近年來，隨著高層建筑不斷向空中延伸，礦山不斷向深井開采挖掘，對(duì)提升機(jī)的效率、提升能力、安全性提出了更高的要求。永磁同步直線電機(jī)（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,PMLSM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)特性好、力能指標(biāo)高、推力密度大等特點(diǎn)，用它驅(qū)動(dòng)的垂直提升系統(tǒng)具有安全性好、效率高、提升能力大、適應(yīng)惡劣環(huán)境、可實(shí)現(xiàn)多轎廂（罐籠）同時(shí)運(yùn)行等顯著優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于高層建筑電梯和礦井提升機(jī)，是垂直提升領(lǐng)域首選的驅(qū)動(dòng)源。

但是，在長(zhǎng)行程應(yīng)用中，需要沿軌道鋪設(shè)初級(jí)繞組或永磁體，導(dǎo)致成本激增，限制了永磁同步直線電機(jī)在長(zhǎng)行程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

交替極永磁同步直線電機(jī)（Consequent-Pole PMLSM, CP-PMLSM）的次級(jí)永磁體沿徑向?yàn)橥瑯O性排列，相鄰永磁體之間的鐵心凸極被相應(yīng)磁化成沿徑向的異極性，從而永磁體磁極與鐵心凸極構(gòu)成極性交替分布結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)交替極結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行了研究以提高永磁利用率。

文獻(xiàn)[5-6]提出了磁通反向永磁同步直線電機(jī)的交替極結(jié)構(gòu)，用以減少漏磁，提高永磁材料的利用率。文獻(xiàn)[7-9]提出利用一種新穎的繞組布置配合多臺(tái)單元電機(jī)模塊組合方式減少交替極永磁同步直線電機(jī)的磁阻力。文獻(xiàn)[10-11]的分析表明，與同樣槽極數(shù)的徑向充磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，采用交替極結(jié)構(gòu)的電機(jī)能獲得類似的轉(zhuǎn)矩性能。

文獻(xiàn)[12]對(duì)比了相同槽數(shù)和極數(shù)的傳統(tǒng)隱極式與交替極結(jié)構(gòu)的永磁同步直線電機(jī)，表明交替極結(jié)構(gòu)的永磁同步直線電機(jī)具有更高的永磁利用率。文獻(xiàn)[13]分析了交替極永磁同步直線電機(jī)的參數(shù)特性，當(dāng)永磁極高度與氣隙厚度的比在一定范圍內(nèi)時(shí)，電機(jī)出力與隱極式永磁同步直線電機(jī)接近。以上研究表明，無論是在旋轉(zhuǎn)電機(jī)還是直線電機(jī)中，采用交替極結(jié)構(gòu)均有助于提高永磁材料的利用率，降低材料成本。

傳統(tǒng)永磁電機(jī)的次級(jí)多采用徑向或切向永磁體陣列，而Halbach永磁陣列則是一種將徑向和切向相結(jié)合的復(fù)合磁體結(jié)構(gòu)，在Halbach永磁陣列中，不同充磁方向的永磁體按照一定規(guī)則排列，與傳統(tǒng)隱極式排列相比，Halbach永磁陣列可以獲得更大的氣隙磁通密度。

文獻(xiàn)[17]在永磁同步直線電機(jī)中采用Halbach磁極結(jié)構(gòu)，使氣隙磁通密度增大，同時(shí)可以通過減小電樞電流的方式提高電機(jī)的效率。文獻(xiàn)[18]提出并分析了一種磁極組合式的Halbach永磁陣列軸向磁場(chǎng)無鐵心電機(jī)，其Halbach陣列由永磁體以及嵌在永磁體中間的軟磁材料構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)減少了稀土永磁材料的用量，從而降低電機(jī)成本。

本文結(jié)合Halbach磁體陣列和交替極磁體陣列的特點(diǎn)，提出一種Halbach交替極永磁同步直線電機(jī)（Hallbach CP-PMLSM, HCP-PMLSM），利用有限元法，分析了電機(jī)的氣隙磁通密度、反電動(dòng)勢(shì)、推力等電磁特性，將HCP-PMLSM分別與隱極式永磁同步直線電機(jī)（Non-Salient PMLSM, NS-PMLSM）和交替極永磁同步直線電機(jī)（CP-PMLSM）進(jìn)行了對(duì)比，并優(yōu)化了HCP-PMLSM的磁極尺寸以進(jìn)一步提高其推力。

其次，針對(duì)HCP-PMLSM推力波動(dòng)偏大的問題，采用雙邊錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)HCP-PMLSM對(duì)推力波動(dòng)進(jìn)行了抑制。最后，制作了雙邊錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)HCP-PMLSM樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖1三種電機(jī)橫截面示意圖

圖17 HCP-PMLSM樣機(jī)

結(jié)論

本文提出一種永磁少、推力密度高的Halbach交替極永磁同步直線電機(jī)，并對(duì)其電磁特性進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)HCP-PMLSM次級(jí)凸極帶來推力波動(dòng)偏大的問題，提出采用次級(jí)雙邊錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)方案來優(yōu)化電機(jī)性能，并對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，得到以下結(jié)論：

1）通過在交替極結(jié)構(gòu)中增加兩塊切向充磁的永磁體，構(gòu)成Halbach交替極結(jié)構(gòu)，減少了極間漏磁，增強(qiáng)了氣隙磁通密度。采用Halbach交替極永磁同步直線電機(jī)具有永磁消耗少、推力密度高的特點(diǎn)。

2）與非錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)HCP-PMLSM相比，雙邊錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)HCP-PMLSM的性能得到優(yōu)化，自感的變化率由1.97%下降到1.00%，反電動(dòng)勢(shì)的諧波畸變率由3.12%下降到2.89%，磁阻力的峰-峰值由78.6N下降到7.2 N，輸出推力波動(dòng)由1.88%下降到0.7%。

3）與同結(jié)構(gòu)參數(shù)的NS-PMLSM相比，HCP-PMLSM在其72.5%的永磁用量下，平均推力基本不變，當(dāng)采用其特有的雙邊錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)后，可以實(shí)現(xiàn)比NS-PMLSM更小的推力波動(dòng)。在長(zhǎng)行程應(yīng)用中，HCP-PMLSM節(jié)省成本的優(yōu)勢(shì)將更加顯著，是一種高性價(jià)比的優(yōu)選方案。