近年來，隨著高層建筑不斷向空中延伸，礦山不斷向深井開采挖掘，對提升機的效率、提升能力、安全性提出了更高的要求。永磁同步直線電機（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,PMLSM）具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)特性好、力能指標(biāo)高、推力密度大等特點，用它驅(qū)動的垂直提升系統(tǒng)具有安全性好、效率高、提升能力大、適應(yīng)惡劣環(huán)境、可實現(xiàn)多轎廂（罐籠）同時運行等顯著優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于高層建筑電梯和礦井提升機，是垂直提升領(lǐng)域首選的驅(qū)動源。

但是，在長行程應(yīng)用中，需要沿軌道鋪設(shè)初級繞組或永磁體，導(dǎo)致成本激增，限制了永磁同步直線電機在長行程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

交替極永磁同步直線電機（Consequent-Pole PMLSM, CP-PMLSM）的次級永磁體沿徑向為同極性排列，相鄰永磁體之間的鐵心凸極被相應(yīng)磁化成沿徑向的異極性，從而永磁體磁極與鐵心凸極構(gòu)成極性交替分布結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外許多學(xué)者對交替極結(jié)構(gòu)的電機進行了研究以提高永磁利用率。

文獻[5-6]提出了磁通反向永磁同步直線電機的交替極結(jié)構(gòu)，用以減少漏磁，提高永磁材料的利用率。文獻[7-9]提出利用一種新穎的繞組布置配合多臺單元電機模塊組合方式減少交替極永磁同步直線電機的磁阻力。文獻[10-11]的分析表明，與同樣槽極數(shù)的徑向充磁旋轉(zhuǎn)電機相比，采用交替極結(jié)構(gòu)的電機能獲得類似的轉(zhuǎn)矩性能。

文獻[12]對比了相同槽數(shù)和極數(shù)的傳統(tǒng)隱極式與交替極結(jié)構(gòu)的永磁同步直線電機，表明交替極結(jié)構(gòu)的永磁同步直線電機具有更高的永磁利用率。文獻[13]分析了交替極永磁同步直線電機的參數(shù)特性，當(dāng)永磁極高度與氣隙厚度的比在一定范圍內(nèi)時，電機出力與隱極式永磁同步直線電機接近。以上研究表明，無論是在旋轉(zhuǎn)電機還是直線電機中，采用交替極結(jié)構(gòu)均有助于提高永磁材料的利用率，降低材料成本。

傳統(tǒng)永磁電機的次級多采用徑向或切向永磁體陣列，而Halbach永磁陣列則是一種將徑向和切向相結(jié)合的復(fù)合磁體結(jié)構(gòu)，在Halbach永磁陣列中，不同充磁方向的永磁體按照一定規(guī)則排列，與傳統(tǒng)隱極式排列相比，Halbach永磁陣列可以獲得更大的氣隙磁通密度。

文獻[17]在永磁同步直線電機中采用Halbach磁極結(jié)構(gòu)，使氣隙磁通密度增大，同時可以通過減小電樞電流的方式提高電機的效率。文獻[18]提出并分析了一種磁極組合式的Halbach永磁陣列軸向磁場無鐵心電機，其Halbach陣列由永磁體以及嵌在永磁體中間的軟磁材料構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)減少了稀土永磁材料的用量，從而降低電機成本。

本文結(jié)合Halbach磁體陣列和交替極磁體陣列的特點，提出一種Halbach交替極永磁同步直線電機（Hallbach CP-PMLSM, HCP-PMLSM），利用有限元法，分析了電機的氣隙磁通密度、反電動勢、推力等電磁特性，將HCP-PMLSM分別與隱極式永磁同步直線電機（Non-Salient PMLSM, NS-PMLSM）和交替極永磁同步直線電機（CP-PMLSM）進行了對比，并優(yōu)化了HCP-PMLSM的磁極尺寸以進一步提高其推力。

其次，針對HCP-PMLSM推力波動偏大的問題，采用雙邊錯齒結(jié)構(gòu)HCP-PMLSM對推力波動進行了抑制。最后，制作了雙邊錯齒結(jié)構(gòu)HCP-PMLSM樣機，并進行了實驗，實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

圖1三種電機橫截面示意圖

圖17 HCP-PMLSM樣機

結(jié)論

本文提出一種永磁少、推力密度高的Halbach交替極永磁同步直線電機，并對其電磁特性進行了分析。在此基礎(chǔ)上，針對HCP-PMLSM次級凸極帶來推力波動偏大的問題，提出采用次級雙邊錯齒結(jié)構(gòu)方案來優(yōu)化電機性能，并對這種結(jié)構(gòu)進行深入分析，得到以下結(jié)論：

1）通過在交替極結(jié)構(gòu)中增加兩塊切向充磁的永磁體，構(gòu)成Halbach交替極結(jié)構(gòu)，減少了極間漏磁，增強了氣隙磁通密度。采用Halbach交替極永磁同步直線電機具有永磁消耗少、推力密度高的特點。

2）與非錯齒結(jié)構(gòu)HCP-PMLSM相比，雙邊錯齒結(jié)構(gòu)HCP-PMLSM的性能得到優(yōu)化，自感的變化率由1.97%下降到1.00%，反電動勢的諧波畸變率由3.12%下降到2.89%，磁阻力的峰-峰值由78.6N下降到7.2 N，輸出推力波動由1.88%下降到0.7%。

3）與同結(jié)構(gòu)參數(shù)的NS-PMLSM相比，HCP-PMLSM在其72.5%的永磁用量下，平均推力基本不變，當(dāng)采用其特有的雙邊錯齒結(jié)構(gòu)后，可以實現(xiàn)比NS-PMLSM更小的推力波動。在長行程應(yīng)用中，HCP-PMLSM節(jié)省成本的優(yōu)勢將更加顯著，是一種高性價比的優(yōu)選方案。