永磁直线电机磁极拓扑构型研究综述

严 亮， 向芃桔， 孙启昕

（1.北京航空航天大学，北京 100191；2.飞行器控制一体化技术国防科技重点实验室，北京 100191；3.北京航空航天大学宁波创新研究院，宁波 315800）

0 引言

传统旋转电机只能产生单自由度旋转运动，因此在需要线性运动的场合，一般只能通过丝杠螺母等机械转换机构实现推力的输出。显然，这种多级传动的方式将会导致运动精度低、功率密度难以提升等内在缺陷。因此，能直接产生线性运动和推力而无需任何传动转换装置的直线电机受到了国内外学者的广泛关注和研究[1-5]。

直线电机的结构可以看作是传统旋转电机沿轴向的展开[6]，通过电枢绕组与磁场的相互作用将周向旋转转矩直接转换为轴向电磁推力，从而消除了 “旋转电机+丝杆螺母”等传统机构的中间转换部件。同时，直线电机动子直接与被驱动部件相连，运动惯量更小[7]，故其具有结构简单、动态特性好、可靠性高、能量损耗少、工作效率高等诸多优点[8-10]，在交通运输[11-12]、高精制造[13]、航空航天[14]等领域取得了广泛的应用。

目前，直线感应电机（Linear Induction Machines，LIMs）和 PMLMs是较为常用的两类直线电机[15-16]。然而随着材料科学的发展，永磁材料的磁能积不断提升，尤其是稀土永磁材料，在同等体积下其磁能积比电励磁大10～15倍[17]，且抗去磁能力强，可以极大地提高电机功率密度。所以，基于永磁磁场的PMLMs相比于LIMs推力密度更大、体积更小、效率更高，能获得较好的动态性能。

相比于传统直线输出设备，PMLMs的提出改善了其输出性能，同时也拓展了永磁电机的研究范围，然而也带来诸多新的问题与挑战。与同容量旋转电机相比存在出力小、波动大等问题，其主要原因在于：一是存在径向力，气隙一般比旋转电机大，因此同样的出力需要更大的电流，导致电机的铜损增加；二是PMLMs轴向或横向两端开断，产生边缘效应从而导致气隙磁场波形畸变并产生损耗[17-18]；三是受到径向力、齿槽力及边缘效应的影响，输出力波动较大。因此，如何提高轴向输出力、减小波动是PMLMs的关键问题，同时也是决定如大型飞机直驱作动系统等直线电机应用成败的核心环节。

通常来说，提高PMLMs输出力的途径主要分为两类：一是增加电流输入，这一方法直接而有效，然而永磁材料的热敏感特性和电枢绝缘层的热承受能力不可避免地会制约系统最大电流；另一种方法是增加气隙磁场强度，比如通过加大磁极尺寸、减小气隙以及选择性能更优越的永磁材料等，但是这些方法收效有限，且严重受限于加工技术和材料科学的发展。而一种较为有效的方式就是通过寻求不同磁极排列方式来改变磁场分布，从而达到提高系统输出力的目的，该方法针对PMLMs系统各部分构件进行重新组合，无需增加额外部件和输入电流，因此得到了广泛关注，并且也取得了不少成果。

本文将针对国内外PMLMs磁极拓扑构型研究现状进行阐述，首先根据其结构特点进行分类与分析，其次重点针对PMLMs各种构型及其变体进行讨论与总结，包括径向交替充磁、轴向交替充磁、Halbach阵列及复合磁极阵列，分析不同构型对电机磁极分布特性及输出性能的影响，最后对PMLMs磁极构型研究的发展趋势进行展望。

1 PMLMs的结构特点及分类

目前，传统PMLMs从结构特点上可以分为单边平板型、双边平板型及圆筒型永磁直线电机。如图1所示，为一种典型的单边平板型PMLMs结构，长初级一般作为定子固定，电枢绕组嵌入在开口槽中。永磁体采用表贴的方式轴向均布于短次级的背铁表面，短次级永磁磁场与电枢绕组相互作用形成轴向输出力。但是，由于存在单边磁拉力，而且不能像旋转电机一样相互抵消，故动子需用直线导轨等机械部件固定。

图1 单边平板型PMLMs结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the single-sided flat PMLMs structure

这种单边平板型PMLMs结构简单、动子惯量小，能够实现短时的大推力及高加速度[19]。但是，这种类型的PMLMs由于轴向和横向均开断，将产生较大的边缘效应，对气隙磁场波形的畸变影响较大，同时为了保证一定的行程，其初级一般较长，难以保证均匀的气隙宽度，故其推力波动较大。其次，其控制系统也较为复杂。所以，也有学者提出了短初级的驱动方式，然而这将导致需要链型线轨等额外部件，导致其结构更加复杂，同时也增加了磁铁的用量。

将单边平板型PMLMs沿轴向镜像对称，就构成了一种结构较为简单的双边平板型PMLMs。该类型直线电机一般具有两种构型，一种是两个初级铁芯背靠背位于两次级内侧，同时两个次级固连在一起作为动子输出推力，但由于电枢绕组在直线电机内部，故不利于散热。第二种则是两初级铁芯位于外侧，次级位于内侧，如图2所示。这种双边平板型PMLMs由于具有两个初级，故输出推力相较于单边型更大，且两侧的单边磁拉力方向相反相互抵消，有利于降低永磁直线电机输出推力波动[20-22]。然而，双边型仍然存在和单边型平板PMLMs同样的缺陷，纵向边缘效应和齿槽效应等也将会导致其齿槽力和推力波动较大，不少学者也对此作了大量研究[23-24]。

图2 双边平板型PMLMs结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the double-sided flat PMLMs structure

为了进一步提高推力密度、消除边缘效应，一种圆筒形PMLMs被提出。如图3所示，为圆筒型PMLMs的一种具有代表性的结构[25]，其初级与次级均为圆筒形，采用滑动轴承等固定和支撑动子。由于采用了圆形绕组和永磁体，相较于平板型直线电机，消除了其横向的边缘效应，改善了气隙磁场畸变，磁体利用率更高，具有更高的推力密度[26]。然而，其加工一般更为复杂，且轴向两端的边缘效应也并没有消除，所以其端部的边缘力仍然存在。

图3 圆筒型PMLMs结构示意图Fig.3 Schematic diagram of cylindrical PMLMs structure

PMLMs相较于旋转电机，由于其两端或横向开断的结构，故其结构也更加灵活多变，但同时也带来了新的问题。主要在于同等容量下输出力一般比旋转电机小，且所存在的边缘效应也一定程度上影响了其推力波动等问题。然而在实际工业应用中，大推力和高功率密度是极为重要的指标，故国内外不少学者针对PMLMs的磁极阵列开展了深入研究，以提高气隙磁通密度，从而改善永磁直线电机的输出性能。

2 PMLMs磁极拓扑构型及分析

目前，PMLMs的磁极阵列大体可分为：径向交替充磁阵列、轴向交替充磁阵列、Halbach阵列以及复合Halbach磁极阵列，下面将分别针对其磁极拓扑构型特点、工作原理及输出性能等逐一进行阐述和分析。

2.1 径向交替充磁阵列

径向交替充磁阵列由于其结构简单、易于加工和装配等，是一种较为常见的PMLMs磁极阵列，在平板型和圆筒型直线电机上具有广泛运用。

德国克劳斯塔尔工业大学的Zirn教授设计了一种结构较为简单的径向充磁音圈永磁直线电机[27-28]，如图4虚线框中所示。该直线电机的定子上只安装了一个圆筒状的永磁磁极，采用径向充磁，永磁磁极产生的磁场和动子线圈中的环状电流相互作用，产生轴向输出力，从而推动动子及外部的运动平台在导轨上产生线性运动，软磁材料放置在永磁磁极的背面以增强电机气隙的磁场强度。由于该直线电机的动子惯量小，因此具有较好的动态特性。

图4 基于单环状永磁磁极的PMLMs结构示意图Fig.4 Schematic diagram of PMLMs structure based on single ring permanent magnet pole

文献[29]、文献[30]也介绍了一种具有类似结构的永磁直线电机，用于相机的自动聚焦功能。如图5所示，该直线电机的动子包含有一对面对面放置的永磁磁极，透镜模块固定在磁极顶部，而定子两侧即永磁磁极两侧则装有一对环形线圈。线圈通电后，和动子永磁磁场相互作用，产生轴向推力，使动子和透镜模块输出直线运动，通过控制电流方向可改变动子的运动方向。固定在定子上的霍尔元件可以检测永磁磁场的变化，从而推断出动子的位移量。以上两种径向充磁的永磁直线电机的磁场利用效率较低，因此输出力密度也偏小，比如图5中直线电机的最大输出力密度只有2.8×104N／m3，研究者还通过调整气隙的方式将磁场强度及输出力增加了约1.5%左右。

图5 基于单对块状永磁磁极的音圈PMLMs结构示意图Fig.5 Schematic diagram of the voice coil PMLMs structure based on a single pair of massive permanent magnet poles

文献[31]～文献[33]中，Amara等人将径向充磁磁极沿轴向进行扩展，形成了如图6所示的交替充磁的磁极排列方式，这种排列方式有助于增强气隙磁场，从而提高系统的轴向输出力。交替排列也使得气隙内的磁场分布更加接近谐波形式，便于系统运动控制的实现。文章还提出了一种二维解析建模方法，用以预测气隙磁场内的变化情况，并用数值方法进行了验证。另外，为了使得输出力更加平稳，系统采用了三相绕组的设计方案。该直线电机的输出力密度获得了较大的提高，其值约为 1.2×105N／m3。

图6 轴向分布的径向交替充磁PMLMs结构示意图Fig.6 Schematic diagram of the axially distributed radial alternating magnetization PMLMs structure

罗马尼亚蒂米什瓦拉理工学院的Boldea教授对永磁直线电机做了长期深入的研究，将上述径向交替充磁排列方式进一步沿轴向做了磁极数量上的延展，并且应用于平板式直线电机的研制，还针对内嵌式（Interior Buried）及表面附着式（Surface Mounted）等排列方式进行了分析和对比，设计了如图7所示的两种直线电机[34-36]。研究结果显示，前者的背铁及磁回路设计有助于降低磁能损失，提高其气隙磁场强度。另外，Boldea教授还提出了线性和非线性状态空间模型，为系统的动力学分析提供了条件。由于该平板直线电机存在较为严重的磁漏现象，因此其输出力密度应该略低于Amara设计的电磁直线电机。

图7 径向交替充磁平板式永磁直线电机Fig.7 Diagram of radial alternating magnetization flat PMLMs

希腊雅典国立技术大学的Kladas教授提出了一种结构新颖的倾斜式永磁磁极阵列[37-38]，既可应用于直线驱动电机，也可应用于直线发电机的设计。如图8所示，该设计采用了立方柱形的总体框架结构，永磁磁极在动子的四个侧面按倾斜方式均匀分布，这种磁极排列方式有助于减小齿槽力引起的推力波动，从而获得更加平稳的运动，提高动子在往复运动中的效率。研究针对磁场分布等特性采用数值方法进行了分析，还提出了一种基于有限元法以及Descartes坐标下解析法的混合型二维仿真模型，用于评估倾斜式永磁阵列对气隙磁场分布带来的影响，但是并没有对系统输出性能进行深入详细的阐述。根据系统采用的总体设计方案以及磁极和绕组间的距离来看，这种立方柱的设计方式对空间的利用率不是十分有效，因此系统的输出力密度应该不会太高。另外，过宽的气隙设计也会对系统的输出性能产生一定的负面影响，其输出力密度应该约为7×104N／m3～8×104N／m3，通过进一步合理的优化设计，可以改善和提高其输出性能。

图8 基于倾斜式永磁磁极分布的直线电机设计与分析Fig.8 Design and analysis of linear motor based on inclined permanent magnet pole distribution

清华大学的王先逵教授对永磁直线电机的磁极形状、充磁方式以及排列形式也进行了非常深入的研究[39-40]，提出了一种新型均匀充磁等厚六边形磁极排列方案，能有效地提高极距之间的空间利用率，增强系统的输出性能，而且也使得直线电机气隙中的磁场分布更加规律，因此能够极大地削弱由齿槽效应引起的推力波动。

径向交替充磁阵列结构较为简单，在平板型和圆筒型直线电机中具有广泛的应用。然而，由于其磁路严重依赖于背铁，不利于动子的轻量化设计，一定程度上限制了直线电机动态特性的提升。

2.2 轴向交替充磁阵列

轴向交替充磁的PMLMs可以类比于永磁同步旋转电机内埋式切向充磁结构，相较于径向交替磁极拓扑构型，由于两磁极对顶具有聚磁效应，所以可以提供更大的磁通密度，有助于进一步提高功率密度。

英国谢菲尔德大学的Wang教授及其所在的实验室在永磁直线电机研究方面做出了大量突出贡献，提出了如图9所示的交替充磁方案[41-42]。和传统的实心圆柱状轴向交替充磁方式不同，该直线电机设计采用轴向充磁方式的环形磁铁，从而有效降低了动子的质量，提高了系统动态响应速度。动子的中空结构可以用来安装轴承，无需在动子外部单独设计复杂的安装和支撑机构，因此能够增加系统的紧凑性，提高直线电机的输出力密度。另外，为了获得更高的系统输出力密度和输出效率，减少端部效应，直线电机总体结构采用了圆筒形的设计方案，该直线电机的最大输出力密度约为2.0×105N／m3。Wang教授还针对以上常见的各种径向充磁等方案进行了比较系统全面的分析[43-45]，提出了基于闭环解的磁场分析方法，有效增强了传统集中参数法的精度，为具有类似结构的永磁直线电机的磁场及输出性能分析研究以及系统优化设计奠定了良好的理论基础。

图9 基于轴向充磁交替排列设计的紧凑型永磁直线电机Fig.9 Diagram of compact permanent magnet linear motor based on axial alternating magnetization design

美国得克萨斯农机大学的Kim教授提出了一种两两交替的轴向充磁方案[46]。如图10所示，为了便于给绕组供电，该直线电机的永磁磁极阵列安装在动子上面，并且所有磁极都采用轴向充磁。不同于以上提到的相邻磁极间交替的排列方式，该永磁直线电机总体采用了NS-NS—SN-SN的两两交替排列方式，其目的是在同级磁极之间获得更大的输出力，同时增加系统的输出力密度。此外，该PMLMs的位置测量传感器采用的是常用的线性可变差动传感器（LVDT），与动子同轴对接，安装在直线电机的外部，并没有进行总体集成，集成之后系统的体积应该还会适当增加。该直线驱动电机系统的最大输出力密度约为3.5×105N／m3，由于采用了无槽结构，动子运动过程中没有明显的推力波动，运动更加平稳。

图10 基于两两轴向充磁交替排列设计的PMLMsFig.10 Diagram of PMLMs based on two-two axial alternating magnetization design

哈尔滨工业大学的李立毅教授提出了一种采用轴向充磁磁极构型变体的平行四边形截面的磁极设计[47]， 从图 11（a）和图 11（b）中有蓝色箭头的部分可以看出，永磁磁极在任意一个电机轴向和径向形成的平面内都呈平行四边形。磁极相互之间采用楔形背铁交替放置，起固定磁极和增强磁场强度的作用。该研究也针对不同的充磁方向采用数值方法进行了分析和对比，图 11（a）所示为轴向交替充磁，图11（b）所示为倾斜方向交替充磁，同时也和传统的轴向交替充磁进行了对比，这种新颖的有关磁极形状以及充磁方向的探索对于开拓思路有着很好的启发效果，圆柱形无槽绕组采用特殊模具制作并放置在动子背铁的内部。研究结果显示，倾斜充磁能更加有效增强电机的气隙磁场，也有助于提高系统的输出力密度和减小推力波动。

图11 平行四边形磁极在直线电机中的应用Fig.11 Application of parallelogram magnetic pole in linear motor

浙江大学的范承志、叶云岳教授在永磁直线电机设计上也做了大量深入研究[34]，提出了如图12所示的低速圆筒直线电机。该电机定子采用有槽设计方案，动子磁环采用内嵌安装，并进行轴向充磁，电机轴采用非导磁性材料，动子的长度大于定子，有利于在行程范围内获得更平稳的输出力。尽管从充磁方式来说和前面的部分研究存在相似之处，但是该项目采用新颖的混合解析法针对定子极距以及极弧系数对齿槽力的影响进行了深入分析，并针对定子槽宽槽高、永磁体几何尺寸以及用量等进行了综合优化，研究结果对于类似的永磁直线电机设计具有很好的借鉴意义。

图12 低速永磁直线电机结构示意图Fig.12 Diagram of low-speed PMLMs structure

东南大学的黄允凯教授设计了具有类似磁极分布以及充磁方式的圆筒型永磁直线电机[35]，如图13所示，该直线电机的定子、动子均无铁芯，其定子由轴向充磁的圆柱形永磁体组成，相邻永磁体充磁方向相反，且紧贴在一起，中间无铁磁性极靴。与普通的无铁芯定子圆筒型直线电机相比，该设计构型对永磁磁通的利用率更高，对动子偏心的敏感度更低，运动过程中绕组电感变化更小，因而具有更高的工作效率和控制精度。该研究还提出了一种在圆柱坐标系下基于磁荷法的空载磁场解析计算方法，利用该解析法对无铁芯直线电机的空载磁场分布进行分析，并结合电机结构参数，推导出电机的反电势和推力等。研究结果表明，负载电流对永磁体表面处的磁场分布以及推力影响很小，从而体现了该磁极构型给系统带来的优势。

轴向交替充磁构型通过磁极的 “对顶”放置，可以产生比永磁体剩磁更大的磁通密度，有利于提升功率密度。但是，这种聚磁结构特别是当磁极间的软磁较薄或者如图13所示的两磁极直接紧贴在一起时，为磁极装配带来了一定的困难。

2.3 Halbach拓扑构型

美国加州大学伯克利分校的Lawrence实验室提出了著名的Halbach磁极阵列[48]，该阵列将径向交替充磁和轴向交替充磁进行组合，对应的空间磁场分布也进行了向量场的叠加，叠加结果使得磁极阵列靠气隙一侧的磁场强度能够得到较大的增强，为增强电磁输出力提供了有利条件，该磁极阵列在PMLMs上得到了广泛的关注和应用。

如图14（a）所示，美国麻省理工学院的Berhan将Halbach磁极阵列应用于圆筒型直线电机中[49-50]，用以提高系统的总体输出力，并降低输出力波动和电磁感应，该直线电机的输出力密度约为3.1×105N／m3。文献[49]详细介绍了该直线电机的分析、设计和运动机理，并提出了相应的磁场和输出力分析方法。德国斯图加特大学的Schinkoethe教授则将Halbach阵列和方块状永磁体相结合，设计了如图14（b）所示的平板直线电机[51]，目的是减小系统体积，提高工作效率，同时也能降低系统制造成本。文中针对永磁磁场分布进行了深入分析，该研究的主要目的是将Halbach磁极阵列用于产生磁悬浮力，而不是轴向推力。文献没有说明该永磁直线电机的具体结构参数，根据其设计方案产生的磁漏和端部效应，输出力密度应该比Berhan的电机要略低一些。

图14 Halbach磁极阵列在永磁直线电机中的应用Fig.14 Application of Halbach magnetic pole array in PMLMs

自从Halbach磁极阵列被提出后，不少学者还针对其进行了局部改进研究。如荷兰埃因霍温工业大学的Lomonova教授采用如图15所示的梯形截面磁体取代传统方形截面磁体[52-53]，从而使得系统单侧磁场的增强效果更加明显，有助于直线电机轴向输出力的进一步增加。永磁磁极的特殊形状也给磁场建模带来了一定困难，该研究提出了一种半解析法来分析该磁极阵列的气隙磁场分布，为系统的结构参数优化提供了有效工具。但是，研究结果显示该磁极阵列对提高直线电机的输出力特性帮助并不显著。另外，Lomonova教授还使用扇形磁极组合来取代传统的环形磁极，以降低加工复杂度及成本[54]，并定量地分析了磁极划分对直线电机磁场分布以及输出力的影响，为同类型直线电机的磁极设计提供了非常良好的参考依据。

图15 基于梯形磁极的Halbach阵列Fig.15 Diagram of Halbach array based on trapezoidal magnetic poles

2.4 复合Halbach磁极构型

然而，以上传统的Halbach磁极阵列由于单一单层的构型，如圆筒型直线电机的所有磁极都分布在单层圆柱面上，这就不可避免地制约了系统输出性能的提升。因此，文献[55]～文献[57]创新性地提出了一种基于空间复合Halbach磁极阵列的圆筒型永磁直线电机，为增强系统轴向输出力找到新的突破口，同时也为从源头上抑制径向力和振动创造了有利条件。

该研究将两组异构型Halbach磁极阵列面对面且错位放置，如图16所示。该阵列的分布不再局限于同一圆柱面上，而是沿径向（r向）进行了扩展，阵列中两层磁极的充磁规律不尽相同，双层径向磁场的叠加可使气隙内的径向磁场相较于传统单层Halbach磁极阵列得到显著增强。

图16 空间复合Halbach磁极阵列的形成Fig.16 Formation of space compound Halbach magnetic pole array

此外，尽管从理论上讲，由于其对称结构，圆筒型直线电机的动子在圆周方向上的径向力也呈轴对称分布，相互抵消。但实际工程中，受到加工精度和充磁不均匀性等因素的影响，圆筒型PMLMs动子径向受力不可能完全对称分布，因而就会造成动子轴线的变形或偏移。由于永磁电机径向力对气隙十分敏感，这种动子变形会严重加剧受力的不对称性，从而进一步加剧变形，形成恶性循环，这也是直线驱动噪音偏大和气隙设计相对困难的重要原因。而该研究中所提出的双层复合Halbach磁极阵列在增强径向磁场的同时还能削弱轴向磁场分量，从源头上抑制了径向力。

如图17所示，文献中针对双层Halbach无槽圆筒型PMLMs还提出了一种预测其电枢反应磁场的建模方法。相较于传统建模方法，该方法考虑了有限长度电枢反应磁场的分布使得该永磁直线电机输出力解析建模更加精确，为后续相关研究提供了良好的基础。

图17 双层复合Halbach磁极阵列在PMLMs中的应用Fig.17 Application of double-layer composite Halbach magnetic pole array in PMLMs

文献[58]、文献[59]也提出了另一种如图18所示的双层复合异构形Halbach磁极阵列，该磁极构型外层为传统准Halbach磁极阵列，内层为轴向交替磁极阵列。通过内层轴向交替充磁磁铁和软磁材料的引导作用，进一步减小了外层Halbach磁极阵列的漏磁，加强了其单侧磁屏蔽作用。所以，该构型PMLMs可彻底去掉动子背铁，在减轻动子质量提高其动态特性的同时，还可以进一步增强Halbach阵列的聚磁作用，从而提高轴向输出力。尽管该构型较为复杂且不易装配，但极大提高了直线电机的动态性能。

图18 双层复合异构形Halbach磁极阵列Fig.18 Diagram of double-layer composite heterogeneous Halbach magnetic pole array

3 发展趋势及展望

随着永磁材料磁能积的不断提高，永磁式电机的性能也不断提升[60-61]。目前，国内外有关永磁直线驱动的研究也已经比较广泛和多样化，并且取得了不少成绩，永磁直线电机磁极拓扑构型的研究也主要集中在径向交替、轴向交替和Halbach磁极构型及它们的变体上。径向交替充磁在平板型直线电机中的加工工艺简单且成本较低，所以应用也较为广泛，但该构型存在较大的漏磁。轴向交替充磁具有聚磁效应，可以进一步提升电机输出力，但不易装配。Halbach阵列可以被看成是径向交替充磁排列和轴向交替充磁排列的组合，这种组合由于具有增强单侧磁场强度的优势，受到了PMLMs领域很多研究者的关注。Halbach阵列不仅能增强单侧磁通密度，还能使直线电机气隙中的磁场波形更趋近于正弦波，从而有利于高精度运动控制策略的实施。同时，该阵列的自屏蔽特性也为系统紧凑化设计提供了便利。复合Halbach磁极阵列相较于上述几种，能提供更高的磁场强度和更好的气隙磁密波形，但磁钢的用量也有可能会增加。

随着永磁直线电机在更多领域的应用[62]，其性能要求也更加严格。在航空航天和工业生产等领域，推力及功率密度大小是极为核心的要求，通过不同的磁极排布来改变磁场分布及强度是一个需要深入研究也是一个较为有效的方法，多层及复合化的磁极拓扑构型为其提供了一个有效途径。其次，永磁直线电机的振动噪声与推力脉动等决定了其动态特性的好坏。目前，不少研究通过PMLMs斜极与斜槽、适当改变定子长度、辅助绕组等方式来减小输出力脉动[63-64]。然而，这些方法在一定程度上增加了系统体积并减小输出力，通过磁极阵列减小径向力不仅能抑制脉动，还能进一步增加输出推力，不少学者也通过异构型磁极及不同的极弧系数等方式来达到这一目的。

综上所述，永磁直线电机输出性能的好坏与其永磁磁场的分布及强度具有强相关性，通过磁极构型的改变，特别是复合化的磁极构型能有效提升PMLMs的输出性能。

4 结论

随着稀土永磁材料等的发展，永磁直线电机的输出性能不断提升，应用范围也更加广泛，相较于感应式直线电机推力密度更大，已成为工业领域、机器人领域等重要的直线直驱电磁驱动设备。首先，本文根据PMLMs结构特点对其进行了分类和分析。其次，主要针对国内外PMLMs永磁磁极拓扑构型研究进行了阐述，包括径向交替充磁阵列、轴向交替充磁整列、传统Halbach充磁阵列、复合Halbach阵列及它们的变体。同时，讨论分析了各磁极构型对推力密度及输出力波动等永磁直线电机输出性能的影响。最后，对永磁直线电机磁极构型的发展趋势进行了展望，复合异构型磁极阵列是PMLMs提升输出性能的重要方向。