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）具有結構簡單、動態特性好、力能指標高、推力密度大等特點，用它驅動的垂直提升系統具有安全性好、效率高、提升能力大、適應惡劣環境、可實現多轎廂（罐籠）同時運行等顯著優點，可廣泛應用于高層建筑電梯和礦井提升機，是垂直提升領域首選的驅動源。

但是，在長行程應用中，需要沿軌道鋪設初級繞組或永磁體，導致成本激增，限制了永磁同步直線電機在長行程領域的推廣應用。

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磁化成沿徑向的異極性，從而永磁體磁極與鐵心凸極構成極性交替分布結構。國內外許多學者對交替極結構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構，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，與同樣槽極數的徑向充磁旋轉電機相比，采用交替極結構的電機能獲得類似的轉矩性能。

文獻[12]對比了相同槽數和極數的傳統隱極式與交替極結構的永磁同步直線電機，表明交替極結構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特性，當永磁極高度與氣隙厚度的比在一定范圍內時，電機出力與隱極式永磁同步直線電機接近。以上研究表明，無論是在旋轉電機還是直線電機中，采用交替極結構均有助于提高永磁材料的利用率，降低材料成本。

傳統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合的復合磁體結構，在Halbach永磁陣列中，不同充磁方向的永磁體按照一定規則排列，與傳統隱極式排列相比，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磁極結構，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成，這種結構減少了稀土永磁材料的用量，從而降低電機成本。

本文結合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，采用雙邊錯齒結構HCP-PMLSM對推力波動進行了抑制。最后，制作了雙邊錯齒結構HCP-PMLSM樣機，并進行了實驗，實驗結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構方案來優化電機性能，并對這種結構進行深入分析，得到以下結論：

1）通過在交替極結構中增加兩塊切向充磁的永磁體，構成Halbach交替極結構，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）與非錯齒結構HCP-PMLSM相比，雙邊錯齒結構HCP-PMLSM的性能得到優化，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）與同結構參數的NS-PMLSM相比，HCP-PMLSM在其72.5%的永磁用量下，平均推力基本不變，當采用其特有的雙邊錯齒結構后，可以實現比NS-PMLSM更小的推力波動。在長行程應用中，HCP-PMLSM節省成本的優勢將更加顯著，是一種高性價比的優選方案。