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    初級永磁型游標直線電機特性分析--直驅式電梯研究現狀(二)
    2022/02/15

    直驅式電梯研究現狀

    雖然每一種旋轉電機都可以至少對應一種直線電機,只要將旋轉電機沿徑向剖開,沿圓周展成直線就能得到相應的直線電機類型,但由于受到經濟及技術指標的限制,比較常用的電梯驅動用直線電機主要有類,即直線感應電機(Linear Induction Motor, LIM),開關磁阻直線電機(Linear Switch Reluctance Motor, LSRM)以及直線同步電機(Linear Synchronous Motor, LSM)。其中LIM包括圓筒和扁平型兩種;LSM包括超導直線電機Linear Superconducting Synchronous Motor, LSSM)以及永磁同步直線電機( Synchronous , )兩類。它們雖然同屬直線電機,但是在性能上各有千秋。LIM經過多年的發展,技術相對較為成熟。目前,圓筒型LIM驅動的電梯產品已經得到了實際應用,圖1.4所示為圓筒型LIM驅動電梯的實物圖,其總體方案與一般曳引式電梯類同,轎廂和對重仍采用鋼絲繩相連接。對重裝置中裝有圓筒型的初級。而次級則呈立柱貫穿于對重,并延伸整個井道。既是驅動裝置,又是對重的一部分。該裝置次級結構簡單,成本較低,易于與傳統電梯競爭,但是它仍然存在對重與繩索,與傳統曳引方式并無本質區別。此外,也有學者對用扁平型LIM驅動電梯方式進行了研究。但是,效率、功率因數等不利因素是直線感應電機長期引起爭議的顯著缺點。雖然已有國外學者對此展開研究,試圖解決這一技術難題,但是難以從根本上提高LIM的性能,因此,基于LIM驅動的電梯通常仍采取對重-鋼索結構,以降低對驅動電機的要求。

    LSRM因其結構簡單堅固、成本低、工作可靠、易維修等優點,得到了國內外學者的廣泛關注,文獻[9]提出的新型雙側LSRM,其結構如圖1.5所示,為短初級長次級結構,結構非常簡單,初級重量輕,次級僅由硅鋼片疊壓而成,可靠性高,非常適合電梯驅動這種長行程工況,其測試平臺如圖1.6所示。但是,開關磁阻電機尚存在推力紋波和噪聲等方面的問題[18],因此該類電機在直驅電梯上的應用并沒有得到普及。

     

            

             

    1.7 直線同步電機驅動電梯示意圖

    所有垂直驅動用直線電機中,被認為是一種能增加效率,提高運行性能的電機種類,因此具有廣闊的發展前景。LSM驅動的電梯中,LSSM由于其電流密度高,與非超導相比,具有更高的推力密度,曾一度被認為是無繩電梯驅動電機的首選之一。該電梯的驅動原理如圖1.7a)所示,從圖中可以看,驅動的電梯沿著較長的井道鋪設常導體,而價格相對昂貴的超導體布置在轎廂上,這將大大降低系統成本。采用LSSM驅動電梯,運行效率高,系統運行成本低,然而超導材料冷卻設備復雜成本高,熱絕緣處理程序繁瑣,制約了該類電機的發展。

    隨著永磁材料特別是稀土材料釹鐵硼(NdFeB)性能的不斷提高,近年來永磁電機得到了較為快速的發展,永磁電機沒有勵磁損耗,因此具有效率高、功率因數高、功率密度高、體積小、重量輕等優點,目前,LPMSM的研究已經廣泛展開,也包括在電梯驅動中的應用。與LIM和LSRM相比,LPMSM具有力能指標高、效率高、功率因數高等顯著優點。就現有永磁直線電機而言,根據永磁體安放的位置可以將其分為兩大類:一類是永磁體安裝在次級也就是旋轉電機中的轉子),稱為次級永磁型直線電機。另一類是永磁體安裝在初級(也就是旋轉電機中的定子),稱為初級永磁型直線電機。

    次級永磁型電機又分為單邊型和雙邊型,過去的幾十年里,人們主要對次級永磁型直線電機做了大量研究和試驗。1.7b所示為電梯驅動用雙邊次級永磁型直線電機的結構形式,圖中永磁體布置在次級上,次級為運動體,而永磁體的兩邊為電機初級,顯然,初級固定不動。圖1.7cd所示為單邊次級永磁型直線電機驅動電梯的兩種方式示意圖,圖1.7c)為井道側放置電樞繞組,轎廂上安裝永磁體,稱為井道初級式,1.7d情況相反,稱為轎廂初級式。對于電梯驅動這種長行程工況,如果采用次級永磁型直線電機,不管將電樞繞組或永磁體放置在哪一側,都會消耗大量的永磁材料或銅線,而永磁材料與銅線價格相對較貴,這違背了“資源節約型社會”的宗旨,而且面對如今資源匱乏,能源緊張的局面,次級永磁型直線電機已經不再符合電梯等長行程應用長遠發展的選擇。

    以上多種因素迫使初級永磁型直線電機又一次被重視起來,當然這對我們來說既是一次機遇,也是一次挑戰。目前,常見的初級永磁型直線電機主要包括:雙凸極永磁直線電機、磁通反向永磁直線電機、磁通切換永磁直線電機和游標直線電機。本項目主要研究的是初級永磁型直線電機中的游標直線電機,游標直線電機值得研究肯定有它的優勢所在,主要表現在:

    1) 游標電機基于磁齒輪效應工作,推力密度較高,非常適合低速、大推力工況;

    2) 置于井道側的電機次級結構非常簡單(無繞組、無永磁體),僅由導磁性材料(如硅鋼片)組成,它不僅繼承了直線感應電機次級可靠性高、易于維護等優點,而且造價更低;

    3) 我國的稀土資源儲備量居世界第一,因此用稀土永磁材料作永磁體有更大的優勢,比一般電機有更高的效率。

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