月煤矿机械V0.pdf

第 2 7卷第 7期 2 0 0 6年 7 月 煤矿机械 C o a l Mi ne Ma c h i n e r y V0 1 ． 2 7 No ． 7 J u 1 ．20 06 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 6 } 0 7 0 1 8 2 。 0 3 A N S Y S 在低速永磁直线同步电机中的应用 康润生 。路银川 。杨新伟 河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 4 5 4 0 0 3 摘 要 介绍了低速永磁直线 同步电机 P ML S M L 的基本结构和工作原理。 应用有限元分析软 件 A N S Y S 。 分析 了低速永磁直线同步电机的磁场分布 ， 计算 了初级三相绕组的电感参数 。 提 出了低 速永磁 直线同步 电机的数学模型。 关键词 A N S Y S ；永磁直线同步电机 ；低速 中 图号 T M3 5 1 ；T M 3 5 6 文献标 识码 A Ap p l i c a t i o n o f ANS YS i n Pe r ma ne n t ma g n e t Li n e a r S y n c h r o n o u s M o t o r wi t h El e c t r o m a g n e t i c Lo w S p e e d KA NG Ru ns h e n g - LU Yi nc h u a n． YA NG Xi nwe l H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y - J i a o z u o 4 5 4 0 0 3 。 C h i n a Ab s t r a c t I n t r o d u c e s t h e b a s i c s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p rin c i p l e o f P ML SML．By me a n 8 o f F EM s o ftwa r e AN S YS， t h e d i s t rib u t i o n o f ma g n e t fie l d i s a n a l y z e d a n d i n d u c t a n c e p a r a me t e r s o f t h e p rima r y w i n d i n g a r e c a l e u l a t 。 e d． T h e ma t h e ma t i c s mo d e l o f P ML SML i s pr e s e n t e d． Ke y wo r ds ANS YS； p e r ma n e n t ma g n e t l i n e a r s y n c h r o n o u s mo t o r ； l o w s p e e d 0引言 R 秽 s 2 ff 1 一 般永磁直线同步电动机次级运行速度 和初 式中 电源频率 ； 级绕组产生的行波磁场速度 秽 。 同方向、 同大小， 即r一 极距。 ③有坠落井筒可能的结构零件 ， 应定期检查， 发 现松动 ， 应及时彻底处理 ； ④井筒作业 ， 必须停止提升； ⑤下长料或设备通过井筒时， 必须捆绑牢 固， 悬 挂合理 ， 防止散扣坠落或刮碰。 3 提升容器伤害事故 3 ． 1 原 因分析 1 井底是提升容器经常起落的地方 ， 人员不应 任意穿越或停 留； 2 检查容器时， 不能发 出提升信号 ； 3 井筒装备检修 ， 对已经制定的措施， 任何人 违反或擅 自变更都容易导致事故发生 ； 4 井筒作业 携带保 险带 ， 不能人在平衡锤 上， 而保险带拴在钢梁上 。这个做法本身就不保险。 3． 2预 防措 施 1 副井井底应有栅栏 ， 并应设有安全门。把钩 工应该严格把守， 任何人不得穿越或停留 ； 2 主井井 口栅栏 内为危险 区， 不许随便入内， 必须进入时第 1 必须携带保险带 ； 第 2必须在信号 工 同意并 已停止提升时才能进入 ； 3 佩戴保险带、 使用保险带 ， 必须按照规定； 4 井筒设备检修 ， 既是高空作业 ， 又有提升容 器运行 ， 条件比较复杂， 必须有周密 的措施 ， 经过审 批后 ， 让所有参加施工人员学习， 为大家所熟悉， 让 大家遵照执行。任何人不得违反 ， 不得擅 自变更 ， 明 1 8 2 知违反时可以拒绝执行 ； 5 罐笼 因故 中途停止提升后 ， 再次提升时， 应 根据信号 ， 没有信号不许提升。如绞车 司机认为有 必要调整罐笼位置时 ， 应与井 口信号工联系 。 取得他 们的同意 ， 再由他们发出信号 。 4结语 井筒是矿井的咽喉， 维护好井筒 ， 使其能够保证 设备 、 人员顺利通过非 常必要。文 中应用可靠性设 计中的故障树分析的方法 ， 分析导致井筒事故的原 因， 提出预防井筒产生事故措施 ， 将有助于提高矿井 提升系统的安全性 ， 方法简洁适用。如有发生故障 的统计数据 ， 可对井筒事故进行定量分析 ， 计算 系统 可靠度 ， 将更有实际意义。 参考 文献 [ 1 ] 李纪 ， 池风 山． 煤矿 机电事 故的分析 与预防 [ M] ． 北 京 煤 炭 业 出版社 。 1 9 9 1 ． [ 2 ] 中华人民共和 国能源部 ． 煤矿安全规程 [ M] ． 北京 煤 炭工业 出版 社 ． 2 0 0 1 ． [ 3 ] 矿井提升机故障处理和技术改造 编委会 ． 矿井提 升机故 障处理 和技术改造 [ M] ． 北京 机械 工业出版社 。 2 0 0 5 ． [ 4 ] 葛成远 ． 矿井提升设备 的改造[ M] ． 北京 煤炭工 业出版社， 1 9 8 8 ． 作者简介冯 嘉威 1 9 6 6一 ， 黑龙江 鹤岗人 ， 高 级工 程师 。 1 9 9 1 年毕业于黑龙江科 技学院 原黑龙江矿业 学院 矿业机械 专业 。 现从 事煤矿安全啦察工作 ． 收稿 日期 2 0 0 6 0 3 2 7 维普资讯 第 2 7卷第 7期 A N S Y S在低速永磁直线同步电机 中的应用康润生 ， 等 V o 1 ． 2 7 N o ． 7 由式 1 可以看 出， 永磁直线同步电机的运行速 度与极距及频率成正 比， 这样对永磁直线电机来说， 要提高电机次级的速度比较容易。如果要实现低速 运行 ， 只有减小 电机极 距或者降低 电源频率。若使 用工频 f5 0 H z 电源 ， 由于初级有绕组的嵌绕 ， 有 最小的尺寸限制， 使极距不可能太小。所以一般 的 永磁直线电机实现低速方法要通过降低电源频率。 永磁直线电机要降低 电源频率 ， 可以采用与变频设 备配套使用 ， 而变频设备往往在整个设备的造价 中 占有不小的份额， 有 的甚 至超过 5 0 ％， 这必然增加 系统的总投资 ， 而且使整个系统的体积和重量增加 ， 噪声增加 ， 效率降低 ， 传动精度降低 ， 快速反应变差。 本文提出的低速永磁直线同步 电机是集永磁直 线同步 电机和旋转低 速电机为一体 的新型电机 ， 它 的主要特色除永磁直线 同步电动机 的优越性外 ， 就 是能够低速运行 ， 是一种具 有新结构和新原理的新 型直线 电机 ， 具有新理论和新技术。低速永磁直线 同步电机在启动、 反向过程 中电流变化不大 ， 能快速 启动、 停止和反 向运行 ， 停止运行 时有一 定 自锁 能 力。由于电机的可动部分与变速部分合二为一， 因 此该驱动系统 的结构更为简单紧凑 ， 可靠性高， 效率 高 ‘ 一 。 1 低速永磁直线同步电机的基本结构与工作原理 低速永磁直线同步电机的初级铁芯由硅钢片叠 成 ， 初级绕组为三相交流绕组。当初级绕组通 以交 流电流时 ， 气隙中产生行波磁场。机壳由钢制成 ， 次 级横向装有一段横向充磁的永久磁钢 ， 磁钢材料为 钕铁硼 ， 两端为 由硅 钢片叠成 的次级 ， 上面开有齿 槽 ， 2段次级相互错开半个次级齿距。初 、 次级槽数 与初级绕组极对数之间满足如下关系式 R 一 s 士P 2 式中 次级槽数 ； s 初级槽数 ； p 初级有效部分 初级和次级对应长度 部分 的极对数。 工作原理 低 速永磁直 线同步 电机 ， 它是利用 初、 次级 开槽 后 ，气 隙磁 导的变化原理而工作 的。 当初级 内通入三相对称 的正弦电流后 ， 所产生的基 波行波磁势作用在气 隙磁导上 ， 产生相应 的气隙磁 场 ， 忽略铁芯的开断时， 此气隙磁场呈正弦分布。当 三相电流相序为 ABc时 ， 将在气隙中产生沿直 线前进的行波磁场。同时 ， 次级上永久磁铁产生的 恒定激磁磁势作用在气 隙磁导上也产生相应 的气隙 磁场。当满足式 2 条件时 ， 初、 次级磁场相互作用 ， 产生电磁推力， 使 电机在同步状态下运行 。 次级的同步速度 R t⋯ 3 式 中 R 减 速 系 数 ， R 南 4 由式 2 、 式 3 、 式 4 可得 R t s f 5 式中 f - - u l_次级齿间距。 可见 ， 次级的速度大小决定于次级齿间距 t 和 初级 电源的频率 厂 。因此 ， 在不改变 ，和 r的情况 下 ， 可使次级速度降低为 t s f， 次级齿间距 t 小于极 距 r ， 这样就可以达到电机低速运行的目的n 】 。 2 用 A N S Y S分析电机电磁场并计算电感参数 有限元分析软件 A N S Y S 是 国际流行的融结构、 力、 热 、 流体、 电磁、 声学于一体的大型通用有限元软 件， 可用来分析电磁领域多方面的问题 ， 如电感、 电 容、 磁通量密度、 涡流、 电场分布、 磁力线、 力等。软 件提供了丰富的线性和非线性材料的表达式 ， 包括 各向同性或各 向异 性的磁 导率、 介 电常数 、 材料 的 B一刎曲线和永磁体的退磁 曲线 。后处理功能允许 用户显示磁力线、 磁通密度并进行力、 力矩、 端电压 和其他参数的计算 。 用 A N S Y S进行 电机 电磁场分析 ， 可分为 3个阶 段 前处理 p p r o c e s s o r 、 运行处理 s o l u t i o n 和后处 理 p o s t p r 0 c e s s i n g 】 。 2． 1 前处理 ‘ 这一阶段包括建立分析模型、 定义单元类型、 定 义各部分材料的性质以及网格划分。考虑到电机模 型的对称性 ， 只需要 分析一个极距 内的电机模型。 单元类型选用 P L A N E 5 3单元 ， 四边形 8节点或 6节 点三角形， 有 4个 自由度。定义各种材料属性 非导 磁材料 空气 、 线圈 的相 对磁导 率为 1 ； 铁磁 材料 初级、 次级铁芯 定义为非线性 的， 用磁化曲线来描 述。网格划分采用智能 网格划分工具 ， 网络划分 图 如图 1 所示 。 2． 2 运 行 处 理 这一阶段包括 设定 电枢 、 加边界条件、 施加激 励和运行计算。边界条件为磁力线平行边 界条件。 1 83 维普资讯 V o 1 ． 2 7 N o ． 7 A N S Y S在低速永磁直线同步电机中的应用康润生 ， 等 第 2 7卷第 7期 绕组方式为分布式集 中绕组， 按 照相序依次加载激 励 电流。在定义完线 圈实常数后 ， 把 电流 自由度耦 合到线圈中。设 置静 态分析类型 ， 采 用波前求解器 进行运算求解 。 图 1 网格 划 分 图 Fi g． 1 M e s h s ub di v i s i o n dr awi n g 2． 3后 处 理 前 面的求解仅得到了节点值 ， 也就是节点 自由 度 如矢量磁势 、 电压、 以及 电流等。要得到感兴 趣 的物理量 ， 诸如磁通量 密度 、 磁场强度 、 磁力 以及 涡流电流等， 需通过后处理才能获得。 3 低速永磁直线同步电机的数学模型 低速永磁直线 同步电机初级上有分布的三相绕 组， 次级上装有横向充磁 的永磁体 ， 为分析简便， 永 磁体的作用可 以用一个等效的激磁绕组代替 ， 与初 级三相绕组之间的互感可仅考虑基波的作用。其三 相电压平衡方程式为 。 警 訾 冗 √ 。 警 6 [兰 ] [兰三 三兰 兰三][ ] c⋯os、K～rtx⋯⋯／3] [三 ][尺‘尺 尺。][ ][兰三 兰三 篓 ][； ； ] 告 詈 一 一 [ d L 。 u ． ／ d dL 出 a／ d d L J d x d L Jd x d d L J d d x dL ／ dx dL ／ dx dL ／ dx][i ]一 鲁 一 一 一 。 ． b 儿 。J [ u ] [ R] [ ， ] [ L ] [ ] d x {． d L L． 』 J _． 作者简介 康润生 1 9 5 7一 ， 女． 河 南焦作 人 ． 河 南理 工大 学 电 气工程与 自动化学院副教授 、 硕士生导师 ， 主要研究方向为直线 电机 理论及应用 ． 收稿 日期 2 0 0 6 0 2 2 7 维普资讯