Vol. 25 No. 2Feb. 2021
第25卷第2期2021年2月
电机与控制学报 Electric Machines and Control 汪旭东，肖驰，封海潮
(河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454003)
摘 要：针对长行程无绳提升系统提出一种U 型永磁开关磁链直线电机(UPM-FSLM )的拓扑结构， 通过改变永磁体的位置排列、初级槽型与次级齿形，提高推力密度与功率因数，降低推力波动。首 先介绍了 UPM-FSLM 的基本参数尺寸设计和工作机理。然后建立有限元仿真模型，分析静态磁场 分布、反电动势、电磁推力、推力波动、效率及功率因数等电磁特性并与传统永磁开关磁链直线电机 (PMFSLM)电磁性能进行对比研究。最后有限元仿真结果表明：相较于PMFSLM,UPM-FSLM 具有 高推力密度、低推力波动、高结构强度以及高电磁兼容性能等优势，更适合用于长行程的无绳提升 系统。 关键词：无绳提升系统；直线电机；永磁开关磁链电机；特性分析；齿槽优化；有限元DOI ：10. 2021.02.015 中图分类号:TM 351 文献标志码:A 文章编号= 1007-449X(2021)02-0132-09
Characteristic analysis and optimization of U-type permanent
magnet flux-switching linear motor
WANG Xu-dong , XIAO Chi , FENG Hai-chao
控制器设计(School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)
Abstract :In this paper , a U-shaped permanent magnet flux-switching linear motor (UPM-FSLM) topolo
gy is proposed for long-stroke ropless elevator systems. It changed the positional arrangement of the per
manent magnets and the slotted shape of the stator , and improved the thrust density and power factor of this motor. The operation principle and basic parameter size design of UPM-FSLM are introduced. By es
tablishing a 2D finite element simulation model , it analyzed electromagnetic characteristics su
ch as static magnetic field distribution , No-load back-EMF, electromagnetic thrust , magnetic resistance , and thrust fluctuations. It was compared with the electromagnetic performance of a permanent magnet flux-switching
linear motor ( PMFSLM ). The simulation results by means of finite-element analysis ( FEA) verify that
UPM-FSLM is with higher thrust density , lower thrust fluctuation , and higher structural strength , and es pecially suitable for long-stroke ropless elevator systems.
Keywords : ropless elevator system ； linear motor ； permanent magnet flux-switching motor ； characteristic analysis ； cogging optimization ； finite-element analysis
收稿日期：2019-12-27
基金项目：国家自然科学基金(U1504506)；河南省科技攻关(202102210099)；河南省优秀创新型科技团队计划(2015005) ；IIPU 骨干教师资助
计划(GGJS2016-183)；焦作市重大科技专项(2016001)；河南省产学研合作项目(142107000031)
作者简介：汪旭东(1967—)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为特种电机及其控制、直线驱动系统方面；
肖 驰(1997—)，男，硕士研究生，研究方向为电机电器及其控制；
封海潮(1983—)，男，博士研究生，研究方向为直线电机及其控制、电机优化设计。
通信作者：肖驰
第2期汪旭东等:U型永磁开关磁链直线电机特性分析及优化133
0引言
随着现代科技与工业的发展，垂直提升系统已广泛应用于矿井开采、立体停车场、实用电梯和其他工业领域fl-2］o目前，垂直提升系统主要采用两种驱动方式：旋转电机驱动和直线电机驱动。传统旋转电机驱动的曳引系统存在难以克服的问题：提升高度受钢丝绳、提升容量和安全系数等因数限制；单井道单轿厢运行使得井道利用率低下且候梯时间长；钢丝绳易于磨损导致运行费用高等［3'4］0与传统曳引系统相比，直线电机驱动的无绳提升系统具有多种优势：结构简单，安全可靠，不需钢丝绳、中间传动装置以及顶层提升机房；提升高度和提升速度不受限制；能够实现单井道多轿厢独立运行，以及立体循环运行，大大提升了空间利用率和工作效率；安全程度高，基建维护成本低，高效节能，
是传统曳引系统及其他提升系统的理想替代品。
因此，直线电机具有取代传统旋转电机驱动长行程无绳提升系统的趋势［5_6］0目前无绳提升领域的主要电机驱动源分为两类，直线感应电机驱动与永磁直线同步电机驱动，两者各有优缺。直线感应电机的驱动源成本低、结构简单、鲁棒性强，但效率、功率因数较低；永磁直线同步电机的驱动源推力密度大、效率高，但无论是动初级还是动次级结构都会存在长行程无绳提升系统造价高昂的问题"3。相较于两者，永磁开关磁链直线电机既具有直线感应电机结构简单、鲁棒强的特点又结合直线永磁同步电机功率因数高、效率高的优势，使该类电机应用于长行程无绳提升领域成为了可能|9-，，］o因此，研究永磁开关磁链直线电机在无绳提升领域上的应用具有重要的意义。
由于永磁开关磁链直线电机(pennanent magnet flux-switching linear motor,PMFSLM)将仅由硅钢片组成的次级作为长定子，而把昂贵的永磁体与绕组安装在短动子上，因此电机总体成本较低［，2_，3］o国内外诸多学者对该类电机进行全面而深入的研究［⑷。文献［15］针对电磁弹射领域提出双边无辄次级PMFSLM，减少次级辄部，同时根据该电机的架构参数设计3种不同结构的直线感应电机，优化结构参数，并与之进行电磁特性对比，得出双边无辄次级PMFSLM具有效率高、功率因数高等优势。文献［16］提出双边无辄初级PMFSLM，减少初级辄部并增加多齿结构，有效地减少齿槽力。文献［17］提岀一种九相模块化混合励磁PMFSLM，深入分析最优极槽配合九相模块化混合励磁PMFSLM的电磁性能，通过三维有限元验证，可以得出所提出电机具有推力密度高、容错性能好、磁
场可调等优点。文献［⑻提出了一种新型解耦模块化PMFSLM，将初级铁心开槽处理嵌入永磁体，提高了结构强度，与常规的正弦电流驱动PMFSLM相比该电机采用方波电流流驱动，减少磁耦合，且有效地抑制齿槽力和推力波动。目前少有文献将PMFSLM应用于长行程的无绳提升领域。
就此，本文提出一种U型永磁开关磁链直线电机(U-type permanent magnet flux-switching linear motor,UPM-FSLM)应用于无绳提升系统。无绳提升系统一般由多个单元电机组成，有利于提高运行容错能力。因此，本文通过对单元电机的U型永磁结构设计，有效减少漏磁现象,U型永磁内外侧铁心由硅钢片组成，提高了该电机的结构强度，为之后无绳提升系统提供前期研究基础。首先介绍了uPM-FSLM 的拓扑结构与工作机理，利用有限元分析了电机的静态磁场分布、反电动势、电磁推力、推力波动、效率及功率因数等电磁特性，并将其与传统的PMFSLM 进行了对比，接着对其在无绳提升系统的应用进行分析，然后为了进一步提高推力密度、降低推力波动，对所提岀电机的初级槽型与次级齿形进行优化，最后进行总结。
1UPM-FSLM结构和工作机理
传统的PMFSLM的单元电机截面如图1(a)所示，初级绕组均为集中绕组。每一片PM夹在两个铁心模块之间，且相邻PM的充磁方向相反，这种举措容易造成顶端漏磁现象导致永磁体利用率减少。而UPM-FSLM将永磁体排列呈U型结构能够有效减少永磁体漏磁现象并提高永磁体利用率。电机初级中U型结构是由5块永磁体组成，其充磁方向如图2(b)所示。
传统PMFSLM初级结构强度欠佳且存在顶端漏磁现象，为解决其固有结构缺陷问题，本文提出了U型永磁结构的PMFSLM并参照传统PMFSLM的结构参数，设计了UPM-FSLM。两种电机的基本尺寸如图2所示，具体结构参数见表1。
表1中,UPM-FSLM与传统PMFSLM保持相同的永磁体用量和初级槽面积；由于U型永磁结构，初级永磁体的存在使得电机初级辄部由53mm调整为66mm，电机初级有效部分的体积增加了24.5%o
134电机与控制学报第25卷
平磁体电年绕餐初级铁心
I I I
(a)传统PMFSLM
(b)UPM-FSLM
图1传统PMFSLM与UPM-FSLM的截面图
Fig.1Partial cross section of PMFSLM and UPM-FSLM
图2传统PMFSLM与UPM-FSLM的基本尺寸图
Fig.2Basic size of PMFSLM and UPM-FSLM
UPM-FSLM的工作过程遵循“磁路路径最短原则”，即动子总是向着磁路路径最短的位置移动，UPM-FSLM的工作过程如图3所示。当动子运动到位置1时，在A2线圈感应的磁通达到正最大值。当动子运动到位置2时,A2线圈的磁链方向固定不变。随着次级运动，线圈感应的磁通周期性变化会引起正弦反电势。
表1传统PMFSLM与UPM-FSLM的主要设计参数Table1Main design parameters of PMFSLM and
UPM-FSLM
参数传统PMFSLM UPM-FSLM 初级极距Tp/mm6161
初级槽宽Wps/mm2121
初级槽高h ps/mm4040
永磁体宽度w pm/mm138.8
永磁体高度h pm/mm6640
永磁体内径r pm/mm-9.3
初级长度l p/mm366366
初级高度hp/mm5366
气隙g/mm 2.5 2.5
每线圈匝数“罰179179
线圈线径/mm 1.35 1.35
次级极距r s/mm52.352.3
次级齿宽w8l/mm1717
次级齿高h at/mm2727
次级高度九/mm1818
初级质量/kg1720
初级铁心材料50W47050W470
次级铁心材料50W47050W470
永磁体材料N48H N48H
永磁体用量/cn?41.341.3
额定电流〃A7.077.07
额定速度"/(m/s2)11
图3UPM-FSLM的工作过程图
Fig.3Work process of coil A2at different mover positions
2UPM-FSLM电磁特性分析
为了保证比较的公平性，本文制定了以下比较
第2期汪旭东等:U型永磁开关磁链直线电机特性分析及优化135
原则：
1)保证UPM-FSLM和传统PMFSLM的永磁体
用量相同；
2)UPM-FSLM的初级极距、齿高、齿宽，绕组匝
数、线径，气隙宽度，次级极距、齿高、齿宽、辄高，轴
向长度和径向长度等结构参数与PMFSLM保持
一致；
3)两种电机额定电流与动子额定速度保持
不变。
文中图4给出了传统PMFSLM与UPM-FSLM
的空载磁密分布和磁力线分布图。由图4(a)传统
PMFSLM的磁密云图可以看出，仅在齿尖位置存在
少许局部饱和，对电机推力影响较小。由于传统
PMFSLM是两块磁钢中间放入永磁体的结构，使初
级觇部永磁体与部分辄铁形成磁力线，不经过初级
齿端流向次级而在初级上方形成磁场，产生漏磁通。
这也是对传统PMFSLM进行优化设计的原因之一。
由图4(b)给出的UPM-FSLM的磁密云图和磁力线
分布情况可以看岀，U型永磁结构能够很好地解决
传统PMFSLM存在的初级顶部漏磁问题，减小漏磁
对电机性能影响并有效提高PM的利用率。UPM-
FSLM和传统PMFSLM的气隙磁密分布曲线如图5
所示。
Shaded Plot
I B I
1:0ms
!2.36899
1.89521
矫姿带1.42142
0.947634 0.473848 6.17561e-05
■i£二11 (a)PMFSLM
Shaded Plot
I B I
1:0ms
■2.35592
=1.88473
=1.41355
=0.942366
=0.471183
■o
(b)UPM-FSLM
排油烟气防火止回阀图4传统PMFSLM与UPM-FSLM空载磁密分布图Fig.4Open-circuit flux distributions of PMFSLM and UPM-FSLM
反电动势对电机的静态、动态特性具有重要影响。因此，图6示出一个电角度周期下，两种电机在速度lm/s时的空载反电动势。UPM-FSLM反电动势峰值为118.13V，传统PMFSLM反电动势峰值为108.4
8V,UPM-FSLM反电动势幅值比传统PMFSLM提高了8.9%。
6
位
2205
3
图5传统PMFSLM与UPM-FSLM气隙磁密分布曲线Fig.5Air-gap flux density distributions of the
two motors
o
双层帐篷o
o
O
15m
5
00
11
-
60120180240300360
电角度/(°)
66
3
图6传统PMFSLM与UPM-FSLM反电动势对比图Fig.6Back-EMF waveforms of PMFSLM and
UPM-FSLM
对两种电机的空载反电动势进行傅里叶分析，得到其基波及各次谐波的幅值如图7所示，可以看岀两种电机的反电动势正弦性较好,PMFSLM和UPM-FSLM的谐波含量主要聚集在7次谐波。
谐波畸变率为
式中:THD为总谐波畸变率；匕讼为各次谐波反电动势有效值的平方;S基波反电动势有效值。
由式(1)得出PMFSLM与UPM-FSLM总谐波畸变率分别2.50%和2.44%。
本文采用有限元法，分析在相同频率、相同速度下UPM-FSLM与传统PMFSLM的特性曲线。在不同功角下，两种电机的平均推力曲线如图8所示。在功角为90。附近时，两者推力均达到最大值。图9示两种电机最大推力曲线图
。
136电机与控制学报第25卷
N 、-R®s
7
t
图7反电动势谐波含量分析图
Back EMF harmonic analysis of PMFSLM and
UPM-FSLM
•UPM-FSLM
—PMFSLM
25
8(r
UPM-FSLM
•PMFSLM
■90roo rnr
功角/(。凡
0204060801001200
功角/（o）
图10不同功角下两种电机的推力波动曲线
Fig.10Thrust ripple of two motors at different power
factor angles
1500-
600-
—UPM-FSLM
020406080100120
功角/（。）
表2两种电机的电磁性能对比
Table2Electromagnetic characteristics of the two motors
参数PMFSLM UPM-FSLM
牺牲阳极块
平均推力/N15101598
推力波动/% 5.31 4.41
效率/%83.083.8
功率因数0.780.82
5
5
5
制作智能卡5
7
5
2
7
5
2
图8不同功角下两种电机的平均推力曲线
Fig.8Average thrust of two motors at different power factor angles
1700-1650-1600 1550 1500 1450 1400,—UPM-FSLM
-亠PMFSLM
020*********
时间/ms
I
图9两种电机的推力曲线
Fig.9Thrust of two motors
不同功角下，两种电机推力波动如图10所示，并给岀推力波动的表达式为
K p=F-ax一Fmin xl00%o(2)
〃avg
式中:F喰为推力的最大值;Knin为推力的最小值;
为平均推力值。
表2给出传统PMFSLM和UPM-FSLM在额定电流7.07A、额定频率19.1Hz下，两种电机的电磁性能对比。在UPM-FSLM与PMFSLM在永磁体用量相同的情况下,UPM-FSLM推力提高了5.83%，推力波动降低了16.95%，具有较优的电磁性能。3UPM-FSLM应用分析
通过对传统PMFSLM与UPM-FSLM的电磁特性对比分析,UPM-FSLM较传统PMFSLM具有推力大、推力波动小、效率高等优势。但采用U型永磁结构，也会带来一些问题，主要体现在以下两个方面：
1)U型永磁结构带来的加工、装配问题；
2)U型永磁结构，部分永磁体需置于电机初级轨部，增加电机初级辄部高度，导致UPM-FSLM初级有效部分体积较传统PMFSLM有所增加。
如图2(b)所示,UPM-FSLM的U型永磁由5块充磁方向不同的永磁体构成，与传统PMFSLM相比，永磁体的加工、装配难度增加。本文先对构成U 型永磁的五块永磁体分别充磁，接着将永磁体依次通过高强度耐高温环氧胶粘贴固定在初级铁心槽内,U型铁心安装在U型永磁开口处，然后绕制线圈。为防止磁场互斥导致永磁体弹岀，在永磁体内外侧铁心设有螺孔，并在电机初级辄部前后装配非磁性挡板，用以固定u型永磁,UPM-FSLM的装配示意图如图11所示。
图12示岀实际应用时传统PMFSLM示意图，传统PMFSLM在实际应用时需要加装燕尾槽并嵌入高强度非磁性连接板，在提高结构强度的同时，
增
