直线电动机：种类及应用领域分析

绝大多数的电动机都是做旋转运动，而在实际工作的机构多数是做平移运动或往复运动。所以要采用蜗轮-蜗杆、齿轮-齿条或者曲柄-连杆等机械机构把旋转运动变为平移运动或往复运动，于是就萌生出使电动机的转子做平移运动或往复运动的想法。根据这种需求，直线电动机就应运而生了。

目前常用的直线电动机有直线感应电动机、晶闸管式异步直线电动机和步进式直线电动机。从原理上讲，任何形式的直线电动机都是把旋转电动机的圆柱状定子展开成为平面型定子所构成的。

直线感应电动机的概念可以这样建立：把普通异步电动机的定子沿径向切开并展开成为平面，原来定子绕组产生的旋转磁场就变成直线运动的行波磁场了。类似原来异步电动机中的定子称为初级元件，类似笼型转子的元件称为次级元件，也叫做动子。在定子绕组产生的气隙行波磁场与磁极磁场的共同作用下，气隙磁场对动子产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级元件是固定不动的，那么次级元件（动子）就沿着行波磁场的运动方向做平移运动或往复运动运动。动子的运动速度略低于定子行波磁场的速度。在需要直线运动的场合，采用直线电动机可使装置的总体结构得到简化，故直线电动机多用于各种定位系统和自动控制系统。大功率的直线电动机可用于电气铁路高速列车的牵引及鱼雷的发射装置中。

直线电动机按原理分为直流直线电动机、交流直线感应电动机、直线步进电动机和交流直线同步电动机，其中前三种应用较多。

直线感应电动机定子所产生的直线运动的行波磁场的速度（单位是m/s）为

V₀=3τ·f （7-5）

式中 τ——定子相邻磁极的间距。

动子的速度为

V=V₀（1-s_l） （7-6）

式中 s_l——直线转差率。

当工频供电的情况下，普通的直线感应电动机的行波磁场的速度可以高达3m/s。所以很难直接采用这种电动机直接驱动生产机械，一般可以用来驱动运输机械。为了得到更低的速度，并且能够调节速度，通常采用变频器为定子提供变频电源。

一种直线感应电动机的结构如图7-4所示。图中的次级元件为动子，在定子行波磁场的作用下，沿着导轨做往复直线运动。由于定子磁场的漏磁严重，故这种结构的电动机功率因数很低。

为了增强定子和动子之间的电磁耦合程度，近来在电动机的结构方面做了很多改进，圆柱状直线电动机就是其中的一种，其结构如图7-5所示。图中的1是圆筒状的定子，其中分布着定子绕组2。定子绕组之间填充着由铁磁材料构成的磁路部分3。动子4是一个铁磁材料制成的空心圆杆。当定子绕组顺序通电时，动子在磁场的作用下，沿左右方向平动。因为减小了定子和动子之间的气隙，提高了功率因数。

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图7-4 单坐标直线电动机的外形

图7-5 圆柱结构的直线电动机

磁悬浮列车的运动就是直线感应电动机的原理。这种车辆没有车轮，它是依靠磁力把列车悬浮起来。推进运动的定子线圈安置在线路的下面，车厢是动子。当定子线圈通电时，电磁力把车厢悬浮起来并使车辆沿着线路运行。

直线感应电动机的缺点是效率低，能量损失大，尤其是动子的转差损失最为显著。

以同步电动机的原理制成的直线电动机逐渐增多。把这种同步电动机的定子展开成平面形状，就形成直线电动机的定子。动子是由永久磁铁构成。定子绕组的通电顺序取决于动子的位置，为此，在动子上还应当装有位置传感器。根据需要，有时还可以把动子做成固定的结构，而使定子运动。

为了实现位置控制，最有效的传动方案就是采用直线步进电动机。这种电动机就是把普通的步进电动机的定子展开成为平面形状，转子也做成平面的齿槽形状的动子。如果按照步进电动机的开关规律向定子绕组送电，动子将作步进直线运动。这种步进的步距可以做得非常小，甚至达到0.1mm的精度。

直线步进电动机的速度V与齿距τ、相数m以及开关切换频率f有关，即V

直线步进电动机的最高速度受到齿距和开关频率的限制，一般情况下，齿距与气隙的比值不小于10。

为了简化单坐标直线电动机的机械结构，并实现用一套传动装置控制多个坐标的直线运动，可以采用正交控制的原理。即在定子驱动部分配置两套正交的绕组，并把动子的导轨也做成垂直方向，那么，在正交控制系统的控制下，运动部分就可以沿着两个相互垂直的方向运动，实现在平面上的位移。实现这种功能的关键在于运动部件的支架结构，现在有利用气囊式支架达到体轻、灵活的目的。

直线式步进电动机的牵引力小，效率低，只适合用于轻量级机器人，轻型机床、测量仪器、激光切割等轻型设备上。