本书在总结国内外直线电机及其应用研究现状的基础上, 针对垂直运输系统用永磁直线电机的大推力、低成本应用需求, 提出两类新型交替极永磁直线同步电机结构, 一是Halbach交替极永磁直线电机。二是五相U型交替极永磁直线电机。研究结果为交替极永磁直线同同步电机的工程应用提供理论和实验参考。

为应对我国综合运输效能低下、公众出行不便、交通能耗高的严峻形势，、出台《交通强国建设纲要》，提出交通强国战略，要求加强新型载运工具研发，加强对可能引发交通产业变革的前瞻性、颠覆性技术研究。建筑交通运输作为交通强国战略的重要组成部分，已引起国家高度重视。目前，建筑交通主要采用钢丝绳曳引电梯，存在候梯时间长、拥堵严重，井道数量多、占用空间大，单级提升高度受限等瓶颈问题，亟需探索新型运载系统。为此，直线电机驱动的无绳电梯构想被提出，它依靠直线电机初、次级间的电磁力直接驱动轿厢，无需曳引钢丝绳，提升高度不受限制，能实现多轿厢循环运行，大幅减少电梯井道数量、节省建筑空间，候梯时间短、运输效率高，在高层电梯、物流仓储系统、立体车库和立体交通等领域应用潜力巨大，获得国内外相关研究机构和工业界的高度关注。


直线电机无绳电梯系统由于取消了曳引绳，尤其适合长行程、高速、多轿厢并发运输领域，具有传统曳引提升系统无法比拟的优势，但也对现有的直线电机动力驱动技术提出了更高要求。直线电机无绳电梯无配重，轿厢载荷依靠直线电机推力来驱动，要求直线电机具有尽可能大的推力输出。另外，在长行程应用中，直线电机沿整个运行轨道铺设，要求直线电机具有尽可能低的加工成本。此外，直线电机无绳电梯系统无曳引钢丝绳，为应对各类紧急故障场景，确保系统，要求直线电机具有一定的故障容错运行能力。因此，研发具有大推力、低成本和容错能力的直线电机尤为迫切。


本书结国内外垂直提升系统及直线电机研究现状的基础上，针对无绳电梯对直线电机高推力输出、节约成本和容错运行的迫切需求，提出和设计新型交替极永磁直线电机，开展新型电机的创新结构探索、工作机理分析、电磁特性分析等研究，为新型无绳电梯系统的工业应用提供理论依据和技术基础。本书共8章：第1章主要阐述了直线电机无绳电梯的背景与意义结了国内外无绳电梯、永磁直线电机技术的研究现状；第2章分析了Halbach交替极永磁直线电机（HCP-PMLSM）的拓扑结构、工作原理和电磁特性；第3章开展HCP-PMLSM优化设计、推力波动优化分析和实验研究；第4章分析了HCP-PMLSM推力波动机理和方法，并开展实验测试；第5章分析了五相U型交替极永磁直线电机（FUC-PMLSM）的结构行初步参数设计；第6章分析了FUC-PMLSM电磁特性，并对电磁参行优化，实验验证分析的正确性；第7章开展FUC-PMLSM全域温度场分析。第8行FUC-PMLSM故障容错特性分析。


本书由河南理工大学电气工程与自动化学院的许孝。本书在写作过程中得到电气工程与自动化学的大力支持，得到了上官璇峰、封海潮、艾立旺等诸位老师的指导和帮助，研究生孙震、吉升阳等提供了和实验分析，在此一并表示感谢。


本书及相关研究工作得到国家自然科学项目（52177039）、河南省科技攻关项目（22210216、212102210145）等研究的资助。


本书由河南理工大学上官璇峰审，他通读了全部书稿，提出了许多宝贵意见和建议。


本书在写作过程中参考了大量的文献资料，对所引用的文献尽力在书后参考文献中列出，但难免有所遗漏，是一些被反复引用很难查实原始出处的参考文献，在此向被遗漏参考文献的作者表示歉意，并向本书所引用的参考文献的作者表示诚挚的谢意。


由于时间仓促，加上作者水平有限，不足及疏漏之处在所难免，恳请广大读者不吝批评指正。


作者


22年3月于河南理工大学

许孝卓（1981-)，男，，河南商城人，博士，副教授，博士生导师。河南省高校青年骨、“直线电机与现代驱动”河南省优秀创新型科技团队带头人、河南理工大学直驱电梯产业技术研究院院长。长期从事永磁电机、直线电机等新型电机系统的设计理论、智能控制及故障诊断研究。主持国家自然科学项目2项、河南省科技攻关等省级项目3项；参与完成国家自然科学3项，留学、河南省产学研合作项目等省部级项目6项，企业横向研发项目5项。发表科技论文30余篇，作为第1、2发明人申请专利28项，获批发明专利12项；获河南省科步奖、以及中国煤炭工业专利奖等3项科技奖励。

第1章 绪论


1.1研究背景及意义


1.2国内外发展现状展


1.3本书研究内容与任务


第 2章 新型 Halbach 交替极永磁直线电机结构


2.1 HCP-PMLSM的拓扑结构及磁路分析


2.2HCP-PMLSM参数初步设计


2.3 HCP-PMLSM性能研究


2.4本章小结


第3章 HCP-PMLSM优化设计


3.1初级绕组结构分析


3.2不同槽极配合下HCP-PMLSM特性分析


3.3次级参数优化


3.4本章小结


第4章HCP-PMLSM推力波动


4.1互补型HCP-PMLSM的拓扑结构.


4.2 互补结构推力波动原理


4.3推力波动的验证


4.4样机研制与实验验证


4.5本章小结


第5章U型交替极永磁直线电机结构


5.1结构及工作原理


5.2不同结构方案对比分析


5.3 初级绕组分析


5.4初步结构参数设计


5.5 FUC-PMLSM磁路分析


5.6本章小结


第6章FUC-PMLSM电磁特性及优化


6.1电机电磁特性分析


6.2 主要结构参数优化


6.3三相电机与五相电机性能对比


6.4 FUC-PMLSM 实验测试


6.5的FUC-PMLSM次级结构


6.6本章小结


第7章FUC-PMLSM全域温度场分析


7.1 温度场模型及参数计算


7.2全域温度场建模分析


7.3不同工况下电机温度场分析


7.4本章小结


第8章 FUC-PMLSM故障容错特性分析


8.1基于磁动势不变的缺相故障容错控制策略


8.2基于重构磁场的缺相故障容错控制策略.


8.3两种容错控制策略对比分析


8.4本章小结


参考文献

第1章绪论


1.1研究背景及意义


提升机是现代社会不可或缺的运输工具，自从1852年台升降机诞生至今，提升机驱动方式经历了螺杆、螺母驱动，齿轮、齿条驱动，卷筒驱动，液压驱动，曳引驱动和直线电机驱动等多种驱动方式。目前，曳引驱动方式的应用为广泛。曳引式电梯采用传统旋转电机作为动力源，电梯轿厢和对重通过钢索连接，并经过导向轮悬挂于驱动电机的输出轮两侧，电机旋转时，依靠驱动轮和钢索之间的摩擦力驱动电梯。然而，随着人口的增加和地表浅层资源的日益枯竭，高层建筑不断向空中延伸，矿山开采不断向深层和超深层地下延伸，如我国一些矿井深度已超过1000m以上，南非的一些金矿开采深度已超过3500m。对提升机的运行高度、提升效率、性能、井道空间等提出了更高的要求，现有的曳引驱动方式逐渐暴露出一些致命的缺点：


（1）运行效率低。由于采用旋转电机作为动力源，曳引式驱动系统中不可避免地使用了钢索、输出轮、导向轮等中间转换环节，以便将电机的旋转运动变成电梯的直线运动，这降低系统的运行效率，增加故障率。


（2）一次提升高度受到限制，有时需要多级提升21。随着电梯提升高度的不断增加，曳引电梯的钢索变得越来越长，越来越粗。其自身的重量在载荷中的比例越来越大，再加上驱动轮的黏着力等问题，使通过曳引钢索牵引轿厢的难度越来越大，受制于钢丝绳的强度、单位绳重、系数、根数，以及轿厢重量，绳式电梯极限提升高度约1000m。