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


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


圖1-2由旋轉(zhuǎn)電機演變?yōu)橹本€電機的過程a）沿徑向剖開b）把圓周展成直線
圖1-2中演變而來的直線電機，其初級和次級長度是相等的，由于在運行時 初級和次級之間要做相對運動，如果在運動開始時，初級與次級正巧對齊，那么 在運動中，初級與次級之間互相耦合的部分越來越少，而不能正常運動。為了保 證在所需的行程范圍內(nèi)，初級和次級之間的耦合能保持不變，因此世界應(yīng)用時， 是將初級與次級制造成不同的長度。由于段初級在制造成本上，運行的費用上均 比短次級低得多，因此一般采用短初級長次級。如圖1-3所示。

在圖1-3中所示的直線電機中僅在一邊安放初級，對于這樣的結(jié)構(gòu)型式稱為 單邊型直線電機。特點是在初級與次級之間存在著很大的法向吸力，一般這個法 向吸力在鋼次級時約為推力的10倍左右，大多數(shù)場合這種吸力是不希望存在的。

在圖1-4中所示的直線電機在次級的兩邊都裝上了初級。這樣這個法向吸力 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稱為扁平型直線電機，是目前應(yīng)用最為廣泛的，除此之外直線電機還可以做成圓筒型（也稱管型）結(jié)構(gòu)，它也可以看作是由旋轉(zhuǎn)電機演 變過來的，演變過程如圖1-5所示。

圖l-5a表示一臺旋轉(zhuǎn)電機以及由定子繞組所構(gòu)成的磁場極性分布情況：圖 l-5b表示轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄叫椭本€電機后，初級繞組所構(gòu)成的磁場極性分布情況，然后 將扁平型直線電機沿著和直線運動相垂直的方向卷接成簡形。這樣就構(gòu)成圖l-5c 所示的圓筒型直線電機。
直線電機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 機的初級沿運動方向改成圓弧型，并安放于圓柱次級的柱面外側(cè)，如圖1-6所示。

圖1-7是圓盤型直線電機，該電機把次級做成一片圓盤，將初級放在次級圓 盤靠近邊緣的平原上，圓盤型直線電機的初級可以是雙面的，也可以是單面的。 圓弧型和圓盤型直線電機的運動實際上是一個圓周運動。
1.1.2直線電機的工作原理
直線電機不僅在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于是從旋轉(zhuǎn)電機演變而來的，而且其工作原理也 與旋轉(zhuǎn)電機相似。



將圖1-8所示的旋轉(zhuǎn)電機在頂上沿徑向剖開，將圓周拉直，變成了圖1-9所 示的直線電機。在直線電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，也會產(chǎn)生氣 隙磁場。當(dāng)不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊端效應(yīng)時，這個氣隙磁場的 分布情況與旋轉(zhuǎn)電機的相似，可看成沿展開的直線方向呈正弦形分布。當(dāng)三相電 流隨時間變化時，氣隙磁場將按A、B、C相序沿直線移動。這個原理與旋轉(zhuǎn)電 機的相似，差異在于：這個磁場是平移的，而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場。
行波磁場的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(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)
再來看行波磁場對次級的作用。假定次級為柵形次級，圖1-9中僅畫出其中 的一根導(dǎo)條。次級導(dǎo)條在行波磁場切割下，將感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生電流。而所有導(dǎo) 條的電流和氣隙磁場相互作用便產(chǎn)生電磁推力。在這個電磁推力的作用下，如果 初級是固定不動的，那么次級就是順著行波磁場運動的方向作直線運動。若次級 移動的速度用V表示，轉(zhuǎn)差率用S表示，則有

1.2直線電機的分類概述
1.2.1按結(jié)構(gòu)形式分類
直線電機的分類在不同的場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，即為一種扁平的矩形結(jié)構(gòu)的直線電機，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長次級或長初級短次級。
圓筒型直線電機，即為一種外形如旋轉(zhuǎn)電機的圓柱形的直線電機如圖1-5所 示。這種直線電機一般均為短初級長次級型式。
圓盤型直線電機，即為電機的次級是一個圓盤，不同型式的初級驅(qū)動圓盤次 級做圓周運動，如圖1-7所示。其初級可以是單邊型也可以是雙邊型。
圓弧型直線電機，如圖1-6所示，它的運動形式是旋轉(zhuǎn)運動，且與普通旋轉(zhuǎn) 電機非常接近。圓弧型與圓盤型的主要區(qū)別，在于次級的形式和初級對次級的驅(qū) 動點有所不同。
按以上結(jié)構(gòu)型式分類的直線電機相互關(guān)系可以圖1-10所示的形式表示。

1.2.2按功能用途分類
直線電機按其功能用途主要可以分為力電機、功電機和能電機。
1. 力電機
力電機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。它以短時運 行、低速運行為主，例如閥門的開閉、機械手的操作等等。
2. 功電機
功電機主要作為長期連續(xù)運行的直線電機，它的性能衡量的指標(biāo)與旋轉(zhuǎn)電機 基本一樣。即可用效率、功率因數(shù)等指標(biāo)來衡量其電機性能的優(yōu)劣。例如高速磁 懸浮列車，各種高速運行的輸送線等等。
3. 能電機
能電機是指運動構(gòu)件在短時間內(nèi)所能產(chǎn)生的極高能量的驅(qū)動電機，它主要是 在短時間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運動能，例如導(dǎo)彈、魚雷的發(fā)射等等。
1.2.3按工作原理分類
直線電機按其工作原理可分為兩個大的方面，即直線電動機和直線驅(qū)動器， 直線電動機包括交流直線感應(yīng)電動機、交流直線同步電動機、直線直流電動機和 直線步進(jìn)（脈沖）電動機、混合式直線電動機等。直線驅(qū)動器包括直線振蕩電動 機、直線電磁螺線管電動機、直線電磁泵、直線超聲波電動機等。
1.3直線電機發(fā)展應(yīng)用的概況
1.3.1世界各國直線電機研究應(yīng)用的概況
表1.1世界各國直線電機研究應(yīng)用機構(gòu)狀況表

國別	機構(gòu) （研究起始時間）	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
	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、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	鹿野快男
	早稻田大學(xué)	直線電機及裝置	小貫天
	日本大學(xué)工學(xué)部 （1980 年）	LIM、磁懸浮搬運，水中' 海洋中用 直技電機	大平鷹一、川西利昌
	鐵道總研	磁懸浮列車
	運輸部	直線電機及在地鐵中的應(yīng)用
	東芝公司交通' 開發(fā)部	LSM,超導(dǎo)磁懸浮山梨線，LIM及搬運 設(shè)備產(chǎn)品，電車用LIM等	荻原' 掘上
	宦士電機公司 （1980 年）	LIM、電磁挽拌、LSM、自動升降機' 自動門等產(chǎn)品	井上駿夫' 燙山等
	日本奧德斯 （0TIS）	直線電機電梯產(chǎn)品	大島健二
	日本工器	直線電機空壓機、真空泵等產(chǎn)品
美國	麻省理工學(xué)院	直線電機理論研究
	肯塔基大學(xué)	直線電機理論研究	S. A. Nasar 等
	西屋電氣公司	LIM及其各種裝置
	ANORAD公司	LDM.無刷LDM等	Chitayat 等
英國	英國皇家學(xué)院	直線電機理論研究	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)動公司 (Linear Drives Ltd.)	4個系列的各種直線電機產(chǎn)品
德國	亞琛工業(yè)大學(xué)電機研	UM、LSM、直線電機搬運裝置、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、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）	直線電機與磁懸浮列車 三個系列的各種直線電機產(chǎn)品
俄羅斯	俄防爆電氣設(shè)備科學(xué) 研究院	直線電機驅(qū)動煤礦推車、運輸車，直 線電機驅(qū)動煤磚成形機，直線電機驅(qū) 動提升機
	烏拉爾工業(yè)研究所	直線電機驅(qū)動傳送帶設(shè)備
	列寧格勒礦業(yè)學(xué)院	各種UM及礦山運輸系統(tǒng)	阿里山大爾
法國	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	直線電機驅(qū)動輸送系統(tǒng)，超導(dǎo)磁懸浮 電磁機械基礎(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	機械魚的驅(qū)動裝置等
	直線感應(yīng)電動機專門 設(shè)計與實驗所	LIM的設(shè)計及LIM汽車撞擊試驗線的 制造
南非	開普敦大學(xué)電工系	直線電機的理論分析及陣線電機電 梯的研究	J. F. Gi ieras
韓國	漢陽大學(xué)電工系	LIM及搬運裝置研究	椎丙一
	韓國電氣研究所	常導(dǎo)崔懸浮列車	申判錫