河南理工大學(xué)直線電機(jī)與現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)研究團(tuán)隊(duì)

“直線電機(jī)與現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)”河南省優(yōu)秀創(chuàng)新型科技團(tuán)隊(duì)，始于1986年，是國內(nèi)最早開展直線驅(qū)動(dòng)專題研究的團(tuán)隊(duì)之一；1992年起開始“直線同步電機(jī)垂直運(yùn)輸系統(tǒng)”方面的理論和試驗(yàn)探索工作；2008年被評(píng)為河南省創(chuàng)新型科技團(tuán)隊(duì)，2015年獲得河南省優(yōu)秀創(chuàng)新型科技團(tuán)隊(duì)稱號(hào)；現(xiàn)團(tuán)隊(duì)帶頭人許孝卓博士。

團(tuán)隊(duì)始終致力于直線電機(jī)與現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)、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(jí)科研獎(jiǎng)勵(lì)6項(xiàng)，發(fā)明專利30余項(xiàng)；承擔(dān)國家基金、省杰出人才基金等國家級(jí)、省部級(jí)項(xiàng)目50余項(xiàng)。

圖1 直驅(qū)快速電梯樣機(jī)

圖2 直驅(qū)多轎廂載物電梯樣機(jī)

近年來團(tuán)隊(duì)致力于直線電機(jī)理論及應(yīng)用技術(shù)研究，取得多項(xiàng)具有重要意義的研究成果，尤其在直線電機(jī)垂直運(yùn)輸領(lǐng)域，創(chuàng)建了“行程20m、載荷3.6t”首臺(tái)直驅(qū)快速電梯樣機(jī)（圖1）、“行程4m、載荷400kg”低速直驅(qū)升降平臺(tái)，直驅(qū)多轎廂載物電梯樣機(jī)（圖2）以及多動(dòng)子循環(huán)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)等。

直線電機(jī)無繩提升系統(tǒng)依靠直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)轎廂，無需曳引繩，提升高度不受限制，能實(shí)現(xiàn)多轎廂循環(huán)運(yùn)行，大幅減少井道數(shù)量、節(jié)省建筑空間、運(yùn)輸效率高，在高層電梯、物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)，以及立體交通等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。但其無繩化、無配重、直接驅(qū)動(dòng)模式，也對(duì)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)，永磁利用率高、推力密度大，為驅(qū)動(dòng)源電機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)多轎廂（罐籠）運(yùn)行等顯著優(yōu)點(diǎn)，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注；而永磁同步直線電機(jī)(PMSLM)推力密度大、效率高是其理想驅(qū)動(dòng)源之一。PMSLM直驅(qū)提升系統(tǒng)，在運(yùn)行方式上可采用動(dòng)初級(jí)的短初級(jí)長次級(jí)，或者動(dòng)次級(jí)的短次級(jí)長初級(jí)兩種布置方式。

但無論是動(dòng)初級(jí)還是動(dòng)次級(jí)結(jié)構(gòu)，都會(huì)存在長行程下直驅(qū)提升系統(tǒng)造價(jià)高昂的問題：動(dòng)初級(jí)結(jié)構(gòu)，長次級(jí)采用永磁磁極，磁鋼用量必然較大；動(dòng)次級(jí)結(jié)構(gòu)，長初級(jí)繞組銅用量巨大。

該文提出一種U型永磁凸極直線電機(jī)(US-PMSPLM)，其次級(jí)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(duì)驅(qū)動(dòng)源電機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域，受布置方式、安裝空間等限制，對(duì)PMSLM提出了更高的要求，尤其是采用短初級(jí)、長次級(jí)、動(dòng)初級(jí)式的驅(qū)動(dòng)布置方式，提高永磁體利用率，實(shí)現(xiàn)更高推力密度，對(duì)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(jī)(NS-PMSLM)相比，在相同的電負(fù)荷、磁負(fù)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(jī)

該文所提出的US-PMSPLM為直線電機(jī)直驅(qū)提升系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)源帶來了新的觀點(diǎn)?？赏茝V用于礦井提升機(jī)、建筑電梯、油田抽油機(jī)、艦載升降機(jī)、立體倉儲(chǔ)等多個(gè)領(lǐng)域，具有很好的理論研究和推廣應(yīng)用價(jià)值。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

該文首先通過對(duì)US-PMSPLM的結(jié)構(gòu)和磁路分析，建立其等效磁路模型，計(jì)算永磁體產(chǎn)生的氣隙磁通；其次，采用有限元法建立電機(jī)仿真模型，對(duì)電磁特性進(jìn)行對(duì)比分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)；最后，制作樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證有限元結(jié)果的正確性。圖4為US-PMSPLM樣機(jī)；圖5和圖6為US-PMSPLM與NS-PMSLM對(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)，利用U型永磁陣列和凸鐵極，形成凸極效應(yīng)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(jìn)而獲取更高的氣隙磁通密度和反電動(dòng)勢，從而得到更大的推力。

圖4 US-PMSPLM樣機(jī)

圖5 反電動(dòng)勢對(duì)比

圖6 推力對(duì)比

結(jié)論

該文提出了一種次級(jí)U型永磁凸極直線電機(jī)，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(jì)，并進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)；結(jié)果表明：與相同初級(jí)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(jìn)而提高了電機(jī)空載反電動(dòng)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(yīng)，電機(jī)推力波動(dòng)有所增加，對(duì)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(jī)結(jié)構(gòu)及電磁特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 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.