直线电机综述

常淑英　李赞

摘 要：直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的电力传动装置。它可以省去大量中间传动机构，加快系统反映速度，提高系统精确度，所以得到广泛的应用。直线电动机的种类按结构形式可分为;单边扁平型、双边扁平型、圆盘型、圆筒型（或称为管型）等;按工作原理可分为：直流、异步、同步和步进等。对近几年来国内外直线电机运用进行了全面的综述。

关键词：直线电机;传动装置;结构

一、直线电机的结构：

直线电机的运动形式是沿直线运动， 不同于旋转电机需要螺纹传动装置。直线电机由旋转电机转化而来， 将旋转电机按其圆柱形径向横截面切开， 平铺展成平面结构， 就形成了直线电机。旋转电机结构是由动子和定子组成，线圈绕组一端的是定子，而中间自由旋转的一端是动子，由旋转电机定子展开的一侧称为直线电机初级，由旋转电机动子展开的一侧称为直线电次级。可以看出线圈绕组在旋转电机结构中是定子，固定不动，而在直线电机结构中是初级，可以相对运动[1]。

二、直线电机的工作原理

直线电机是在传统电动机的基础上演变而来，是将传统电动机的转子和定子展开成直线，从而实现将原来的旋转运动变为往复运动，传统电动机主要有支座、转子、定子线圈、 主轴、接线盒五个主要部分组成，无论是对有刷电机还是无刷电机，内转子还是外转子结构，都由定子和转子组成，供电时在电机线圈内产生旋转磁场，并产生扭矩并驱动转子进行旋转运动[2]。

三、直线电机的发展：

1840年，Wheatstone开始提出和制作了最早的直线电机，直至20世纪50年代中期，控制技术及材料技术的飞速发展和新型控制元器件的不断涌现，使直线电机的理论和应用获得了迅速的发展。自20世纪90年代以来，由于高速、精密机床进给系统的需要，使直线电机的优越性充分体现出来，直线电机的研究成为热点领域。目前，国外比较著名的直线电机制造商主要有美国的Anorad、ParkerHannifin、Aerotech Kollmorgen公司德国的Simens、Indramat公司和日本FANUC、Mitsubishi公司等。国外众多研究机构和企业把直线电机作为更新换代的高新技术产品来研发，开发出了众多直线电机驱动的产品。例如，美国 Xynetics 公司生产的自动绘图仪、日本Sanyo公司生产的直线电机驱动的电唱机、英国 Herbert Morris 公司生产的桥式吊车、传送带和一般机械搬运设备、日本与加拿大的直线电机 驱动的轻轨等。 相对于国外，国内的直线电机研究起步较晚， 发展不稳定，上世纪七十年代比较热，八十年代前期滞退，八十年代后期至今又有较大发展。到目前为止，国内许多高校、科研院所及企业开展了不同类型直线电机的理论及开发研究。例如，河南理工大学的汪旭东博士建立了永磁直线同步电机统一解析磁场模型，对永磁体励磁场进行了合理等效， 并制作了样机对建立的模型进行试验验证。西安交通大学的上官璇峰博士研究了单初级型永磁直线 同步电机的磁阻力及稳态性能。南京航天航空大学的王寅等设计了一种利用变截面杆纵振模态工作的直线超声电机。我国在直线电机的应用上也取得了可喜的成果，例如浙江大学的遥控直线电机窗帘机、世界首创的新型电磁式直线电机冲床、圆盘，直线电机驱动并利用其电磁内热的炒茶机、西安交通大学的新型电磁打泊机、上海工业大学的浮法玻璃生产用的直线电机、直线电机驱动的自动门等[3]。

四、直线电机的应用现状：

直线电机应用研究作为直线电机研究中的重要内容，也是研究直线电机的最终目的。由于直线电机不需要任何传动装置，就能直接产生连续单向或往复的直线运动，因此具有广阔的应用前景[3]。

直线电机在制造业中的应用传统机床的驱动装置依赖丝杠驱动，丝杠驱动 本身就具有磨擦、扭曲及较长的振动衰减时间等一系列不利因素，限制了传统驱动装置的效率和精度。直线电机驱动技术具有传统驱动装置无法比拟的高效率、高精度，并且结构简单[3]。

直线电机在交通运输业的应用与传统旋转电机驱动电力机车相比，直线电机 驱动的机车具有造价低、振动小、噪声低、爬坡能 力强、牵引能力优越、通过曲线半径小、能耗低、 污染小、安全性能好等诸多优点，直线电机在交通 运输行业有广泛的应用前景。 各国都在大力促进诸如高、低速磁浮直线电机以及非磁浮类型直线电机直驱技术的研究，多种多样的智能交通运输系统正在投入开发[3]。

直线电机在航天航空业的应用。直线电机在航天航空业的应用主要体现在军事上。2003年，美国研制用于航空母舰上推动飞机起 飞的永磁直线同步电机可使飞机在极短时间内加速到起飞速度，增加了单位时间起飞飞机数量，具有重要的军事意义。2005 年，美国南卡罗莱纳州立大 学对航空母舰上运载的航空器发射平台用永磁直线同步电机进行了初步设计，并采用虚拟试验平台对 电机设计方案进行了验证。日本九州大学正在研究 直线电机驱动的火箭发射装置，主要对火箭的动力 性能进行控制仿真的研究。 在航空动力系统中，调节阀是重要的流量调节 装置之一，发动机的推力改变及精确控制的实现都 在很大程度上依赖于调节阀的特性。传统的调节阀 体积大、效率低，且控制难度大。直线步进电机与阀本体相结合的新型调节阀可靠性高、定位精度高、 性能优越，具有极大的应用前景[3]。

直线电机在海洋发电中的应用。波浪能发电是直线电机作为发电机应用的典型代表。波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，是海洋能源中能量最不稳定的一种的能源。直线电机式波浪能装置不依赖机械或液压转换装置，效率更高，多年来，国外相关机构在此方面进行了大量的研究[3]。

五、直線电机的优点

①没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，除了直线电机导轨以外没有任何其它的摩擦;②结构简单，体积小，通过以最少的零部件数量来实现我们的直线驱动，而且这仅仅是只存在一个运动的部件;③运行的行程在理论上是不受任何限制的，而且其性能不会因为其行程的大小改变而受到影响;④其运转可以提供很宽的转速运行范围，其涵盖包括从每秒几微米到数米，特别是在高速状态下是其一个突出的优点;⑤加速度很大，最大可达10g;⑥运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械连接或转换装置的缘故;⑦精度和重复精度高，因为消除了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级;⑧维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。直线电动机与“旋转电动机，滚珠丝杠”传动性能比较表性能旋转电动机+滚珠丝杠直线电动机。

直线电机运用广泛，具有良好的发展前景，是一种新型的驱动技术，随着直线电机技术和现代控制技术的不断发展和完善，直线电机直接驱动模式必将替代传统驱动模式，在社会生活各个领域得到广泛的应用。

参考文献：

[1]张乾，谭立杰，程秀全，张永昌. 直线电机原理及其在精密工作台中的应用[J]. 电子工业专用设备， 2017（12）：70-74.

[2]叶利洪，郑水英，顾超华，等.新型直线步进电机驱动的活塞压缩机理论设计[J].压缩机技术，2002（6）：32-35.

[3]王会永，周保华;李向男，郑海鹏，李秋诚，韩道平.直线电机的应用现状及发展趋势研究[J].微电机，2016（9）：86-89