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，繩本身的彈性對系統(tǒng)驅(qū)動和運行控制性能的惡化增加，且無法實現(xiàn)單一井道運行多個轎廂以及轎廂在井道間循環(huán)運行。作為一種全新的提升方式，永磁同步直線電機驅(qū)動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無繩提升的方案。

關(guān)鍵詞：永磁同步直線電機（PMLSM）；分段長初級；總體拓撲結(jié)構(gòu)；無繩提升系統(tǒng)

中圖分類號：TM341 文獻標志碼：A

0 引言

過去數(shù)十年時間內(nèi)傳統(tǒng)提升系統(tǒng)經(jīng)歷了一系列速度上和運量上的提升，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)新提升運輸模式，直線電機為克服傳統(tǒng)提升模式的固有缺陷提供了可能。

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

國內(nèi)外研究及工程實踐表明，帶對重的直線電機提升模式無法從根本上克服傳統(tǒng)提升模式固有缺陷，永磁直線同步電動機（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)動源。實踐中可將其初、次級分別固結(jié)在基礎(chǔ)和動子上，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，實現(xiàn)了無中間傳動裝置、無提升高度限制，占用空間遠遠少于傳統(tǒng)提升模式，安全性也得到了進一步的提升，合理設(shè)計后可在一個井道內(nèi)多動子獨立運行及在多井道間變軌運行，進一步提高空間利用率、提升效率。

直線電機的布置方式是無繩提升系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵之一，它關(guān)系到整個系統(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)計加工、運行維護，選擇合適的布置方式。一般地說，由于PMLSM初、次間存在嚴重的法向力，再額定推力較大的場合，以U型平面PMLSM作為驅(qū)動源較為適宜。驅(qū)動源布置方式可分為：單邊式；雙邊式；雙U型；動磁式（次級固定在轎廂上，初級固定在機架上）；動圈式（初級固定在轎廂上，次級固定在機架上）。

單邊U型PMLSM動磁式或動圈式布置方案，兩個電機初級或次級構(gòu)成U型。動子受到的法向力接近平衡，法向力引起的運行摩擦阻力較小，但轎廂側(cè)傾導(dǎo)致電機初、次級切向移動，轎廂合理的轎廂定位裝置和電機定位機構(gòu)顯得尤為重要。

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

單臺和兩臺雙邊U型PMLSM，單邊布置驅(qū)動結(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)點和單邊布置結(jié)構(gòu)簡潔的優(yōu)勢。

單邊PMLSM驅(qū)動結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示。

其中，圖1（a）為需額外配置制動系統(tǒng)的單邊PMLSM驅(qū)動結(jié)構(gòu)方案，動子運動時，依靠電磁或液壓（氣動）源打開制動器，制動時切斷動力源，制動彈簧止停動子。

圖1（b）為利用PMLSM提供的提升力作為制動器打開力，動子自重作為制動力的單邊PMLSM驅(qū)動結(jié)構(gòu)方案，動子運動時，提升力克服常閉制動器彈簧制動力將制動器打開，動子制動時依靠其自重制動器自動抱閘，無須外接動力。

采用雙U型PMLSM單邊配置驅(qū)動結(jié)構(gòu)方案，兩列U型PMLSM面對面布置，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)采用短次級單邊型或雙邊型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)一般為整體初級，控制方式簡單，但存在制造、運輸、安裝和維修困難； 初級繞組長時通電損耗大；成本高；整體初級難以實現(xiàn)等不足。雙邊型短初級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

直線電機實驗、基礎(chǔ)理論研究及應(yīng)用促進了不同結(jié)構(gòu)形式的直線電機的研究與發(fā)展。推力特性是表征直線電機運行性能的重要指標，其固有的推力波動會導(dǎo)致提升系統(tǒng)性能的惡化。結(jié)構(gòu)和設(shè)計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、半開口槽和分數(shù)槽繞組可以削弱齒諧波影響，合理設(shè)計磁極形狀改善氣隙磁場的影響。

在無繩提升系統(tǒng)工業(yè)化樣機電機設(shè)計中，采用了單元模塊化、扁平細長設(shè)計，分段鐵芯、雙邊連續(xù)布置設(shè)計準則。這種扁平細長結(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，集中分數(shù)槽繞組，加工、下線方便，端部長為分布繞組的1/5，體積小，模塊化單元電機設(shè)計，擴展方便，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。集中繞組分數(shù)槽單元電機特性及建模研究，為垂直提升系統(tǒng)提供更簡單、高效的驅(qū)動源電機?；谝陨涎芯克O(shè)計的無繩提升系統(tǒng)PMLSM的結(jié)構(gòu)。

結(jié)論

永磁同步直線電機直接驅(qū)動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)計研究為直驅(qū)多轎廂循環(huán)提升系統(tǒng)提供了堅實的理論和實踐基礎(chǔ)。本文闡述了PMLSM直接驅(qū)動的單轎廂無繩提升系統(tǒng)的方案設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了垂直直驅(qū)長行程集中繞組分數(shù)槽永磁同步直線電機模塊化、扁平細長化設(shè)計思想和“定子分段、雙邊連續(xù)布置、多輪支撐”等無繩提升設(shè)計準則。

參考文獻

[1]J. Cruise Rupert， F. Landy Charles， Linear synchronous motor propelled hoists for mining applications[C].Industry Applications Conference， vol.4，pp. 2514-2519，1996.

[2]汪旭東，袁世鷹，焦留成.永磁直線同步電動機垂直運輸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀[J].微電機，2000，33（5）：35-38.

[3]邵波.永磁直線同步電機關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[4]上官璇峰，勵慶孚，袁世鷹.多段初級永磁直線同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)整體建模和仿真[J].電工技術(shù)學(xué)報，2006，21（3）：52-57.

[5]許寶玉，賈言言.直線電動機直驅(qū)多轎廂電梯研究及設(shè)計進展[J].礦山機械，46（1）：1-6.

[6]黃立人.垂直運輸系統(tǒng)永磁直線同步電機優(yōu)化設(shè)計[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

[7]李慶雷，王先逵，吳丹，等.永磁同步直線電機推力波動分析及改善措施[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2000，40（5）：33-36.

[8]葉云岳.直線電機原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.