永磁同步直線電機(jī)提升系統(tǒng)總體方案研究與實(shí)現(xiàn)

王玉琳 許寶玉 賈言言 王坤龍 肖磊

摘 要：傳統(tǒng)有繩提升模式由于鋼絲繩自重和強(qiáng)度的限制無法滿足超高層建筑和超深礦井的提升，隨著提升高度的增加，繩本身的彈性對(duì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和運(yùn)行控制性能的惡化增加，且無法實(shí)現(xiàn)單一井道運(yùn)行多個(gè)轎廂以及轎廂在井道間循環(huán)運(yùn)行。作為一種全新的提升方式，永磁同步直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無繩提升模式可從根本上克服傳統(tǒng)有繩提升模式的缺陷，研究了單井道單轎廂永磁同步直線電機(jī)無繩提升的方案。

關(guān)鍵詞：永磁同步直線電機(jī)（PMLSM）；分段長初級(jí)；總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；無繩提升系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

過去數(shù)十年時(shí)間內(nèi)傳統(tǒng)提升系統(tǒng)經(jīng)歷了一系列速度上和運(yùn)量上的提升，但從根本上得到突破仍然具有不可克服的瓶頸。超高、超大建筑的不斷涌現(xiàn)，礦產(chǎn)開采深度不斷增加，傳統(tǒng)提升模式如曳引提升方式等在提升高度、能源和占用空間、效率、安全、性能及質(zhì)量等方面與需求之間的矛盾日益凸顯，亟須從根本上創(chuàng)新提升運(yùn)輸模式，直線電機(jī)為克服傳統(tǒng)提升模式的固有缺陷提供了可能。

1 永磁同步直線電機(jī)無繩提升系統(tǒng)方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國內(nèi)外研究及工程實(shí)踐表明，帶對(duì)重的直線電機(jī)提升模式無法從根本上克服傳統(tǒng)提升模式固有缺陷，永磁直線同步電動(dòng)機(jī)（PMLSM）由于其推力密度大、效率、功率因數(shù)高，已成為無繩提升系統(tǒng)的理想驅(qū)動(dòng)源。實(shí)踐中可將其初、次級(jí)分別固結(jié)在基礎(chǔ)和動(dòng)子上，這種提升模式打破了纜繩、液壓、螺旋、鏈條等傳統(tǒng)提升模式的局限，實(shí)現(xiàn)了無中間傳動(dòng)裝置、無提升高度限制，占用空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)提升模式，安全性也得到了進(jìn)一步的提升，合理設(shè)計(jì)后可在一個(gè)井道內(nèi)多動(dòng)子獨(dú)立運(yùn)行及在多井道間變軌運(yùn)行，進(jìn)一步提高空間利用率、提升效率。

直線電機(jī)的布置方式是無繩提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的控制難度、成本，甚至成敗，需結(jié)合優(yōu)化技術(shù)，考慮整體成本、性能、設(shè)計(jì)加工、運(yùn)行維護(hù)，選擇合適的布置方式。一般地說，由于PMLSM初、次間存在嚴(yán)重的法向力，再額定推力較大的場合，以U型平面PMLSM作為驅(qū)動(dòng)源較為適宜。驅(qū)動(dòng)源布置方式可分為：單邊式；雙邊式；雙U型；動(dòng)磁式（次級(jí)固定在轎廂上，初級(jí)固定在機(jī)架上）；動(dòng)圈式（初級(jí)固定在轎廂上，次級(jí)固定在機(jī)架上）。

單邊U型PMLSM動(dòng)磁式或動(dòng)圈式布置方案，兩個(gè)電機(jī)初級(jí)或次級(jí)構(gòu)成U型。動(dòng)子受到的法向力接近平衡，法向力引起的運(yùn)行摩擦阻力較小，但轎廂側(cè)傾導(dǎo)致電機(jī)初、次級(jí)切向移動(dòng)，轎廂合理的轎廂定位裝置和電機(jī)定位機(jī)構(gòu)顯得尤為重要。

雙邊U型PMLSM驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用兩列U型PMLSM驅(qū)動(dòng)，法向力在U型電機(jī)內(nèi)部抵消，轎廂受力平衡，側(cè)傾趨勢小，驅(qū)動(dòng)力大，存在4個(gè)氣隙，大行程下的精確氣隙保證是一個(gè)難點(diǎn)，動(dòng)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電機(jī)動(dòng)子和轎廂定位是另一個(gè)難點(diǎn)。

單臺(tái)和兩臺(tái)雙邊U型PMLSM，單邊布置驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，這種布置方式可以兼顧雙邊U型PMLSM法向力相互抵消的優(yōu)點(diǎn)和單邊布置結(jié)構(gòu)簡潔的優(yōu)勢。

單邊PMLSM驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示。

其中，圖1（a）為需額外配置制動(dòng)系統(tǒng)的單邊PMLSM驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方案，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)時(shí)，依靠電磁或液壓（氣動(dòng)）源打開制動(dòng)器，制動(dòng)時(shí)切斷動(dòng)力源，制動(dòng)彈簧止停動(dòng)子。

圖1（b）為利用PMLSM提供的提升力作為制動(dòng)器打開力，動(dòng)子自重作為制動(dòng)力的單邊PMLSM驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方案，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)時(shí)，提升力克服常閉制動(dòng)器彈簧制動(dòng)力將制動(dòng)器打開，動(dòng)子制動(dòng)時(shí)依靠其自重制動(dòng)器自動(dòng)抱閘，無須外接動(dòng)力。

采用雙U型PMLSM單邊配置驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方案，兩列U型PMLSM面對(duì)面布置，置于井筒一側(cè)，這種方案適合于較大的載重，且基本抵消了PMLSM的法向力，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。

PMLSM無繩提升系統(tǒng)前期大多數(shù)采用短次級(jí)單邊型或雙邊型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)一般為整體初級(jí)，控制方式簡單，但存在制造、運(yùn)輸、安裝和維修困難； 初級(jí)繞組長時(shí)通電損耗大；成本高；整體初級(jí)難以實(shí)現(xiàn)等不足。雙邊型短初級(jí)方案可在很大程度上避免上述問題。

2 無繩提升系統(tǒng)PMLSM設(shè)計(jì)

直線電機(jī)實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)理論研究及應(yīng)用促進(jìn)了不同結(jié)構(gòu)形式的直線電機(jī)的研究與發(fā)展。推力特性是表征直線電機(jī)運(yùn)行性能的重要指標(biāo)，其固有的推力波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致提升系統(tǒng)性能的惡化。結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方面可采用短矩分布繞組削弱高次諧波影響，采用斜槽、半閉口槽、半開口槽和分?jǐn)?shù)槽繞組可以削弱齒諧波影響，合理設(shè)計(jì)磁極形狀改善氣隙磁場的影響。

在無繩提升系統(tǒng)工業(yè)化樣機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)中，采用了單元模塊化、扁平細(xì)長設(shè)計(jì)，分段鐵芯、雙邊連續(xù)布置設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。這種扁平細(xì)長結(jié)構(gòu)使得法向吸力被有效分散，長行程布置PMLSM可大幅降低系統(tǒng)成本，集中分?jǐn)?shù)槽繞組，加工、下線方便，端部長為分布繞組的1/5，體積小，模塊化單元電機(jī)設(shè)計(jì)，擴(kuò)展方便，移植性好，安裝方便；雙邊連續(xù)布置，降低氣隙影響，保證高推力密度；有效抑制推力波動(dòng)。集中繞組分?jǐn)?shù)槽單元電機(jī)特性及建模研究，為垂直提升系統(tǒng)提供更簡單、高效的驅(qū)動(dòng)源電機(jī)?；谝陨涎芯克O(shè)計(jì)的無繩提升系統(tǒng)PMLSM的結(jié)構(gòu)。

結(jié)論

永磁同步直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的提升模式是一種非常有前途的提升系統(tǒng)解決方案。PMLSM單轎廂提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究為直驅(qū)多轎廂循環(huán)提升系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。本文闡述了PMLSM直接驅(qū)動(dòng)的單轎廂無繩提升系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了垂直直驅(qū)長行程集中繞組分?jǐn)?shù)槽永磁同步直線電機(jī)模塊化、扁平細(xì)長化設(shè)計(jì)思想和“定子分段、雙邊連續(xù)布置、多輪支撐”等無繩提升設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

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