直线电机工作原理

直线电机工作原理

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第一章直线电机的概述

1.1直线电机的基本结构与工作原理

1.1.1直线电机的基本结构

图1-1所示的a和b分别表示了一台旋转电机和一台直线电机。

图1-1旋转电机和直线电机示意图a)旋转电机b）直线电机

直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋

转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，如图1-2所示。这样就得到了

由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级，由

转子演变而来的一侧成为次级。

图1-2由旋转电机演变为直线电机的过程a）沿径向剖开b)把圆周展成直线

图1-2中演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的，由于在运行时

初级和次级之间要做相对运动，如果在运动开始时，初级与次级正巧对齐，那么

在运动中，初级与次级之间互相耦合的部分越来越少，而不能正常运动。为了保

证在所需的行程范围内，初级和次级之间的耦合能保持不变，因此世界应用时，

是将初级与次级制造成不同的长度。由于段初级在制造成本上，运行的费用上均

比短次级低得多，因此一般采用短初级长次级。如图1-3所示。

图1-3单边型直线电机a）短初级b）短次级

在图1-3中所示的直线电机中仅在一边安放初级，对于这样的结构型式称为

单边型直线电机。特点是在初级与次级之间存在着很大的法向吸力，一般这个法

向吸力在钢次级时约为推力的10倍左右，大多数场合这种吸力是不希望存在的。

图1-4双边型直线电机a)短初级b)短次级

在图1-4中所示的直线电机在次级的两边都装上了初级。这样这个法向吸力

就可以相互抵消，这种结构型式称为双边型。

上述介绍的直线电机称为扁平型直线电机，是目前应用最为广泛的，除此之

外直线电机还可以做成圆筒型（也称管型）结构，它也可以看作是由旋转电机演

变过来的，演变过程如图1-5所示。

图1-5旋转电机演变成圆筒型直线电机的过程a）旋转电机b)扁平型单边直线电

机c)圆筒型（管型）直线电机

图1-5a表示一台旋转电机以及由定子绕组所构成的磁场极性分布情况；图

1-5b表示转变为扁平型直线电机后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况，然后

将扁平型直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形。这样就构成图1-5c

所示的圆筒型直线电机。

直线电机还有圆弧型和圆盘型结构。所谓圆弧型结构，就是将平板型直线电

机的初级沿运动方向改成圆弧型，并安放于圆柱次级的柱面外侧，如图1-6所示。

图1-6圆弧型直线电动机图1-7圆盘型直线电机

图1-7是圆盘型直线电机，该电机把次级做成一片圆盘，将初级放在次级圆

盘靠近边缘的平原上，圆盘型直线电机的初级可以是双面的，也可以是单面的。

圆弧型和圆盘型直线电机的运动实际上是一个圆周运动。

1.1.2直线电机的工作原理

直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也

与旋转电机相似。

图1-8旋转电机的基本工作原理1-定子2-转子3-磁场方向

将图1-10所示的旋转电机在顶上沿径向剖开，将圆周拉直，变成了图1-9所

示的直线电机。在直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气

隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的

分布情况与旋转电机的相似，可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。当三相电

流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动。这个原理与旋转电

机的相似，差异在于：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。

行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为

Vs（m/s），称为同步速度，且

Vs=2fτ（1.1）

再来看行波磁场对次级的作用。假定次级为栅形次级，图1-9中仅画出其中

的一根导条。次级导条在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流。而所有导

条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果

初级是固定不动的，那么次级就是顺着行波磁场运动的方向作直线运动。若次级

移动的速度用V表示，转差率用S表示，则有

VsSV

SVsVVs

Vs

vVs

S

)1(







（1.2）

图1-9直线电机的基本工作原理

在电动机运行状态下，S在0与1之间。上述就是直线电机的基本工作原理。

1.2直线电机的分类概述

1.2.1按结构形式分类

直线电机的分类在不同的场合下有不同的分类型式。按其结构型式主要可分

为扁平型、圆筒型（管型）、圆盘型和圆弧型四种。

扁平型直线电机，即为一种扁平的矩形结构的直线电机，如图1-1b，它有单

边型和双边型之分。每种型式下又分别由短初级长次级或长初级短次级。

圆筒型直线电机，即为一种外形如旋转电机的圆柱形的直线电机如图1-5所

示。这种直线电机一般均为短初级长次级型式。

圆盘型直线电机，即为电机的次级是一个圆盘，不同型式的初级驱动圆盘次

级做圆周运动，如图1-7所示。其初级可以是单边型也可以是双边型。

圆弧型直线电机，如图1-6所示，它的运动形式是旋转运动，且与普通旋转

电机非常接近。圆弧型与圆盘型的主要区别，在于次级的形式和初级对次级的驱

动点有所不同。

按以上结构型式分类的直线电机相互关系可以图1-10所示的形式表示。

图1-10直线电机的结构分类

1.2.2按功能用途分类

直线电机按其功能用途主要可以分为力电机、功电机和能电机。

1.力电机

力电机是指单位输入功率所能产生的推力，或者单位体积所能产生的推力，

主要用于在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力的直线电机。它以短时运

行、低速运行为主，例如阀门的开闭、机械手的操作等等。

2.功电机

功电机主要作为长期连续运行的直线电机，它的性能衡量的指标与旋转电机

基本一样。即可用效率、功率因数等指标来衡量其电机性能的优劣。例如高速磁

悬浮列车，各种高速运行的输送线等等。

3．能电机

能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极高能量的驱动电机，它主要是

在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹、鱼雷的发射等等。

1.2.3按工作原理分类

直线电机按其工作原理可分为两个大的方面，即直线电动机和直线驱动器，

直线电动机包括交流直线感应电动机、交流直线同步电动机、直线直流电动机和

直线步进（脉冲）电动机、混合式直线电动机等。直线驱动器包括直线振荡电动

机、直线电磁螺线管电动机、直线电磁泵、直线超声波电动机等。

1.3直线电机发展应用的概况

1.3.1世界各国直线电机研究应用的概况

表1.1世界各国直线电机研究应用机构状况表

国别

机构

（研究起始时间）

研究课题或者成果、产品主要代表人

日本：大学

40余所、企

九州大学工学部

（1973年）

LIM、LSM、磁浮列车野中作太郎、藤并信男

扁平型

长初级

短初级

单边型

双边型

圆盘型

圆弧型

圆筒型

短初级

事业50余家

选择部分列

出

武藤大学工学部

（1986年）

LIM、LSM、LDM、LPM及控制海老原大树

东京大学工学部LIM、LSM及超导磁浮列车山村昌、正田英介、曾根

悟

信州大学工学部

（1974年）

LIM、LSM、LDM、LPM、LOA及控制、

检测、人工心脏等

山田一、肋若弘之

东京农工大学工学部

（1970年）

LDM、LSM、电磁泵、检测鹿野快男

早稻田大学直线电机及装置小贯天

日本大学工学部

（1980年）

LIM、磁悬浮搬运，水中、海洋中用

直线电机

大平鹰一、川西利昌

铁道总研磁悬浮列车

运输部直线电机及在地铁中的应用

东芝公司交通、开发部LSM，超导磁悬浮山梨线，LIM及搬运

设备产品，电车用LIM等

荻原、掘上

富士电机公司

（1980年）

LIM、电磁搅拌、LSM、自动升降机、

自动门等产品

井上骏夫、奥山等

日本奥德斯

（OTIS）

直线电机电梯产品大岛健二

日本工器直线电机空压机、真空泵等产品

美国

麻省理工学院直线电机理论研究

肯塔基大学直线电机理论研究等

西屋电气公司LIM及其各种装置

ANORAD公司LDM、无刷LDM等Chitayat等

英国

英国皇家学院直线电机理论研究aite

威尔斯大学电工、电子

与系统工程学院

LIM、LSM、LDM、LPM等

巴斯大学电子电工学

院

LIM、LDM、LPM、LSM基础理论研究m

直线驱动公司

（LinearDrives

Ltd.）

4个系列的各种直线电机产品

德国亚琛工业大学电机研LIM、LSM、直线电机搬运装置、常导erger

究室磁悬浮等

不论瑞工业大学LIM、LSM、永磁直线电机、磁浮轴承

等

柏林工业大学LSM，磁悬浮列车

西门子公司

（Demage公司）

直线电机与磁悬浮列车

三个系列的各种直线电机产品

俄罗斯

俄防爆电气设备科学

研究院

直线电机驱动煤矿推车、运输车，直

线电机驱动煤砖成形机，直线电机驱

动提升机

乌拉尔工业研究所直线电机驱动传送带设备

列宁格勒矿业学院各种LIM及矿山运输系统阿里山大尔

法国及磁悬浮装置

加拿大女王大学应用科学院直线电机驱动输送系统，超导磁悬浮

电磁机械基础理论研究

-stham

Graham.E.-Dawson

罗马尼亚蒂米什瓦工业研究院LIM、LPM、LOA理论分析，驱动控制

乌克兰

乌克兰科学院LPM,LOA及其应用

基辅电工力学研究所机械鱼的驱动装置等

直线感应电动机专门

设计与实验所

LIM的设计及LIM汽车撞击试验线的

制造

南非开普敦大学电工系直线电机的理论分析及阵线电机电

梯的研究

s

韩国汉阳大学电工系LIM及搬运装置研究椎丙一

韩国电气研究所常导磁悬浮列车申判锡

1.3.2中国直线电机发展应用的概况

表1.1中国直线电机研究应用机构状况表

机构

(研究起始时间)

研究课题或成果、产品主要代表人

中国科学院电工所LIM及磁悬浮研究，LPM及绘图机

产品，LSM、直线加速器、磁悬浮

推进船等

徐善纲、金能强等

西安交通大学LIM、LSM及各种应用，电磁锤、

打箔机、压砖机、铁磁分离器等

陈世坤、鱼振民

太原工学院筒型LIM，直线旋转电机、LOA、

阵线振动、传送带输送线研究等

熊光煜、刘星达等

上海大学LIM及各种应用、割麻、拦门、玻

璃搅拌、邮政输送等

蔡廷锡、江建中、屠关镇

北京煤矿干部管理学院矿用LIM张义儒等

江苏理工大学LIM、LPM等杨正林等

铁道部铁道院常导磁悬浮列车研究李红等

西南交通大学常导磁悬浮列车及LIM连级三、林国斌等

陕西直线电机机械设备公司LIM及矿用推车等乔中寿

杭州宇恒公司LIM及冲压机、输送线等杨贤诚

龙游电器设备厂筒型电机及设备刘锦春

香港城市工程学院LDM及音响设备实用化研究