河南理工大學直線電機與現代驅動研究團隊

“直線電機與現代驅動”河南省優秀創新型科技團隊，始于1986年，是國內最早開展直線驅動專題研究的團隊之一；1992年起開始“直線同步電機垂直運輸系統”方面的理論和試驗探索工作；2008年被評為河南省創新型科技團隊，2015年獲得河南省優秀創新型科技團隊稱號；現團隊帶頭人許孝卓博士。

團隊始終致力于直線電機與現代驅動、礦山電氣等方面的理論研究、科技創新，以及成果轉化；發表論文200余篇，SCI、EI收錄近百篇；獲省部級科研獎勵6項，發明專利30余項；承擔國家基金、省杰出人才基金等國家級、省部級項目50余項。

圖1 直驅快速電梯樣機

圖2 直驅多轎廂載物電梯樣機

近年來團隊致力于直線電機理論及應用技術研究，取得多項具有重要意義的研究成果，尤其在直線電機垂直運輸領域，創建了“行程20m、載荷3.6t”首臺直驅快速電梯樣機（圖1）、“行程4m、載荷400kg”低速直驅升降平臺，直驅多轎廂載物電梯樣機（圖2）以及多動子循環系統開發平臺等。

直線電機無繩提升系統依靠直線電機直接驅動轎廂，無需曳引繩，提升高度不受限制，能實現多轎廂循環運行，大幅減少井道數量、節省建筑空間、運輸效率高，在高層電梯、物流倉儲系統，以及立體交通等領域應用潛力巨大。但其無繩化、無配重、直接驅動模式，也對直線電機驅動源的推力密度、綜合成本提出更高要求。為此該文提出一種U型永磁凸極直線電機，永磁利用率高、推力密度大，為驅動源電機提供了新的技術方案。

研究背景

傳統曳引提升已難以滿足高層、超高層建筑的需求；直線電機直驅提升系統，以其結構緊湊、提升速度和高度不受限制、可實現多轎廂（罐籠）運行等顯著優點，受到國內外學者的廣泛關注；而永磁同步直線電機(PMSLM)推力密度大、效率高是其理想驅動源之一。PMSLM直驅提升系統，在運行方式上可采用動初級的短初級長次級，或者動次級的短次級長初級兩種布置方式。

但無論是動初級還是動次級結構，都會存在長行程下直驅提升系統造價高昂的問題：動初級結構，長次級采用永磁磁極，磁鋼用量必然較大；動次級結構，長初級繞組銅用量巨大。

該文提出一種U型永磁凸極直線電機(US-PMSPLM)，其次級永磁采用U型結構，永磁體利用率更高，推力性能更優越，在一定程度上滿足垂直提升對驅動源電機大推力的性能要求和長行程下的永磁體成本控制。

論文所解決的問題及意義

在要求大推力、長行程的垂直提升應用領域，受布置方式、安裝空間等限制，對PMSLM提出了更高的要求，尤其是采用短初級、長次級、動初級式的驅動布置方式，提高永磁體利用率，實現更高推力密度，對于系統成本控制至關重要。

該文提出的US-PMSPLM（圖3），與隱極型永磁同步直線電機(NS-PMSLM)相比，在相同的電負荷、磁負荷以及等永磁體用量的條件下，具有更高的氣隙磁密，可獲得更高的反電勢和電磁推力。

圖3 U型永磁凸極直線電機

該文所提出的US-PMSPLM為直線電機直驅提升系統的驅動源帶來了新的觀點。可推廣用于礦井提升機、建筑電梯、油田抽油機、艦載升降機、立體倉儲等多個領域，具有很好的理論研究和推廣應用價值。

論文方法及創新點

該文首先通過對US-PMSPLM的結構和磁路分析，建立其等效磁路模型，計算永磁體產生的氣隙磁通；其次，采用有限元法建立電機仿真模型，對電磁特性進行對比分析與優化設計；最后，制作樣機進行實驗，驗證有限元結果的正確性。圖4為US-PMSPLM樣機；圖5和圖6為US-PMSPLM與NS-PMSLM對比結果。

該文的創新之處在于，提出一種US-PMSPLM，采用U型永磁凸極次級結構，利用U型永磁陣列和凸鐵極，形成凸極效應和聚磁效果，減小等效電磁氣隙長度，減少漏磁，提高永磁體的利用率，進而獲取更高的氣隙磁通密度和反電動勢，從而得到更大的推力。

圖4 US-PMSPLM樣機

圖5 反電動勢對比

圖6 推力對比

結論

該文提出了一種次級U型永磁凸極直線電機，搭建了等效磁路模型，完成了有限元建模、特性分析以及推力優化設計，并進行了樣機實驗；結果表明：與相同初級和等永磁體用量的NS-PMSLM相比，US-PMSPLM具有更高的氣隙磁通密度，進而提高了電機空載反電動勢和電磁推力，在一定程度上降低了永磁成本；但由于U型永磁的凸極效應，電機推力波動有所增加，對其控制提出更高要求。

引用本文

許孝卓， 封海潮， 艾立旺， 杜寶玉， 吉升陽. U型永磁凸極直線電機結構及電磁特性[J]. 電工技術學報， 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.