线性电机

定义

线性电机是一种把电能直接转换成直线运动机械能的传动装置，工作时不需要中间转换机构，因此又被称为直线电动机或直线直驱电机^[1][2]。从结构上看，它可以被当作一台旋转电机沿径向剖开、展平之后的结果：由定子演变来的一侧称为初级，由转子演变来的一侧称为次级。实际产品中初、次级的长度通常并不相等，以保证在需要的行程范围内两者之间的耦合基本不变；考虑到制造成本和运行费用，多数方案采用短初级配长次级^[3]。

按运动形式和生产原理划分，线性电机可归入电机这一类电工装置，但它在运动方向上呈现起点和终点，这与旋转电机没有首尾之分不同，由此带来的端部效应对其机电能量转换性能有明显影响^[4]。在分类上，线性电机包括直线直流电动机、直线步进电动机、直线异步电动机、永磁直线同步电机等类型；机床等设备中主要使用交流直线电机^[5]。

原理

线性电机的基本原理与对应的旋转电机一致，都依靠磁场与电流的相互作用产生电磁力，区别只在于把圆周运动换成直线运动。以直线感应电动机为例，初级绕组接通三相交流电源后，气隙中形成沿纵向按正弦分布的行波磁场；随着电流随时间变化，该磁场按相序沿直线方向平移移动，次级导体被行波磁场切割后产生感应电动势和感应电流，电流再与气隙磁场作用，就形成推动次级或初级做直线运动的电磁推力^[2]。改变电源相序即可改变行波磁场的移动方向，从而实现往复运动。

按磁路结构，常见的型式有单边扁平式、双边扁平式和圆筒式。单边式的电枢磁极与永磁励磁之间除了推力之外还存在电磁吸引力，这种垂直于运动方向的作用力称为垂直力，其数值往往大于推力，因此必须配备能够承受该力的直线导向机构；双边式把电枢与励磁的组合同步布置在对称位置，两个磁路的垂直力互相抵消；圆筒式则把单边式的磁路围绕推力方向卷成圆柱形，使垂直力在电机内部相互抵消，只输出推力^[6]。

从受力关系看，电磁推力与电流和磁场的大小直接相关，可以用 $F = i \times B$ 表示，其中 $i$ 为导体中的电流，$B$ 为气隙磁感应强度^[7]。图：

flowchart LR

A[三相交流电源] --> B[初级绕组]

B --> C[气隙中的行波磁场]

C --> D[次级感应电流]

D --> E[电磁推力]

E --> F[直线运动]

发展历程

线性电机的发展起点并不比旋转电机晚太多。据文献记载，1840 年英国工程师惠斯登（Wheatstone）提出并试制了略具雏形的线性电机，但因气隙过大、效率很低而没有取得成功^[8][9]。1840 年至 1955 年大致属于探索实验阶段，期间屡有设想与试验，多数未能实用化；1917 年出现了第一台圆筒型直线电动机，实际上是一种可换接初级线圈的直流磁阻电机，曾被尝试用于导弹发射装置，但始终停留在模型阶段^[8]。

1940 年代后期，伦敦帝国理工学院的莱思韦特（Eric Laithwaite）研制出第一台全尺寸可运行的模型，奠定了此后线性电机在低速加速类应用中的技术路线^[10]。1945 年，美国西屋电气公司研制出以 7400 kW 直线电机为动力的电力牵引飞机弹射器，在 165 m 行程内用 4.1 s 把一架重 4535 kg 的喷气式飞机由静止加速到 188 km/h^[8]。

1956 年至 1970 年被划分为开发应用阶段，随着控制技术与材料技术的进步，相关专利数量迅速增加，采用线性电机的磁流体泵、自动绘图仪、磁头定位装置、空气压缩机等设备陆续出现^[8]。1971 年以后进入实用商品化时期，线性电机驱动的钢管输送机、运煤机、电动门、电动窗等产品得到推广，由线性电机驱动的磁悬浮列车速度已超过 500 km/h^[3]。1993 年，德国 Ex-Cell-O 公司推出世界上第一台由线性电机驱动工作台的高速加工中心，最大进给速度 60 m/min^[5]。中国的线性电机研究与应用起步于 20 世纪 70 年代初，成果多集中于工厂行车、电磁锤、冲压机等方向^[3]。

应用

轨道交通是线性电机的重要应用方向。磁悬浮列车与部分城市轨道交通线路采用线性电机直接推进车辆，上海的磁悬浮线路即以此作为动力来源；由于不依赖轮轨之间的黏着，这类系统可以跑到较高的速度^[11]。在短时高速释放场合，电磁弹射器、过山车的加速段也借助线性电机在短时间内把物体由静止加速到较高速度^[11]。

精密制造与自动化设备是另一类主要用途。数控机床的进给轴采用线性电机直接驱动工作台，取消了丝杠环节，速度可提升到传统传动方式的约 30 倍、加速度约为 10 倍，最大加速度可达 10g，刚度可提高约 7 倍，并且没有反向工作死区^[12]。线性电机驱动的穿梭车和分拣线用于物流仓库中高速往返输送包裹，圆筒型线性电机则可用于冲床、金属成型和冲击试验等短行程、快动作的场合^[11]。此外，无缆线性电机电梯的轿厢沿轨道升降，不依赖钢缆，可在垂直或倾斜方向运行^[11]。

局限

线性电机的性能受自身结构带来的效应制约。由于运动方向上存在起点和终点，电机两端会出现端部效应，对机电能量转换产生不利影响；同时，线性电机的气隙通常远大于旋转电机，其次级往往比初级铁芯更宽，还会带来横向边缘效应。这些特点使线性电机的设计难度高于旋转电机，建模更为复杂，磁通、推力、速度等机电变量的可控性也相对较差^[4]。

在工程经济性上，长行程应用需要沿整条轨道铺设线圈或磁轨，材料用量大、造价较高^[11]。大功率线性电机发热比较集中，若冷却能力不足，性能会随之下降^[11]。不同类型之间也存在取舍：永磁直线电机单位尺寸出力大、结构轻、响应快、发热少、精度高，但永磁体的强磁场使安装与操作较困难，容易吸附铁屑，需密封处理，并存在退磁风险；直线感应电机次级结构简单、便于安装维护、不使用较昂贵的永磁体，长行程时具备降低成本的可能，缺点是采用电励磁、效率较低、发热较大、次级需要冷却，且气隙公差要求严格、加工成本较高^[9]。

参见

• 旋转电机 —— 线性电机可视为其剖开展平后的产物，两者工作原理同源。

• 磁悬浮列车 —— 以线性电机作为推进动力，是线性电机最典型的大功率应用。

• 永磁同步电机 —— 永磁直线同步电机采用永磁励磁，是线性电机的主要类型之一。

• 数控机床 —— 进给轴采用线性电机直接驱动，是其高速度、高精度应用的集成平台。

• 行波磁场 —— 线性电机初级绕组在气隙中形成并驱动次级运动的核心物理量。