河南理工大學直線電機與現(xiàn)代驅(qū)動研究團隊

“直線電機與現(xiàn)代驅(qū)動”河南省優(yōu)秀創(chuàng)新型科技團隊，始于1986年，是國內(nèi)最早開展直線驅(qū)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(tǒng)”方面的理論和試驗探索工作；2008年被評為河南省創(chuàng)新型科技團隊，2015年獲得河南省優(yōu)秀創(chuàng)新型科技團隊稱號；現(xiàn)團隊帶頭人許孝卓博士。

團隊始終致力于直線電機與現(xiàn)代驅(qū)動、礦山電氣等方面的理論研究、科技創(chuàng)新，以及成果轉(zhuǎn)化；發(fā)表論文200余篇，SCI、EI收錄近百篇；獲省部級科研獎勵6項，發(fā)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(qū)快速電梯樣機

圖2 直驅(qū)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(shù)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(lǐng)域，創(chuàng)建了“行程20m、載荷3.6t”首臺直驅(qū)快速電梯樣機（圖1）、“行程4m、載荷400kg”低速直驅(qū)升降平臺，直驅(qū)多轎廂載物電梯樣機（圖2）以及多動子循環(huán)系統(tǒng)開發(fā)平臺等。

直線電機無繩提升系統(tǒng)依靠直線電機直接驅(qū)動轎廂，無需曳引繩，提升高度不受限制，能實現(xiàn)多轎廂循環(huán)運行，大幅減少井道數(shù)量、節(jié)省建筑空間、運輸效率高，在高層電梯、物流倉儲系統(tǒng)，以及立體交通等領(lǐng)域應用潛力巨大。但其無繩化、無配重、直接驅(qū)動模式，也對直線電機驅(qū)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(qū)動源電機提供了新的技術(shù)方案。

研究背景

傳統(tǒng)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(qū)提升系統(tǒng)，以其結(jié)構(gòu)緊湊、提升速度和高度不受限制、可實現(xiàn)多轎廂（罐籠）運行等顯著優(yōu)點，受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注；而永磁同步直線電機(PMSLM)推力密度大、效率高是其理想驅(qū)動源之一。PMSLM直驅(qū)提升系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)，都會存在長行程下直驅(qū)提升系統(tǒng)造價高昂的問題：動初級結(jié)構(gòu)，長次級采用永磁磁極，磁鋼用量必然較大；動次級結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，永磁體利用率更高，推力性能更優(yōu)越，在一定程度上滿足垂直提升對驅(qū)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(lǐng)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(qū)動布置方式，提高永磁體利用率，實現(xiàn)更高推力密度，對于系統(tǒng)成本控制至關(guān)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(qū)提升系統(tǒng)的驅(qū)動源帶來了新的觀點?？赏茝V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(lǐng)域，具有很好的理論研究和推廣應用價值。

論文方法及創(chuàng)新點

該文首先通過對US-PMSPLM的結(jié)構(gòu)和磁路分析，建立其等效磁路模型，計算永磁體產(chǎn)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(yōu)化設(shè)計；最后，制作樣機進行實驗，驗證有限元結(jié)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(jié)果。

該文的創(chuàng)新之處在于，提出一種US-PMSPLM，采用U型永磁凸極次級結(jié)構(gòu)，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(jié)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(yōu)化設(shè)計，并進行了樣機實驗；結(jié)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(jié)構(gòu)及電磁特性[J]. 電工技術(shù)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.