电梯用分段永磁直线同步电机设计及有限元分析

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  【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
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