刍议直线电机的发展和应用

张筱杰+赵方

摘 要：直线电机驱动系统结构较为简单，具备速度快、响应快、精度高以及振动噪声小等特点，被广泛应用到超高速、紧密化仪器等领域。直线电机的直接驱动模式正在逐步取代传统驱动模式，被逐步应用到各行各业。本文通过阐述直线电机的优劣势，在此基础上分析直线电机发展及应用情况。

关键词：直线电机；发展；应用

早在19世纪末科学家就开始研究直线电机，但是并没有取得研究性的突破，直到20世纪中叶，直线电机的研究才取得一定的成果，特别是材料技术、控制技术的广泛应用和逐步推广，使得直线电机的研究和应用实现质的突破。经过一个多世纪的改进和完善，直线电机以直线驱动的方式弥补了传统驱动的不足，其优势和特色逐渐被显现出来，成为研究领域的研究热点。因此，研究直线电机的发展和应用，对于直线电机的进一步改进和完善来讲，顯得非常有必要。

1 直线电机的优劣势概述

从结构层面来讲，直线电机与旋转电机的运行原理十分相似，省略了中间重复和复杂环节，产生直线运行轨迹，改变了传统“旋转电机+机械变换环节”传动的不足和缺陷。直线电机的种类较多，我们常见的直线电机大致有直线直流式直线电机、感应式和永磁式交流直线伺服电动机、直线步进电动机和直线式开关磁阻同步电动机等。笔者通过对直线电机的优劣势进行系统分析，认为其优劣势主要表现在以下方面：

第一，直线电机的优势。一是直线电机省略了中间部分环节工作，减少了能耗和磨损，能够通过高速运转和高精度定位的方式参与工作，结构简单、可靠性和安全性较强；二是与传统旋转电机相比，直线电机的加速度更大，速度更快，其速度基本不会受到外界因素影响；三是直线电机行程长度较长，基本不受限制；四是直线电机相对安静，运行过程噪音较小，能够创造出安静的作业环境[1]。

第二，直线电机的劣势。一是气隙相对较大，运行功率小、效率低，特别是在低速运行过程中，其缺陷较为明显；二是端部效应较为明显，高速运行过程中，初级铁心两端开断，整体运行效率不高。

2 直线电机的发展

近年来，随着办公自动化、生产机械化水平的不断提升，需要更多高质量、高效率、高性能以及安全可靠程度较高的定位元件，直线电机以其突出的优势和特色在各行各业、各个领域中的应用程度进一步提高。同时，随着新材料、新技术的大量出现，驱动要求和标准的不断提高，直线电机得以快速发展和广泛应用。直线电机运行过程中，需要通过计算机程序进行有效控制，主要进行启动、加速、定速、停比等，这些都是直线电机运行过程中的关键环节。为了让直线电机发挥更大的作用，人们开始研究多CUP处理系统，用数字控制技术来替代传统的模拟控制技术，使得控制精度更高、速度更快和更加灵敏。研究表明，经过一系列不断的改进和完善，直线电机控制理论、控制算法等得到了长足进步和快速发展[2]。

随着直线电机被广泛应用到更多领域和各行各业，直线电机被不断的改进和完善，为了让直线电机的性能更加稳定、运行效率更高、应用范围更广，研究人员开始探索新原理，将直线电机作为一个研究和研发重点对象。比如：新型超声直线电机研发过程中，人们采取了符合弹性较强的材料CFRP，在PZT的激励下，CFRP形成倾斜振动，让导轨表面形成较大的反作用力，进而来驱动电机移动，由于新型超声直线电机的结构和原理非常简单，所以在研制过程中基本不会出现太多问题。作为一种特殊的直线电机，直线振荡电机的应用更为广泛，是国内外学术界、研究学者的研究重点，不仅研究直线振荡电机的运行原理，而且对直线振荡电机的性能优化进行了一系列研究，这些研究的最终目的是为了提高振幅和负载能力。可以看出，直线电机在国内外的研究从未停滞，一直处于不断改进、完善和深入的状态[3]。能够预测，今后关于直线电机的研究将会更进一步，直线电机的应用范畴也将进一步扩大，其未来将步入高速发展轨道。

3 直线电机的应用

笔者通过对直线电机当前的应用现状进行研究，发现直线电机被广泛应用到以下几个方面：

第一，应用到交通运输行业。我们日常所见到和乘坐的地铁、磁悬浮列车都应用到直线电机的驱动方式，具备高速、安全、舒适、环保等特点。磁悬浮列车采取电磁悬浮、直线电机驱动的方式，其时速可达到500km以上，是当今地面速度最快、安全性最高、最经济环保的列车。2001年，我国第一列磁悬浮列车建成并投入使用。因此，直线电机将被广泛应用到交通运输系统当中[4]。

第二，应用到工业当中。工业中的物料运输、直线传动等均能够应用到直线电机，如：升降机、分拣输送线等。同时，工业机床中的旋转电机逐步被直线电机所替代，利用直线电机的速度快、精度高等优势，提高工业机床的运行效率。直线电机还被应用到工业领域中的物流系统当中，与传统连杆电机相比，直线电机应用下的物流系统更为安全、高效和便捷。另外，直线电机还被广泛应用到自动化车库当中，具体运行过程为：在车库上纵横布局无线电机，用计算机程序进行精确控制，利用直线电机的初次级作用来移动汽车进出库，从而大幅提高了车辆出入库效率，节约了大量的时间和资金成本。

第三，应用到军事建设方面。如前文内容所述，直线电机具备速度快、加速度大、经济环保等特点，被经常应用到军事领域，特别是导弹、火箭、高射炮、潜艇等的研发制造中，不仅能够起到精准打击目标的作用，而且加快了出击速度，提高了军事武器运行效率[5]。同时，直线电机还被应用到一些常见的军事设备上，如：战斗机、仿真系统、练靶场等。

第四，应用到日常生活方面。我们常用的电冰箱、空调等一些家用、办公设备都使用了直线电机，如：IBM公司生产的打印机、平面仪等均使用直线电机；美国奥基电气公司将直线电机应用到软盘驱动；日本松下公司将直线电机应用到驱动数字扫描仪，这些设备上使用直线电机，不仅能够减轻重量、优化性能，而且加速了响应速度，提高了设备的安全可靠性。

除此之外，直线电机还被广泛应用于天文地理观测系统、医疗卫生系统、建筑行业等领域当中，如：天文望远镜、触摸模拟器、打桩机等。可以看到，直线电机的发展潜力和空间巨大，应用范围将会进一步扩大。

4 结语

综上所述，直线电机具备结构简单、绿色环保、速度快、加速度大、精准度高以及噪音小等诸多优势和特色，被广泛应用到各行各业、多个领域，对传统驱动模式进行了有效替代。直线电机是国内外学术界研究和探索的热点课题，也是经济社会高速发展的必然产物，将会在今后得到系统研究、全面应用和长远发展。

参考文献

[1]王会永，周保华，李向男，郑海鹏，李秋诚，韩道平.直线电机的应用现状及发展趋势研究[J].微电机，2016，49（09）：86-89+92.

[2]谢侠飞，张丽荣. 直线电机的发展与应用概述[J].科技视界，2013，（15）：102+83.

[3]王会永，满忠雷，李向男，江守和，董有利，王彬.直线电机在制造业中的应用及发展趋势[J]. 电机与控制应用，2013，40（03）：1-4.

[4]宋彤菊. 直线电机的应用与发展方向[J].山西煤炭管理干部学院学报，2008，（04）：141-142.

[5]宋书中，胡业发，周祖德. 直线电机的发展及应用概况[J].控制工程，2006，（03）：199-201+277.

作者简介

张筱杰（1988-），男，汉族，河南许昌人，大专，河南万里路桥集团股份有限公司助工，研究方向：电机与电器；

赵方（1991-），男，汉族，河南南阳人，大专，河南万里路桥集团股份有限公司助工，研究方向：电力拖动与自动化控制。endprint