（电机与电器专业论文）永磁直线同步电动机垂直运输系统整体结构优化策略研究.pdf

a b s t r a c t s t u d yo ng l o b a ls t r u c t u r e0 p t i m i z a t i o ns t r a t e 科o f v e r t i c a it r a n s p o n a t i o n s y s t e md r i v e db yp e r m a n e n tm a g n “l i n e a rs y c h r o n o u sm o t o r a b s i i 己a c i t h ev e n i c a l 仃a 1 1 s p o r t a t i o ns y s t e m 出i v e db ys e c t i o n a lp e n n a l l e n tm a g i l e tl i n e a r s y n c h r o r l o u sm o t o r ( s p m l s m ) w h i c ha sk e yd e v i c eo ft h es y s t e mi san e wh o i s t i n g m o d ew h i c hd i 腩r e l l t sf r o mt r a d i 廿o n a lh o i s t i i l gs y s t e m f r o mr e v i e wo f 也ei n l a n da n d o v e r s e a sp u b l i s h e d 血e s i s ，血es e c t i o n a ld e s 酒o p t i m i z a t i o ni nt h i sf i e l di s l l tt o op e 如c t y e t s o 仕l es t u d yo ns e c t i o n a lo p 廿m i z a 畸o nd e s i 弘o f 也ev e n i c a l 订a i l s p o n a t i o ns y s t e m d r i v e db yp m l s m ，n o t0 1 1 1 yh a sd e 丘n i t e 也e o r e t i cv a l u e ，b u ta l s oh a sb i g g i s hp r o j e c t s i 醇m c a n c e t 0t h es t u d ys u b j e c t “9 1 0 b a jg 叽l c t i l r e o p t i l n i z a t i o no fv e n i c a ln 锄s p o r t a t i o n s y s t e md r i v e db yp e n n a n e n tm 龟g n c tl i n e a rs y n c h r o n o 璐m o t o r ，也e 也e s i sc a r r i e d t 1 1 r o u 曲e x p l o r i n g 咖d yo fs e c t i o n a ld e s i 弘。砸m i z a 廿o ni ns 仃u c n 鹋，mw l l i c ha i l a l y s e d m eb a s i cp d n c i p l ea n ds t r u c t i l r eo fv e r t i c a l 订a 1 1 s p o r t a t i o ns y s t e mf i r s t l ya n dr a i s e dn l e r n i n do fd e s i g n i n ga n do 砸m i z i n gs i g n a lp m l s m 也e nt h es e c t i o n a jp a r to fv e n i c a l t r a i l s p o r t 纠d o ns y s 把m f i r s t ，a c c o r d 证gt or e q u e s to ft 1 1 n i s ta 1 1 ds p e e d ，t h ee l e c 咖n a 驴e td e s i g na i l d a n a l y s i s ，v e r i f i c a t i o nd e s i 舻p r o g m m so fs i g n a lp m l s mw e r em a d e ，a n d 矗o m c a l c u l a i i n gp r o 铲a m sg a i n e dt l l e 耐百n a ld e s i 弘r c s u l t s t h e nm ei m p r o v e dg e n e t i c a l g o r i t h m s ( a d 印t i v ep r e f e r e n c e sa i l df i t n c s ss c a l i n g ) w a ss e l e c t e dt oo p t i m i z es i n g l e p m l s ma 1 1 d 舫mo p t i m a ld e s 咖p r o g r a i n sg a j n e dt h em i n i 1 a 1o p t i i n a l d e s i g n d i m e n s i o n a tl 够t ，a c c o r d i n gt oe c o n o m i c a la n dc r c d i b l eg o a l ，也es e c t i o n a lo p t i m a l d e s i g nw a ss t 【l d i e db a s e do nm eo p t i m a ld e s i g nr e s u n so fs i n g l em o t o r ，a n db yc l i m b i n g c i r c u l a t i n g 缸i t l l m e t i c ，m eo p t i m a lc o o p c r a t i o no fs t a t o r m o v e ra r l dt 1 1 eo p t i i i l a ls e c t i o n a l m o d e io fs p m l s m 、v a sf o u n d c d ，t l ：屺n 丘o ms e c 埴o n a lo 砸m a lp r o 舒a i i l s ，t h e 酉o b a l o p t i m a lr e s u l t so f w h o l e v e m c a lt r a i l s p o r t a d o ns y s t e mw a so b t a i n e di n 廿1 ee n d t h ew h o l ed e s i g no p t i m i 枷o nn o to n l yc o n s i d e r i n gm er e q u e s to ft 1 1 n l s ta n d v 0 1 u m ei ns i n g l ep m l s m ，b u ta l s oc o n s i d e 血ge c o n o m yi n s e c t i o n ，w h i c hm e c t e d d e s i g ng o 址p e 疏c t l ya n dm e nt l l eo p t i l a ls e c t i o n a lm o d e lo fs p m l s mw a sf o l l l l d e d a t 血es 锄et i m e ，也es e c t i o n a lm o d e la n ds e c t i o n a lo p t i m a lp r o 鲈锄si s a p p l y a b l et o o 山e rd e s i g ns i t u 砒i o n s ，w h i c ho f r e r sd e s i g ne v i d e n t i a ld o c u i n e m sa i l df e a s i b i l i t y 咖d y r e p o r t st o 廿l ei n d u s t r i a l 印p l i c a t i o n 血l o n g - d i s 乜m c ea n d1 a r g e t l l m s ts i t l l a 廿0 1 1 so f s p m l s mf o rv e r t i c a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：p e m a n e n tm a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t 0 “p m l s m ) ； v e n i c a l 咖s p o n a t i o ns y s t e m ；s e c t i o n a io p t i m i z a t i o n ；g e n e t i ca l g o r i 幽s i i 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：兰堑塑： 砂多年岁月3j 日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：量堑盗指导教师签名：坌叠生送 1 如修年月 3 ) 日。】彳舯厂月；日 l 绪论 1 绪论 1 1 课题的目的和意义 永磁直线同步电动机不仅具有永磁电机的特点，且兼有直线电机的性能，鉴于 其交流伺服系统的优越性和极大的应用价值，激起了国内外研究者的浓厚兴趣【1 】。 目前，随着高速磁悬浮列车的普遍使用以及无绳电梯和直线电机矿井提升系统的 研制，永磁直线同步电动机在交通运输业和电梯行业等将具有不可替代的作用【2 】。 而随着浅井矿藏资源的桔竭，矿山开采向深井或超深井方向发展 3 】，这对传统的钢 丝绳提升系统也提出了严峻的挑战，作为新型无绳矿井提升模式的永磁直线同步 电动机垂直运输系统，是极具吸引力的研究方向，特别在矿业资源比较丰富的我 国，更是具有重大的理论研究价值和诱人的应用前景。 永磁直线同步电动机垂直运输系统与传统的模式相比，它的主要特点 4 有：1 ) 电机罐笼或轿厢( 动子) 做垂直运动距离不受限制，使其更适合于深层开发、高 层建筑电梯的建设。2 ) 设备数量减少，提升系统简化。由于装有初级的支承构件 和次级是提升系统的基本构件，随着垂直运行距离的延伸，只要增加支承构件即 可实现，不需要增加其它的提升设备，大大减少了提升设备，简化了提升系统。3 ) 可实现高速提升。提升速度可达到v = 2 疗( 式中f 为电机的极距，厂为供电频率) ， 从而缩短提升周期，大大提高了工作效率。4 ) 节约电能，无污染，低噪音。与传 统提升方式相比，新型提升机大约可以节能1 0 左右。5 ) 空间占用量少，使用灵 活、方便。整个系统除了地面上的配电站和控制系统外，不再需要其他庞大的设 备。鉴于永磁直线同步电动机垂直运输系统的上述特点，如果在理论上和技术上 的许多问题得到解决，其理论价值和社会效益将是不可估量的。 要真正实现永磁直线同步电动机垂直运输系统的工业应用，目前还存在许多问 题：( 1 ) 作为直线电机，由于初级铁心两端开断，产生特有的边端效应，引起波 形畸变等问题，导致损耗增加、控制较为复杂，目前针对这一问题正在进行控制 策略优化研究。( 2 ) 作为永磁电机，磁极磁场由高性能永磁材料制成的永磁体提 供，使得系统整体的造价较高。随着人们对稀土永磁材料的开发应用以及对电机 本体的设计优化，造价将不是影响永磁电机未来发展的主要因素。( 3 ) 对于大推 力、远距离的运输系统，初级绕组( 初级铁轭) 需要在整个垂直范围内分段铺设， 但各段具体尺寸、段间距等还没有具体的优化设计模型。 河南理工大学硕士学位论文 鉴于垂直运输系统目前存在的问题，本文针对整个垂直运输系统设计优化领 域进行深入研究，以期建立分段式永磁直线同步电动机( p m l s m ) 垂直运输系统 的最优分段模型，为分段式p m l s m 驱动的垂直运输系统在设计结构上奠定理论 基础，并将对该结构在远距离、大推力场合的工业应用具有重要的推动作用。因 而，对于该课题的研究具有重要的理论价值和实际意义。 1 2 永磁直线同步电动机垂直运输系统的研究现状 永磁直线同步电动机伺服系统作为2 0 世纪下半叶电工领域中出现的具有新原 理、新理论的技术，激起了国内外研究者和工业运动控制厂家的浓厚兴趣，取得 了大量的研究成果。9 0 年代国外研究单位将永磁直线同步电机( 喇l s m ) 成功地应用 到数控机床和运输线中，德国西门子公司生产的用于高速精密机床上的p m l s l 最 大推力为6 6 0 0 n ，最大位移5 0 4 m m 。美国k 0 1 l m o r g e n 公司也相继开发出了无铁芯 和有铁芯两种永磁直线同步电动机，前者具有零齿槽效应和零引力的特点，后者 运行时推力可达8 0 0 0 n 9 0 0 0 n 。日本f a n u c 公司研制开发出了最大推力为1 5 0 0 9 0 0 0 n 的永磁直线电机伺服系统嘲。在我国也有许多科研院所正在开展这方面的研 究工作，其中中国科学院电工所、西安交通大学、浙江大学、上海大学、太原工 业大学、河南理工大学等单位已取得了大量的研究成果。 垂直运输系统的应用主要包括两个方面：高层建筑电梯和矿井提升系统。目 前，日本对直线电机驱动电梯研究和开发最多，其中九州大学n k k 公司、富士电 气公司等都在进行直线电机驱动电梯的开发研究工作【6 7 】。南非威特沃特斯兰德大 学也进行了直线电机提升系统的研究，主要是矿井提升方面的应甩【8 l 。在我国浙江 大学和河南理工大学的研究主要侧重于提升系统方面，而浙江大学与哈尔滨泰富 实业有限公司联合研究的重点是直线感应电机驱动的电梯1 9 1 。 从目前国内外永磁直线电机伺服系统的研究应用情况来看，虽然取得了大量 的研究成果，但在结构上大多数仍采用单段型，即在整个轨道上铺设一个完整的 由永磁体组成的电机定子，而动子采用电枢绕组。由于永磁体的价格高，对于远 距离、大推力的应用场合，需要的永磁体多，其造价高。另一方面，由于动子需 要采用拖线供电方式，运行过程中易发生断路、漏电、短路等故障1 10 1 。这种单段 型结构限制了其在远距离、大推力工业场合的应用。 为此，河南理工大学电机应用研究所开展了分段式永磁直线同步电机交流伺 服系统的研究，建成了“分段式永磁直线电动机驱动的矿井提升系统”的工业试 2 1 绪论 验模型。这种结构更加符合工业应用的实际，特别适用于运行距离远、推力要求 大的工业场合，受到了来自日本、法国、英国以及国内同行专家的充分肯定【1 0 。 该研究成果虽然解决了单段型结构的价格高、供电安全性低的问题，但定子电枢 绕组的具体分段问题和动定子长度、极数、槽型等的最佳配合问题还没有得到完 全解决。而从现有的国内外论文来看，采用分段式结构进行研究应用的不是很多， 日本的一些电梯虽然采用了分段式结构，但针对分段式的优化研究，公开发表的 论文几乎没有见到。 1 3 永磁直线同步电动机垂直运输系统优化设计的发展概况 1 3 1 电机优化研究领域的发展概况 电机优化设计始于6 0 年代前后。最初把优化设计方法应用到电机设计中来是 在1 9 5 9 年，由g o d 、：v i ng l 提出笼型异步电机的优化设计程序。但正式采用数学规 划方法对电机进行优化设计开始于1 9 6 6 年的s c h i n z i n g e rr 与1 9 6 7 年的d u 街n r l 、p e t e r s o ne l 等人建立的变压器优化设计的几何规划模型。1 9 6 8 年起 a p p e l b a 眦j 和e r l i c k im 。s 曾提出用边界搜索法对异步电机和电磁装置进行优化 设计，1 9 7 7 年他们还就此法用于一条电器生产线的优化设计进行讨论。从6 0 年代 至今，人们利用各种优化数学方法，如梯度法、随机搜索法、各种罚函数法、最小 p 次幂法及其它数学规划方法等，对感应电机、同步电机、变压器及微特电机等进 行研究。取得了许多成果，不断推动着电机优化设计的发展。从7 0 年代开始，国 外已有不少优化设计程序应用于生产，取得了显著的经济效益i l ”。 国内的电机优化设计始于1 9 7 7 年。此后，清华大学、浙江大学、哈尔滨电工 学院、合肥工业大学、西安交通大学等相继开展了电机优化设计的工作。清华大学 较早地按混合离散规划方法应用多种优化设计程序设计了一些高效率的专用三相 异步电动机，主要指标达到世界同类产品先进水平。自此，国内许多学者对能够用 于电机优化设计的非线性优化算法进行了大量的探索和研究，已有许多满意的例 子。此外还有好多算法如p o w e l l 法、单纯形法、复合形法等都在电机优化设计中 有了具体的应用1 1 2 1 8 】。近二十年来，人们在电机优化理论和优化方法的研究方面、 提高电机优化设计程序的可靠性和实用性方面、以及系列和多目标电机优化设计方 面等取得了不少的研究成果1 。 进入九十年代以来，随着人工智能理论和s a 、g a 等近代启发式算法的不断 发展，电机设计工作者开始着手研究这些新理论方法在电机设计中的应用。谢为 绪论 验模型。这种结构更加符合工业应用的实际，特别适用于运行距离远、推力要求 大的工业场合，受到了来自日本、法国、英国以及国内同行专家的充分肯定i l w 。 该研究成果虽然解决了单段型结构的价格高、供电安全性低的问题，但定子电枢 绕组的具体分段问题和动定于长度、极数、槽型等的最佳配合问题还没有得到完 全解决。而从现有的国内外论文来看，采用分段式结构进行研究应用的不是很多， 日本的一些电梯虽然采用了分段式结构，但针对分段式的优化研究，公开发表的 论文几乎没有见到。 1 3 永磁直线同步电动机垂直运输系统优化设计的发展概况 1 3 1 电机优化研究领域的发展概况 电机优化设计始于6 0 年代前后最初把优化设计方法应用到电机设计中来是 在1 9 5 9 年，由g o d 州n g l 提出笼型异步电机的优化设计程序。但正式采用数学规 划方法对电机进行优化设计开始于1 9 6 6 年的s c i l i i l z i n g c rr 与1 9 6 7 年的d u 衔n r l 、p e l c r s o ne 工等人建立的变压器优化设计的几何规划模型。1 9 6 8 年起 a p p e l b a u mj 和e r l i c k im s + 曾提出用边界搜索法对异步电机和电磁装置进行优化 设计，1 9 7 7 年他们还就此法用于一条电器生产线的优化设计进行讨论。从6 0 年代 至今，人们利用各种优化数学方法，如梯度法、随机搜索法、各种罚函数法、最小 p 次幂法及其它数学规划方法等，对感应电机、同步电机、变压器及微特电机等进 行研究，取得了许多成果，不断推动着电机优化设计的发展。从7 0 年代开始，国 外已有不少优化设计程序应用于生产，取得了显著的经济效益j 。 国内的电机优化设计始予1 9 7 7 年。此后，清华大学、浙江大学、啥尔滨电工 学院、合肥工业大学、西安交通大学等相继开展了电机优化设计的工作。清华大学 较早地按混合离散规划方法应用多种优化设计程序设计了一些高效率的专用三相 异步电动机，主要指标达到世界同类产品先进水平。自此，国内许多学者对能够用 于电机优化设计的非线性优化算法进行了大量的探索和研究。已有许多满意的例 子。此外还有好多算法如p o 、v e l i 法、单纯形法、复合形法等都在电机优化设计中 有了具体的应用峪”】。近二十年来，人们在电机优化理论和优化方法的研究方面、 提高电机优化设计程序的可靠性和实用性方面、以及系列和多目标电机优化设计方 面等取得了不少的研究成果】。 进入九十年代以来，随着人工智能理论和s a 、g a 等近代启发式算法的不断 发展，电机设计工作者开始着手研究这些新理论方法在电机设计中的应用。谢为 发展，电机设计工作者开始着手研究这些新理论方法在电机设计中的应用。谢为 1 绪论 验模型。这种结构更加符合工业应用的实际，特别适用于运行距离远、推力要求 大的工业场合，受到了来自日本、法国、英国以及国内同行专家的充分肯定【1 0 。 该研究成果虽然解决了单段型结构的价格高、供电安全性低的问题，但定子电枢 绕组的具体分段问题和动定子长度、极数、槽型等的最佳配合问题还没有得到完 全解决。而从现有的国内外论文来看，采用分段式结构进行研究应用的不是很多， 日本的一些电梯虽然采用了分段式结构，但针对分段式的优化研究，公开发表的 论文几乎没有见到。 1 3 永磁直线同步电动机垂直运输系统优化设计的发展概况 1 3 1 电机优化研究领域的发展概况 电机优化设计始于6 0 年代前后。最初把优化设计方法应用到电机设计中来是 在1 9 5 9 年，由g o d 、：v i ng l 提出笼型异步电机的优化设计程序。但正式采用数学规 划方法对电机进行优化设计开始于1 9 6 6 年的s c h i n z i n g e rr 与1 9 6 7 年的d u 街n r l 、p e t e r s o ne l 等人建立的变压器优化设计的几何规划模型。1 9 6 8 年起 a p p e l b a 眦j 和e r l i c k im 。s 曾提出用边界搜索法对异步电机和电磁装置进行优化 设计，1 9 7 7 年他们还就此法用于一条电器生产线的优化设计进行讨论。从6 0 年代 至今，人们利用各种优化数学方法，如梯度法、随机搜索法、各种罚函数法、最小 p 次幂法及其它数学规划方法等，对感应电机、同步电机、变压器及微特电机等进 行研究。取得了许多成果，不断推动着电机优化设计的发展。从7 0 年代开始，国 外已有不少优化设计程序应用于生产，取得了显著的经济效益i l ”。 国内的电机优化设计始于1 9 7 7 年。此后，清华大学、浙江大学、哈尔滨电工 学院、合肥工业大学、西安交通大学等相继开展了电机优化设计的工作。清华大学 较早地按混合离散规划方法应用多种优化设计程序设计了一些高效率的专用三相 异步电动机，主要指标达到世界同类产品先进水平。自此，国内许多学者对能够用 于电机优化设计的非线性优化算法进行了大量的探索和研究，已有许多满意的例 子。此外还有好多算法如p o w e l l 法、单纯形法、复合形法等都在电机优化设计中 有了具体的应用1 1 2 1 8 】。近二十年来，人们在电机优化理论和优化方法的研究方面、 提高电机优化设计程序的可靠性和实用性方面、以及系列和多目标电机优化设计方 面等取得了不少的研究成果1 。 进入九十年代以来，随着人工智能理论和s a 、g a 等近代启发式算法的不断 发展，电机设计工作者开始着手研究这些新理论方法在电机设计中的应用。谢为 河南理工大学硕士学位论文 等讨论了专家系统技术在永磁同步电动机设计中的应用；文献 1 9 将电机设计专家 系统应用于“永磁直流电动机设计专家系统”，取得了一定的效果；文献 2 0 与文 献【2 1 将区域消去法( d e a 算法) 引进直线感应电机的优化设计中，优化效果明 显；文献 2 2 将模拟退火法应用于单相电机的优化设计中，此外，浙江大学对此法 的研究和应用也较多【玎】；文献 2 4 将禁忌搜索算法应用于两相永磁同步电动机的优 化设计之中；文献 2 5 2 8 在研究轮毂式永磁电机优化时成功应用了t a b u 算法。此 外，遗传算法及其它混合算法也在电机优化设计中得到了广泛的应用口9 。3 6 】。总之， 随着计算机技术的迅猛发展与科研实践的需要，人们利用人工智能、神经网络等 领域的一些新工具，以及从生物进化、物理过程等中吸取一些启发，从优化方法 着手，不断研究电机优化问题的新解法【3 刀。 1 3 2 永磁直线同步电机整体优化所存在的问题 ( 1 ) 电机优化领域方面 尽管优化技术已在电机优化设计领域得到了广泛应用，电机优化设计已取得 一定的成果，但由于电机优化设计的复杂性，在许多方面仍存在一定的问题。 由于电机的模型复杂，函数形态差，某些设计变量如初级冲片的某些尺寸、每 槽导体数等又有一定的离散要求。因此，电机的优化设计是一个同时具有连续和 离散变量的混合规划问题，而且目标函数、约束函数都是非线性程度很高的数值 函数，导致电机的优化设计是含有多个局部极小点的非线性规划问题。传统优化 方法有的不适合于离散变量的优化、有的易于陷入局部最优点，缺乏搜索全局最 优的能力、有的采取纯粹随机的方法，收敛速度慢，因而有必要应用全局优化方 法进行设计。但目前还没有一种方法既适合该类问题的求解，又可以高概率保证 获得全局最优、搜索效率高的算法。遗传算法以其简便、高效、易于形成通用软 件而在各优化领域崭露头角，国外，g a 这几年在电工领域已得到了比较广泛应用， 且在解决一些具体问题的过程中提出了各种改进的g a 算法，取得了令人满意的效 果。国内，g a 也越来越受到各学科人士的关注，在电工等领域得到了一定的应用， 有着广阔的研究、发展和应用前景口9 3 3 】。但g a 本身正处于完善和发展的过程，如 g a 的早熟收敛现象，需要不断的探索和完善【”q o 】。 ( 2 ) 永磁直线同步电动机垂直运输系统方面 永磁直线同步电动机是一种新型电机，目前还处于实验研究阶段，国内外进 行这方面研究的还不多，可供参考的资料有限，大部分设计研究还是基于旋转电 机、直线感应电机转变而来；同时，由于永磁直线同步电动机磁场开路和电枢绕 4 l 绪论 组结构的不对称，存在特有的端部效应现象，使得它的数学模型难咀精确建立， 从而使得建立在优化设计基础上的初始设计结果比较粗糙；另外，永磁真线同步 电动机驱动的垂直运输系统是一种新型垂童运输系统，在垂直方向上对系统进行 动、定子最佳分段，目前还没有明确的参考依据。 1 4 论文研究的主要内容 分段式永磁直线同步电动机垂煮运输系统是一种不同于传统提升系统的全新 提升模式，其核心是分段式p m l s m 。目前关于p m l s m 的分段设计优化还没有完 善的理论，从国内外发表的论文来看，都还没有进行这方面的研究。因而针对垂 直运输系统用p m l s m 进行分段优化设计研究，不仅具有一定的理论价值，还具 有较大的工程意义。 本文针对“永磁直线同步电动机垂直运输系统整体结构优化策略研究”的研 究课题，对垂直运输系统用p m l s m 在结构上的分段设计优化进行了探索性的研 究。提出针对近似于长初级、短次级的永磁直线同步电动机垂直运输系统，首先 对单段p m l s m 进行设计优化，然后对垂赢系统分段设计优化的思路。 具体安排如下： 第一章概述。 第二章分段式永磁直线同步电动机垂直运输系统分析。首先分析垂直运输系 统的分段原理，指出整个系统可以而且应该进行分段。然后对垂直系 统的分段结构进行介绍，从而针对长初级、短次级的永磁赢线同步电 动机，提出首先对单段p m l s m 进行设计优化，然后对垂直系统分段 设计优化的总体思路。 第三章永磁直线同步电动机磁场分析。在永磁直线同步电动机“四层线性分 析模型”的基础上，结合永磁同步旋转电动机理论，推导永磁直线同 步电动机总磁位差和工作点的计算公式，建立一个极距下的磁场分析 模型，并对磁场进行分析求解。 第四章永磁直线同步电动机电磁设计。在永磁直线同步电机磁场分析的基础 上，结合永磁同步旋转电动机的电磁设计理论，对永磁直线同步电机 进行电磁设计，并编制电磁设计、校核计算程序，由程序计算出单段 p m l s m 的初始设计方案。 河南理工大学硕士学位论文 第五章单段永磁直线同步电动机优化设计。首先针对永磁直线同步电动机最 优化设计步骤，建立最优化数学模型。然后对几种新型的电机优化算 法进行分析、对比，拟采用遗传算法对p m l s m 进行优化设计。同时 针对遗传算法的早熟收敛现象，对其适应度的评估和控制参数的选取 进行改进。最后在改进遗传算法的基础上，编制电机优化设计程序， 获得单段p m l s m 的最优设计方案，即单段电机的最小结构尺寸、极 数、槽型等的最佳配合。 第六章垂直系统分段优化设计。在单段p m l s m 优化设计方案的基础上，建 立分段式结构的分段优化数学模型，根据动、定子经济性原则，依据 爬山算法寻找动、定子最佳配合，实现垂直运输系统的最佳分段，建 立分段式永磁直线同步电动机的最佳分段模型，获取垂直运输系统最 优化设计方案。 第七章对全文所做的工作进行总结，并对优化领域下一步应从事的工作进行 展望。 6 2 永磁直线同步电动机垂直运输系统分析 2 永磁直线同步电动机垂直运输系统分析 本章介绍了永磁直线同步电动机的基本结构、原理，并重点分析了分段式永 磁直线同步电动机垂直运输系统的分段原理和分段结构，从而提出了垂直运输系 统整体优化设计的总体思路。 2 1 永磁直线同步电动机 2 1 ，1 永磁直线同步电动机的基本结构 永磁直线同步电动机是永磁同步电机和直线电机的结合，分为永磁体和通电 绕组两部分，其中任一部分都可作为动子。如果动子采用永磁体，则定子为在动 子运动全程上安装的含铁心的通电绕组；反之，动子为一段含铁心的通电绕组， 定子为沿直线交替安装的n 、s 永磁体。若采用定子为永磁体、动子为通电绕 组的结构，在远距离、大推力的应用场合，需要的永磁体多，系统整体的造价较 高；同时由于动子需要采用拖线供电方式，运行过程中易发生断路、漏电、短路 等故障。因而，长距离运行的永磁直线同步电动机一般都采用动子为永磁体，定 子为电枢绕组的结构。 根据永磁直线同步电动机含铁心通电绕组的结构形式不同，可分为单边型和 双边型永磁直线同步电动机；根据永磁体的布置方式不同，又可分为凸极型和隐 极型，隐极永磁直线同步电动机的永磁体处于两极之间，凸极永磁直线同步电动 机的永磁体垂直穿过磁极。它们的基本结构如图2 1 和2 2 所示。 图2 1 双边型隐极 1 初级2 磁极3 菲磁性固体 f i g 2 1d o u b l e s i d en o n s a l i e n tp o l e 1 p r i m a r y 2 m a g n e t i cp o l e 3 n 0 n m a g n e t i cs 0 1 j d 图2 2 单边型凸极 1 初级2 凸铁3 磁极 f i g _ 2 - 2s i n 掣e - s i d es a l i e n tp o l e l ，p r i m a r y 2 s a l i e n tm 姆1 e t 3 m a g n e t i cp o i e 隐极结构的优点是漏磁较凸极结构小，缺点是永磁体本身要承受电机的推力 和垂直力。凸极结构的优点是可以通过增大永磁体的高度来增大气隙磁密，以达 河南理工大学硕士学位论文 到合适的气隙磁密，缺点是漏磁比隐极的大h ”。 2 1 2 永磁直线同步电动机的基本工作原理 永磁直线同步电动机工作原理与旋转永磁同步电动机工作原理相类似，将如 图2 3 所示的旋转永磁同步电动机沿图中所示的地方展开，就得到如图2 4 所示 图2 3 旋转型永磁同步电动机 f i g 2 3r 0 t a r yp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r 图2 4 直线永磁同步电动机 1 定子( 初级) 2 动子( 次级) f i g 2 - 4l i n e a rp e m m n e n tm a g l l e t s y n c h r o n o u sm o t o r 1 s t a c o r ( p r i m a r y )2 m o v e r ( s e c o n d a r y ) 的直线永磁同步电动机模型，当定子内通入三相对称的正弦电流后，就会产生气 隙磁场，忽略铁心的开断时，此气隙磁场里正弦分布。当三相电流相序为a b c 时，将在气隙中产生沿直线前进的行波磁场，行波磁场与永磁体的励磁磁场相互 作用便会产生电磁推力，在这个电磁推力作用下，由于定子固定不动，动子便会 沿行波磁场运动相反的方向作直线运动，其速度等于同步速度，即v 。= 2 矿，改变 三相电流的相序就可以改变行波磁场的方向，从而改变动子的运动方向。这就是 直线永磁同步电动机的基本工作原理【4 埘”。 2 2 永磁直线同步电动机垂直运输系统分段原理 由上述永磁直线同步电动机基本结构分析可知，对于长距离、大推力的垂直 运输系统，应采用定子为电枢绕组，动子为永磁体的结构。此时若定子电枢绕组 为整段式结构，即在轨道上铺设一个完整的电枢绕组，这种布置方式虽然控制比 较简单，但也存在如下缺点： 制造、运输、安装和维修困难； 整体初级绕组长期通电，损耗大，漏磁增加： 成本高，需要硅钢片和铜线多； 实际工作中，整体初级是不可能实现的。 因而，要实现整个垂直运输系统的工业应用，需要采用新的电机结构。 由于永磁直线同步电机的特殊结构，其运行原理与普通旋转同步电机的运行原 2 永磁直线同步电动机垂直运输系统分析 理略有不同。对普通旋转同步电机来说，次级磁场受整个初级磁通的作用，但对直 线同步电机来说，由如图2 5 的永磁直线同步电动机初、次级之间磁场分布图可知， 磁场耦合仅在某些范围内有效，动子的电磁推力仅受和它耦合的初级磁场的影响。 因而从直线电机运行原理方面考虑，在不影晌电机运行的情况下，可以对定子电枢 绕组进行分段，采用分段供电。 雾 图2 - 5初、次级之间磁场分布图( 隐极式) f i g 2 - 5m a g n e 虹c 矗e l dd i s 仃i b u t i n gd i 4 9 咖b e t 、v e e np r i m a r y 锄ds e c o n d a r y ( n o n s a l i e n tp 0 1 e ) 因而对于运行距离远、推力要求大的垂直运输系统。从经济、供电等方面考虑， 应该而且可以采用分段式定子电枢绕组的新型电机结构。即在保证初、次级间有效 接触面积不变的情况下，将定子电枢绕组进行分段，根据动子的位置来确定需要导 通的定子电枢绕组，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 定子可以分成很多规格相同的段，既节省成本。降低能耗，又方便了电机的制造、 安装，便于工业应用。 2 3 分段式永磁直线同步电动机垂直运输系统的基本结构 基于以上考虑的永磁直线同步电动机垂直运输系统结构示意图如图2 6 所示。 图2 6 分段式永磁直线同步电动机垂直运输系统示意图 f i g 2 - 6s c h e m a t i cr 印r e s e n t a t i o n so f v e n i c a l t r a n s p o r t a t i o ns y s t e md r i v e db ys e c t i o n a lp 匝s m 9 河南理工大学硕士学位论文 整个系统由定子( 初级) 电枢绕组、动子( 次级) 和提升容器组成。动子由永 久磁铁等构成，结构为隐极式，电机初级均匀地布置在固定框架( 提舞罐道) 上。 在动子纵向运动过程中，始终有2 台( 根据后面系统的设计确定为两段定子电机共 同驱动) 初级与动子接触，即动予的纵向长度等予两台初级和两段间隔纵向长度之 和，保证动子在纵向运动过程中，与之平行的初级长度始终保持不变，且气隙均匀。 供电方式采用递推方式，根据动予运行的位置来切换定子电枢绕组供电，即上升时 初级供电组号依次为1 # 、2 捍、3 # ，2 群、3 群、4 栉，3 样、4 撑、5 群，4 # 、5 撑、6 # ，5 # 、 6 群、7 ；擎，6 莓、7 撑、8 毒，硝、8 聋、9 # ，瓣、鲻、l 雠八组顺序供电，下降时按逆顺序 分组供电。对于整个分段式系统而言，原理上近似于长初级、短次级永磁直线同步 电动机。 采用分段式单边缩构具有以下优点( 3 】： ( 1 ) 初级( 电枢绕组) 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，初级的总长度小于不分段的情况，节省电机 成本； ( 4 ) 模型的整体方案和控制方式符合实际情况。 目前实验室建成的1 0 米高永磁直线同步电动机垂直运输系统采用的是动予为 永磁体，定子为电枢绕组的分段式单边隐极型结构。 但是对于整个垂直运输系统，如何进行分段才能在满足推力要求的情况下， 控制方便，并且造价最低还没有形成统一的方案。本文基于长初级、短次级永 磁直线闯步电动机的特点，提出首先根据系统的接力、速度要求，设计优化出单 段式永磁同步直线电动机的基本参数( 动、定予长度，极数，槽型等) ，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，确定最佳分段方案，建立分段式永 磁直线同步电动机的最佳分段模型。 0 3 永磁直线同步电动机磁场分析 3 永磁直线同步电动机磁场分析 根据垂直系统设计的总体方案，首先应进行单段式永磁同步直线电动机的设 计优化。本章通过对永磁直线同步电动机“四层线性分析模型”的介绍和磁场分 析，为永磁直线同步电动机的设计优化奠定基础。 3 1 永磁直线同步电动机物理模型及磁场分析模型 卜二工一l 图3 一l永磁直线同步电动机物理模型 1 定予轭2 槽导体3 齿4 气隙 5 非磁性固体6 永磁磁极7 动子铁轭 f i g 3 - lp h y s i c a lm o d e lo fp e 眦a 士l e n tm a g n c tl i n e a rs y n c l l r o n o u sm o t o r 1 s 诅t o ry o k e2 c o n d u a t o rj ns 1 0 t3 a l v e o l u s 4 g 印l e n g m 5 n o n m a g l l e t i cs o i i d6 m a 龃e 廿cp o l e 7 m o v e ry o k e 3 1 1 假设条件 隐极型永磁直线同步电动机的物理模型如图3 1 所示。为了建立合适的磁场分 析模型，作下述假定。 l 、由于定子轭和动子轭都是铁磁物质，且直线电机的气隙比较大，磁路一般 是不饱和的。因而假设定子轭和动子轭部分各向同性，且磁导率无限大； 2 、为了引进齿槽效应，假定齿、槽部分运动方向上 ) 和垂直方向上( y ) 有不 同的磁导率； 3 、对于稀土永磁材料，其回复相对磁导率近似为1 ，因而假定永磁体x 方向 和y 方向上磁导率相同且等于空气隙导磁率； 4 、所有部分电导率为零。 正q 一 河南理工大学硕士学位论文 除了上述假定，还需引入电流层概念和对永磁体进行等效处理。 3 1 2 初级电流层 同感应直线电机电流层的定义类似，用一无限薄电流层替代初级绕组槽导体 电流，即电流层线电流密度( ) 。电流层幅值为： ，塑坐堕 ( 3 1 ) j 。= 2 o ( 3 1j i ， 式中：m 相数；。，每相绕组匝数； 由于 ，相电流有效值；f 极距； 彭。绕组系数；p 极对数。 n 。j = j 童童。k 。q p f2 肌 因此，用电机结构参数表达的电流层幅值为： j 。= 五j l h i bg ks k 。 t 式中：，导体电流密度；吃槽高； 尼。槽满率；f 槽距； 以- 营宽；9 每极每相槽数。 电流层瞬时值表达式为： 以：j 。g 似 x ) 3 1 3 动子永磁体的等效代换 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 用一个等效载流空心线圈代替一个均匀磁化体。线圈的截面积和长度等于磁 体磐截蘑积和薹度，+ 线罗面电流密度等于磁体等交哆电流密度z ，流动方向与五 和 垂直( 因l ，= m h ) ，其中m 为磁化强度， 为表面法线方向的单位向量。 如图3 2 所示。 3 永磁直线同步电动机磁场分析 j s 胛 ( a ) ( b ) 图3 2 均匀磁化体和等效线圈 ( a ) 均匀磁化体( b ) 等效线圈 f i g 3 - 2u n i f o r m i t ym a g n e t i z a t i o na n de q u i v a l e n tw i n d i n g ( a ) u n i f o r m i t ym a g n e t i z a t i o n( b ) e q u i v a l e n tw i n d i n g 设等效线圈的匝数为，流过每匝导线的电流为，线圈的长度为磁体长度 上，线圈的面电流密度用厶 r 表示，则 = 等吐= m 泞4 ) 即等效线圈的磁势日等于磁化体的长度与磁化强度的乘积： 凡= m = 尬 ( 3 5 ) 永磁体也是磁化体，它与其它永磁材料的区别在于它存在“永久”磁化强度 m 。，m 。起了磁动势源的作用。前面的公式中用 “代换m 即可