随着我国国民经济的高速发展和制造强国战略的深入部署，高性能电机系统成为装备制造业向高端化发展的关键与核心。在直驱式直线运动领域，永磁直线电机（Permanent Magnet Linear Machines，PMLM）集成了永磁电机与直线电机的特性，具有高推力密度、高效率、高精度和高可靠性等显著优点，目前广泛应用于高档数控机床、极大规模集成电路制造装备、3C产品制造装备、高速物流系统与无绳电梯等领域。

传统永磁直线电机电枢与磁极分别在动、定子两侧，可分为具有高推力密度的有铁心结构和高动态响应的无铁心结构。针对高精度应用场合的直线伺服系统领域，传统永磁直线电机已在工业界得到了广泛的应用。目前，国内外知名的供应商有德国Siemens、美国Kollmorgen、荷兰Tecnotion、瑞士ETEL、日本Yaskawa、新加坡Akribis、深圳大族和广州数控等公司。

在工业界广泛应用的同时，传统永磁直线电机面临着两大问题：①磁极需面贴于次级全行程范围，永磁体用量大且成本高；②次级带有强磁性，需要额外安装隔磁防护装置。随着长行程直驱式应用领域的不断拓展，上述两大问题越发突出，工业界急需具有高推力密度和低成本的永磁直线电机新拓扑结构。

近年来，初级励磁型永磁直线电机成为直线电机领域的一大热点，逐步得到了深入的研究。顾名思义，初级励磁型永磁直线电机将电枢和磁极均放置于初级侧，次级仅由铁心构成，且通常是短初级长次级结构。在长行程应用时，永磁体仅位于短初级侧而无需面贴于次级全行程范围，用量与成本均大幅降低。同时，次级在全行程范围内不再具有强磁性，无需额外安装隔磁防护装置，可以应用的领域得到大幅扩展。

由此可见，初级励磁型永磁直线电机相比于传统永磁直线电机具有独特的性能与成本优势，在长行程直驱式直线运动领域，如长行程直线伺服系统、高速物流系统和高速无绳电梯等，具有很高的研究价值和广阔的应用前景。

浙江大学电气工程学院的研究人员沈燚明、卢琴芬，在2021年第11期《电工技术学报》上撰文，针对初级励磁型永磁直线电机，回顾并总结了国内外相关研究的技术现状和发展趋势。

他们研究认为，初级励磁型永磁直线电机相比于传统永磁直线电机具有更加丰富的拓扑结构，各拓扑结构各有优缺点，从推力密度、铁心饱和度、结构简易度与可靠性、退磁风险等几个方面对各类初级励磁型永磁直线电机的综合性能进行比较：

（1）推力密度

推力密度的定义有多种，常用的主要有单位体积下的推力和单位永磁下的推力。按照单位体积下的推力进行比较，初级励磁型永磁直线电机的推力密度仍不如传统永磁直线电机，其约为后者的60%~80%；而按照单位永磁下的推力进行比较，则初级励磁型永磁直线电机远高于传统永磁直线电机，并且随着行程的增加优势更加明显。在各类初级励磁型永磁直线电机中，磁通切换型、磁通反向型和游标型永磁直线电机具有较高的推力密度。

（2）铁心饱和度

由于永磁体与电枢绕组同时位于初级侧，初级励磁型永磁直线电机相比于传统永磁直线电机更容易饱和，因而在设计时需要综合考虑推力密度与过载能力，以便选取合适的永磁体尺寸。

（3）结构简易度与可靠性

对于磁通反向型、游标型和槽口永磁型永磁直线电机，其初级铁心为整体结构，永磁体以表贴的形式固定在铁芯上，结构简单且容易装配，可靠性较高；而对于磁通切换型、磁通偏置型和初级分裂型永磁直线电机，初级铁心模块化分立，结构较为复杂且装配困难，可靠性较低。

（4）退磁风险

磁通切换型和槽口永磁型永磁直线电机以并联励磁形式存在，电枢磁场不经过永磁体，因而退磁风险较低；磁通反向型、游标型和磁通偏置型永磁直线电机以串联励磁形式存在，电枢磁场需要经过永磁体，因而存在大规模退磁的风险，需要采用较高工作温度的永磁体牌号如SH、UH等。

另外，研究人员指出磁通反向型、游标型永磁直线电机及其交替极结构更具有综合性能优势，值得关注并进一步深入研究，以下给出几个潜在的研究方向供探讨：

（1）拓扑结构优化

对于磁通反向型和游标型永磁直线电机，各永磁体间漏磁较多，交替极结构虽可以减小部分漏磁，但漏磁问题仍较为突出，需要在拓扑结构上进一步优化以减小漏磁并提高推力密度。

（2）多物理场作用下电机系统电磁参数时变规律

初级励磁型永磁直线电机气隙磁场相比传统永磁直线电机具有更多的谐波，在非理想激励及多物理场耦合工况下电磁参数的变化规律更为复杂。为了提高控制精度，需要探明多物理场耦合作用下电机系统关键电磁参数时变特征，进一步还原电磁参数与电机运行状态间的映射关系。

（3）高性能控制策略

初级励磁型永磁直线电机本质上是一类谐波电机，相比于传统永磁直线电机这类基波电机，其气隙磁场谐波丰富，但定位力及推力波动较大，在伺服领域应用时，需要采取额外的控制策略补偿定位力及推力波动。因此，初级励磁型永磁直线电机高性能控制需要从谐波电机的电磁参数出发，建立电机系统电磁、变流、控制及负载参数间的动态耦合模型，提高电机系统整体性能。

研究人员最后总结指出，初级励磁型永磁直线电机研究尚有诸多关键技术需要突破，主要有以下几个方面：

1）新型高推力密度拓扑结构及优化设计是初级励磁型永磁直线电机研究和进一步发展的重要基础。

初级励磁型永磁直线电机拓扑结构虽然丰富，但其核心的单位体积推力密度指标与传统永磁直线电机相比仍有一定距离。因此，需要深刻理解并充分利用初级励磁型永磁直线电机气隙磁场多谐波的特点，构造具有更高推力密度的拓扑结构。

2）宽禁带电力电子器件及其功率变换技术的发展为初级励磁型永磁直线电机的高性能控制带来新的手段。

初级励磁型永磁直线电机本质上是一类双凸极结构的谐波电机，相比于传统永磁直线电机这类基波电机，其气隙磁场谐波丰富，但定位力及推力波动较大，在应用于高精度伺服领域时，需要采取额外的高性能控制策略用于补偿定位力及推力波动。

3）实际工业应用背景下的系统综合问题。

初级励磁型永磁直线电机最有潜力应用于长行程直线运动领域，如长行程直线伺服系统、高速物流系统和高速无绳电梯等。因此，长行程下电机系统的初级无线缆供电、无位置传感器控制、多电机协同控制运行等系统综合问题需要重点突破。

本文编自2021年第11期《电工技术学报》，论文标题为“初级励磁型永磁直线电机研究现状与展望”，作者为浙江大学电气工程学院的沈燚明、卢琴芬。