河南理工大学许孝卓、封海潮 等：U型永磁凸极直线电机结构及电磁特性
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河南理工大学直线电机与现代驱动研究团队
“直线电机与现代驱动”河南省优秀创新型科技团队，始于1986年，是国内最早开展直线驱动专题研究的团队之一；1992年起开始“直线同步电机垂直运输系统”方面的理论和试验探索工作；2008年被评为河南省创新型科技团队，2015年获得河南省优秀创新型科技团队称号；现团队带头人许孝卓博士。
团队始终致力于直线电机与现代驱动、矿山电气等方面的理论研究、科技创新，以及成果转化；发表论文200余篇，SCI、EI收录近百篇；获省部级科研奖励6项，发明专利30余项；承担国家基金、省杰出人才基金等国家级、省部级项目50余项。
图1 直驱快速电梯样机
图2 直驱多轿厢载物电梯样机
近年来团队致力于直线电机理论及应用技术研究，取得多项具有重要意义的研究成果，尤其在直线电机垂直运输领域，创建了“行程20m、载荷3.6t”首台直驱快速电梯样机（图1）、“行程4m、载荷400kg”低速直驱升降平台，直驱多轿厢载物电梯样机（图2）以及多动子循环系统开发平台等。
直线电机无绳提升系统依靠直线电机直接驱动轿厢，无需曳引绳，提升高度不受限制，能实现多轿厢循环运行，大幅减少井道数量、节省建筑空间、运输效率高，在高层电梯、物流仓储系统，以及立体交通等领域应用潜力巨大。但其无绳化、无配重、直接驱动模式，也对直线电机驱动源的推力密度、综合成本提出更高要求。为此该文提出一种U型永磁凸极直线电机，永磁利用率高、推力密度大，为驱动源电机提供了新的技术方案。
研究背景
传统曳引提升已难以满足高层、超高层建筑的需求；直线电机直驱提升系统，以其结构紧凑、提升速度和高度不受限制、可实现多轿厢（罐笼）运行等显著优点，受到国内外学者的广泛关注；而永磁同步直线电机(PMSLM)推力密度大、效率高是其理想驱动源之一。PMSLM直驱提升系统，在运行方式上可采用动初级的短初级长次级，或者动次级的短次级长初级两种布置方式。
但无论是动初级还是动次级结构，都会存在长行程下直驱提升系统造价高昂的问题：动初级结构，长次级采用永磁磁极，磁钢用量必然较大；动次级结构，长初级绕组铜用量巨大。
该文提出一种U型永磁凸极直线电机(US-PMSPLM)，其次级永磁采用U型结构，永磁体利用率更高，推力性能更优越，在一定程度上满足垂直提升对驱动源电机大推力的性能要求和长行程下的永磁体成本控制。
论文所解决的问题及意义
在要求大推力、长行程的垂直提升应用领域，受布置方式、安装空间等限制，对PMSLM提出了更高的要求，尤其是采用短初级、长次级、动初级式的驱动布置方式，提高永磁体利用率，实现更高推力密度，对于系统成本控制至关重要。
该文提出的US-PMSPLM（图1），与隐极型永磁同步直线电机(NS-PMSLM)相比，在相同的电负荷、磁负荷以及等永磁体用量的条件下，具有更高的气隙磁密，可获得更高的反电势和电磁推力。
图1 U型永磁凸极直线电机（US-PMSPLM）
该文所提出的US-PMSPLM为直线电机直驱提升系统的驱动源带来了新的观点。可推广用于矿井提升机、建筑电梯、油田抽油机、舰载升降机、立体仓储等多个领域，具有很好的理论研究和推广应用价值。
论文方法及创新点
该文首先通过对US-PMSPLM的结构和磁路分析，建立其等效磁路模型，计算永磁体产生的气隙磁通；其次，采用有限元法建立电机仿真模型，对电磁特性进行对比分析与优化设计；最后，制作样机进行实验，验证有限元结果的正确性。图2位US-PMSPLM样机；图3和图4为US-PMSPLM与NS-PMSLM对比结果。
该文的创新之处在于，提出一种US-PMSPLM，采用U型永磁凸极次级结构，利用U型永磁阵列和凸铁极，形成凸极效应和聚磁效果，减小等效电磁气隙长度，减少漏磁，提高永磁体的利用率，进而获取更高的气隙磁通密度和反电动势，从而得到更大的推力。
图2 US-PMSPLM样机
图3 反电动势对比
图4 推力对比
结论
该文提出了一种次级U型永磁凸极直线电机，搭建了等效磁路模型，完成了有限元建模、特性分析以及推力优化设计，并进行了样机实验；结果表明：与相同初级和等永磁体用量的NS-PMSLM相比，US-PMSPLM具有更高的气隙磁通密度，进而提高了电机空载反电动势和电磁推力，在一定程度上降低了永磁成本；但由于U型永磁的凸极效应，电机推力波动有所增加，对其控制提出更高要求。
引用本文
许孝卓, 封海潮, 艾立旺, 杜宝玉, 吉升阳. U型永磁凸极直线电机结构及电磁特性[J]. 电工技术学报, 2021, 36(6): 1179-1189. Xu Xiaozhuo, Feng Haichao, Ai Liwang, Du Baoyu, Ji Shengyang. Structure and Electromagnetic Characteristics of U-Shaped Permanent Magnet Salient Pole Linear Motor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1179-1189.
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201128