电机可以认为是隐极的，且气隙比较大(大于i/π)[5]。电感随动子位置变化不大，为方便起见，将自感及互感在电机运行过程中视为恒值。

1．2感应电势的计算

    以A相为例，永磁励磁磁势在电枢绕组中的感应电势为：

式中，E0为同步移动速度下一相绕组对应的感应电势有效值的****值。图2所示为垂直运动分段式永磁直线同步电机的结构示意图。假设E。随动子位移接线性规律变化，如图3所示。

    设单段初级长度为L1，两段初级问距为L2一L1，动子长度为L2。为保证电机有较小的电磁力脉动，一般取L2一L1=2ki。由有限元计算所得，f=1 Hz时，样机的每相绕组感应电势有效值的****值为1．2 V。则当动子进入某段初级时的感应电势幅值E0为：

式中，fs、x0、x分别为稳态时的频率、动子刚开始进入该段初级的起始位置和动子的位移。    将式(3)代入式(2)便可得A相电枢绕组的感应电势。A、B、c三相依次相