直線電機的分類及結(jié)構(gòu)

直線感應(yīng)電機主要有扁平型、圓筒型和圈盤型3種類型，其中扁平型應(yīng)用最為廣泛。

1.扁平型

扁平型電機可以看作是由普通的旋轉(zhuǎn)異步電動機直接演變而來的。圖1左圖表示一臺旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電動機，設(shè)想將它沿徑向剖開，并將定、轉(zhuǎn)子圓周展成直線，如圖1右圖，這就得到了最簡單的平板型直線感應(yīng)電機。 在旋轉(zhuǎn)電機中轉(zhuǎn)子是繞軸做旋轉(zhuǎn)運動的，見綠色箭頭線；在直線電機中動子是做直線移動的，見綠色箭頭線。 

圖1—旋轉(zhuǎn)電動機與直線電動機

對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動機定子的一邊嵌有三相繞組，稱為初級（定子）；對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動機轉(zhuǎn)子的一邊稱為次級（動子或滑子）。直線電機的運動方式可以是固定初級，讓次級運動，此稱為動次級；相反，也可以固定次級而讓初級運動，則稱為動初級。

顯然初級與次級長度相同是不能正常運行的，實際扁平型直線感應(yīng)電動機初級長度和滑子長度并不相等，在圖2上圖是短初級長次級結(jié)構(gòu)；圖2下圖是長初級短次級結(jié)構(gòu)。

圖2—扁平型直線電動機

為了抵消定子磁場對動子的單邊磁吸力，平板型直線感應(yīng)電動機通常采用雙邊結(jié)構(gòu)，即用兩個定子將動子夾在中間的結(jié)構(gòu)型式。 

圖3--雙邊扁平型直線電動機

扁平型直線感應(yīng)電機的—次側(cè)鐵芯由硅鋼片疊成，與二次側(cè)相對的一面開有槽，槽中放置繞組。繞組可以是單相、兩相、三相或多相的。二次側(cè)有兩種結(jié)構(gòu)類型：一種是柵型結(jié)構(gòu)，鐵芯上開槽，槽中放置導(dǎo)條；并用端部導(dǎo)條連接所有槽中導(dǎo)條;另一種是實心結(jié)構(gòu)，采用整塊均勻的金屬材料，可分為非磁性二次側(cè)和鋼二次側(cè)。非磁性二次側(cè)的導(dǎo)電性能好，一般為銅或鋁。

2.圓筒型

圓筒型直線電機也稱為管型直線電機，把平板型直線電動機沿著直線運動相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圓筒型直線電動機，見下圖。

圓筒式直線電機

將上圖中a所示的扁平型直線感應(yīng)電動機沿著和直線運動相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圓筒型直線感應(yīng)電動機(如圖4所示圓筒型直線感應(yīng)電機的演變)。在特殊場合，這種電動機還可以制成既有旋轉(zhuǎn)運動又有直線運動的旋轉(zhuǎn)直線電動機。旋轉(zhuǎn)直線的運動體可以是一次側(cè)，也可以是二次側(cè)。

直線感應(yīng)電動機的動子一般是低碳鋼板敷銅板或鑲銅條，也可以用導(dǎo)電良好的金屬板（銅板或鋁板）；圓筒型直線電機動子多采用厚壁鋼管，在管外壁覆蓋1至mm厚的銅管或鋁管。
如果動子由永磁材料制作就組成直線同步電動機。

3.圓盤型

圓盤型直線電機的次級（轉(zhuǎn)子）做成扁平的圓盤形狀，能繞通過圓心的軸自由轉(zhuǎn)動：將兩個初級放在圓盤靠外邊緣的平面上，使圓盤受切向力作旋轉(zhuǎn)運動。由于其運行原理和設(shè)計方法與平板型直線感應(yīng)電動機相同，故仍屬直線電動機。 

圓盤型直線電機

圓盤型直線感應(yīng)電機如上圖所示，它的二次側(cè)做成扁平的圓盤形狀，能繞通過圓心的軸自由轉(zhuǎn)動：將一次側(cè)放在二次側(cè)圓盤靠外邊緣的平面上，使圓盤受切向力作旋轉(zhuǎn)運動。但其運行原理和設(shè)計方法與扁平型直線感應(yīng)電機相同，故仍屬直線電機范疇。與普通旋轉(zhuǎn)電機相比，它具有以下優(yōu)點：

a) 轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)速度可以通過多臺一次側(cè)組合或者通過一次側(cè)在圓盤上的徑向位置來調(diào)節(jié)。

b) 無需經(jīng)過齒輪減速箱就能得到較低的轉(zhuǎn)速，因而電動機的振動和噪聲很小。

直線電機的發(fā)展

1840年Wheatsone開始提出和制作了略具雛形的直線電機。

1905年曾有兩人分別建議將直線電動機作為火車的推進(jìn)機構(gòu)，一種建議是將初級放在軌道上，另一種建議是將初級放在車輛底部。這些建議無疑是給當(dāng)時直線電機研究領(lǐng)域的科研人員的一劑興奮劑，以致許多國家的科研人員都投入了這些研究工作。1917年出現(xiàn)了第一臺圓筒形直線電動機，事實上那是一種具有換接初級線圈的直流磁阻電動機，人們試圖把它作為導(dǎo)彈發(fā)射裝置，但其發(fā)展并沒有超出模型階段。

1940年-1955年世界一些發(fā)達(dá)國家科研人員，在實驗的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了一些實驗應(yīng)用工作。1945年，美國西屋電氣公司首先研制成功的電力牽引飛機彈射器，它以7400kW的直線電動機為動力，成功地用4.1s的時間將一架重4535kg，的噴氣式飛機在165m的行程內(nèi)由靜止加速的188km/h的速度，它的試驗成功，使直線電動機可靠性好等優(yōu)點受到了應(yīng)有的重視，隨后，美國利用直線電機制成的、用作抽汲鉀、鈉等液態(tài)金屬的電磁泵，為的是核動力中的需要。1954年，英國皇家飛機制造公司利用雙邊扁平型直流直線電機制成了發(fā)射導(dǎo)彈的裝置，其速度可達(dá)1600km/h。在這個階段中，尤需值得一提的是，直線電機作為高速列車的驅(qū)動裝置得到了各國的高度重視并計劃予以實施。

1965年隨著控制技術(shù)和材料性能的顯著提高，應(yīng)用直線電機的實用設(shè)備被逐步開發(fā)出來，例如采用直線電機的MHD泵、自動繪圖儀、磁頭定位驅(qū)動裝置、電唱機、縫紉機、空氣壓縮機、輸送裝置等。

從1971年開始到目前的這個階段，直線電機終于進(jìn)入了獨立的應(yīng)用時代，在這個時代，各類直線電機的應(yīng)用得到了迅速的推廣，制成了許多具有實用價值的裝置和產(chǎn)品，例如直線電機驅(qū)動的鋼管輸送機、運煤機、起重機、空壓機、沖壓機、拉伸機、各種電動門、電動窗、電動紡織機等等。特別可喜的是利用直線電機驅(qū)動的磁懸浮列車，其速度已超500km/h，接近了航空的飛行速度，且試驗行程累計已達(dá)數(shù)十萬千米。

直線電機的主要參數(shù)及特點

直線電機參數(shù)：

1.最大電壓( max. voltage ) ———最大供電電壓或持續(xù)供電峰值電壓，主要與電機漆包線、電機絕緣材料選型及工藝有關(guān)；

2.峰值推力(Peak Force) ———電機的最大推力，在短時間內(nèi)（幾秒），取決于電機電磁結(jié)構(gòu)的安全極限能力（與電機的漆包線材料息息相關(guān)）；單位:N

3.峰值電流(Peak Current) ———最大工作電流，與最大推力想對應(yīng)，低于電機的退磁電流（長時間工作在電機的峰值理論電流下會導(dǎo)致電機發(fā)熱，對電機壽命有很大的損傷，更嚴(yán)重將導(dǎo)致電機內(nèi)部磁鋼退磁。）；

4.連續(xù)功率（Peak power） — — —在持續(xù)溫升條件和散熱條件下，電機連續(xù)運行的發(fā)熱損耗，反映電機的熱設(shè)計水準(zhǔn)；

5.最大連續(xù)消耗功率(Max. Continuous Power Loss) ———確定溫升條件和散熱條件下，電機可連續(xù)運行的上限發(fā)熱損耗，反映電機的熱設(shè)計水準(zhǔn)；

7.最大速度(Maximum speed) ———在確定供電電壓下的最高運行速度，取決于電機的反電勢線數(shù)，反映電機電磁設(shè)計的結(jié)果；

6.馬達(dá)力常數(shù)(Motor Force Constant) ———電機的推力電流比，單位N/A或KN/A， 反映電機電磁設(shè)計的結(jié)果，在某種意義上也可以反映電磁設(shè)計水平；

7.反向電動勢(Back EMF) ———電機反電勢（系數(shù)），單位Vs/m， 反映電機電磁設(shè)計的結(jié)果，影響電機在確定供電電壓下的最高運行速度；(反映電機的設(shè)計參數(shù)）

8.馬達(dá)常數(shù)(Motor Constant) ———電機推力與功耗的平方根的比值，單位N/√W，是電機電磁設(shè)計和熱設(shè)計水平的綜合體現(xiàn)；

9.磁極 節(jié)距NN(Magnet Pitch) ————電機次級永磁體的磁極間隔距離，基本不反映電機設(shè)計水平，驅(qū)動器需據(jù)此由反饋系統(tǒng)分辨率解算矢量控制所需的電機電角度；

10.繞組電阻/每相(Resistance per phase)———電機的相電阻，下給出的往往是線電阻，即Ph－Ph，與電機發(fā)熱關(guān)系較大，在意義下可以反映電磁設(shè)計水平；

11.繞組電感/每相(Induction per phase) ———電機的相電感，下給出的往往是線電感，即Ph－Ph，與電機反電勢有關(guān)系，在意義下可以反映電磁設(shè)計水平；

12.電氣時間常數(shù)(Electrical time constant) ———電機電感與電阻的比值，L/R；

13.熱阻抗(Thermal Resistance) ———與電機的散熱能力有關(guān)，反映電機的散熱設(shè)計水平；

14.馬達(dá)引力(Motor Attraction Force) ———平板式有鐵心結(jié)構(gòu)直線電機，尤其是永磁式電機，次極永磁體對初級鐵心的法向吸引力，高于電機額定推力一個數(shù)量級，直接決定采用直線電機的直線運動軸的支撐導(dǎo)軌的承載能力和選型。

直線電機的特點

在實用的和買得起的直線電機出現(xiàn)以前，所有直線運動不得不從旋轉(zhuǎn)機械通過使用滾珠或滾柱絲杠或帶或滑輪轉(zhuǎn)換而來。對許多應(yīng)用，如遇到大負(fù)載而且驅(qū)動軸是豎直面的。這些方法仍然是最好的。然而，直線電機比機械系統(tǒng)比有很多獨特的優(yōu)勢，如非常高速和非常低速，高加速度，幾乎零維護(hù)（無接觸零件），高精度，無空回。完成直線運動只需電機無需齒輪，聯(lián)軸器或滑輪，對很多應(yīng)用來說很有意義的，把那些不必要的，減低性能和縮短機械壽命的零件去掉了。

1）結(jié)構(gòu)簡單。管型直線電機不需要經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)而直接產(chǎn)生直線運動，使結(jié)構(gòu)大大簡化，運動慣量減少，動態(tài)響應(yīng)性能和定位精度大大提高；同時也提高了可靠性，節(jié)約了成本，使制造和維護(hù)更加簡便。它的初次級可以直接成為機構(gòu)的一部分，這種獨特的結(jié)合使得這種優(yōu)勢進(jìn)一步體現(xiàn)出來。

2）適合高速直線運動。因為不存在離心力的約束，普通材料亦可以達(dá)到較高的速度。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙，運動時無機械接觸，因而運動部分也就無摩擦和噪聲。這樣，傳動零部件沒有磨損，可大大減小機械損耗，避免拖纜、鋼索、齒輪與皮帶輪等所造成的噪聲，從而提高整體效率。

3）初級繞組利用率高。在管型直線感應(yīng)電機中，初級繞組是餅式的，沒有端部繞組，因而繞組利用率高。

4）無橫向邊緣效應(yīng)。橫向效應(yīng)是指由于橫向開斷造成的邊界處磁場的削弱，而圓筒型直線電機橫向無開斷，所以磁場沿周向均勻分布。

5）容易克服單邊磁拉力問題。徑向拉力互相抵消，基本不存在單邊磁拉力的問題。

6）易于調(diào)節(jié)和控制。通過調(diào)節(jié)電壓或頻率，或更換次級材料，可以得到不同的速度、電磁推力，適用于低速往復(fù)運行場合。

高速加工中心替代高速銑床加工

美國CincinnatiMilacron公司為航空工業(yè)生產(chǎn)了一臺HyperMach大型高速加工中心，主軸轉(zhuǎn)速為60000r／min，主電機功率為80kW。直線進(jìn)給采用了直線電機，其軸行程長達(dá)46m，工作臺快速行程為100m／min，加速度達(dá)2g。

在這種機床上加工一個大型薄壁飛機零件只需30min；而同樣的零件在一般高速銑床上加工，費時3h；在普通數(shù)控銑床上加工，則需8h，優(yōu)勢相當(dāng)明顯。

7）適應(yīng)性強。直線電機的初級鐵芯可以用環(huán)氧樹脂封成整體，具有較好的防腐、防潮性能，便于在潮濕、粉塵和有害氣體的環(huán)境中使用；而且可以設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式，滿足不同情況的需要。

8）高加速度。這是直線電機驅(qū)動，相比其他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅(qū)動的一個顯著優(yōu)勢。

9）精度方面：直線電機因傳動機構(gòu)簡單，定位精度、重復(fù)精度，通過位置檢測反饋控制都會較“旋轉(zhuǎn)伺服電機滾珠絲杠”高，且容易實現(xiàn)。直線電機定位精度可達(dá)±2μm，甚至更高。而“旋轉(zhuǎn)伺服電機滾珠絲杠”最高只能達(dá)到10μm。

10）速度方面：直線電機具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，直線電機速度達(dá)到5m/s時，加速度達(dá)到10g；而滾珠絲杠速度為2m/s時，加速度為僅為1.5g。從速度上和加速度的對比上，直線電機具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，而且直線電機在成功解決發(fā)熱問題后速度還會進(jìn)一步提高，而“旋轉(zhuǎn)伺服電機滾珠絲杠”在速度上卻受到限制很難再提高較多。

11）壽命方面：直線電機因運動部件和固定部件間有安裝間隙，無接觸，不會因動子的高速往復(fù)運動而磨損，長時間使用對運動定位精度無變化，適合高精度的場合。滾珠絲杠則無法在高速往復(fù)運動中保證精度，因高速摩擦，會造成絲杠螺母的磨損，影響運動的精度要求。對高精度的需求場合無法滿足。

結(jié)語：

直線電機是一種新型電機，近年來應(yīng)用日益廣泛。其主要應(yīng)用于三個方面：一是應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)，這類應(yīng)用場合比較多；其次是作為長期連續(xù)運行的驅(qū)動電機；三是應(yīng)用在需要短時間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運動能的裝置中。

高速磁懸浮列車磁懸浮列車是直線電機實際應(yīng)用的最典型的例子，目前，美、英、日、法、德、加拿大等國都在研制直線懸浮列車，其中日本進(jìn)展最快。
直線電機驅(qū)動的電梯世界上第一臺使用直線電機驅(qū)動的電梯是1990年4月安裝于日本東京都關(guān)島區(qū)萬世大樓，該電梯載重600kg，速度為105m/min，提升高度為22.9m。由于直線電機驅(qū)動的電梯沒有曳引機組，因而建筑物頂?shù)臋C房可省略。

如果建筑物的高度增至1000米左右，就必須使用無鋼絲繩電梯，這種電梯采用高溫超導(dǎo)技術(shù)的直線電機驅(qū)動，線圈裝在井道中，轎廂外裝有高性能永磁材料，就如磁懸浮列車一樣，采用無線電波或光控技術(shù)控制。
超高速電動機在旋轉(zhuǎn)超過某一極限時，采用滾動軸承的電動機就會產(chǎn)生燒結(jié)、損壞現(xiàn)象。為此近年來，國外研制了一種直線懸浮電動機（電磁軸承），采用懸浮技術(shù)使電機的動子懸浮在空中，消除了動子和定子之間的機械接觸和摩擦阻力，其轉(zhuǎn)速可達(dá)25000～100000r/min以上，因而在高速電動機和高速主軸部件上得到廣泛的應(yīng)用。

在我國，直線電機也逐步得到推廣和應(yīng)用。直線電機的原理雖不復(fù)雜，但在設(shè)計、制造方面有它自己的特點，產(chǎn)品尚不如旋轉(zhuǎn)電機那樣成熟，有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。