永磁同步直線電機提升系統總體方案研究與實現

王玉琳 許寶玉 賈言言 王坤龍 肖磊

摘 要：傳統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驅動和運行控制性能的惡化增加，且無法實現單一井道運行多個轎廂以及轎廂在井道間循環運行。作為一種全新的提升方式，永磁同步直線電機驅動的無繩提升模式可從根本上克服傳統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。

關鍵詞：永磁同步直線電機（PMLSM）；分段長初級；總體拓撲結構；無繩提升系統

中圖分類號：TM341 文獻標志碼：A

0 引言

過去數十年時間內傳統提升系統經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，礦產開采深度不斷增加，傳統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、性能及質量等方面與需求之間的矛盾日益凸顯，亟須從根本上創新提升運輸模式，直線電機為克服傳統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方案與結構設計

國內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、功率因數高，已成為無繩提升系統的理想驅動源。實踐中可將其初、次級分別固結在基礎和動子上，這種提升模式打破了纜繩、液壓、螺旋、鏈條等傳統提升模式的局限，實現了無中間傳動裝置、無提升高度限制，占用空間遠遠少于傳統提升模式，安全性也得到了進一步的提升，合理設計后可在一個井道內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設計的關鍵之一，它關系到整個系統的控制難度、成本，甚至成敗，需結合優化技術，考慮整體成本、性能、設計加工、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作為驅動源較為適宜。驅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，但轎廂側傾導致電機初、次級切向移動，轎廂合理的轎廂定位裝置和電機定位機構顯得尤為重要。

雙邊U型PMLSM驅動結構，采用兩列U型PMLSM驅動，法向力在U型電機內部抵消，轎廂受力平衡，側傾趨勢小，驅動力大，存在4個氣隙，大行程下的精確氣隙保證是一個難點，動子結構復雜，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，單邊布置驅動結構，這種布置方式可以兼顧雙邊U型PMLSM法向力相互抵消的優點和單邊布置結構簡潔的優勢。

單邊PMLSM驅動結構方案，如圖1所示。

其中，圖1（a）為需額外配置制動系統的單邊PMLSM驅動結構方案，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驅動結構方案，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單邊配置驅動結構方案，兩列U型PMLSM面對面布置，置于井筒一側，這種方案適合于較大的載重，且基本抵消了PMLSM的法向力，結構緊湊，安裝方便。

PMLSM無繩提升系統前期大多數采用短次級單邊型或雙邊型結構，這種結構一般為整體初級，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PMLSM設計

直線電機實驗、基礎理論研究及應用促進了不同結構形式的直線電機的研究與發展。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致提升系統性能的惡化。結構和設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、半開口槽和分數槽繞組可以削弱齒諧波影響，合理設計磁極形狀改善氣隙磁場的影響。

在無繩提升系統工業化樣機電機設計中，采用了單元模塊化、扁平細長設計，分段鐵芯、雙邊連續布置設計準則。這種扁平細長結構使得法向吸力被有效分散，長行程布置PMLSM可大幅降低系統成本，集中分數槽繞組，加工、下線方便，端部長為分布繞組的1/5，體積小，模塊化單元電機設計，擴展方便，移植性好，安裝方便；雙邊連續布置，降低氣隙影響，保證高推力密度；有效抑制推力波動。集中繞組分數槽單元電機特性及建模研究，為垂直提升系統提供更簡單、高效的驅動源電機。基于以上研究所設計的無繩提升系統PMLSM的結構。

結論

永磁同步直線電機直接驅動的提升模式是一種非常有前途的提升系統解決方案。PMLSM單轎廂提升系統的設計研究為直驅多轎廂循環提升系統提供了堅實的理論和實踐基礎。本文闡述了PMLSM直接驅動的單轎廂無繩提升系統的方案設計及結構設計，提出了垂直直驅長行程集中繞組分數槽永磁同步直線電機模塊化、扁平細長化設計思想和“定子分段、雙邊連續布置、多輪支撐”等無繩提升設計準則。

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