永磁同步直线电机提升系统总体方案研究与实现

王玉琳 许宝玉 贾言言 王坤龙 肖磊

摘 要：传统有绳提升模式由于钢丝绳自重和强度的限制无法满足超高层建筑和超深矿井的提升，随着提升高度的增加，绳本身的弹性对系统驱动和运行控制性能的恶化增加，且无法实现单一井道运行多个轿厢以及轿厢在井道间循环运行。作为一种全新的提升方式，永磁同步直线电机驱动的无绳提升模式可从根本上克服传统有绳提升模式的缺陷，研究了单井道单轿厢永磁同步直线电机无绳提升的方案。

关键词：永磁同步直线电机（PMLSM）；分段长初级；总体拓扑结构；无绳提升系统

中图分类号：TM341 文献标志码：A

0 引言

过去数十年时间内传统提升系统经历了一系列速度上和运量上的提升，但从根本上得到突破仍然具有不可克服的瓶颈。超高、超大建筑的不断涌现，矿产开采深度不断增加，传统提升模式如曳引提升方式等在提升高度、能源和占用空间、效率、安全、性能及质量等方面与需求之间的矛盾日益凸显，亟须从根本上创新提升运输模式，直线电机为克服传统提升模式的固有缺陷提供了可能。

1 永磁同步直线电机无绳提升系统方案与结构设计

国内外研究及工程实践表明，带对重的直线电机提升模式无法从根本上克服传统提升模式固有缺陷，永磁直线同步电动机（PMLSM）由于其推力密度大、效率、功率因数高，已成为无绳提升系统的理想驱动源。实践中可将其初、次级分别固结在基础和动子上，这种提升模式打破了缆绳、液压、螺旋、链条等传统提升模式的局限，实现了无中间传动装置、无提升高度限制，占用空间远远少于传统提升模式，安全性也得到了进一步的提升，合理设计后可在一个井道内多动子独立运行及在多井道间变轨运行，进一步提高空间利用率、提升效率。

直线电机的布置方式是无绳提升系统设计的关键之一，它关系到整个系统的控制难度、成本，甚至成败，需结合优化技术，考虑整体成本、性能、设计加工、运行维护，选择合适的布置方式。一般地说，由于PMLSM初、次间存在严重的法向力，再额定推力较大的场合，以U型平面PMLSM作为驱动源较为适宜。驱动源布置方式可分为：单边式；双边式；双U型；动磁式（次级固定在轿厢上，初级固定在机架上）；动圈式（初级固定在轿厢上，次级固定在机架上）。

单边U型PMLSM动磁式或动圈式布置方案，两个电机初级或次级构成U型。动子受到的法向力接近平衡，法向力引起的运行摩擦阻力较小，但轿厢侧倾导致电机初、次级切向移动，轿厢合理的轿厢定位装置和电机定位机构显得尤为重要。

双边U型PMLSM驱动结构，采用两列U型PMLSM驱动，法向力在U型电机内部抵消，轿厢受力平衡，侧倾趋势小，驱动力大，存在4个气隙，大行程下的精确气隙保证是一个难点，动子结构复杂，电机动子和轿厢定位是另一个难点。

单台和两台双边U型PMLSM，单边布置驱动结构，这种布置方式可以兼顾双边U型PMLSM法向力相互抵消的優点和单边布置结构简洁的优势。

单边PMLSM驱动结构方案，如图1所示。

其中，图1（a）为需额外配置制动系统的单边PMLSM驱动结构方案，动子运动时，依靠电磁或液压（气动）源打开制动器，制动时切断动力源，制动弹簧止停动子。

图1（b）为利用PMLSM提供的提升力作为制动器打开力，动子自重作为制动力的单边PMLSM驱动结构方案，动子运动时，提升力克服常闭制动器弹簧制动力将制动器打开，动子制动时依靠其自重制动器自动抱闸，无须外接动力。

采用双U型PMLSM单边配置驱动结构方案，两列U型PMLSM面对面布置，置于井筒一侧，这种方案适合于较大的载重，且基本抵消了PMLSM的法向力，结构紧凑，安装方便。

PMLSM无绳提升系统前期大多数采用短次级单边型或双边型结构，这种结构一般为整体初级，控制方式简单，但存在制造、运输、安装和维修困难； 初级绕组长时通电损耗大；成本高；整体初级难以实现等不足。双边型短初级方案可在很大程度上避免上述问题。

2 无绳提升系统PMLSM设计

直线电机实验、基础理论研究及应用促进了不同结构形式的直线电机的研究与发展。推力特性是表征直线电机运行性能的重要指标，其固有的推力波动会导致提升系统性能的恶化。结构和设计方面可采用短矩分布绕组削弱高次谐波影响，采用斜槽、半闭口槽、半开口槽和分数槽绕组可以削弱齿谐波影响，合理设计磁极形状改善气隙磁场的影响。

在无绳提升系统工业化样机电机设计中，采用了单元模块化、扁平细长设计，分段铁芯、双边连续布置设计准则。这种扁平细长结构使得法向吸力被有效分散，长行程布置PMLSM可大幅降低系统成本，集中分数槽绕组，加工、下线方便，端部长为分布绕组的1/5，体积小，模块化单元电机设计，扩展方便，移植性好，安装方便；双边连续布置，降低气隙影响，保证高推力密度；有效抑制推力波动。集中绕组分数槽单元电机特性及建模研究，为垂直提升系统提供更简单、高效的驱动源电机。基于以上研究所设计的无绳提升系统PMLSM的结构。

结论

永磁同步直线电机直接驱动的提升模式是一种非常有前途的提升系统解决方案。PMLSM单轿厢提升系统的设计研究为直驱多轿厢循环提升系统提供了坚实的理论和实践基础。本文阐述了PMLSM直接驱动的单轿厢无绳提升系统的方案设计及结构设计，提出了垂直直驱长行程集中绕组分数槽永磁同步直线电机模块化、扁平细长化设计思想和“定子分段、双边连续布置、多轮支撑”等无绳提升设计准则。

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