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隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的深入部署，高性能電機(jī)系統(tǒng)成為裝備制造業(yè)向高端化發(fā)展的關(guān)鍵與核心。在直驅(qū)式直線運(yùn)動領(lǐng)域，永磁直線電機(jī)（Permanent Magnet Linear Machines，PMLM）集成了永磁電機(jī)與直線電機(jī)的特性，具有高推力密度、高效率、高精度和高可靠性等顯著優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床、極大規(guī)模集成電路制造裝備、3C產(chǎn)品制造裝備、高速物流系統(tǒng)與無繩電梯等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)電樞與磁極分別在動、定子兩側(cè)，可分為具有高推力密度的有鐵心結(jié)構(gòu)和高動態(tài)響應(yīng)的無鐵心結(jié)構(gòu)。針對高精度應(yīng)用場合的直線伺服系統(tǒng)領(lǐng)域，傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)已在工業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外知名的供應(yīng)商有德國Siemens、美國Kollmorgen、荷蘭Tecnotion、瑞士ETEL、日本Yaskawa、新加坡Akribis、深圳大族和廣州數(shù)控等公司。

在工業(yè)界廣泛應(yīng)用的同時，傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)面臨著兩大問題：①磁極需面貼于次級全行程范圍，永磁體用量大且成本高；②次級帶有強(qiáng)磁性，需要額外安裝隔磁防護(hù)裝置。隨著長行程直驅(qū)式應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，上述兩大問題越發(fā)突出，工業(yè)界急需具有高推力密度和低成本的永磁直線電機(jī)新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

近年來，初級勵磁型永磁直線電機(jī)成為直線電機(jī)領(lǐng)域的一大熱點，逐步得到了深入的研究。顧名思義，初級勵磁型永磁直線電機(jī)將電樞和磁極均放置于初級側(cè)，次級僅由鐵心構(gòu)成，且通常是短初級長次級結(jié)構(gòu)。在長行程應(yīng)用時，永磁體僅位于短初級側(cè)而無需面貼于次級全行程范圍，用量與成本均大幅降低。同時，次級在全行程范圍內(nèi)不再具有強(qiáng)磁性，無需額外安裝隔磁防護(hù)裝置，可以應(yīng)用的領(lǐng)域得到大幅擴(kuò)展。

由此可見，初級勵磁型永磁直線電機(jī)相比于傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)具有獨(dú)特的性能與成本優(yōu)勢，在長行程直驅(qū)式直線運(yùn)動領(lǐng)域，如長行程直線伺服系統(tǒng)、高速物流系統(tǒng)和高速無繩電梯等，具有很高的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。

浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員沈燚明、盧琴芬，在2021年第11期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，針對初級勵磁型永磁直線電機(jī)，回顧并總結(jié)了國內(nèi)外相關(guān)研究的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

他們研究認(rèn)為，初級勵磁型永磁直線電機(jī)相比于傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)具有更加豐富的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點，從推力密度、鐵心飽和度、結(jié)構(gòu)簡易度與可靠性、退磁風(fēng)險等幾個方面對各類初級勵磁型永磁直線電機(jī)的綜合性能進(jìn)行比較：

（1）推力密度

推力密度的定義有多種，常用的主要有單位體積下的推力和單位永磁下的推力。按照單位體積下的推力進(jìn)行比較，初級勵磁型永磁直線電機(jī)的推力密度仍不如傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)，其約為后者的60%~80%；而按照單位永磁下的推力進(jìn)行比較，則初級勵磁型永磁直線電機(jī)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)，并且隨著行程的增加優(yōu)勢更加明顯。在各類初級勵磁型永磁直線電機(jī)中，磁通切換型、磁通反向型和游標(biāo)型永磁直線電機(jī)具有較高的推力密度。

（2）鐵心飽和度

由于永磁體與電樞繞組同時位于初級側(cè)，初級勵磁型永磁直線電機(jī)相比于傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)更容易飽和，因而在設(shè)計時需要綜合考慮推力密度與過載能力，以便選取合適的永磁體尺寸。

（3）結(jié)構(gòu)簡易度與可靠性

對于磁通反向型、游標(biāo)型和槽口永磁型永磁直線電機(jī)，其初級鐵心為整體結(jié)構(gòu)，永磁體以表貼的形式固定在鐵芯上，結(jié)構(gòu)簡單且容易裝配，可靠性較高；而對于磁通切換型、磁通偏置型和初級分裂型永磁直線電機(jī)，初級鐵心模塊化分立，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且裝配困難，可靠性較低。

（4）退磁風(fēng)險

磁通切換型和槽口永磁型永磁直線電機(jī)以并聯(lián)勵磁形式存在，電樞磁場不經(jīng)過永磁體，因而退磁風(fēng)險較低；磁通反向型、游標(biāo)型和磁通偏置型永磁直線電機(jī)以串聯(lián)勵磁形式存在，電樞磁場需要經(jīng)過永磁體，因而存在大規(guī)模退磁的風(fēng)險，需要采用較高工作溫度的永磁體牌號如SH、UH等。

另外，研究人員指出磁通反向型、游標(biāo)型永磁直線電機(jī)及其交替極結(jié)構(gòu)更具有綜合性能優(yōu)勢，值得關(guān)注并進(jìn)一步深入研究，以下給出幾個潛在的研究方向供探討：

（1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

對于磁通反向型和游標(biāo)型永磁直線電機(jī)，各永磁體間漏磁較多，交替極結(jié)構(gòu)雖可以減小部分漏磁，但漏磁問題仍較為突出，需要在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進(jìn)一步優(yōu)化以減小漏磁并提高推力密度。

（2）多物理場作用下電機(jī)系統(tǒng)電磁參數(shù)時變規(guī)律

初級勵磁型永磁直線電機(jī)氣隙磁場相比傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)具有更多的諧波，在非理想激勵及多物理場耦合工況下電磁參數(shù)的變化規(guī)律更為復(fù)雜。為了提高控制精度，需要探明多物理場耦合作用下電機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵電磁參數(shù)時變特征，進(jìn)一步還原電磁參數(shù)與電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)間的映射關(guān)系。

（3）高性能控制策略

初級勵磁型永磁直線電機(jī)本質(zhì)上是一類諧波電機(jī)，相比于傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)這類基波電機(jī)，其氣隙磁場諧波豐富，但定位力及推力波動較大，在伺服領(lǐng)域應(yīng)用時，需要采取額外的控制策略補(bǔ)償定位力及推力波動。因此，初級勵磁型永磁直線電機(jī)高性能控制需要從諧波電機(jī)的電磁參數(shù)出發(fā)，建立電機(jī)系統(tǒng)電磁、變流、控制及負(fù)載參數(shù)間的動態(tài)耦合模型，提高電機(jī)系統(tǒng)整體性能。

研究人員最后總結(jié)指出，初級勵磁型永磁直線電機(jī)研究尚有諸多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，主要有以下幾個方面：

1）新型高推力密度拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計是初級勵磁型永磁直線電機(jī)研究和進(jìn)一步發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

初級勵磁型永磁直線電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然豐富，但其核心的單位體積推力密度指標(biāo)與傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)相比仍有一定距離。因此，需要深刻理解并充分利用初級勵磁型永磁直線電機(jī)氣隙磁場多諧波的特點，構(gòu)造具有更高推力密度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2）寬禁帶電力電子器件及其功率變換技術(shù)的發(fā)展為初級勵磁型永磁直線電機(jī)的高性能控制帶來新的手段。

初級勵磁型永磁直線電機(jī)本質(zhì)上是一類雙凸極結(jié)構(gòu)的諧波電機(jī)，相比于傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)這類基波電機(jī)，其氣隙磁場諧波豐富，但定位力及推力波動較大，在應(yīng)用于高精度伺服領(lǐng)域時，需要采取額外的高性能控制策略用于補(bǔ)償定位力及推力波動。

3）實際工業(yè)應(yīng)用背景下的系統(tǒng)綜合問題。

初級勵磁型永磁直線電機(jī)最有潛力應(yīng)用于長行程直線運(yùn)動領(lǐng)域，如長行程直線伺服系統(tǒng)、高速物流系統(tǒng)和高速無繩電梯等。因此，長行程下電機(jī)系統(tǒng)的初級無線纜供電、無位置傳感器控制、多電機(jī)協(xié)同控制運(yùn)行等系統(tǒng)綜合問題需要重點突破。

本文編自2021年第11期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“初級勵磁型永磁直線電機(jī)研究現(xiàn)狀與展望”，作者為浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院的沈燚明、盧琴芬。