直線電機(jī)的分類及結(jié)構(gòu)

直線感應(yīng)電機(jī)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(jī)可以看作是由普通的旋轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)直接演變而來(lái)的。圖1左圖表示一臺(tái)旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，設(shè)想將它沿徑向剖開(kāi)，并將定、轉(zhuǎn)子圓周展成直線，如圖1右圖，這就得到了最簡(jiǎn)單的平板型直線感應(yīng)電機(jī)。 在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中轉(zhuǎn)子是繞軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，見(jiàn)綠色箭頭線；在直線電機(jī)中動(dòng)子是做直線移動(dòng)的，見(jiàn)綠色箭頭線。 

圖1—旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)與直線電動(dòng)機(jī)

對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)定子的一邊嵌有三相繞組，稱為初級(jí)（定子）；對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的一邊稱為次級(jí)（動(dòng)子或滑子）。直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式可以是固定初級(jí)，讓次級(jí)運(yùn)動(dòng)，此稱為動(dòng)次級(jí)；相反，也可以固定次級(jí)而讓初級(jí)運(yùn)動(dòng)，則稱為動(dòng)初級(jí)。

顯然初級(jí)與次級(jí)長(zhǎng)度相同是不能正常運(yùn)行的，實(shí)際扁平型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)初級(jí)長(zhǎng)度和滑子長(zhǎng)度并不相等，在圖2上圖是短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)結(jié)構(gòu)；圖2下圖是長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)結(jié)構(gòu)。

圖2—扁平型直線電動(dòng)機(jī)

為了抵消定子磁場(chǎng)對(duì)動(dòng)子的單邊磁吸力，平板型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)通常采用雙邊結(jié)構(gòu)，即用兩個(gè)定子將動(dòng)子夾在中間的結(jié)構(gòu)型式。 

圖3--雙邊扁平型直線電動(dòng)機(jī)

扁平型直線感應(yīng)電機(jī)的—次側(cè)鐵芯由硅鋼片疊成，與二次側(cè)相對(duì)的一面開(kāi)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(kāi)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(shí)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(jī)也稱為管型直線電機(jī)，把平板型直線電動(dòng)機(jī)沿著直線運(yùn)動(dòng)相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圓筒型直線電動(dòng)機(jī)，見(jiàn)下圖。

圓筒式直線電機(jī)

將上圖中a所示的扁平型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沿著和直線運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)(如圖4所示圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)的演變)。在特殊場(chǎng)合，這種電動(dòng)機(jī)還可以制成既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有直線運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)直線電動(dòng)機(jī)。旋轉(zhuǎn)直線的運(yùn)動(dòng)體可以是一次側(cè)，也可以是二次側(cè)。

直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(jī)動(dòng)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(dòng)子由永磁材料制作就組成直線同步電動(dòng)機(jī)。

3.圓盤型

圓盤型直線電機(jī)的次級(jí)（轉(zhuǎn)子）做成扁平的圓盤形狀，能繞通過(guò)圓心的軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)：將兩個(gè)初級(jí)放在圓盤靠外邊緣的平面上，使圓盤受切向力作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于其運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法與平板型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，故仍屬直線電動(dòng)機(jī)。 

圓盤型直線電機(jī)

圓盤型直線感應(yīng)電機(jī)如上圖所示，它的二次側(cè)做成扁平的圓盤形狀，能繞通過(guò)圓心的軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)：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(yùn)動(dòng)。但其運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法與扁平型直線感應(yīng)電機(jī)相同，故仍屬直線電機(jī)范疇。與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

b) 無(wú)需經(jīng)過(guò)齒輪減速箱就能得到較低的轉(zhuǎn)速，因而電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲很小。

直線電機(jī)的發(fā)展

1840年Wheatsone開(kāi)始提出和制作了略具雛形的直線電機(jī)。

1905年曾有兩人分別建議將直線電動(dòng)機(jī)作為火車的推進(jìn)機(jī)構(gòu)，一種建議是將初級(jí)放在軌道上，另一種建議是將初級(jí)放在車輛底部。這些建議無(wú)疑是給當(dāng)時(shí)直線電機(jī)研究領(lǐng)域的科研人員的一劑興奮劑，以致許多國(guó)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(tái)圓筒形直線電動(dòng)機(jī)，事實(shí)上那是一種具有換接初級(jí)線圈的直流磁阻電動(dòng)機(jī)，人們?cè)噲D把它作為導(dǎo)彈發(fā)射裝置，但其發(fā)展并沒(méi)有超出模型階段。

1940年-1955年世界一些發(fā)達(dá)國(guó)家科研人員，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)應(yīng)用工作。1945年，美國(guó)西屋電氣公司首先研制成功的電力牽引飛機(jī)彈射器，它以7400kW的直線電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，成功地用4.1s的時(shí)間將一架重4535kg，的噴氣式飛機(jī)在165m的行程內(nèi)由靜止加速的188km/h的速度，它的試驗(yàn)成功，使直線電動(dòng)機(jī)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)受到了應(yīng)有的重視，隨后，美國(guó)利用直線電機(jī)制成的、用作抽汲鉀、鈉等液態(tài)金屬的電磁泵，為的是核動(dòng)力中的需要。1954年，英國(guó)皇家飛機(jī)制造公司利用雙邊扁平型直流直線電機(jī)制成了發(fā)射導(dǎo)彈的裝置，其速度可達(dá)1600km/h。在這個(gè)階段中，尤需值得一提的是，直線電機(jī)作為高速列車的驅(qū)動(dòng)裝置得到了各國(guó)的高度重視并計(jì)劃予以實(shí)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(jī)的實(shí)用設(shè)備被逐步開(kāi)發(fā)出來(lái)，例如采用直線電機(jī)的MHD泵、自動(dòng)繪圖儀、磁頭定位驅(qū)動(dòng)裝置、電唱機(jī)、縫紉機(jī)、空氣壓縮機(jī)、輸送裝置等。

從1971年開(kāi)始到目前的這個(gè)階段，直線電機(jī)終于進(jìn)入了獨(dú)立的應(yīng)用時(shí)代，在這個(gè)時(shí)代，各類直線電機(jī)的應(yīng)用得到了迅速的推廣，制成了許多具有實(shí)用價(jià)值的裝置和產(chǎn)品，例如直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鋼管輸送機(jī)、運(yùn)煤機(jī)、起重機(jī)、空壓機(jī)、沖壓機(jī)、拉伸機(jī)、各種電動(dòng)門、電動(dòng)窗、電動(dòng)紡織機(jī)等等。特別可喜的是利用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yàn)行程累計(jì)已達(dá)數(shù)十萬(wàn)千米。

直線電機(jī)的主要參數(shù)及特點(diǎn)

直線電機(jī)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(jī)漆包線、電機(jī)絕緣材料選型及工藝有關(guān)；

2.峰值推力(Peak Force) ———電機(jī)的最大推力，在短時(shí)間內(nèi)（幾秒），取決于電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)的安全極限能力（與電機(jī)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(duì)應(yīng)，低于電機(jī)的退磁電流（長(zhǎng)時(shí)間工作在電機(jī)的峰值理論電流下會(huì)導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱，對(duì)電機(jī)壽命有很大的損傷，更嚴(yán)重將導(dǎo)致電機(jī)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(jī)連續(xù)運(yùn)行的發(fā)熱損耗，反映電機(jī)的熱設(shè)計(jì)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(jī)可連續(xù)運(yùn)行的上限發(fā)熱損耗，反映電機(jī)的熱設(shè)計(jì)水準(zhǔn)；

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

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

7.反向電動(dòng)勢(shì)(Back EMF) ———電機(jī)反電勢(shì)（系數(shù)），單位Vs/m， 反映電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的結(jié)果，影響電機(jī)在確定供電電壓下的最高運(yùn)行速度；(反映電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)）

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

9.磁極 節(jié)距NN(Magnet Pitch) ————電機(jī)次級(jí)永磁體的磁極間隔距離，基本不反映電機(jī)設(shè)計(jì)水平，驅(qū)動(dòng)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(jī)電角度；

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

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

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

13.熱阻抗(Thermal Resistance) ———與電機(jī)的散熱能力有關(guān)，反映電機(jī)的散熱設(shè)計(jì)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(jī)，尤其是永磁式電機(jī)，次極永磁體對(duì)初級(jí)鐵心的法向吸引力，高于電機(jī)額定推力一個(gè)數(shù)量級(jí)，直接決定采用直線電機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)軸的支撐導(dǎo)軌的承載能力和選型。

直線電機(jī)的特點(diǎn)

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

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。管型直線電機(jī)不需要經(jīng)過(guò)中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)而直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，運(yùn)動(dòng)慣量減少，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和定位精度大大提高；同時(shí)也提高了可靠性，節(jié)約了成本，使制造和維護(hù)更加簡(jiǎn)便。它的初次級(jí)可以直接成為機(jī)構(gòu)的一部分，這種獨(dú)特的結(jié)合使得這種優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步體現(xiàn)出來(lái)。

2）適合高速直線運(yùn)動(dòng)。因?yàn)椴淮嬖陔x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(jí)間用氣墊或磁墊保存間隙，運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)機(jī)械接觸，因而運(yùn)動(dòng)部分也就無(wú)摩擦和噪聲。這樣，傳動(dòng)零部件沒(méi)有磨損，可大大減小機(jī)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(jí)繞組利用率高。在管型直線感應(yīng)電機(jī)中，初級(jí)繞組是餅式的，沒(méi)有端部繞組，因而繞組利用率高。

4）無(wú)橫向邊緣效應(yīng)。橫向效應(yīng)是指由于橫向開(kāi)斷造成的邊界處磁場(chǎng)的削弱，而圓筒型直線電機(jī)橫向無(wú)開(kāi)斷，所以磁場(chǎng)沿周向均勻分布。

5）容易克服單邊磁拉力問(wèn)題。徑向拉力互相抵消，基本不存在單邊磁拉力的問(wèn)題。

6）易于調(diào)節(jié)和控制。通過(guò)調(diào)節(jié)電壓或頻率，或更換次級(jí)材料，可以得到不同的速度、電磁推力，適用于低速往復(fù)運(yùn)行場(chǎng)合。

高速加工中心替代高速銑床加工

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

在這種機(jī)床上加工一個(gè)大型薄壁飛機(jī)零件只需30min；而同樣的零件在一般高速銑床上加工，費(fèi)時(shí)3h；在普通數(shù)控銑床上加工，則需8h，優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。

7）適應(yīng)性強(qiáng)。直線電機(jī)的初級(jí)鐵芯可以用環(huán)氧樹(shù)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(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)，相比其他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅(qū)動(dòng)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。

9）精度方面：直線電機(jī)因傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度、重復(fù)精度，通過(guò)位置檢測(cè)反饋控制都會(huì)較“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)滾珠絲杠”高，且容易實(shí)現(xiàn)。直線電機(jī)定位精度可達(dá)±2μm，甚至更高。而“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)滾珠絲杠”最高只能達(dá)到10μm。

10）速度方面：直線電機(jī)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，直線電機(jī)速度達(dá)到5m/s時(shí)，加速度達(dá)到10g；而滾珠絲杠速度為2m/s時(shí)，加速度為僅為1.5g。從速度上和加速度的對(duì)比上，直線電機(jī)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，而且直線電機(jī)在成功解決發(fā)熱問(wèn)題后速度還會(huì)進(jìn)一步提高，而“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)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(jī)因運(yùn)動(dòng)部件和固定部件間有安裝間隙，無(wú)接觸，不會(huì)因動(dòng)子的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)而磨損，長(zhǎng)時(shí)間使用對(duì)運(yùn)動(dòng)定位精度無(wú)變化，適合高精度的場(chǎng)合。滾珠絲杠則無(wú)法在高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)中保證精度，因高速摩擦，會(huì)造成絲杠螺母的磨損，影響運(yùn)動(dòng)的精度要求。對(duì)高精度的需求場(chǎng)合無(wú)法滿足。

結(jié)語(yǔ)：

直線電機(jī)是一種新型電機(jī)，近年來(lái)應(yīng)用日益廣泛。其主要應(yīng)用于三個(gè)方面：一是應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，這類應(yīng)用場(chǎng)合比較多；其次是作為長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；三是應(yīng)用在需要短時(shí)間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運(yùn)動(dòng)能的裝置中。

高速磁懸浮列車磁懸浮列車是直線電機(jī)實(shí)際應(yīng)用的最典型的例子，目前，美、英、日、法、德、加拿大等國(guó)都在研制直線懸浮列車，其中日本進(jìn)展最快。
直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電梯世界上第一臺(tái)使用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電梯是1990年4月安裝于日本東京都關(guān)島區(qū)萬(wàn)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(jī)驅(qū)動(dòng)的電梯沒(méi)有曳引機(jī)組，因而建筑物頂?shù)臋C(jī)房可省略。

如果建筑物的高度增至1000米左右，就必須使用無(wú)鋼絲繩電梯，這種電梯采用高溫超導(dǎo)技術(shù)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(wú)線電波或光控技術(shù)控制。
超高速電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)超過(guò)某一極限時(shí)，采用滾動(dòng)軸承的電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生燒結(jié)、損壞現(xiàn)象。為此近年來(lái)，國(guó)外研制了一種直線懸浮電動(dòng)機(jī)（電磁軸承），采用懸浮技術(shù)使電機(jī)的動(dòng)子懸浮在空中，消除了動(dòng)子和定子之間的機(jī)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(dòng)機(jī)和高速主軸部件上得到廣泛的應(yīng)用。

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