Halbach交替极永磁同步直线电机特性分析
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
河南理工大学电气工程与自动化学院的研究人员许孝卓、孙震、汪旭东、封海潮、杜宝玉，在2019年第9期《电工技术学报》上撰文，提出一种Halbach交替极永磁同步直线电机（HCP-PMLSM），利用有限元法对隐极、交替极和Halbach交替极三种次级结构永磁同步直线电机的空载电动势、电磁推力、磁阻力及推力波动等电磁特性进行计算与对比，并优化了HCP-PMLSM的磁极尺寸，以进一步提高其推力。
针对HCP-PMLSM推力波动偏大的问题，提出一种次级双边错齿结构HCP-PMLSM对推力波动进行抑制，并分析了HCP-PMLSM的自感、反电动势、推力和推力波动等电磁特性。最后，制作了双边错齿结构HCP-PMLSM样机，并进行了实验，实验结果验证了理论分析的正确性。
近年来，随着高层建筑不断向空中延伸，矿山不断向深井开采挖掘，对提升机的效率、提升能力、安全性提出了更高的要求。永磁同步直线电机（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,PMLSM）具有结构简单、动态特性好、力能指标高、推力密度大等特点，用它驱动的垂直提升系统具有安全性好、效率高、提升能力大、适应恶劣环境、可实现多轿厢（罐笼）同时运行等显著优点，可广泛应用于高层建筑电梯和矿井提升机，是垂直提升领域首选的驱动源。
但是，在长行程应用中，需要沿轨道铺设初级绕组或永磁体，导致成本激增，限制了永磁同步直线电机在长行程领域的推广应用。
交替极永磁同步直线电机（Consequent-Pole PMLSM, CP-PMLSM）的次级永磁体沿径向为同极性排列，相邻永磁体之间的铁心凸极被相应磁化成沿径向的异极性，从而永磁体磁极与铁心凸极构成极性交替分布结构。国内外许多学者对交替极结构的电机进行了研究以提高永磁利用率。
文献[5-6]提出了磁通反向永磁同步直线电机的交替极结构，用以减少漏磁，提高永磁材料的利用率。文献[7-9]提出利用一种新颖的绕组布置配合多台单元电机模块组合方式减少交替极永磁同步直线电机的磁阻力。文献[10-11]的分析表明，与同样槽极数的径向充磁旋转电机相比，采用交替极结构的电机能获得类似的转矩性能。
文献[12]对比了相同槽数和极数的传统隐极式与交替极结构的永磁同步直线电机，表明交替极结构的永磁同步直线电机具有更高的永磁利用率。文献[13]分析了交替极永磁同步直线电机的参数特性，当永磁极高度与气隙厚度的比在一定范围内时，电机出力与隐极式永磁同步直线电机接近。以上研究表明，无论是在旋转电机还是直线电机中，采用交替极结构均有助于提高永磁材料的利用率，降低材料成本。
传统永磁电机的次级多采用径向或切向永磁体阵列，而Halbach永磁阵列则是一种将径向和切向相结合的复合磁体结构，在Halbach永磁阵列中，不同充磁方向的永磁体按照一定规则排列，与传统隐极式排列相比，Halbach永磁阵列可以获得更大的气隙磁通密度。
文献[17]在永磁同步直线电机中采用Halbach磁极结构，使气隙磁通密度增大，同时可以通过减小电枢电流的方式提高电机的效率。文献[18]提出并分析了一种磁极组合式的Halbach永磁阵列轴向磁场无铁心电机，其Halbach阵列由永磁体以及嵌在永磁体中间的软磁材料构成，这种结构减少了稀土永磁材料的用量，从而降低电机成本。
本文结合Halbach磁体阵列和交替极磁体阵列的特点，提出一种Halbach交替极永磁同步直线电机（Hallbach CP-PMLSM, HCP-PMLSM），利用有限元法，分析了电机的气隙磁通密度、反电动势、推力等电磁特性，将HCP-PMLSM分别与隐极式永磁同步直线电机（Non-Salient PMLSM, NS-PMLSM）和交替极永磁同步直线电机（CP-PMLSM）进行了对比，并优化了HCP-PMLSM的磁极尺寸以进一步提高其推力。
其次，针对HCP-PMLSM推力波动偏大的问题，采用双边错齿结构HCP-PMLSM对推力波动进行了抑制。最后，制作了双边错齿结构HCP-PMLSM样机，并进行了实验，实验结果验证了理论分析的正确性。
图1三种电机横截面示意图
图17 HCP-PMLSM样机
本文提出一种永磁少、推力密度高的Halbach交替极永磁同步直线电机，并对其电磁特性进行了分析。在此基础上，针对HCP-PMLSM次级凸极带来推力波动偏大的问题，提出采用次级双边错齿结构方案来优化电机性能，并对这种结构进行深入分析，得到以下结论：
1）通过在交替极结构中增加两块切向充磁的永磁体，构成Halbach交替极结构，减少了极间漏磁，增强了气隙磁通密度。采用Halbach交替极永磁同步直线电机具有永磁消耗少、推力密度高的特点。
2）与非错齿结构HCP-PMLSM相比，双边错齿结构HCP-PMLSM的性能得到优化，自感的变化率由1.97%下降到1.00%，反电动势的谐波畸变率由3.12%下降到2.89%，磁阻力的峰-峰值由78.6N下降到7.2 N，输出推力波动由1.88%下降到0.7%。
3）与同结构参数的NS-PMLSM相比，HCP-PMLSM在其72.5%的永磁用量下，平均推力基本不变，当采用其特有的双边错齿结构后，可以实现比NS-PMLSM更小的推力波动。在长行程应用中，HCP-PMLSM节省成本的优势将更加显著，是一种高性价比的优选方案。