2024年4月12日发(作者：那拉霞绮)
第
25
卷第
2
期
2021
年
2
月
电机与控制学报
Electric
Machines
and
Control
Vol.
25
No.
2
Feb.
2021
u
型永磁开关磁链直线电机特性分析及优化
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.
15938/.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
(
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
such
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
(2)
；
河南省优秀创新型科技团队计划
(2015005)
；
IIPU
骨干教师资助
计划
(GGJS20
16-183)
；
焦作市重大科技专项
(2016001)
；
河南省产学研合作项目
(
1)
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
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
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
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
。
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
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
mo
tor,
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
。
1
UPM-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
53
mm
调
整为
66
mm,
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.
1
Partial
cross
section
of
PMFSLM
and
UPM-FSLM
图
2
传统
PMFSLM
与
UPM-FSLM
的基本尺寸图
Fig.
2
Basic
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
Table
1
Main
design
parameters
of
PMFSLM
and
UPM-FSLM
参数
传统
PMFSLM
UPM-FSLM
初级极距
Tp/mm
61
61
初级槽宽
Wps/mm
21
21
初级槽高
h
ps
/mm
4040
永磁体宽度
w
pm
/mm
13
8.8
永磁体高度
h
pm
/mm
6640
永磁体内径
r
pm
/mm
-
9.3
初级长度
l
p
/mm
366366
初级高度
hp/mm
5366
气隙
g/mm
2.5
2.5
每线圈匝数“
罰
179179
线圈线径
/mm
1.351.35
次级极距
r
s
/mm
52.352.3
次级齿宽
w
8l
/
mm
1717
次级齿高
h
at
/mm
2727
次级高度九
/mm
18
18
初级质量
/kg17
20
初级铁心材料
50W47050W470
次级铁心材料
50W47050W470
永磁体材料
N48HN48H
永磁体用量
/cn?
41.341.3
额定电流
〃
A
7.077.07
额定速度
"/(m/s2)
1
1
图
3
UPM-FSLM
的工作过程图
Fig.
3
Work
process
of
coil
A2
at
different
mover
positions
2
UPM-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
动势峰值为
118.
13V,
传统
PMFSLM
反电动势峰值
为
108.
48V,UPM-FSLM
反电动势幅值比传统
PMF
SLM
提高了
8.
9%
。
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
。
6
3
3
6
6
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
!
2.36899
1:
I
B
0ms
I
1.89521
■
i
£二
1
1.42142
0.947634
(a)
PMFSLM
1
Shaded
0.473848
I
B
Plot
I
■
6.1
2.35592
1:
7561e-05
0ms
=1.88473
=1.41355
=0.942366
■o
=0.471183
(b)
UPM-FSLM
图
4
传统
PMFSLM
与
UPM-FSLM空载磁密分布图
Fig.
4
Open-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
22
05
位
图
5
传统
PMFSLM
与
UPM-FSLM
气隙磁密分布曲线
Fig.
5
Air-gap
flux
density
distributions
of
the
two
motors
15
o
m
o
5
o
O
-
1
1
00
60
120
180
240
300
360
电角度/(°)
图
6
传统
PMFSLM
与
UPM-FSLM
反电动势对比图
Fig.
6
Back-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
图
7
反电动势谐波含量分析图
Back
EMF
harmonic
analysis
of
PMFSLM
and
UPM-FSLM
—
UPM-FSLM
N
1
500
-
、
-R
®
s
7
t
600
-
0
20
40
60
80
100
120
功角/
（
。
）
图
8
不同功角下两种电机的平均推力曲线
Fig.
8
Average
thrust
of
two
motors
at
different
power
factor
angles
1
700
-
—
UPM-FSLM
1
650
-
-
亠
PMFSLM
I
1
600
1550
1
500
1 450
1
400,
0
20
40
60
80
100
时间
/ms
图
9
两种电机的推力曲线
Fig.
9
Thrust
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
xl0
0%
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.
07
A
、
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
。
7
5
5
•
UPM-FSLM
0
2
—
PMFSLM
5
25
0
UPM-FSLM
0
•
PMFSLM
7
5
5
0
8(r
2
5
■90
功角/(
。
roo
凡
rnr
0
20
40
60
80
100
1200
功角
/
（
o
）
图
10
不同功角下两种电机的推力波动曲线
Fig.
10
Thrust
ripple
of
two
motors
at
different
power
factor
angles
表
2
两种电机的电磁性能对比
Table
2
Electromagnetic
characteristics
of
the
two
motors
参数
PMFSLM
UPM-FSLM
平均推力
/N
1
510
1
598
推力波动
/%
5.31
4.41
效率
/%
83.0
83.8
功率因数
0.780.82
3
UPM-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
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
137
加了电机初级高度
。
需要明确一点的是
,
UPM-FS
LM
的初级觇部顶面是一个整体
，
且由于
U
型永磁
顶端漏磁现象
，
电机兼容性较好
。
而传统
PMFSLM
的结构特点使电机初级顶端存在漏磁现象
，
易导致
结构
,
初级辄部较厚
，
适于采用初级觇部前后装配非
磁性挡板强化初级结构防止永磁体弹岀
；
而传统
PMFSLM
各部分较为分散
，
且辄部高度较薄,更适于
电磁兼容性较差
，
影响无绳提升系统的运行环境
。
并且实际应用中增加燕尾槽使电机初级高度增加
，
永磁体用量增加
,
导致永磁体利用率降低
，
经济成本
采用燕尾槽提高电机结构强度
。
图
13
给出实际应
用时传统
PMFSLM
与
UPM-FSLM
的截面对比示意
增加
。
而且从图
14
中可以看出
，
以永磁开关磁链直
线电机为驱动源的无绳提升系统
，
长定子侧仅由低
廉的硅钢片构成
,
永磁体和绕组置于短动子侧
,
节约
图
，
可知实际应用时两者体积相近
。
次级铁心
(a)
3D
爆炸图
次级铁心
初级铁心
(b)
3D
组装图
图
11
UPM-FSLM
装配示意图
Fig.
11
Assembly
diagram
of
UPM-FSLM
燕尾槽
高强度非磁性连招板
永單体
_
/
_
初縛绕组
图
12
实际应用时传统
PMFSLM
的截面图
Fig.
12
Partial
cross
section
of
PMFSLM
in
practical
application
图
13
实际应用时两种电机的截面对比图
Fig.
13
Cross-sectional
comparison
of
two
motors
in
actual
application
因此
，
与轿厢连接的传统
PMFSLM
与
UPMFS-
LM
初级质量均按
UPM-FSLM
的初级质量考虑
。
UPM-FSLM
驱动的无绳提升系统示意图如图
14
所
示,可知轿厢与电机初级相连接
,
UPM-FSLM
消除了
了经济成本
，
更加高效节能
。
图
14
UPM-FSLM
驱动的无绳提升系统示意
Fig.
14
Simple
schematic
of
UPM-FSLM
applied
to
ropeless
elevator
system
为了对比
UPM-FSLM
与传统
PMFSLM
实际应
用的合理性
，
针对额定速度为
lm/s
的载客电梯进
行分析
，
数据如表
3
所示
。
其中轿厢质量包括轿厢
自重
、
紧急制动装置等部件质量
,
分析时考虑摩擦
、
空气阻力等因数影响
。
无绳提升系统推力的表达式为
^thrust
=
Wc
+M
l
+M
p
•
MnQg
•
CTfrHion
。
G)
式中
：
Me
,
M
l
,
Mp
,
g
,
g
,
fig
分别是轿厢自重倾
定负载
、
电机初级质量
、
电机单元数
、
重力系数
、
摩擦
系数(一般取
1.2)
。
表
3
不同额定负载等级下无绳提升系统的参数
Table
3
Parameters
of
ropless
elevator
system
with
different
rated
load
levels
他
/
kg
MMkg
Mp/kg
F
thnisl
/kN
PMFSLM-N
unit
UPM-FSLM-Nunit
450
（
5
人
）
500
13.29
99
20
630
（
8
人
）
700
18.70
13
12
800
（
10
人
）
880
23.52
16
15
138
电机与控制学报
第
25
卷
由表
3
可知
，
随着额定负载等级的提高
，
所需
UPM-FSLM
单元电机数量少于传统
PMFSLM
单元电
UPM-FSLM
的电磁特性如表
5
所不
。
表
4
不同初级槽口宽度下
,
UPM-FSLM
电磁特性
机,减少了无绳提升系统的经济成本
。
Table
4
Electromagnetic
characteristics
of
UPM-FSLM
4
UPM-FSLM
齿槽优化
为进一步优化
UPM-FSLM
的电磁性能,对电机
11
at
different
primary
slot
opening
widths
槽口宽度
/mm
平均推力
/N
推力波动
/%
效率
/%
功率因数
1
533
1
616
9.23
83.2
84.0
0.79
的槽型与次级齿形进行优化
，
从而提高推力密度
、
降
低推力波动
。
本文在确定绕组线径和匝数不变的情
13.5
16
6.72
3.15
3.74
0.83
0.84
1
651
1
638
84.3
84.2
况下
,
即槽面积不变时
,
研究改变槽口宽度对
UPM-
18.5
0.83
FSLM
电磁性能的影响
。
并采用梯形齿结构改善次
级铁心饱和问题
。
UPM-FSLM
的齿槽结构示意图如
图
15
所示
。
图
15
UPM-FSLM
的齿槽结构示意图
Fig.
15
Cogging
structure
of
UPM-FSLM
图
16
给岀
UPM-FSLM
初级槽口宽度为
11
-
21
mm
时,该电机推力变化曲线
，
由图
13
可知当槽
口宽为
16
mm
时
，
该电机的推力达到最大且推力波
动较小
。
初级槽口宽度
5
。
为
11
~21
mm
时,
UPM-
FSLM
的电磁特性如表
4
所示
。
图
16
不同初级槽口宽度下,
UPM-FSLM
推力变化
Fig.
16
Thrust
of
UPM-FSLM
at
different
primary
slot
opening
widths
图
17
给出
UPM-FSLM
次级齿底宽度
17
〜
25
平均推力变化曲线
。
综合考虑推力波动和
推力密度
，
选择
％
=
19
mm
o
比匕为
17
~
25
mm
时
21
1
598
4.4183.80.82
8
E
6
戟
-R
4
17
19
21
23
25
次级齿宽
/mm
图
17
不同次级齿底宽度
UPM-FSLM
平均推力变化
Fig.
17
Average
thrust
of
UPM-FSLM
at
different
secondary
tooth
bottom
widths
表
5
不同次级齿底宽度下,
UPM-FSLM
电磁特性
Table
5
Average
thrust
of
UPM-FSLM
at
different
secondary
tooth
bottom
widths
次齿底宽
/mm
平均推力
/N
推力波动
/%
效率
/%
功率因数
17
1
651
3.
15
84.30.84
19
1
670
3.99
84.4
0.85
21
1
672
4.35
84.50.85
23
1
672
4.69
84.50.85
25
1
665
4.78
84.40.85
图
18
给出三种电机的反电动势对比图,可以看
出优化后
UPM-FSLM
的反电动势幅值比优化之前
的
UPM-FSLM
有所提高
。
PMFSLM,UPM-FSLM
与
优化后
UPM-FSLM
的总谐波畸变率分别
2.
50%
、
2.
44%
与
2.62%
,
总谐波畸变率涨幅极小
，
对电机
性能无较大影响
,3
种电机的反电动势谐波分析如
图
19
所示
。
根据有限元分析,可知优化后的
UPM-FSLM
比
传统
PMFSLM
的平均推力提高了
10.
6%
，
推力波动
降低了
24.
6%
o
图
20
示出优化后
UPM-FSLM
、
UPM-FSLM
和
PMFSLM
的推力曲线
。
三种电机的电
第
2
期
磁特性见表
6
。
汪旭东等:
U
型永磁开关磁链直线电机特性分析及优化
139
5
结论
本文提岀一种具有
u
型永磁结构的永磁开关
>
歎
菸
■&>
團
磁链直线电机
，
较传统
PMFSLM
在结构与性能指标
上有所提升
。
U
型永磁结构能够有效抑制传统
PMFSLM
产生的顶端漏磁现象
，
并且提高电机初级
的结构强度
。
基于相同永磁体用量
，
优化后的
UPM-
FSLM
较传统
PMFSLM
推力提高了
10.
6%
,
推力波
图
18
传统
PMFSLM
x
UPM-FSLM
与优化后
UPM-FS-
LM
反电动势对比图
Fig
Back-EMF
of
traditional
PMFSLM,
UPM-FS
LM
and
optimized
UPM-FSLM
A
迺
箸
糅
菸
曲
團
图
19
三种电机的反电动谐波分析图
Fig.
19
Back
EMF
harmonic
analysis
of
the
three
motors
1
800
•
«
优化后
UPM-FSLM
1
700
..
*
UPM-FSLM
PMFSLM
■R
5
*•,/
••
宀
1
600
1
500
时间
/ms
图
20
优化后
UPM-FSLM
、
UPM-FSLM
和
PMFSLM
的推力曲线
Fig.
20
Thrust
of
traditional
PMFSLM,
UPM-FSLM
and
optimized
UPM-FSLM
表
6
三种电机的电磁特性
Table
6
Electromagnetic
characteristics
of
the
three
motors
电机类型
平均推
推力波
力
/N
动
/%
效率
/%
功率
因数
PMFSLM
1
510
5.3183.00.78
UPM-FSLM
1
598
4.4183.80.82
优化后
UPM-FSLM
1
670
3.9984.4
0.85
动降低了
24.
6%
,
电磁性能明显提高
。
与此同时,
U
型永磁结构需要在
PMFSLM
初级
辄部嵌放永磁体
，
增加了辄部的厚度
，
较传统
PMFS
LM,
UPM-FSLM
的有效部分体积增加了
24.
5%
。
但
考虑到该类型电机在无绳提升系统中的应用
，
传统
PMFSLM
初级结构强度较低需加厚初级辄部
，
用于
加装燕尾槽等
，
导致其实际体积增加
。
因此,在实际
应用中两者体积相近
。
此外,
U
型永磁的加工
、
装配
有一定难度
,
进一步的结构优化
、
工艺流程设计等有
待深入研究
。
但
U
型永磁结构,提高了
PMFSLM
的
初级结构强度
，
增加了推力
，
降低了推力波动
，
消除
了初级顶部漏磁
，
永磁利用率高
，
电磁兼容性好
，
更
有利于该类型电机在无绳提升系统中的应用
。
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(编辑
：
刘素菊)
2024年4月12日发(作者：那拉霞绮)
第
25
卷第
2
期
2021
年
2
月
电机与控制学报
Electric
Machines
and
Control
Vol.
25
No.
2
Feb.
2021
u
型永磁开关磁链直线电机特性分析及优化
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.
15938/.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
(
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
such
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
(2)
；
河南省优秀创新型科技团队计划
(2015005)
；
IIPU
骨干教师资助
计划
(GGJS20
16-183)
；
焦作市重大科技专项
(2016001)
；
河南省产学研合作项目
(
1)
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
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
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
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
。
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
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
mo
tor,
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
。
1
UPM-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
53
mm
调
整为
66
mm,
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.
1
Partial
cross
section
of
PMFSLM
and
UPM-FSLM
图
2
传统
PMFSLM
与
UPM-FSLM
的基本尺寸图
Fig.
2
Basic
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
Table
1
Main
design
parameters
of
PMFSLM
and
UPM-FSLM
参数
传统
PMFSLM
UPM-FSLM
初级极距
Tp/mm
61
61
初级槽宽
Wps/mm
21
21
初级槽高
h
ps
/mm
4040
永磁体宽度
w
pm
/mm
13
8.8
永磁体高度
h
pm
/mm
6640
永磁体内径
r
pm
/mm
-
9.3
初级长度
l
p
/mm
366366
初级高度
hp/mm
5366
气隙
g/mm
2.5
2.5
每线圈匝数“
罰
179179
线圈线径
/mm
1.351.35
次级极距
r
s
/mm
52.352.3
次级齿宽
w
8l
/
mm
1717
次级齿高
h
at
/mm
2727
次级高度九
/mm
18
18
初级质量
/kg17
20
初级铁心材料
50W47050W470
次级铁心材料
50W47050W470
永磁体材料
N48HN48H
永磁体用量
/cn?
41.341.3
额定电流
〃
A
7.077.07
额定速度
"/(m/s2)
1
1
图
3
UPM-FSLM
的工作过程图
Fig.
3
Work
process
of
coil
A2
at
different
mover
positions
2
UPM-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
动势峰值为
118.
13V,
传统
PMFSLM
反电动势峰值
为
108.
48V,UPM-FSLM
反电动势幅值比传统
PMF
SLM
提高了
8.
9%
。
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
。
6
3
3
6
6
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
!
2.36899
1:
I
B
0ms
I
1.89521
■
i
£二
1
1.42142
0.947634
(a)
PMFSLM
1
Shaded
0.473848
I
B
Plot
I
■
6.1
2.35592
1:
7561e-05
0ms
=1.88473
=1.41355
=0.942366
■o
=0.471183
(b)
UPM-FSLM
图
4
传统
PMFSLM
与
UPM-FSLM空载磁密分布图
Fig.
4
Open-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
22
05
位
图
5
传统
PMFSLM
与
UPM-FSLM
气隙磁密分布曲线
Fig.
5
Air-gap
flux
density
distributions
of
the
two
motors
15
o
m
o
5
o
O
-
1
1
00
60
120
180
240
300
360
电角度/(°)
图
6
传统
PMFSLM
与
UPM-FSLM
反电动势对比图
Fig.
6
Back-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
图
7
反电动势谐波含量分析图
Back
EMF
harmonic
analysis
of
PMFSLM
and
UPM-FSLM
—
UPM-FSLM
N
1
500
-
、
-R
®
s
7
t
600
-
0
20
40
60
80
100
120
功角/
（
。
）
图
8
不同功角下两种电机的平均推力曲线
Fig.
8
Average
thrust
of
two
motors
at
different
power
factor
angles
1
700
-
—
UPM-FSLM
1
650
-
-
亠
PMFSLM
I
1
600
1550
1
500
1 450
1
400,
0
20
40
60
80
100
时间
/ms
图
9
两种电机的推力曲线
Fig.
9
Thrust
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
xl0
0%
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.
07
A
、
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
。
7
5
5
•
UPM-FSLM
0
2
—
PMFSLM
5
25
0
UPM-FSLM
0
•
PMFSLM
7
5
5
0
8(r
2
5
■90
功角/(
。
roo
凡
rnr
0
20
40
60
80
100
1200
功角
/
（
o
）
图
10
不同功角下两种电机的推力波动曲线
Fig.
10
Thrust
ripple
of
two
motors
at
different
power
factor
angles
表
2
两种电机的电磁性能对比
Table
2
Electromagnetic
characteristics
of
the
two
motors
参数
PMFSLM
UPM-FSLM
平均推力
/N
1
510
1
598
推力波动
/%
5.31
4.41
效率
/%
83.0
83.8
功率因数
0.780.82
3
UPM-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
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
137
加了电机初级高度
。
需要明确一点的是
,
UPM-FS
LM
的初级觇部顶面是一个整体
，
且由于
U
型永磁
顶端漏磁现象
，
电机兼容性较好
。
而传统
PMFSLM
的结构特点使电机初级顶端存在漏磁现象
，
易导致
结构
,
初级辄部较厚
，
适于采用初级觇部前后装配非
磁性挡板强化初级结构防止永磁体弹岀
；
而传统
PMFSLM
各部分较为分散
，
且辄部高度较薄,更适于
电磁兼容性较差
，
影响无绳提升系统的运行环境
。
并且实际应用中增加燕尾槽使电机初级高度增加
，
永磁体用量增加
,
导致永磁体利用率降低
，
经济成本
采用燕尾槽提高电机结构强度
。
图
13
给出实际应
用时传统
PMFSLM
与
UPM-FSLM
的截面对比示意
增加
。
而且从图
14
中可以看出
，
以永磁开关磁链直
线电机为驱动源的无绳提升系统
，
长定子侧仅由低
廉的硅钢片构成
,
永磁体和绕组置于短动子侧
,
节约
图
，
可知实际应用时两者体积相近
。
次级铁心
(a)
3D
爆炸图
次级铁心
初级铁心
(b)
3D
组装图
图
11
UPM-FSLM
装配示意图
Fig.
11
Assembly
diagram
of
UPM-FSLM
燕尾槽
高强度非磁性连招板
永單体
_
/
_
初縛绕组
图
12
实际应用时传统
PMFSLM
的截面图
Fig.
12
Partial
cross
section
of
PMFSLM
in
practical
application
图
13
实际应用时两种电机的截面对比图
Fig.
13
Cross-sectional
comparison
of
two
motors
in
actual
application
因此
，
与轿厢连接的传统
PMFSLM
与
UPMFS-
LM
初级质量均按
UPM-FSLM
的初级质量考虑
。
UPM-FSLM
驱动的无绳提升系统示意图如图
14
所
示,可知轿厢与电机初级相连接
,
UPM-FSLM
消除了
了经济成本
，
更加高效节能
。
图
14
UPM-FSLM
驱动的无绳提升系统示意
Fig.
14
Simple
schematic
of
UPM-FSLM
applied
to
ropeless
elevator
system
为了对比
UPM-FSLM
与传统
PMFSLM
实际应
用的合理性
，
针对额定速度为
lm/s
的载客电梯进
行分析
，
数据如表
3
所示
。
其中轿厢质量包括轿厢
自重
、
紧急制动装置等部件质量
,
分析时考虑摩擦
、
空气阻力等因数影响
。
无绳提升系统推力的表达式为
^thrust
=
Wc
+M
l
+M
p
•
MnQg
•
CTfrHion
。
G)
式中
：
Me
,
M
l
,
Mp
,
g
,
g
,
fig
分别是轿厢自重倾
定负载
、
电机初级质量
、
电机单元数
、
重力系数
、
摩擦
系数(一般取
1.2)
。
表
3
不同额定负载等级下无绳提升系统的参数
Table
3
Parameters
of
ropless
elevator
system
with
different
rated
load
levels
他
/
kg
MMkg
Mp/kg
F
thnisl
/kN
PMFSLM-N
unit
UPM-FSLM-Nunit
450
（
5
人
）
500
13.29
99
20
630
（
8
人
）
700
18.70
13
12
800
（
10
人
）
880
23.52
16
15
138
电机与控制学报
第
25
卷
由表
3
可知
，
随着额定负载等级的提高
，
所需
UPM-FSLM
单元电机数量少于传统
PMFSLM
单元电
UPM-FSLM
的电磁特性如表
5
所不
。
表
4
不同初级槽口宽度下
,
UPM-FSLM
电磁特性
机,减少了无绳提升系统的经济成本
。
Table
4
Electromagnetic
characteristics
of
UPM-FSLM
4
UPM-FSLM
齿槽优化
为进一步优化
UPM-FSLM
的电磁性能,对电机
11
at
different
primary
slot
opening
widths
槽口宽度
/mm
平均推力
/N
推力波动
/%
效率
/%
功率因数
1
533
1
616
9.23
83.2
84.0
0.79
的槽型与次级齿形进行优化
，
从而提高推力密度
、
降
低推力波动
。
本文在确定绕组线径和匝数不变的情
13.5
16
6.72
3.15
3.74
0.83
0.84
1
651
1
638
84.3
84.2
况下
,
即槽面积不变时
,
研究改变槽口宽度对
UPM-
18.5
0.83
FSLM
电磁性能的影响
。
并采用梯形齿结构改善次
级铁心饱和问题
。
UPM-FSLM
的齿槽结构示意图如
图
15
所示
。
图
15
UPM-FSLM
的齿槽结构示意图
Fig.
15
Cogging
structure
of
UPM-FSLM
图
16
给岀
UPM-FSLM
初级槽口宽度为
11
-
21
mm
时,该电机推力变化曲线
，
由图
13
可知当槽
口宽为
16
mm
时
，
该电机的推力达到最大且推力波
动较小
。
初级槽口宽度
5
。
为
11
~21
mm
时,
UPM-
FSLM
的电磁特性如表
4
所示
。
图
16
不同初级槽口宽度下,
UPM-FSLM
推力变化
Fig.
16
Thrust
of
UPM-FSLM
at
different
primary
slot
opening
widths
图
17
给出
UPM-FSLM
次级齿底宽度
17
〜
25
平均推力变化曲线
。
综合考虑推力波动和
推力密度
，
选择
％
=
19
mm
o
比匕为
17
~
25
mm
时
21
1
598
4.4183.80.82
8
E
6
戟
-R
4
17
19
21
23
25
次级齿宽
/mm
图
17
不同次级齿底宽度
UPM-FSLM
平均推力变化
Fig.
17
Average
thrust
of
UPM-FSLM
at
different
secondary
tooth
bottom
widths
表
5
不同次级齿底宽度下,
UPM-FSLM
电磁特性
Table
5
Average
thrust
of
UPM-FSLM
at
different
secondary
tooth
bottom
widths
次齿底宽
/mm
平均推力
/N
推力波动
/%
效率
/%
功率因数
17
1
651
3.
15
84.30.84
19
1
670
3.99
84.4
0.85
21
1
672
4.35
84.50.85
23
1
672
4.69
84.50.85
25
1
665
4.78
84.40.85
图
18
给出三种电机的反电动势对比图,可以看
出优化后
UPM-FSLM
的反电动势幅值比优化之前
的
UPM-FSLM
有所提高
。
PMFSLM,UPM-FSLM
与
优化后
UPM-FSLM
的总谐波畸变率分别
2.
50%
、
2.
44%
与
2.62%
,
总谐波畸变率涨幅极小
，
对电机
性能无较大影响
,3
种电机的反电动势谐波分析如
图
19
所示
。
根据有限元分析,可知优化后的
UPM-FSLM
比
传统
PMFSLM
的平均推力提高了
10.
6%
，
推力波动
降低了
24.
6%
o
图
20
示出优化后
UPM-FSLM
、
UPM-FSLM
和
PMFSLM
的推力曲线
。
三种电机的电
第
2
期
磁特性见表
6
。
汪旭东等:
U
型永磁开关磁链直线电机特性分析及优化
139
5
结论
本文提岀一种具有
u
型永磁结构的永磁开关
>
歎
菸
■&>
團
磁链直线电机
，
较传统
PMFSLM
在结构与性能指标
上有所提升
。
U
型永磁结构能够有效抑制传统
PMFSLM
产生的顶端漏磁现象
，
并且提高电机初级
的结构强度
。
基于相同永磁体用量
，
优化后的
UPM-
FSLM
较传统
PMFSLM
推力提高了
10.
6%
,
推力波
图
18
传统
PMFSLM
x
UPM-FSLM
与优化后
UPM-FS-
LM
反电动势对比图
Fig
Back-EMF
of
traditional
PMFSLM,
UPM-FS
LM
and
optimized
UPM-FSLM
A
迺
箸
糅
菸
曲
團
图
19
三种电机的反电动谐波分析图
Fig.
19
Back
EMF
harmonic
analysis
of
the
three
motors
1
800
•
«
优化后
UPM-FSLM
1
700
..
*
UPM-FSLM
PMFSLM
■R
5
*•,/
••
宀
1
600
1
500
时间
/ms
图
20
优化后
UPM-FSLM
、
UPM-FSLM
和
PMFSLM
的推力曲线
Fig.
20
Thrust
of
traditional
PMFSLM,
UPM-FSLM
and
optimized
UPM-FSLM
表
6
三种电机的电磁特性
Table
6
Electromagnetic
characteristics
of
the
three
motors
电机类型
平均推
推力波
力
/N
动
/%
效率
/%
功率
因数
PMFSLM
1
510
5.3183.00.78
UPM-FSLM
1
598
4.4183.80.82
优化后
UPM-FSLM
1
670
3.9984.4
0.85
动降低了
24.
6%
,
电磁性能明显提高
。
与此同时,
U
型永磁结构需要在
PMFSLM
初级
辄部嵌放永磁体
，
增加了辄部的厚度
，
较传统
PMFS
LM,
UPM-FSLM
的有效部分体积增加了
24.
5%
。
但
考虑到该类型电机在无绳提升系统中的应用
，
传统
PMFSLM
初级结构强度较低需加厚初级辄部
，
用于
加装燕尾槽等
，
导致其实际体积增加
。
因此,在实际
应用中两者体积相近
。
此外,
U
型永磁的加工
、
装配
有一定难度
,
进一步的结构优化
、
工艺流程设计等有
待深入研究
。
但
U
型永磁结构,提高了
PMFSLM
的
初级结构强度
，
增加了推力
，
降低了推力波动
，
消除
了初级顶部漏磁
，
永磁利用率高
，
电磁兼容性好
，
更
有利于该类型电机在无绳提升系统中的应用
。
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