电梯用盘式永磁同步无齿轮曳引机的研制

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪

摇摇2016年第44卷第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

D设计分析摇esignandanalysis詪

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪电梯用盘式永磁同步无齿轮曳引机的研制

辛摇懋,吴大将,刘志鲲,刘摇强,鲁摇力

(浙江西子富沃德电机有限公司,杭州311305)

摘摇要:介绍了盘式永磁电机的设计原理。针对无齿轮曳引机的特殊需求,提出了盘式永磁同步无齿轮曳引机的设计方法,重点论述了定子铁心的设计及制造方法、磁钢的优化设计和整机机械结构设计要点,并采用有限元计算了新结构的机械强度和变形。在此基础上,制造了试验样机,实测数据验证了所提出方法的可行性及有效性。

关键词:盘式永磁电机;曳引机;轴向磁通;磁钢

中图分类号:TM351摇摇文献标志码:A摇摇文章编号:1004-7018(2016)05-0029-03

DesignandManufactureofGearlessDiscPermanentMagnet

TractionMachineforElevator

XINMao,WUDa鄄jiang,LIUZhi鄄kun,LIUQiang,LULi

manentsynchronoustractionmachinewasproposedaccordingtoitsspecialneeds.Thestatorcoredesignanditsmanufac鄄turingmethodswerefocusedon,andtheoptimizeddesignofmagnetandmechanicaldesignoftheprototypewerealsode鄄scribed.Thefiniteelementanalysiswasusedtocalculatethemechanicalstrengthofthestructureandthedeformation.Fi鄄nally,theprototypewasmadeandthefeasibilityandeffectivenessoftheproposedmethodwasverifiedbytestdata.

Keywords:discpermanentmagnetmotor;tractionmachine;axialflux;magnet

Abstract:Thedesignprincipleofdiscpermanentmagnetmotorswasdescribed,andthedesignapproachofdiscper鄄

(ZhejiangXiziForwardElectricalmachineryCo,Ltd,Hangzhou311305,China)

0引摇言

电梯曳引机目前主要采用永磁同步电动机作为主驱动部件,它具有体积小、噪声低、高效率、安全可靠、维护简单等优点,特别适用于有机房电梯的布置。

无机房电梯布置空间小,对电机轴向尺寸要求步无齿轮曳引机研发成功,并投入使用。

本文在深入研究盘式永磁电机的运行原理及设结构特点,研发制造了载重量1000kg以下下,梯速达1.75m/s的盘式永磁同步无齿轮曳引机,轴负荷计方法的基础上,结合常规永磁同步无齿轮曳引机的

可达3t,重点解决了悬挂钢丝绳后,主机机座与转子

很高,为此,兼具永磁同步电机的优点且能保持超薄变形量大,导致气隙不均匀的问题;并通过优化磁钢机械尺寸的盘式永磁同步电机逐渐成为国内外电梯结构,大幅度降低了曳引机的运行噪声,样机通过地公司与各个相关科研单位的研究热点。传统电机的面及上梯测试,满足国家标准,达到批量生产的水平。

气隙磁场为径向,而盘式永磁电机的气隙磁场为轴向,定、转子平面相对,可极大地缩短轴向尺寸,电机1盘式电机电磁设计

结构更加紧凑,且重量轻,低速平稳性好,比转矩大,盘式永磁同步电机在电磁本质上是一种调速永具有较高的力能指标。适用于轴向空间小、低速大磁同步电机,其设计方法类似于常规永磁同步电机。

转矩等要求的应用场合[1]在设计主机主要结构尺寸时,可直接借鉴普通径向目前,电梯行业对盘式永磁同步电机的研究。

,最

式电动机的主要尺寸计算公式。其中线负荷的值应具有代表性的是KONE公司,他们研发的盘式永磁该按照最小直径出的值来选取。因为盘式永磁同步电机系列产品,可用于额定载荷量1000kg以下的电动机电枢绕组的有效导体在空间呈径向辐射,线电梯,曳引机厚度不到300mm,被装在电梯的导轨负荷随直径的变化而变化,在内径处导线最为密集,

上,介于轿厢壁和导轨之间,节省了布置空间和建筑线负荷最大,容易引起电枢绕组局部过热。所以,以费用。目前该机型已大范围地应用到机场、地铁站该处线负荷来做整机设计,则主机不会出现绕组过等无机房布置的电梯上[2]热现象。另外,对于盘式电动机,其铁心的轴向长度磁同步电机的研究较少,尚无电梯专用盘式永磁同

。国内对电梯用盘式永即为内外径的差值,故铁心内外径的选取,对整机尺

寸至关重要。一般称铁心外径与内径之比为电枢直

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪收稿日期:2015-11-19

径比,它是盘式用磁场电动机初始设计的一个重要詪詪辛摇懋等摇电梯用盘式永磁同步无齿轮曳引机的研制

29

摇摇摇

詪詪

D设计分析摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2016年第44卷第5期摇摇esignandanalysis詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪参数,通过推导得出,相同电磁负荷情况下,取电枢直径比为1.732时,可获得最大输出功率[1]际设计中,直径比的确定还需考虑到用铜量、效率。在实、漏磁、绕组端部安放的难易程度来综合选定。本文结合电磁设计与下线工艺,选定电枢直径比为1.33。

1.1定子铁心设计

盘式永磁电机定子铁心的设计,如槽数、槽型、绕组等均可参照常规电机的设计方法。但需注意,随着半径增加,铁心外部的定子齿距将大于内部的齿距,而嵌入的导体直径固定,此时若选用平行齿的设计,则槽中空间会有较大浪费。而平行槽有利于铁磁材料的充分利用,也有利于铁心卷绕。另外,由于半径不同,当槽宽一定时,最内圈的齿宽也相对最外层小很多,容易造成齿部磁密过饱和。为此,对于盘式永磁电机,建议选用平行槽设计,且定子槽宽尽量按照最内圈齿宽来设计,不宜过大。此外,由于定子要承受较大的轴向吸力,故定子齿轭部分要有足够的轴向厚度,以保证其机械结构强度满足要求。

盘式电机定子零件结构特殊,加工制造是个难题。国内常用的盘式电机定子铁心的加工方法主要有铣槽法和卷绕法两种。其中,铣槽法先将硅钢片卷绕为成型铁心,然后再通过机械加工将槽铣出来。这样做不仅加工难度高,还会破坏硅钢片间的绝缘。卷绕法则调整了卷绕和冲槽的顺序,先在带料上冲槽孔然后再卷绕成形,不需要机械加工,但卷绕时随着半径的增大,带料上槽的距离逐渐增大,槽型无法对齐,实际上绕不出合格铁心。为制造该铁心,我们詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪寻找到国内最新的卷绕技术与设备,采用数控分度冲槽卷绕机来绕制铁心,将特制的单冲模机构与卷辛摇绕机集成在一台主设备上;卷绕时通过调节冲模速懋度与卷绕半径来调节槽型之间的距离,使不同半径等摇下的槽型保持对齐。同时,在送料时增加过滤滚轮电梯组件,最大限度地消除带料毛刺等偏差;通过更改卷用盘绕机胀芯直径和冲模模具,可加工制造各种内外径式和槽形结构的定子铁心[3]永磁出的铁心如图1所示。

。该数控卷绕设备制造同步无齿轮曳引机的研制

图1摇盘式定子铁心

1.2磁钢选定

詪詪30

磁钢的形状与性能,直接影响气隙磁场的大小和波形的畸变率,从而影响到电机的性能。为了在

磁钢结构尺寸不变的情况下,有效地提高气隙磁通,因此可选用牌号较高的永磁体。一般来讲,盘式永磁电机所采用的磁钢结构均为扇形,沿圆周径向分布,其极弧系数与斜极距是重要设计参数[4]极弧系数的选取,考虑到保持气隙磁场波形的

。

正弦性,一般选取0.667为好,但这样选择,不能合理利用磁钢放置空间,增大了电机体积。为此本文在选择极弧系数时采用0.8。为了削弱永磁类电机固有的齿槽转矩,一般采用斜极方法[5]的斜槽距一般选用一个齿距即能达到削弱齿槽转矩

。常规方法的目的。除了采用斜槽外,还可以通过磁钢削弧的方式削弱谐波,让气隙磁场波形更接近正弦波。针2对扇形磁钢所示。

,本文按这两种方法所设计的磁钢如图(a)图斜极磁钢

2摇两种方法的磁钢结构对比图

(b)削弧磁钢

2机械结构设计

盘式永磁无齿轮曳引机的机械结构设计主要解决在加载工况下机壳、转子等部件应具有足够刚度的问题,以保证电机定、转子之间的气隙均匀。由于盘式电机主要特点是盘面大、轴向尺寸薄,考虑到稳固及变形小的原因,选定主机结构为简支结构,由机座、转子和前支架构成主体结构,曳引轮放置在前支2架与机壳之间.1机座与支架设计

,并尽量将轴承分布于曳引轮两侧。

机座与支架的作用是支撑转子和带绕组定子铁心,其组件不仅承受由曳引轮传递的轴负荷,还要承担定子铁心与转子之间的吸力,通过理论计算,该吸力大小相当于1.67伊104座支架的三维模型如图3N。所示利用。支架采用具有斜度Pro/E软件设计机的加强筋,一方面节省了材料,另外一方面也保证了结构刚度。

(a)机座支架模型

图3摇主机模型结构

(b)转子模型

机座与支架先分开加工,最后再利用铰制孔螺

摇摇摇

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪栓将机座与支架固定在一起加工与轴承配合的孔尺寸,以保证转子旋转的精度。

使用有限元分析软件ANSYS对机座支架组件进行静态分析,结果如图4所示。

参数额定载重额定梯速额定功率额定电压额定转速

(a)整体变形云图

(b)轴向变形云图

摇摇2016年第44卷第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

D设计分析摇esignandanalysis詪

轮曳引机,用实例验证了设计方案的正确性。样机的额定参数与主要结构参数如表2所示。

表2摇额定数据及结构参数

值1000kg1.75m/s10kW340V139r/min

参数充磁方向永磁体厚度铁心外径铁心内径铁心厚度

值轴向5mm600mm450mm60mm

摇摇样机制造时,定子铁心由国产设备J98K-2.5

型数控分度冲槽卷绕机绕制,槽型尺寸精确控制,铁心成型后,槽中尺寸完全对齐;再通过整形、焊接等工艺,铁心质量完全达到使用要求。机座、前支架和转子组件,均通过开模、铸造、金加工等制造成型,部

(c)机座应力云图

2.2转子结构设计

图4摇主机的变形云图

(d)支架应力云图

件配合尺寸满足设计要求。铁心组件与整机如图6所示。

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪转子的作用是固定磁钢,在紧急制停的工况下,转子提供摩擦制动面。转子一方面承担钢丝绳的载荷,另外还有来自铁心的吸力作用,转子的刚度直接影响气隙的均匀性。利用Pro/E软件对转子进行三维造型,如图5所示。通过设置加强筋和凹凸曲面增加转子刚度。

利用有限元分析软件ANSYS对机座支架组件进行静态分析,结果如图5所示。

(a)定子铁心

(b)盘式曳引机

图6摇结构图

样机空载、负载测试结果如表3所示。

表3摇样机性能测试结果

性能指标效率功率因素转矩

值86%0.92687N·m(a)转子变形云图(b)轴向变形云图

转子应力云图

图5摇主机的变形云图

从表1可以看出,机座、前支架与转子的变形量都较小,完全满足设计需求。

表1摇有限元参数输入及计算结论

弹性整体轴向最大

组件泊松比安全E模量/MPa啄变形

系数结论机座1.5伊105支架1.5伊100./mm啄变形主应力g0.a/mm滓/MPa50.46.12.8转子

1.5伊10

5

0.280.2828

0.150.1518

0.150.1518

71.853.97

11.8.13

符合符合符合

3样机制造

根据上述设计,制造了多台盘式永磁同步无齿

过载倍数

>1.5

空载振动

水平0.13mm/s垂直

0.06mm/s

摇曳引机使用要求摇由表3中可以看出,效率达到国家二级能效标准,样机各项性能指标均满足,属于高效节能电机。振动很小,与前期结构分析计算结

果一致。

为进一步验证磁钢结构对噪声的影响。本文分别设计制造了三种不同的磁钢结构,即扇形磁钢、斜极磁钢(斜一个齿距)、削弧磁钢;磁钢用铜压板固定于三个不同的转子上,分别装于同一台主机中进

行测试,其空载噪声数据如表4中所示。

由表4可以看出,采用扇形磁钢,电机噪声很大,而选用斜极磁钢和削弧磁钢后,噪声均有大幅度的降低,并且削弧磁钢的效果更好。进一步验证了削弧可以使每极下气隙磁密波形更接近正弦波,抑制了谐波,降低了噪声。这为批量生产该电机积累了重要经验。

(下转第39页)

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪辛摇懋等摇电梯用盘式永磁同步无齿轮曳引机的研制

31

摇摇摇

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪楚地揭示出未补偿逆变器死区影响时的电机转矩脉动较大,死区合理补偿后电机转矩脉动明显减小。

摇摇2016年第44卷第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

摇摇摇摇摇

D驱动控制摇摇riveandcontrol詪詪

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪[5]摇ZHUZQ,GONGLM.Investigationofeffectivenessofsensorless

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4结摇语

SMPMSM驱动系统,该系统的特色在于所提出的无再与基于微分代数估计的转子位置和转速估计相结合,实现该系统在位置传感器故障时的无位置传感器运行。系统仿真结果证实了建议的无位置传感器控制的SMPMSM驱动系统能够实现转子位置和转速的准确估计,可望推广应用于电动汽车电驱动系统实现位置传感器故障时的电驱动系统自适应容错运行,提高其安全可靠性。参考文献

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usingmracandCo-ordinatetransforma鄄(上接第31页)

磁钢不利于降低噪声,采用削弧方法能有效降低噪表4摇采用不同磁钢时的噪声比较表

声。

磁钢类型空载噪声扇形磁钢84dB4)采用盘式永磁同步无齿轮曳引机,可极大地

斜极磁钢72dB减小轴向尺寸,对无机房电梯布局有较大的使用价削弧磁钢

54dB

值。4结摇语

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3)磁钢结构对曳引机噪声影响很大,常规扇形

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪作者简介:辛懋(1982-),男,工程师,研究方向为永磁电机。詪詪王摇萍等SMPMSM摇

驱动系统的无位置传感器控制

39

摇