表2－1 材料特性 .............................................................................................................................. 14 表2－2 可选择单元类型................................................................................................................... 17 ............................................................................................................... 21 表3－1 永磁直线电机参数
................................................................................... 28 表4－1 推力和法向力随电流大小变化数据
................................................................................... 30 表4－2 推力和法向力随电流相位变化数据
................................................................................... 31 表4－3 空载时推力和法向力波动变化数据
................................................................................... 32 表4－4 额定电流下推力和法向力波动变化
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图 列
................................................................................................. 3 图1—1 直线电机按工作原理的分类
..................................................................................... 4 图1－2 由旋转电机演变为直线电机的过程
............................................................................................................. 4 图1－3 直线电机的工作原理
图1－4 有限元模型图......................................................................................................................... 4 ....................................................................................................... 5 图1－5 最大切应力等应力线图
图2－1 永磁直线电机的2-D实体 .................................................................................................... 15 图2－2 永磁直线电机的3-D实体模型 ............................................................................................ 15 ........................................................................................... 16 图2－3 定义完材料属性后的实体模型
................................................................................................... 17 图2－4 永磁直线电机的网络划分
....................................................................................................... 17 图2－5 加载力标志和边界条件
图2－6 PMLSM的电流密度.............................................................................................................. 17 ............................................................................................................................... 18 图2－7 PLANE53
图2－8 边界条件示意图................................................................................................................... 19 ................................................................................................... 21 图3－1 平板永磁直线电机的结构
........................................................................................................... 21 图3－2 PMLSM绕组接线圈
............................................................................................... 21 图3－3 永磁直线电机的有限元模型
.................................................................................................................... 22 图3－4 铸铁的B-H曲线
............................................................................................................ 22 图3－5 初级铁芯的B-H曲线
............................................................................................... 22 图3－6 网格分布（局部）
....................................................................................................... 22 图3－7 永磁直线电机磁力线图
........................................................................................... 22 图3－8 永磁直线电机磁通密度矢量图
........................................................................................... 22 图3－9 永磁直线电机磁场强度矢量图
......................................................................................................... 23 图3－10 永磁电机左边端效应
图3－11 永磁电机右边端效应 ......................................................................................................... 23 ............................................................................................. 23 图3－12 永磁体单独作用的磁力线图
..................................................................................... 23 图3－13 额定电流单独作用下的磁力线图
图3－14 合成磁力线图..................................................................................................................... 23 图4－1 矢量变换 .............................................................................................................................. 26 ............................................................................................... 27 图4－2 推力随电流大小变化曲线
............................................................................................... 27 图4－3 法向力随电流大小变化曲线
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............................................................................................... 28 图4－4 推力随电流相位变化曲线图
............................................................................................. 28 图4－5 法向力随电流相位变化曲线
图4－6 初级移动的过程示意图 ....................................................................................................... 28 图4－7 推力波动 .............................................................................................................................. 29 图4－8 法向力波动 .......................................................................................................................... 29 ........................................................................................................... 31 图4－9 额定电流下推力波动
..................................................................................................... 32 图4－10 额定电流下法向力波动
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第一章 绪论
1.1直线电机的发展与应用
直线电机是一种将电能直接转化成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置。在结构上, 直线电机相当于旋转电机在顶上沿径向剖开并将其圆周拉直, 工作原理同旋转电机相似。因为它不需要任何中间环节就可直接驱动被控制对象产生直线轨迹运动, 所以我们把直线电机的传动方式称为“零传动”。
由于采用了“零传动”, 从而较传统的“旋转电机+ 机械变换环节”的传动方式有明显的优势, 如结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高等。近年, 随着工业加工质量和运动定位精度等要求的提高, 直线电机受到了广泛的关注。在国外,直线电机驱动技术已进入工业化阶段, 但国内尚处于起步阶段。
近几年, 直线电机研究开发很快, 其结构设计、控制理论和电机原理等方面都有了很大的进展, 并已应用到国民经济的多个领域, 很多机械的直线运动均由直线电机完成，它是一种很有发展前途的新型电机。
直线电机的历史最早可追溯到1840 年惠斯登提出和制作雏形但不成功的直线电机, 至今已有160多年。其发展大致可分为三个阶段: 探索实验阶段(1840—1955)、开发应用阶段(1956—1970) 和实用商品化阶段(1971—)。
1．探索实验阶段(1840—1955)
从1840年到1955年的116年期间，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。由于当时的制造技术，工程材料以及控制技术的现状，在经过断断续续20多年的顽强努力后，最终却未能获得成功。
2．开发应用阶段(1956—1970)
自1955年以来，直线电机进入了全面的开发阶段。这个时期，它可以说是直线电机的“文艺复兴时期”。特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展，更加助长了这种势头。这种增长一方面固然是控制技术和材料促进了这种势头，另一方面，前些年的理论探讨和实验研究工作作为多年的技术贮备起到了重要的作用。
3．实用商品化阶段(1971—)
从1971年始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用时代，在这个时代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品。
目前，直线电机在世界各国的应用大致可分为五个方面，即物流系统、工业设备、信息与自动化系统、交通与民用、军事及其它。
1.2 直线电机的分类
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根据不同的标准,直线电机有不同的分类型式。直线电机按其结构型式主要可分为扁平型、圆筒型、圆盘型和圆弧型四种。
扁平型直线电机是一种扁平的矩形结构的直线电机，它有单边型和双边型之分。每种型式下又分别有短初级长次级或长初级短次级。圆筒型直线电机为一种外形如旋转电机的圆柱形的直线电机。这种直线电机一般均为短初级长次级型式。在需要的场合，我们还将这种电机做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机，至于旋转直线的运动体既可以是初级，也可以是次级。圆盘型直线电机，即该电机的次级是一个圆盘。其初级可以是单边型也可以是双边型。圆弧型电机，它的运动型式是旋转运动，且与普通旋转电机非常接近，然而它与旋转电机相比也是具有如圆盘型直线电机那样的优点，圆弧型与圆盘型的主要区别，在于次级的型式和初级对次级的驱动点有所不同。
直线电机，特别是直线感应电动机，按其功能用途主要可分为力电机，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、门窗的移动、机械手的操作、推车等等。这种电机效率效低，甚至为零(如对静止物体上施加推力时，效率为零)，因此，对这类电机不能用效率这个指标去衡量它，而是用椎力／功率的比来衡量，即在一定的电磁推力下，其输入的功率越小，则说明其性能越好。 2．功电机
功电机主要作为长期进续运行的直线电机，它的性能衡量的指标与旋转电机基在一样，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用直线电机，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，它上要是在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹、鱼雷的发射，飞机的起飞及冲击、碰撞等试验机的驱动等等。这类直线电机的主要性能指标是能效率(能效率＝输出的动能／电源所提供的电能)。
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。如图1-1所示。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、直线超声波电功机等。
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