电梯用分段永磁直线同步电机设计及有限元分析

应晨耕

【摘要】分段永磁直线同步电机属于一种新型的电动机，其结构比较简单，而且占地面积比较小，因此，在高层建筑的电梯中，广泛的应用了此种类型的电动机。电梯在应用了分段永磁直线同步电机之后，在一个井道内，多个电梯轿厢可以同时运行，这是一项十分优越的性能，因此，从未来的角度来看，电梯用分段永磁直线同步电机是一种发展趋势，在本文中，提出了电梯用此种类型电机的具体设计，并进行了有限元分析。

【关键词】电梯；分段永磁直线同步电机；设计；有限元分析

前言

随着经济及社会的发展，越来越多的高层建筑、超高层建筑出现在人们的生活当中，在高层及超高层建筑中，电梯具有十分重要的作用。高层及超高层建筑的电梯如果采用传统的曳引式电梯，那么提升的高度增大到一定的程度时，电梯的安全就无法得到良好的保证，而在使用了分段永磁直线同步电机之后，无需机房，节省了大量的空间，同时井道的利用率业也得到了有效的提升，并且最为重要的一点是，电梯的安全性能得到了有效地提升。

一、电梯用分段永磁直线同步电机设计

（一）电梯性能及参数标准

在设计机械产品时，要实现标准化，电梯的设计也不例外，在设计使用分段永磁直线同步电机的电梯时，需要按照一定的标准规范来进行设计。基于此，本文在进行电梯设计时，需要满足以下参数要求：按照GB7588-2003，GB/T10058-2009等标准的要求，当电源为额定频率和额定电压时，载有50%额定载重量的轿厢向下运行至行程中段（除去加速和减速段）时的速度，不应大于额定速度的105%，且不小于额定速度的92%；乘客电梯起动加速度和制动减速度最大值均不应大于1.5 m/s2；当陈科电梯额定速度为1.0m/s

（二）分段永磁直线同步电机基本结构设计

一般来说，分段永磁直线同步电机有两种结构形式，一种为永磁体单独励磁，对于此种结构，当永磁材料的相关事项确定完成之后，系统也就随之确定下来，不过，励磁磁场的大小是无法进行调节的，因此，此种结构只适用于不需要调节励磁磁场大小的电机当中；另一种为永磁和电励混合励磁，此种结构的出现就是为了解决永磁体单独励磁中存在的缺陷，因此，此种结构具有比较好的调节功能，可以根据实际情况对励磁磁场的大小进行调节。当电梯应用此种电机时，所设计的结构为分段扁平永磁直线电动机。

（三）分段永磁直线同步电机参数计算

電机都具备气隙，而且还比较大，因此，在进行参数计算时，这部分是可以不用计算的，一般来说，分段永磁直线同步电机的参数计算主要是计算外部主漏抗。在进行参数计算之前，为了保证计算具有可实施性，需要做出预定的假设，假设的内容包括铁芯的磁导率无穷大，电梯运行时气隙电感无变化。

（四）分段永磁直线同步电机主要尺寸及数据的稳态设计

在进行设计的过程中，需要设计的尺寸非常多，不过有些尺寸设计并不会起到决定性的作用，因此，可以将这些尺寸设计忽略，直接设计具有决定性作用的主要尺寸，一般来说，主要尺寸包含两种，一种是初级铁芯的叠厚及有效长度，一种是次级铁芯的叠厚及有效长度。

二、分段直线同步电机电磁场的有限元分析

针对上面的结构设计，在进行有限元分析时，需要建立分段永磁直线同步电机模型，在进行计算的过程中，为了保证计算的准确性及分析的有效性，同时减少计算量，因此，本文在进行有限元分析时，只进行二维建模，分析二维静态磁场。

（一）分析中要用到的单元

在二维模型中，具有结构几何形状，在对其进行表示时，采用的方法为二维单元，尽管实际的电梯是三维的，但是计算中将其简化为二维平面问题。在对二维静态磁场进行分析时，所需要用的单元包括二维实体单元（PLANE13、PLANE53）、远场单元（INFIN9、INFIN110）、通用短路单元（CIRCU124）。

（二）二维模型的建立

建立相应的二维模型之后，就需要进行选择、分析等工作，为了保证工作的有效性，就需要在ANSYS软件中输入参数，而参数在进行输入时，采取的形式为符号。在建立二维模型的过程中，为了保证计算的准确性，模型的建立有十二种情况，划分情况的依据为电机的运动方向。

（三）设置实常数和单位制

分段永磁直线同步电机的线圈具有固定的几何形状，在对其进行定义时，采取的方式为实常数，因此，在对实常数进行定义时，需要按照两点规则来进行，一是在输入实常数时，有着严格的输入次序要求，一定要遵守；二是如果单元类型比较多，在定义实常数是，每个单元需要定义出独立的实常数组。一般来说，系统默认的单位制为MKS制，不过，在输入几何尺寸时，厘米要换算成米，这样才能保证输入的正确性。

（四）划分网格

当将材料的属性确定完之后，就需要进行划分网格工作，在分段永磁直线同步电机中，长度与宽度之间的尺寸比值比较大，因此，在进行划分时，就需要手动设置单元的尺寸，最终完成网格的划分工作。

结论：建筑业在发展的过程中，为了适应城市规划中节约用地的要求，开始建造高层及超高层建筑，这此种类型的建筑中，电梯是必不可少的组成部分，对于高层及超高层建筑的居民来说，每天要乘坐很多次的电梯，因而电梯的安全性受到了广泛的关注。分段永磁直线同步电机是一种新型的电机，将其应用在高层建筑中，可以有效地节省一定的建筑空间，同时，电梯的安全性性能得到了有效地提高。当前，分段永磁直线同步电机在电梯中的应用发展的还不完善，我国应加大研究及设计的力度，以便于在电梯中更好的应用分段永磁直线同步电机。

参考文献

[1]邹莉.永磁直线同步电机电磁场的有限元分析[J].山东轻工业学院学报（自然科学版），2013，（04）：59-61.

[2]王淑红，吴攀，熊光煜.分段式永磁直线同步电动机参数分析[J].煤炭学报，2012，（S2）：516-520.

[3]段占晓，王步来，顾杨等.双三相永磁直线同步电动机的运行特性研究[J].微特电机，2013，（01）：11-14.

[4]王淑红，熊光煜.分段式永磁直线同步电动机的磁阻力[J].电机与控制学报，2010，（10）：56-60.