直线电动机：结构、工作原理及应用分类

传统上许多直线驱动装置或系统，都是采用旋转电动机通过中间转换装置（例如链条、钢丝绳、传动带、齿条或丝杆等机构）转换为直线运动。这些装置或系统有中间转换传动机构，带来了体积增加、效率损失、精度降低等问题。直线电动机是20世纪下半叶出现的技术，它基于新的原理，能把电能直接转换成直线运动机械能，而不需任何中间转换机构，从而避免了转换装置带来的一系列问题。

（一）直线电动机的工作原理

直线电动机可以看成是将一台旋转电动机沿径向剖开，并展成平面而成。因此，每种旋转电动机都有相对应的直线电动机，但直线电动机的结构形式比旋转电动机更为灵活（以永磁同步旋转电动机演变为永磁同步直线电动机为例）。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。

在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电动机可以是短初级、长次级，也可以是长初级、短次级。考虑到制造成本、运行费用等因素，目前一般均采用短初级、长次级的结构。

（二）直线电动机的分类

直线电动机在不同的场合有不同的分类方法。例如，在考虑外形结构时，往往以结构形式将其进行分类；当考虑其功能用途时，则又以其功能用途进行分类；而在分析或阐述电动机的性能或机理时，则是以其工作原理进行分类。

1.按结构形式分类

直线电动机按其结构形式主要可分为平板形、圆筒形（或管形）、圆弧形和圆盘形四种。所谓平板型直线电动机就是一种扁平的矩形结构的直线电动机，它有单边型和双边型，每种形式下又分别有短初级、长次级或长初级、短次级。

由于在运行时初级与次级之间要做相对运动，假定在运动开始时，初级和次级正好对齐，那么在运动过程中，初级和次级之间相互电磁耦合的部分就会越来越少，影响了正常的运行；为了保证在所需的行程范围内，初级和次级之间的电磁耦合始终不变，实际应用时必须把初级和次级制造成不同长度：既可以是初级短、次级长，也可以是初级长、次级短，前者称为短初级，后者称为长初级，单边型直线电动机如图5-10所示。

图5-10　单边型直线电动机

由于短初级结构比较简单，制造成本和运行费用均较低，所以除特殊场合外，一般均采用短初级。

图5-10所示的平板形直线电动机，仅在次级的一边具有初级，这种结构形式称为单边型。它的最大特点是在初级和次级之间存在着较大的法向磁拉力，这在大多数场合下是不希望的。若在次级的两边都装上初级，那么这个法向磁拉力就可以互相抵消，这种结构形式称为双边型，如图5-11所示。

圆筒形直线电动机的外形如旋转电动机的圆柱形，其结构如图5-12所示。这种直线电动机一般均为短初级、长次级形式。在需要的场合，还要将这种电动机做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电动机，至于旋转直线的运动部件既可以是初级，也可以是次级。

图5-11　双边型直线电动机

图5-12　圆筒形直线电动机

圆弧形直线电动机就是将平板形直线电动机的初级沿运动方向改成圆弧形，并安放于圆柱形次级的柱面外侧，如图5-13所示。

图5-13　弧形直线电动机

圆盘形直线电动机的次级则是一个圆盘，不同构造的初级驱动次级作圆周运动，如图5-14所示。其初级可以是单边型，也可以是双边型。

图5-14　圆盘形直线电动机

2.按功能用途分类

直线电动机，特别是直线异步电动机，按其功能用途主要分为力电动机、功电动机和能电动机。(www.xing528.com)

（1）力电动机主要用于在静止物体上或低速的设备上施加一定推力，以短时运行、低速运行为主，例如，阀的开闭、门窗的移动、机械手的操作等。

（2）功电动机主要作为长期连续运行的直线电动机，其性能的衡量指标与旋转电动机基本一样，即可用效率、功率因数等指标来衡量电动机性能的优劣。例如，高速磁悬浮列车用直线电动机，各种高速运行的输送线也采用该种电动机等。

（3）能电动机是指运动构件在短时间内能产生极高能量的驱动电动机，它主要是在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能，例如，导弹、鱼雷的发射，飞机的起飞、冲击和碰撞，试验机的驱动等。

3.按工作原理分类

从原理上讲，每种旋转电动机都有相应的直线电动机，直线电动机按其工作原理主要可分为直线异步电动机、直线同步电动机、直线直流电动机、直线步进电动机以及直线复合型电动机等，这些电动机都是基于电磁感应原理工作的，属于电磁型直线驱动装置。图5-15所示为直线电动机的分类。

图5-15　直线电动机分类

（三）直线电动机的优点

（1）普通旋转电动机由于受到离心力的作用，其圆周速度受到限制；而直线电动机运行时，它的零部件和传动装置不像旋转电动机那样会受到离心力的作用，因而它的直线速度可以不受限制。

（2）直线电动机是通过电能直接产生直线电磁推力的，在驱动装置中，其运动可以无机械接触，使传动零部件无磨损，从而大大减少了机械损耗。如直线电动机驱动的磁悬浮列车就是如此。

（3）旋转电动机通过钢绳、齿条、传动带等转换机构将旋转转换成直线运动，这些转换机构在运行中的噪声是不可避免的；而直线电动机则是靠电磁推力驱动装置运行的，故整个装置或系统的噪声很小甚至无噪声，运行环境好。

（4）由于直线电动机结构简单，它的一次侧铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密封成整体，所以可以应用在一些特殊场合中，例如，可在潮湿环境或者水中使用，在有腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用，也可在几千度的高温下或零下几百度的低温下使用。

（5）直线电动机结构简单，散热效果也较好，特别是常用的扁平形短初级直线电动机，一次侧的铁心和绕组端部直接暴露在空气中，有时次级很长，热量很容易散发掉，所以这一类直线电动机的热负荷可以取较高值，并且不需要附加冷却装置。

（四）直线电动机的不足

（1）与同容量旋转电动机相比，直线电动机的效率和功率因数较低，尤其在低速时比较明显。其原因主要是由结构方面引起的：一是直线电动机的一次气隙一般比旋转电动机的气隙大，因此所需的磁化电流较大，使损耗增加；二是由于直线电动机一次侧铁心两端开断，产生了所谓的边端效应，从而引起波形畸变等问题，其结果也导致损耗增加。但从整个装置或系统来看，由于采用直线电动机后可省去中间传动装置，因此，系统的效率有时还是比旋转电动机的高。

（2）直线电动机特别是直线异步电动机的起动推力受电源电压的影响较大，故需采取专门措施保证电源的稳定或改变电动机的有关特性来减少或消除这种影响。

（五）直线电动机的发展和应用简况

目前，直线电动机在世界各国的应用大致可分为五个领域，即物流系统、工业设备、信息与自动化系统、交通与民用、军事及其他领域。

直线电动机在磁悬浮列车中的应用最具有代表性。磁悬浮列车改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方式，采用磁力悬浮车体、直线电动机驱动技术，使列车在轨道上浮起滑行，在交通技术发展史上是一个重大的突破。

该种轨道交通利用车轮起支承、导向作用，这与传统轮轨系统相似。但在牵引方面却采用了短定子列车驱动直线异步电动机（LIM）驱动。当一次绕组通以三相交流电时，由于感应而产生电磁力，直接驱动车辆前进，改变磁场移动方向，车辆运动的方向也随之改变。车辆平稳运行时，定子与感应轨之间的间隙一般保持在10mm左右。我国首列具有自主知识产权的直线电动机地铁列车于2011年12月2日在中国南车四方机车车辆股份有限公司下线。

大部分直线异步电动机都是作为动力转换装置而使用的。随着矢量控制理论的发展和微电子器件与控制技术的进步，直线异步电动机越来越广泛地作为伺服驱动应用到高精度定位系统中。与此同时，随着高性能永磁材料的发展和价格的降低，永磁式直线电动机在许多小功率设备中也得到了广泛应用，主要是在各种设备中作为伺服驱动和精度较高的定位控制。随着这些技术的进步，直线电动机未来会有更广阔的发展和应用空间。