一、直线电机发展历程

1840年，Wheatsone开始提出和制作了略具雏形的直线电机。1905年，有两人分别建议将直线电动机作为火车的推进机构。1917年出现了第一台圆筒形直线电动机，一种具有换接初级线圈的直流磁阻电动机。1945年，美国西屋电气公司首先研制成功电力牵引飞机弹射器，良好的加速性能使得直线电动机可靠性好等优点受到了应有的重视。1954年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制成了发射导弹的装置，其速度可达1600km/h。1965年，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用设备被逐步开发出来，例如采用直线电机的MHD泵、自动绘图仪、磁头定位驱动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。

从1971年开始到目前的这个阶段，直线电机进入了独立的应用时代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、电动窗、电动纺织机等等。同时利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超500km/h，接近了航空的飞行速度，且试验行程累计已达数十万千米。

二、直线电机定义与原理

直线电机是一种通过将封闭式磁场展开为开放式磁场，将电能直接转化为直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。对应旋转电机定子的部分叫初级，对应转子的部分叫次级。在初级绕组中通多相交流电，便产生一个平移交变磁场称为行波磁场。在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。

运动方式可以是固定初级，让次级运动，称为动次级；相反，也可以固定次级而让初级运动，则称为动初级。

三、直线电机的结构

直线电机的结构主要包括定子、动子和直线运动的支撑轮三部分。为了保证在行程范围内定子和动子之间具有良好的电磁场耦合，定子和动子的铁心长度不等。定子可制成短定子和长定子两种形式。由于长定子结构成本高、运行费用高，所以很少采用。直线电动机与旋转磁场一样，定子铁心也是由硅钢片叠成，表面开有齿槽；槽中嵌有三相、两相或单相绕组；单相直线异步电动机可制成罩极式，也可通过电容移相。

直线异步电动机的动子有三种形式：

1、磁性动子：动子是由导磁材料制成（钢板），既起磁路作用，又作为笼型动子起导电作用。

2、非磁性动子：动子是由非磁性材料（铜）制成，主要起导电作用，这种形式电动机的气隙较大，励磁电流及损耗大。

3、动子导磁：材料表面覆盖一层导电材料，导磁材料只作为磁路导磁作用；覆盖导电材料作笼型绕组 。

四、直线电机的分类

1、按工作原理分类

按照工作原理分类，可以分为两大类：直线电动机和直线驱动器。具体见下图。

2、按结构形式分：

（1）扁平型：

扁平型直线电机次级一般有以下几个种类

栅极次级：一般是在钢板上开槽，在槽中嵌入铜条（或铸铝），然后用铜带在两端短接而成。

钢次级或磁性次级：钢既起到导磁作用，又起导电作用。由于钢的电阻率较大，故钢次级直线电机的电磁性能较差，且法向吸力也大（约为推力的10倍左右）。

复合次级：钢板上复合一层铜板（或铝板）。

铜（铝）次级或非磁性次级：用于双边型直线电机中。

下图中，（a）为扁平式直线电机，（b）为双扁平式的直线电机。

（2）圆筒型直线电机

采用两端支撑机构，能简洁地替换丝杆机构。次级一般是厚壁钢管，为了提高单位体积所产生的启动推力，可以在钢管外圆覆盖一层1~2mm的铜管或铝管，成为复合次级，或者在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环，成为类似笼型的次级。外形如旋转电机，需要时可做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机。

（3）圆盘型直线电机

虽然这个电机也做旋转运动，但是与普通旋转电机相比有两个比较突出的优点：力矩与旋转速度可以通过多台初级组合的方法或通过初级在圆盘上的径向位置来调节，无需通过齿轮箱减速箱就能的到较低的转速，电机噪声和振动很小。

（4）圆弧型直线电机

这种电机也具有圆盘型直线电机的特点，两者的主要区别在于次级的形式和初级对次级的驱动点有所不同。

3、最常用的直线电机类型

（1）平板式直线电机

平板式直线电机铁芯安装在钢叠片结构然后再安装到铝背板上，铁叠片结构用在指引磁场和增加推力。磁轨和动子之间产生的吸力和电机产生的推力成正比，叠片结构导致接头力产生。把动子安装到磁轨上时必须小心以免他们之间的吸力造成伤害。

（2）U型槽式直线电机

U 型槽式直线电机有两个介于金属板之间且都对着线圈动子的平行磁轨。动子由导轨系统支撑在两磁轨中间。动子是非钢的，意味着无吸力且在磁轨和推力线圈之间无干扰力产生。非钢线圈装配具有惯量小，允许非常高的加速度。线圈一般是三相的，无刷换相。可以用空气冷却法冷却电机来获得性能的增强。也有采用水冷方式的。这种设计可以较好地减少磁通泄露因为磁体面对面安装在U形导槽里。这种设计也最小化了强大的磁力吸引带来的伤害。同时这种设计的磁轨允许组合以增加行程长度，只局限于线缆管理系统可操作的长度，编码器的长度，和机械构造的大而平的结构的能力。

（3）圆柱型直线电机

圆柱形动磁体直线电机动子是圆柱形结构，沿固定着磁场的圆柱体运动。这种电机是最开始进行商业应用的直线电机，但是不能使用于要求节省空间的平板式和U 型槽式直线电机的场合。圆柱形动磁体直线电机的磁路与动磁执行器相似，区别在于线圈是典型的线圈绕组，三相组成，使用霍尔装置实现无刷换相，可以复制以增加行程。其推力线圈则是圆柱形的，沿磁棒上下运动，这种结构不适合对磁通泄漏敏感的应用，必须小心操作保证手指不卡在磁棒和有吸引力的侧面之间。圆柱型直线电机比较出名的是音圈电机，因其结构类似于喇叭的音圈而得名，具有高频响、高精度的特点。分为圆柱型音圈电机和摆动型音圈电机。

管状直线电机设计存在一个潜在的问题，当行程增加，由于电机是完全圆柱的而且沿着磁棒上下运动，唯一的支撑点在两端。为保证磁棒的径向偏差不至于导致磁体接触，推力线圈的长度会受到限制。

五、直线电机与旋转电机相比的特点

1、结构简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降。

2、定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度。

3、反应速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性。

4、工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长。

5、高速度。直线电机通过直接驱动负载的方式，可以实现从高速到低速等不同范围的高精度位置定位控制。直线电机的动子（初级）和定子（次级）之间无直接接触，定子及动子均为刚性部件，从而保证直线电机运动的静音性以及整体机构核心运动部件的高刚性。直线电机的行程可通过拼接定子来实现行程的无限制，同时也可以通过在同一个定子上配置多个动子来实现同一个轴向的多个独立运动控制。

六、直线电机的优点

1、不需任何转换装置，零回程间隙和柔度，传递效率高。

2、直线速度可以不受限制，速度非常平稳。

3、无机械接触，无磨损。

4、噪声很小，运行环境好。

5、无滚珠丝杆、齿轮箱、齿条与齿轮、传动带/皮带轮，机器中的部件数量减少，机械装配紧凑，免维护，且密封后可以用于特殊场合。

6、散热面大，热负荷高。

七、直线电机的缺点

1、大气隙导致效率和功率因素低，尤其是在低速时比较明显。

2、启动推力受电源电压影响较大。

3、部分特殊结构的直线电动机存在单边磁拉力。

八、直线电机的应用

近年来，随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求，直线电机凭借高速度、高加速、高精度、及行程不受限制等特性在很多领域都得到重视。目前，直线电机技术在世界各国的应用大致可分为五个方面。

1、在物流输送系统中的应用

我国目前邮政系统的邮包、印刷品的物流分拣、输送线绝大部分通过旋转电机采用链传动或连杆等方式。国外一些发达国家则逐步采用了直线电机驱动的，由计算机控制的新型邮政物流分拣输送系统。与传统的链传动或连杆方式相比，直线电机驱动的物流系统具有高效、低噪、安全可靠、维护方便等优点而获得应用者青睐。在一些新颖的立体化仓库的搬运系统和新型的自动化车库，也开始采用了直线电机，其中采用直线电机的自动化车库是在库地上安装一系列纵向和横向的直线电机初级，而载车板为次级。通过计算机，利用直线电机初次级作用移动汽车进或出。效率和利用率都很高。

2、在工业设备中的应用

直线电机在工业设备中的应用，主要在机床业方面比较突出，近几年，国际上对数控机床采用直线电机显得特别热，究其原因是，传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动，丝杆驱动本身具有一系列不利因素。

3、在信息与自动化方面的应用

直线电机在信息设备方面的应用主要在计算机设备以及它的输入输出设备方面，在计算机主机上，在硬盘装置方面，直线伺服电动机首先在IBM2314 主光驱上使用，后来又在IBM333 上采用，日本松下公司，在3.5 英寸的磁盘装置上也采用了直线伺服电动机，日本神钢电机公司、富士通公司等也制造了供软驱装置用的直线步进电动机，采用直线电机后，计算机有效地缩短了存取时间，提高了工作效率。此外直线电机也在计算机的输入输出设备中得到了应用。如日本神钢电机公司，富士通公司分别将直线步进电动机和直线直流电动机用于打印机，取得了分辩能力和停止精度提高，加速特性更好的效果。日本松下公司则将直线伺服电动机用于驱动数字扫描仪，使扫描仪总重减轻，启动推力提高，图象波动减少，扫描速度提高近5倍。至于国内外现有高精度的平面绘图仪，几乎均采用了平面直线步进电动机，它实现了绘图机的高速、高精度、高可靠性及耐久性。这种绘图机，中科院电工所和上海21所早在20世纪80年代就已试制成功。直线电机在自动化设备方面的应用有如新型的笔式记录仪、自动绕线机、照相机电磁快门、条形码自动读出器等。

4、在交通与民用方面的应用

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，被誉为21世纪一种理想的交通工具。磁浮车与现有常规车相比，主要优点是：速度快(500km/h)；安全，无翻车；无噪声振动；占地小；爬坡强；结构简单；节能。在交通应用方面，直线电机还被应用于驱动地铁车、驱动高速公路车等。直线电机在民用方面，发展较为迅速，产品较为成熟，应用面广。目前已应用的有直线电机驱动门；直线电机驱动窗和窗帘；直线电机驱动的床、柜、桌、椅，盘型直线电机驱动的冼衣机。空调、冰箱用直线电机压缩机，用直线电机驱动的家用针织机和缝纫机、炒茶机等。特别是用直线电机驱动的电梯，它所具有的结构简单、省材、省空间、高速、低噪声、节能的优点，引起电梯界的极大关注。

5、在军事及其它方面的应用

直线电机在军事上也得到了一些应用，如前面所述的直线电机驱动的潜艇，还有直线电机驱动的电磁炮。此外在一些军事设施上，如军用靶场、军用仿真系统、军用战斗武器如导弹的发射等等。此外，直线电机还可用于天文观测系统中驱动摆镜和反观镜；直线电机驱动人工心脏；直线电机驱动的盲人触觉摸拟器；直线电机在医院设备、电动工具、玩具以及建筑用打桩机等方面得到应用。