U型永磁開關磁鏈直線電機特性分析及優化

汪旭東，肖馳，封海潮

(河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454003)

0 引 言

隨著現代科技與工業的發展，垂直提升系統已廣泛應用于礦井開采、立體停車場、實用電梯和其他工業領域[1-2]。目前，垂直提升系統主要采用兩種驅動方式：旋轉電機驅動和直線電機驅動。傳統旋轉電機驅動的曳引系統存在難以克服的問題：提升高度受鋼絲繩、提升容量和安全系數等因數限制；單井道單轎廂運行使得井道利用率低下且候梯時間長；鋼絲繩易于磨損導致運行費用高等[3-4]。與傳統曳引系統相比，直線電機驅動的無繩提升系統具有多種優勢：結構簡單，安全可靠，不需鋼絲繩、中間傳動裝置以及頂層提升機房；提升高度和提升速度不受限制；能夠實現單井道多轎廂獨立運行，以及立體循環運行，大大提升了空間利用率和工作效率；安全程度高，基建維護成本低，高效節能，是傳統曳引系統及其他提升系統的理想替代品。

因此，直線電機具有取代傳統旋轉電機驅動長行程無繩提升系統的趨勢[5-6]。目前無繩提升領域的主要電機驅動源分為兩類，直線感應電機驅動與永磁直線同步電機驅動，兩者各有優缺。直線感應電機的驅動源成本低、結構簡單、魯棒性強，但效率、功率因數較低；永磁直線同步電機的驅動源推力密度大、效率高，但無論是動初級還是動次級結構都會存在長行程無繩提升系統造價高昂的問題[7-9]。相較于兩者，永磁開關磁鏈直線電機既具有直線感應電機結構簡單、魯棒強的特點又結合直線永磁同步電機功率因數高、效率高的優勢，使該類電機應用于長行程無繩提升領域成為了可能[9-11]。因此，研究永磁開關磁鏈直線電機在無繩提升領域上的應用具有重要的意義。

由于永磁開關磁鏈直線電機(permanent magnet flux-switching linear motor,PMFSLM)將僅由硅鋼片組成的次級作為長定子，而把昂貴的永磁體與繞組安裝在短動子上，因此電機總體成本較低[12-13]。國內外諸多學者對該類電機進行全面而深入的研究[14]。文獻[15]針對電磁彈射領域提出雙邊無軛次級PMFSLM，減少次級軛部，同時根據該電機的架構參數設計3種不同結構的直線感應電機，優化結構參數，并與之進行電磁特性對比，得出雙邊無軛次級PMFSLM具有效率高、功率因數高等優勢。文獻[16]提出雙邊無軛初級PMFSLM，減少初級軛部并增加多齒結構，有效地減少齒槽力。文獻[17]提出一種九相模塊化混合勵磁PMFSLM，深入分析最優極槽配合九相模塊化混合勵磁PMFSLM的電磁性能，通過三維有限元驗證，可以得出所提出電機具有推力密度高、容錯性能好、磁場可調等優點。文獻[18]提出了一種新型解耦模塊化PMFSLM，將初級鐵心開槽處理嵌入永磁體，提高了結構強度，與常規的正弦電流驅動PMFSLM相比該電機采用方波電流流驅動，減少磁耦合，且有效地抑制齒槽力和推力波動。目前少有文獻將PMFSLM應用于長行程的無繩提升領域。

就此，本文提出一種U型永磁開關磁鏈直線電機(U-type permanent magnet flux-switching linear motor,UPM-FSLM)應用于無繩提升系統。無繩提升系統一般由多個單元電機組成，有利于提高運行容錯能力。因此，本文通過對單元電機的U型永磁結構設計，有效減少漏磁現象，U型永磁內外側鐵心由硅鋼片組成，提高了該電機的結構強度，為之后無繩提升系統提供前期研究基礎。首先介紹了UPM-FSLM的拓撲結構與工作機理，利用有限元分析了電機的靜態磁場分布、反電動勢、電磁推力、推力波動、效率及功率因數等電磁特性，并將其與傳統的PMFSLM進行了對比，接著對其在無繩提升系統的應用進行分析，然后為了進一步提高推力密度、降低推力波動，對所提出電機的初級槽型與次級齒形進行優化，最后進行總結。

傳統的PMFSLM的單元電機截面如圖1(a)所示，初級繞組均為集中繞組。每一片PM夾在兩個鐵心模塊之間，且相鄰PM的充磁方向相反，這種舉措容易造成頂端漏磁現象導致永磁體利用率減少。而UPM-FSLM將永磁體排列呈U型結構能夠有效減少永磁體漏磁現象并提高永磁體利用率。電機初級中U型結構是由5塊永磁體組成，其充磁方向如圖2(b)所示。

圖1 傳統PMFSLM與UPM-FSLM的截面圖Fig.1 Partial cross section of PMFSLM and UPM-FSLM

傳統PMFSLM初級結構強度欠佳且存在頂端漏磁現象，為解決其固有結構缺陷問題，本文提出了U型永磁結構的PMFSLM并參照傳統PMFSLM的結構參數，設計了UPM-FSLM。兩種電機的基本尺寸如圖2所示，具體結構參數見表1。

圖2 傳統PMFSLM與UPM-FSLM的基本尺寸圖Fig.2 Basic size of PMFSLM and UPM-FSLM

表1中，UPM-FSLM與傳統PMFSLM保持相同的永磁體用量和初級槽面積；由于U型永磁結構，初級永磁體的存在使得電機初級軛部由53 mm調整為66 mm，電機初級有效部分的體積增加了24.5%。

表1 傳統PMFSLM與UPM-FSLM的主要設計參數Table 1 Main design parameters of PMFSLM and UPM-FSLM

UPM-FSLM的工作過程遵循“磁路路徑最短原則”，即動子總是向著磁路路徑最短的位置移動，UPM-FSLM的工作過程如圖3所示。當動子運動到位置1時，在A2線圈感應的磁通達到正最大值。當動子運動到位置2時，A2線圈的磁鏈方向固定不變。隨著次級運動，線圈感應的磁通周期性變化會引起正弦反電勢。

圖3 UPM-FSLM的工作過程圖Fig.3 Work process of coil A2 at different mover positions

為了保證比較的公平性，本文制定了以下比較原則：

1)保證UPM-FSLM和傳統PMFSLM的永磁體用量相同；

2)UPM-FSLM的初級極距、齒高、齒寬，繞組匝數、線徑，氣隙寬度，次級極距、齒高、齒寬、軛高，軸向長度和徑向長度等結構參數與PMFSLM保持一致；

3)兩種電機額定電流與動子額定速度保持不變。

文中圖4給出了傳統PMFSLM與UPM-FSLM的空載磁密分布和磁力線分布圖。由圖4(a)傳統PMFSLM的磁密云圖可以看出，僅在齒尖位置存在少許局部飽和，對電機推力影響較小。由于傳統PMFSLM是兩塊磁鋼中間放入永磁體的結構，使初級軛部永磁體與部分軛鐵形成磁力線，不經過初級齒端流向次級而在初級上方形成磁場，產生漏磁通。這也是對傳統PMFSLM進行優化設計的原因之一。由圖4(b)給出的UPM-FSLM的磁密云圖和磁力線分布情況可以看出，U型永磁結構能夠很好地解決傳統PMFSLM存在的初級頂部漏磁問題，減小漏磁對電機性能影響并有效提高PM的利用率。UPM-FSLM和傳統PMFSLM的氣隙磁密分布曲線如圖5所示。

圖4 傳統PMFSLM與UPM-FSLM空載磁密分布圖Fig.4 Open-circuit flux distributions of PMFSLM and UPM-FSLM

圖5 傳統PMFSLM與UPM-FSLM氣隙磁密分布曲線Fig.5 Air-gap flux density distributions of the two motors

反電動勢對電機的靜態、動態特性具有重要影響。因此，圖6示出一個電角度周期下， 兩種電機在速度1m/s時的空載反電動勢。UPM-FSLM反電動勢峰值為118.13V，傳統PMFSLM反電動勢峰值為108.48V，UPM-FSLM反電動勢幅值比傳統PMFSLM提高了8.9%。

圖6 傳統PMFSLM與UPM-FSLM反電動勢對比圖Fig.6 Back-EMF waveforms of PMFSLM and UPM-FSLM

對兩種電機的空載反電動勢進行傅里葉分析，得到其基波及各次諧波的幅值如圖7所示，可以看出兩種電機的反電動勢正弦性較好，PMFSLM和UPM-FSLM的諧波含量主要聚集在7次諧波。

圖7 反電動勢諧波含量分析圖Fig.7 Back EMF harmonic analysis of PMFSLM and UPM-FSLM

諧波畸變率為

(1)

式中：THD為總諧波畸變率；Uirms為各次諧波反電動勢有效值的平方；U1基波反電動勢有效值。

由式(1)得出PMFSLM與UPM-FSLM總諧波畸變率分別2.50%和2.44%。

本文采用有限元法，分析在相同頻率、相同速度下UPM-FSLM與傳統PMFSLM的特性曲線。在不同功角下，兩種電機的平均推力曲線如圖8所示。在功角為90°附近時，兩者推力均達到最大值。圖9示兩種電機最大推力曲線圖。

圖8 不同功角下兩種電機的平均推力曲線Fig.8 Average thrust of two motors at different power factor angles

圖9 兩種電機的推力曲線Fig.9 Thrust of two motors

不同功角下，兩種電機推力波動如圖10所示，并給出推力波動的表達式為

圖10 不同功角下兩種電機的推力波動曲線Fig.10 Thrust ripple of two motors at different power factor angles

(2)

式中：Fmax為推力的最大值；Fmin為推力的最小值；Favg為平均推力值。

表2給出傳統PMFSLM和UPM-FSLM在額定電流7.07 A、額定頻率19.1Hz下，兩種電機的電磁性能對比。在UPM-FSLM與PMFSLM在永磁體用量相同的情況下，UPM-FSLM推力提高了5.83%，推力波動降低了16.95%，具有較優的電磁性能。

表2 兩種電機的電磁性能對比Table 2 Electromagnetic characteristics of the two motors

通過對傳統PMFSLM與UPM-FSLM的電磁特性對比分析，UPM-FSLM較傳統PMFSLM具有推力大、推力波動小、效率高等優勢。但采用U型永磁結構，也會帶來一些問題，主要體現在以下兩個方面：

1)U型永磁結構帶來的加工、裝配問題；

2)U型永磁結構，部分永磁體需置于電機初級軛部，增加電機初級軛部高度，導致UPM-FSLM初級有效部分體積較傳統PMFSLM有所增加。

如圖2(b)所示，UPM-FSLM的U型永磁由5塊充磁方向不同的永磁體構成，與傳統PMFSLM相比，永磁體的加工、裝配難度增加。本文先對構成U型永磁的五塊永磁體分別充磁，接著將永磁體依次通過高強度耐高溫環氧膠粘貼固定在初級鐵心槽內，U型鐵心安裝在U型永磁開口處，然后繞制線圈。為防止磁場互斥導致永磁體彈出，在永磁體內外側鐵心設有螺孔，并在電機初級軛部前后裝配非磁性擋板，用以固定U型永磁，UPM-FSLM的裝配示意圖如圖11所示。

圖11 UPM-FSLM裝配示意圖Fig.11 Assembly diagram of UPM-FSLM

圖12示出實際應用時傳統PMFSLM示意圖，傳統PMFSLM在實際應用時需要加裝燕尾槽并嵌入高強度非磁性連接板，在提高結構強度的同時，增加了電機初級高度。需要明確一點的是，UPM-FSLM的初級軛部頂面是一個整體，且由于U型永磁結構，初級軛部較厚，適于采用初級軛部前后裝配非磁性擋板強化初級結構防止永磁體彈出；而傳統PMFSLM各部分較為分散，且軛部高度較薄，更適于采用燕尾槽提高電機結構強度。圖13給出實際應用時傳統PMFSLM與UPM-FSLM的截面對比示意圖，可知實際應用時兩者體積相近。

圖12 實際應用時傳統PMFSLM的截面圖Fig.12 Partial cross section of PMFSLM in practical application

圖13 實際應用時兩種電機的截面對比圖Fig.13 Cross-sectional comparison of two motors in actual application

因此，與轎廂連接的傳統PMFSLM與UPMFSLM初級質量均按UPM-FSLM的初級質量考慮。UPM-FSLM驅動的無繩提升系統示意圖如圖14所示，可知轎廂與電機初級相連接，UPM-FSLM消除了頂端漏磁現象，電機兼容性較好。而傳統PMFSLM的結構特點使電機初級頂端存在漏磁現象，易導致電磁兼容性較差，影響無繩提升系統的運行環境。并且實際應用中增加燕尾槽使電機初級高度增加，永磁體用量增加，導致永磁體利用率降低，經濟成本增加。而且從圖14中可以看出，以永磁開關磁鏈直線電機為驅動源的無繩提升系統，長定子側僅由低廉的硅鋼片構成，永磁體和繞組置于短動子側，節約了經濟成本，更加高效節能。

圖14 UPM-FSLM驅動的無繩提升系統示意Fig.14 Simple schematic of UPM-FSLM applied to ropeless elevator system

為了對比UPM-FSLM與傳統PMFSLM實際應用的合理性，針對額定速度為1m/s的載客電梯進行分析，數據如表3所示。其中轎廂質量包括轎廂自重、緊急制動裝置等部件質量，分析時考慮摩擦、空氣阻力等因數影響。

表3 不同額定負載等級下無繩提升系統的參數Table 3 Parameters of ropless elevator system with different rated load levels

無繩提升系統推力的表達式為

Fthrust=(MC+ML+MP·Nunit)g·σfrition。

(3)

式中：MC，ML，MP，Nunit，g，σfrition分別是轎廂自重、額定負載、電機初級質量、電機單元數、重力系數、摩擦系數(一般取1.2)。

由表3可知，隨著額定負載等級的提高，所需UPM-FSLM單元電機數量少于傳統PMFSLM單元電機，減少了無繩提升系統的經濟成本。

為進一步優化UPM-FSLM的電磁性能，對電機的槽型與次級齒形進行優化，從而提高推力密度、降低推力波動。本文在確定繞組線徑和匝數不變的情況下，即槽面積不變時，研究改變槽口寬度對UPM-FSLM電磁性能的影響。并采用梯形齒結構改善次級鐵心飽和問題。UPM-FSLM的齒槽結構示意圖如圖15所示。

圖15 UPM-FSLM的齒槽結構示意圖Fig.15 Cogging structure of UPM-FSLM

圖16給出UPM-FSLM初級槽口寬度為11～21 mm時，該電機推力變化曲線，由圖13可知當槽口寬為16 mm時，該電機的推力達到最大且推力波動較小。初級槽口寬度ωso為11～21 mm時，UPM-FSLM的電磁特性如表4所示。

表4 不同初級槽口寬度下，UPM-FSLM電磁特性Table 4 Electromagnetic characteristics of UPM-FSLM at different primary slot opening widths

圖16 不同初級槽口寬度下，UPM-FSLM推力變化Fig.16 Thrust of UPM-FSLM at different primary slot opening widths

圖17給出UPM-FSLM次級齒底寬度17～25 mm的平均推力變化曲線。綜合考慮推力波動和推力密度，選擇Wtb=19 mm。Wtb為17～25 mm時UPM-FSLM的電磁特性如表5所示。

圖17 不同次級齒底寬度UPM-FSLM平均推力變化Fig.17 Average thrust of UPM-FSLM at different secondary tooth bottom widths

表5 不同次級齒底寬度下，UPM-FSLM電磁特性Table 5 Average thrust of UPM-FSLM at different secondary tooth bottom widths

圖18給出三種電機的反電動勢對比圖，可以看出優化后UPM-FSLM的反電動勢幅值比優化之前的UPM-FSLM有所提高。PMFSLM、UPM-FSLM與優化后UPM-FSLM的總諧波畸變率分別2.50%、2.44%與2.62%，總諧波畸變率漲幅極小，對電機性能無較大影響，3種電機的反電動勢諧波分析如圖19所示。

圖18 傳統PMFSLM、UPM-FSLM與優化后UPM-FSLM反電動勢對比圖Fig.18 Back-EMF of traditional PMFSLM, UPM-FSLM and optimized UPM-FSLM

圖19 三種電機的反電動諧波分析圖Fig.19 Back EMF harmonic analysis of the three motors

根據有限元分析，可知優化后的UPM-FSLM比傳統PMFSLM的平均推力提高了10.6%，推力波動降低了24.6%。圖20示出優化后UPM-FSLM、UPM-FSLM和PMFSLM的推力曲線。三種電機的電磁特性見表6。

圖20 優化后UPM-FSLM、UPM-FSLM和PMFSLM的推力曲線Fig.20 Thrust of traditional PMFSLM, UPM-FSLM and optimized UPM-FSLM

表6 三種電機的電磁特性Table 6 Electromagnetic characteristics of the three motors

本文提出一種具有U型永磁結構的永磁開關磁鏈直線電機，較傳統PMFSLM在結構與性能指標上有所提升。U型永磁結構能夠有效抑制傳統PMFSLM產生的頂端漏磁現象，并且提高電機初級的結構強度。基于相同永磁體用量，優化后的UPM-FSLM較傳統PMFSLM推力提高了10.6%，推力波動降低了24.6%，電磁性能明顯提高。

與此同時，U型永磁結構需要在PMFSLM初級軛部嵌放永磁體，增加了軛部的厚度，較傳統PMFSLM，UPM-FSLM的有效部分體積增加了24.5%。但考慮到該類型電機在無繩提升系統中的應用，傳統PMFSLM初級結構強度較低需加厚初級軛部，用于加裝燕尾槽等，導致其實際體積增加。因此，在實際應用中兩者體積相近。此外，U型永磁的加工、裝配有一定難度，進一步的結構優化、工藝流程設計等有待深入研究。但U型永磁結構，提高了PMFSLM的初級結構強度，增加了推力，降低了推力波動，消除了初級頂部漏磁，永磁利用率高，電磁兼容性好，更有利于該類型電機在無繩提升系統中的應用。