1.1直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理
1.1.1直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
圖1-1所示的a和b分別表示了一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和一臺(tái)直線電機(jī)。


直線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，它可看作是將一臺(tái)旋 轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開(kāi)，然后將電機(jī)的圓周展成直線，如圖1-2所示。這樣就得到了 由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來(lái)的最原始的直線電機(jī)。由定子演變而來(lái)的一側(cè)稱為初級(jí)，由 轉(zhuǎn)子演變而來(lái)的一側(cè)成為次級(jí)。


圖1-2由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)橹本€電機(jī)的過(guò)程a）沿徑向剖開(kāi)b）把圓周展成直線
圖1-2中演變而來(lái)的直線電機(jī)，其初級(jí)和次級(jí)長(zhǎng)度是相等的，由于在運(yùn)行時(shí) 初級(jí)和次級(jí)之間要做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如果在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，初級(jí)與次級(jí)正巧對(duì)齊，那么 在運(yùn)動(dòng)中，初級(jí)與次級(jí)之間互相耦合的部分越來(lái)越少，而不能正常運(yùn)動(dòng)。為了保 證在所需的行程范圍內(nèi)，初級(jí)和次級(jí)之間的耦合能保持不變，因此世界應(yīng)用時(shí)， 是將初級(jí)與次級(jí)制造成不同的長(zhǎng)度。由于段初級(jí)在制造成本上，運(yùn)行的費(fèi)用上均 比短次級(jí)低得多，因此一般采用短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)。如圖1-3所示。

在圖1-3中所示的直線電機(jī)中僅在一邊安放初級(jí)，對(duì)于這樣的結(jié)構(gòu)型式稱為 單邊型直線電機(jī)。特點(diǎn)是在初級(jí)與次級(jí)之間存在著很大的法向吸力，一般這個(gè)法 向吸力在鋼次級(jí)時(shí)約為推力的10倍左右，大多數(shù)場(chǎng)合這種吸力是不希望存在的。

在圖1-4中所示的直線電機(jī)在次級(jí)的兩邊都裝上了初級(jí)。這樣這個(gè)法向吸力 就可以相互抵消，這種結(jié)構(gòu)型式稱為雙邊型。
上述介紹的直線電機(jī)稱為扁平型直線電機(jī)，是目前應(yīng)用最為廣泛的，除此之外直線電機(jī)還可以做成圓筒型（也稱管型）結(jié)構(gòu)，它也可以看作是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演 變過(guò)來(lái)的，演變過(guò)程如圖1-5所示。

圖l-5a表示一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及由定子繞組所構(gòu)成的磁場(chǎng)極性分布情況：圖 l-5b表示轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄叫椭本€電機(jī)后，初級(jí)繞組所構(gòu)成的磁場(chǎng)極性分布情況，然后 將扁平型直線電機(jī)沿著和直線運(yùn)動(dòng)相垂直的方向卷接成簡(jiǎn)形。這樣就構(gòu)成圖l-5c 所示的圓筒型直線電機(jī)。
直線電機(jī)還有圓弧型和圓盤型結(jié)構(gòu)。所謂圓弧型結(jié)構(gòu)，就是將平板型直線電 機(jī)的初級(jí)沿運(yùn)動(dòng)方向改成圓弧型，并安放于圓柱次級(jí)的柱面外側(cè)，如圖1-6所示。

圖1-7是圓盤型直線電機(jī)，該電機(jī)把次級(jí)做成一片圓盤，將初級(jí)放在次級(jí)圓 盤靠近邊緣的平原上，圓盤型直線電機(jī)的初級(jí)可以是雙面的，也可以是單面的。 圓弧型和圓盤型直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)。
1.1.2直線電機(jī)的工作原理
直線電機(jī)不僅在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于是從旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來(lái)的，而且其工作原理也 與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似。



將圖1-8所示的旋轉(zhuǎn)電機(jī)在頂上沿徑向剖開(kāi)，將圓周拉直，變成了圖1-9所 示的直線電機(jī)。在直線電機(jī)的三相繞組中通入三相對(duì)稱正弦電流后，也會(huì)產(chǎn)生氣 隙磁場(chǎng)。當(dāng)不考慮由于鐵心兩端開(kāi)斷而引起的縱向邊端效應(yīng)時(shí)，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)的 分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的相似，可看成沿展開(kāi)的直線方向呈正弦形分布。當(dāng)三相電 流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)將按A、B、C相序沿直線移動(dòng)。這個(gè)原理與旋轉(zhuǎn)電 機(jī)的相似，差異在于：這個(gè)磁場(chǎng)是平移的，而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場(chǎng)。
行波磁場(chǎng)的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面上的線速度是一樣的，即為 Vs (m/s),稱為同步速度，且Vs=2ft (1.1)
再來(lái)看行波磁場(chǎng)對(duì)次級(jí)的作用。假定次級(jí)為柵形次級(jí)，圖1-9中僅畫(huà)出其中 的一根導(dǎo)條。次級(jí)導(dǎo)條在行波磁場(chǎng)切割下，將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流。而所有導(dǎo) 條的電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生電磁推力。在這個(gè)電磁推力的作用下，如果 初級(jí)是固定不動(dòng)的，那么次級(jí)就是順著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向作直線運(yùn)動(dòng)。若次級(jí) 移動(dòng)的速度用V表示，轉(zhuǎn)差率用S表示，則有

1.2直線電機(jī)的分類概述
1.2.1按結(jié)構(gòu)形式分類
直線電機(jī)的分類在不同的場(chǎng)合下有不同的分類型式。按其結(jié)構(gòu)型式主要可分 為扁平型、圓筒型（管型）、圓盤型和圓弧型四種。
扁平型直線電機(jī)，即為一種扁平的矩形結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)，如圖l-lb,它有單 邊型和雙邊型之分。每種型式下又分別由短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)或長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)。
圓筒型直線電機(jī)，即為一種外形如旋轉(zhuǎn)電機(jī)的圓柱形的直線電機(jī)如圖1-5所 示。這種直線電機(jī)一般均為短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)型式。
圓盤型直線電機(jī)，即為電機(jī)的次級(jí)是一個(gè)圓盤，不同型式的初級(jí)驅(qū)動(dòng)圓盤次 級(jí)做圓周運(yùn)動(dòng)，如圖1-7所示。其初級(jí)可以是單邊型也可以是雙邊型。
圓弧型直線電機(jī)，如圖1-6所示，它的運(yùn)動(dòng)形式是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且與普通旋轉(zhuǎn) 電機(jī)非常接近。圓弧型與圓盤型的主要區(qū)別，在于次級(jí)的形式和初級(jí)對(duì)次級(jí)的驅(qū) 動(dòng)點(diǎn)有所不同。
按以上結(jié)構(gòu)型式分類的直線電機(jī)相互關(guān)系可以圖1-10所示的形式表示。

1.2.2按功能用途分類
直線電機(jī)按其功能用途主要可以分為力電機(jī)、功電機(jī)和能電機(jī)。
1. 力電機(jī)
力電機(jī)是指單位輸入功率所能產(chǎn)生的推力，或者單位體積所能產(chǎn)生的推力， 主要用于在靜止物體上或低速的設(shè)備上施加一定的推力的直線電機(jī)。它以短時(shí)運(yùn) 行、低速運(yùn)行為主，例如閥門的開(kāi)閉、機(jī)械手的操作等等。
2. 功電機(jī)
功電機(jī)主要作為長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的直線電機(jī)，它的性能衡量的指標(biāo)與旋轉(zhuǎn)電機(jī) 基本一樣。即可用效率、功率因數(shù)等指標(biāo)來(lái)衡量其電機(jī)性能的優(yōu)劣。例如高速磁 懸浮列車，各種高速運(yùn)行的輸送線等等。
3. 能電機(jī)
能電機(jī)是指運(yùn)動(dòng)構(gòu)件在短時(shí)間內(nèi)所能產(chǎn)生的極高能量的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它主要是 在短時(shí)間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運(yùn)動(dòng)能，例如導(dǎo)彈、魚(yú)雷的發(fā)射等等。
1.2.3按工作原理分類
直線電機(jī)按其工作原理可分為兩個(gè)大的方面，即直線電動(dòng)機(jī)和直線驅(qū)動(dòng)器， 直線電動(dòng)機(jī)包括交流直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、交流直線同步電動(dòng)機(jī)、直線直流電動(dòng)機(jī)和 直線步進(jìn)（脈沖）電動(dòng)機(jī)、混合式直線電動(dòng)機(jī)等。直線驅(qū)動(dòng)器包括直線振蕩電動(dòng) 機(jī)、直線電磁螺線管電動(dòng)機(jī)、直線電磁泵、直線超聲波電動(dòng)機(jī)等。
1.3直線電機(jī)發(fā)展應(yīng)用的概況
1.3.1世界各國(guó)直線電機(jī)研究應(yīng)用的概況
表1.1世界各國(guó)直線電機(jī)研究應(yīng)用機(jī)構(gòu)狀況表

國(guó)別	機(jī)構(gòu) （研究起始時(shí)間）	研究課題或者成果' 產(chǎn)品	主要代表人
日本：大學(xué) 40余所、企	九州大學(xué)工學(xué)部 （1973 年）	LIM. LSM,磁浮列車	野中作太郎、藤并信男

事業(yè)50余家 選擇部分列 出	武藤大學(xué)工學(xué)部 （1986 年）	LIM、LSM、LDM、LPM 及控制	海老原大樹(shù)
	東京大學(xué)工學(xué)部	LIM、LSM及超導(dǎo)磁浮列車	山村昌' 正田英介、曾根 悟
	信州大學(xué)工學(xué)部 （1974 年）	UM、LSM、LDM. LPM、LOA 及控制、 檢測(cè)、人工心臟等	山田一、肋若弘之
	東京農(nóng)工大學(xué)工學(xué)部 （1970 年）	LDM、LSM、電磁泵' 檢測(cè)	鹿野快男
	早稻田大學(xué)	直線電機(jī)及裝置	小貫天
	日本大學(xué)工學(xué)部 （1980 年）	LIM、磁懸浮搬運(yùn)，水中' 海洋中用 直技電機(jī)	大平鷹一、川西利昌
	鐵道總研	磁懸浮列車
	運(yùn)輸部	直線電機(jī)及在地鐵中的應(yīng)用
	東芝公司交通' 開(kāi)發(fā)部	LSM,超導(dǎo)磁懸浮山梨線，LIM及搬運(yùn) 設(shè)備產(chǎn)品，電車用LIM等	荻原' 掘上
	宦士電機(jī)公司 （1980 年）	LIM、電磁挽拌、LSM、自動(dòng)升降機(jī)' 自動(dòng)門等產(chǎn)品	井上駿夫' 燙山等
	日本奧德斯 （0TIS）	直線電機(jī)電梯產(chǎn)品	大島健二
	日本工器	直線電機(jī)空壓機(jī)、真空泵等產(chǎn)品
美國(guó)	麻省理工學(xué)院	直線電機(jī)理論研究
	肯塔基大學(xué)	直線電機(jī)理論研究	S. A. Nasar 等
	西屋電氣公司	LIM及其各種裝置
	ANORAD公司	LDM.無(wú)刷LDM等	Chitayat 等
英國(guó)	英國(guó)皇家學(xué)院	直線電機(jī)理論研究	E. R. Laithwai te
	威爾斯大學(xué)電工' 電子 與系統(tǒng)工程學(xué)院	LIM、 LSM. LDM, LPM 等	H. Basa j
	巴斯大學(xué)電子電工學(xué) 院	LIM、LDM. LPM. LSM基礎(chǔ)理論研究	J. F. Eastham
	直線驅(qū)動(dòng)公司 (Linear Drives Ltd.)	4個(gè)系列的各種直線電機(jī)產(chǎn)品
德國(guó)	亞琛工業(yè)大學(xué)電機(jī)研	UM、LSM、直線電機(jī)搬運(yùn)裝置、常導(dǎo)	G. Henneberger

	究室	磁懸浮等
	不論瑞工業(yè)大學(xué)	UM、LSM、永磁直線電機(jī)、磁浮軸承 等	H.Web
	柏林工業(yè)大學(xué)	LSM,磁懸浮列車	P.Mnich
	西門子公司 （Demage 公司）	直線電機(jī)與磁懸浮列車 三個(gè)系列的各種直線電機(jī)產(chǎn)品
俄羅斯	俄防爆電氣設(shè)備科學(xué) 研究院	直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)煤礦推車、運(yùn)輸車，直 線電機(jī)驅(qū)動(dòng)煤磚成形機(jī)，直線電機(jī)驅(qū) 動(dòng)提升機(jī)
	烏拉爾工業(yè)研究所	直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶設(shè)備
	列寧格勒礦業(yè)學(xué)院	各種UM及礦山運(yùn)輸系統(tǒng)	阿里山大爾
法國(guó)	I.N. R. E. T.S	□ M及磁懸浮裝置	J. P. Pascal
加盤大	女王大學(xué)應(yīng)用科學(xué)院	直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送系統(tǒng)，超導(dǎo)磁懸浮 電磁機(jī)械基礎(chǔ)理論研究	Tony. R. Ea-stham Graham. E. -Dawson
羅馬尼亞	蒂米什瓦工業(yè)研究院	LIM、LPM、LOA理論分析，驅(qū)動(dòng)控制	1. Bolden
烏克蘭	烏克蘭科學(xué)院	LPM. LOA及其應(yīng)用	A. A. Afonin
	基輔電工力學(xué)研究所	機(jī)械魚(yú)的驅(qū)動(dòng)裝置等
	直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)專門 設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)所	LIM的設(shè)計(jì)及LIM汽車撞擊試驗(yàn)線的 制造
南非	開(kāi)普敦大學(xué)電工系	直線電機(jī)的理論分析及陣線電機(jī)電 梯的研究	J. F. Gi ieras
韓國(guó)	漢陽(yáng)大學(xué)電工系	LIM及搬運(yùn)裝置研究	椎丙一
	韓國(guó)電氣研究所	常導(dǎo)崔懸浮列車	申判錫