直線電動(dòng)機(jī)由于不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)就能產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械，所以使整個(gè)裝置或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、精度高、效率高等，因此是近年來國內(nèi)外積極研究開發(fā)的電動(dòng)機(jī)之一。

直線電動(dòng)機(jī)的類型很多，從原理上講，每一種旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)都有與之相對應(yīng)的直線電動(dòng)機(jī)。直線電動(dòng)機(jī)按其工作原理分為：直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線直流電動(dòng)機(jī)等。

一、直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

（一）主要類型和基本結(jié)構(gòu)

直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)主要有扁平型、圓筒型和圓盤型三種型式，其中扁平型應(yīng)用最為廣泛。

1．扁平型

直線電動(dòng)機(jī)可以看作是由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)演變而來的。設(shè)想把旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沿著徑向剖開，并將圓周展開成直線，即可得到扁平型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，如圖4—15所示。由定子演變而來的一側(cè)稱為一次側(cè)，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為二次側(cè)。

圖4—15所示演變而來的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其一次側(cè)和二次側(cè)長度是相等的。由于在運(yùn)行時(shí)一次側(cè)與二次側(cè)之間要做相對運(yùn)動(dòng)，假定在運(yùn)動(dòng)開始時(shí)，一次側(cè)和二次側(cè)正好對齊，那么在運(yùn)動(dòng)過程中，一次側(cè)和二次側(cè)之間相互電磁耦合的部分就越來越少，影響正常的運(yùn)行。為了保證在所需的行程范圍內(nèi)，一次側(cè)和二次側(cè)之間的電磁耦合始終不變，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須把一次側(cè)和二次側(cè)制造成不同長度。當(dāng)然既可以是一次側(cè)短、二次側(cè)長，也可以是一次側(cè)長、二次側(cè)短。前者稱為短一次側(cè)，后者稱為長一次側(cè)。如圖4—16所示。由于短一次側(cè)結(jié)構(gòu)比較簡單，制造成本和運(yùn)行費(fèi)用均較低，一般均采用短一次側(cè)。

圖4—16所示的扁平型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，僅在二次側(cè)的一邊具有一次側(cè)，這種結(jié)構(gòu)型式稱為單邊型。它的最大特點(diǎn)是在一次側(cè)和二次側(cè)之間存在著較大的法向吸力，這在大多數(shù)場合下是不希望的。若在二次側(cè)的兩邊都裝上一次側(cè)，那么這個(gè)法向吸力就可以互相抵消，這種結(jié)構(gòu)型式稱為雙邊型，如圖4—17所示。

扁平型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的一次側(cè)鐵心由硅鋼片疊成，與二次側(cè)相對的一面開有槽，槽中放置繞組。一次側(cè)繞組可以是單相、兩相、三相或者多相的。二次側(cè)有兩種結(jié)構(gòu)類型，一種是柵型結(jié)構(gòu)，尤如旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的籠形結(jié)構(gòu)；二次側(cè)鐵心上開槽，槽中放置導(dǎo)條，并在兩端用端部導(dǎo)體連接所有槽中導(dǎo)條。另一種是實(shí)心結(jié)構(gòu)，即采用整塊均勻的金屬材料，它又分成非磁性二次側(cè)和鋼二次側(cè)，非磁性二次側(cè)的導(dǎo)電性能好，一般為銅或鋁。

圖4—15   直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的演變過程

a）旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；b）直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

圖4—16    扁平型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)圖                圖4—17    雙邊型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

a）短一次側(cè)；b）長一次側(cè)

2．圓筒型（管型）

圖4—18（a）所示為扁平型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，將它沿著和直線運(yùn)動(dòng)相垂直的方向卷成筒形，就形成圓筒型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，如圖4—18（b）所示。在某些特殊的場合，這種電機(jī)還可以做成既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有直線運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)直線電動(dòng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)直線的運(yùn)動(dòng)體既可以是一次側(cè)，也可以是二次側(cè)。

圖4—18   圓筒型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的形成          圖4—19   圓盤型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

a）扁平型；b）圓筒型

3．圓盤型

圓盤型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，如圖4—19所示。它的二次側(cè)做成扁平的圓盤形狀，并能夠繞經(jīng)過圓心的軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，將一次側(cè)放在二次側(cè)圓盤靠近外緣的平面上，使圓盤受切向力作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一次側(cè)可以是單面的，也可以是雙面的。雖然它也作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法與扁平型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，故仍屬于直線電動(dòng)機(jī)的范疇。與普通旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相比，具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

（1）力矩與旋轉(zhuǎn)速度可以通過多臺一次側(cè)組合的方式或通過一次側(cè)在圓盤上的徑向位置來調(diào)節(jié)。

（2）無需通過齒輪減速箱就能得到較低的速度，因而電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲很小。

（二）基本工作原理

直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)演變而來的，當(dāng)一次側(cè)的三相（或多相）繞組通入對稱正弦交流電時(shí)，會(huì)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緣效應(yīng)時(shí)，這個(gè)氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似，沿著直線方向按正弦規(guī)律分布，但它不是旋轉(zhuǎn)而是沿著直線平移，因此稱為行波磁場，如圖4—20中曲線1所示。顯然，行波磁場的移動(dòng)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。行波磁場移動(dòng)的速度稱為同步速度，即

式中，D為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)圓周的直徑；t為極距，t= pD/2p；p為極對數(shù)；f為電源頻率。

圖4—20   直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理

行波磁場切割二次側(cè)導(dǎo)條，將在導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電流，所有導(dǎo)條的電流（圖中只畫出其中一根導(dǎo)條）和氣隙磁場相互作用，產(chǎn)生切向電磁力。如果一次側(cè)是固定不動(dòng)的，那么二次側(cè)便在這個(gè)電磁力的作用下，順著行波磁場的移動(dòng)方向作直線運(yùn)動(dòng)。若二次側(cè)移動(dòng)的速度用n表示，轉(zhuǎn)差率用s表示，則有

由式可知，改變極距或電源頻率，均可改變二次側(cè)移動(dòng)的速度。改變一次側(cè)繞組中通電相序，可改變二次側(cè)移動(dòng)的方向。

此外，由于直線電動(dòng)機(jī)的二次側(cè)大多數(shù)用整塊金屬板或復(fù)合金屬板制成，不存在明顯的導(dǎo)條，在分析原理時(shí)可以將其看成是無限多導(dǎo)條的并聯(lián)。這與分析空心杯轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)是完全一樣的。

二、直線直流電動(dòng)機(jī)

直線直流電動(dòng)機(jī)通常做成圓筒型，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單可靠，運(yùn)行效率高，控制比較方便、靈活，尤其和閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，可精密地控制位移，其速度和加速度控制范圍廣，調(diào)速的平滑性好。缺點(diǎn)是存在著帶繞組的電樞和電刷。

直線直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式可分為永磁式和電磁式兩大類。前者多用于驅(qū)動(dòng)功率較小的場合；后者則用于驅(qū)動(dòng)功率較大的場合。

（一）永磁式直線直流電動(dòng)機(jī)

永磁式直線直流電動(dòng)機(jī)的磁極由永久磁鐵做成。按照它的結(jié)構(gòu)特征可分為動(dòng)圈型和動(dòng)鐵型兩種。動(dòng)圈型在實(shí)際中用得較多，如圖4—21所示，在軟鐵架兩端裝有極性同向的兩塊永久磁鐵，當(dāng)移動(dòng)繞組中通入直流電流時(shí)，便產(chǎn)生電磁力，只要電磁力大于滑軌上的靜摩擦阻力，繞組就沿著滑軌作直線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的方向可由左手定則確定。改變繞組中直流電流的大小和方向，即可改變電磁力的大小和方向。電磁力的大小為

                  

圖4—21   永磁式動(dòng)圈式直線直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

（二）電磁式直線直流電動(dòng)機(jī)

任何一種永磁式直線直流電動(dòng)機(jī)，只要把永久磁鐵改成電磁鐵，就成為電磁式直線直流電動(dòng)機(jī)，同樣也有動(dòng)圈型和動(dòng)鐵型兩種。圖4—22所示為電磁式動(dòng)圈型直線直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)勵(lì)磁繞組通電后產(chǎn)生磁通與移動(dòng)繞組的通電導(dǎo)體相互作用產(chǎn)生電磁力，克服滑軌上的靜摩擦力，移動(dòng)繞組便作直線運(yùn)動(dòng)。

圖4—22  電磁式動(dòng)圈型直線直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

對于動(dòng)圈型直線直流電動(dòng)機(jī)，電磁式的成本要比永磁式低。因?yàn)橛来攀剿玫挠来挪牧显谡麄€(gè)行程上都存在，而電磁式只用一般材料的勵(lì)磁繞組即可；永磁材料質(zhì)硬，機(jī)械加工費(fèi)用大；電磁式可通過串、并聯(lián)勵(lì)磁繞組和附加補(bǔ)償繞組等方式改善電動(dòng)機(jī)的性能，靈活性較強(qiáng)。但電磁式比永磁式多了一項(xiàng)勵(lì)磁損耗。

電磁式動(dòng)鐵型直線直流電動(dòng)機(jī)通常做成多極式，圖4—23所示為三磁極式直線直流電動(dòng)機(jī)。當(dāng)環(huán)形勵(lì)

圖4—23  三極電磁式直線直流電動(dòng)機(jī)

磁繞組通電時(shí)，便產(chǎn)生磁通，徑向穿過氣隙和電樞繞組，當(dāng)鐵心中由徑向過渡到軸向，形成閉合回路，如圖中虛線所示。徑向氣隙磁場與通電的電樞繞組相互作用產(chǎn)生軸向電磁力，推動(dòng)磁極作直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)這種電動(dòng)機(jī)用于短行程和低速移動(dòng)的場合時(shí)，可以省掉滑動(dòng)的電刷。但若行程很長，為了提高效率，同永磁式直線電動(dòng)機(jī)一樣，在磁極上裝上電刷，使電流只在電樞繞組的工作段流過。