直线电机电梯设计

小型载货电梯直线电机设计

黑龙江省松花江林业管理局锅炉压力容器检验所刘琪芸摘要:为满足人们生活、生产需要，电梯已成为多层建筑中不可缺少的运输工具。本文所研究的直线电机适用于小型载货电梯，在节省空间和控制噪音方面有很大的优势。

关键词载货电梯直线电机

1.直线电机的发展

直线电机也称线性电机，相比于曳引与强制驱动电梯先将电能转回为转动的机械能后利用曳引轮和曳引绳或卷筒与钢丝绳产生的摩擦力驱动电梯，直线电机驱动电梯利用直线电机可以直接将电能转化为直线运动的机械能，无需中间转换机构的传动装置。这样既可以减少如异物掉入曳引轮引发跳绳，曳引绳老化等风险，还省去机房，对重所占用的空间。而且由于传统电梯运动方向受钢丝绳控制只能沿垂直方向运动，直线电机驱动电梯更有噪声小，可水平运动灵活选择层站,同一井道可存在多部电梯等优势。

早在十九世纪至二十世纪初期，直线电机就经历了一个从想法到实验再到实验性应用的坎坷历程。一些发达国家研究人员在实验的基础上，试图将直线电机应用于导弹发射装置，电磁运动装置等。但由于当时社会生产水平牵制，直线电动机电气控制系统成本高；相对于传统旋转电机，直线电机电磁缝隙与极距比值过大导致激磁电流较大，由于铁芯两端断开，存在其特有结构导致的边缘效应。这些弊端都一度使人们对直线电机的发展应用失去信心。

二十世纪中期以来，随着控制技术提高，直线电机又被应用于如磁头定位驱动装置、空气压缩机、传送装置等。后期各国有出现了许多直线电机产品，如吊车、传送车、电动门、窗帘机、车辆运输系统等。同时线性电机不断发展，广泛应用于扫描式记录设备，自动绘图设备等新的领域。

近年来，微型直线电机，利用当代微型计算机和自动控制体系控制微型直线电机，具有反应灵敏、体积小、结构简单等特点。在直线电机基础上研制的超导直线电机，微步距直线电机，直线当量电机等。更有日本研制的压电驱动式直线电机及超声波直线电机等先进水平直线电机相继问世。

我国自二十世纪七十年代开始在直线电机应用也取得了可喜的成绩，例如直线电机冲床、窗帘机，直线电机驱动的自动门，西南交大的磁悬浮列车；但和国外相比应用推广还存在很大差距，例如德国研制的超导吸浮型磁悬浮列车和日本研制的超导斥浮型磁悬浮列车。

2 直线电机的结构与性能

直线电机是将传统的旋转型电机定转子沿轴向剖开拉直，就形成了平板式直线电机结构，再将初级次级卷绕在一根与磁场运动方向平行的轴上，结构演变过程如下图1所示：

图1

2.1直线电机的基础分类

2.2直线电机设计参数

直线电机设计中包含许多影响参数,例如气隙、极对数、初级齿距等，其具体变化影响如下：

（1）气隙g：气隙增大励磁电流增大，离开损耗大；反之，输出力大效率高。

（2）极数2p:极数增大端部效应小;反之，次级漏抗大。

（3）次级电阻率：次级电阻率增大端部效应小；反之，次级损耗小。

（4）次级厚度：次级厚度增大起动电流大；反之，次级漏抗大。

（5）初级齿宽：初级齿宽增大漏抗大；反之，推力大，效率高。

2.3直线电动机次级的结构与材料

直线电机不同的结构与材料对其性能有很大影响，从材料角度上出发，可以分为两大类，及单一材料次级和复合材料次级。从结构的角度上出发，主要分为以下三类：圆柱形动子结

构、U 型槽式直线电机、平板直线电机；其中平板直线电机有三种类型均为无刷：无槽无铁芯，无槽有铁芯和有槽有铁芯。

2.3减少边缘效应的方法

直线电机的边缘效应使其功率参数、效率等性能比相应的旋转电机差，为提高直线电机的性能，在设计电机时，为降低边缘效应主要措施如下：

（1）在初级绕组端部槽中，采用填满绕组的方式，即双层绕组端槽中放入两组绕圈边，以提高电机性能。

（2）在主初级前面增加辅助初级，但有时会使电机的重量、成本的有所提高，补偿方法有一定局限性。

（3）模仿旋转鼠笼式电动机在初级铁芯上开槽以降低边缘效应。

2.4直线电机的节能

直线电机可以根据直线电机的应用场合和要求来选择优化方案，节能应当是直线电机在设计时追求的主要目标，相比于直线电机制造时的体积或重量，人们更加重视直线电机的功率、效率。

3 主电机设计

在直线电机的三相绕组中通入正弦电流后也会产生缝隙磁场，类似于旋转电机。三相电流随时间变化时，气隙磁场将A、B、C相序沿直线移动。

在平移磁场中，行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度相同，称为同步

速度,且V s=2fτ（τ为极距，单位m；f为电流的频率，单位为Hz）。V s=12m/s，故：

τ = V s/(2f)=0.12m；

初级长度L相当于普通旋转电机定子内径的周长，其中b e为初级铁心边端两个齿的宽；初级铁心宽相当于普通旋转感应电动机定子铁心的轴向长。故：

L=2pτ+2b e；

初级每极每相槽数q1=3，m1为初级相数，那么初级槽数：

S=2pm1q1=5×3×3=45；

初级齿距:

t1=τ/m1q1=0.0133m;

1ρ=

56

1

×10-6 Ω·m 为20℃时初级绕组的电阻系数，L ep =0.26m 为匝平均长，W 1 =420为初级绕组每相串联匝数，那么初级每相电阻：

A

W L r ep 1

121=

ρ=3.68 Ω；

磁化电抗 x m0=27.73 Ω；电源相电压U 1=204V ；初级等值的次级相电阻r 2’=2.536 (Ω) C r =1.735为横向端部效应系数，x 1=4.46(Ω)取s=1.0时起动推力：

)]

)(1(1[)(1

1'

22

1'

210

jx r x j r C s sU r C m s F m r s r V +-+==419（N ）；

结束语 ：本文为间歇负载的能电机由于推力限制只适用于小型载货电梯，有效的省去了传统型电机驱动电梯电机所占空间。