填槽、三相绕组实际不平衡等因素的影响，基本上是
沿用旋转电机的分析方法，在实际使用中存在较大
的误差

［!］

。

分层理论分析方法是由 "#$$%& 和 ’()*+& 首次提

出

［,］

，

后来由 ")-%. 等人发展起来的一种二维磁场分

布解法

［/］

。01%))%* 等人在二维分层方法基础上发展

起来的三维分层法，用 2+#)-%) 双级数法来模拟直线
电机的纵向和横向边缘效应。这几种分层理论分析
方法只考虑了次级铁芯的饱和，而没有考虑初级铁
芯饱和。3//4 年，56-) 等人提出了一种既考虑初级
铁芯的饱和，又考虑次级铁芯饱和的分层理论分析
方法

［37］

。

有限元法非常适合于求解直线电机的电磁场方

程，有限元法首先将电机的求解区域进行剖分，二维
情况下剖分成一系列连续的三角形或四边形单元，
三维情况下剖分成一系列连续的六面体单元，单元
节点上的矢量磁位 ! 按照预先假设的变化方式进
行计算，然后从 8(9:%$$ 基本方程出发，导出一组以
磁场矢量磁位 ! 为变量的偏微分方程。目前，采用
二维有限元法计算直线电机的电磁场分布和工作特
性已得到较广泛的应用

［33］

；随着计算机技术的发展

和有限元法本身的改进，三维有限元法也被越来越
多地应用于直线电机的分析计算

［3;］

。应用有限元

法直接由直线电机内的磁场分布求解其电气参数，
突破了传统方法将场简化为路的局限性，使计算方
法得到了发展。

直线电机的设计

直线电机的设计准则是由 <(-*=:(-*% 于 3/>? 年

提出的品质因数 !。它是表示直线电机电路与磁路
耦合程度的质量因数，具有多种定义形式。然而，对
于高速直线感应电机来说，品质因数大并不能保证
电动机产生最大推力和最高效率，于是 ’+$6-( 等提
出了最佳品质因数的概念

［34］

。

为了精确计算直线电机的电磁特性参数、输出

力，

优化电机结构尺寸，缩短开发周期，降低设计制

造成本，必须通过对场的分析，才能使计算较准确。
直线电机设计过程中考虑较多的是采用各种措施来
降低端部效应的影响。如在直线电机初级绕组的端
部槽中，采用全填满的绕组形式提高电机的性能；也
有采用精确分析端部效应的方法，为直线电机设计
提供参考

［3@］

。

目前，在直线电机的设计研究中，一个非常活跃

的研究方向就是引入了各种数值算法和优化算法，
对直线电机进行计算机辅助优化设计。如：从场A路
结合的观点采用混合罚函数法对直线电机进行优化
设计，目标函数为单位体积产生的推力

［3?］

；考虑各

种因素影响，采用多目标优化技术进行直线电机设
计

［3>］

；采用 B++CAD%%E%F 法对直线电机进行优化设

计，目标是直线电机的力能指标最大，对直线电机的
其他性能指标引入约束条件，约束处理采用外点罚
函数法

［3!］

；采用神经元网络对直线电机进行优化设

计，

电机部分的计算采用有限元法

［3,］

；针对二维有

限元法计算大气隙直线电机的磁场分布的局限性，
提出三维有限元计算的数学物理模型和计算方
法

［3/］

等。

直线电机的控制

直线电机的负载直接与直线电机的动子相连，

负载的变化和外部扰动直接影响伺服系统的性能，
因此直线电机的控制需要采用闭环控制这种高精度
伺服控制。

直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电

机，还必须有能在安全可靠的条件下实现技术与经
济要求的控制系统。自动控制技术与微计算机技术
的发展为直线电机的控制提供了条件，其核心控制
部件可以采用 G<H、单片机、GH 机、IJG 芯片

［;7］

等，

外围的输出通道可采用继电器、晶闸管和固态继电
器等。关于控制研究基本上可分为两个方面：一是
采用矢量控制技术

［;3］

、变频调速技术

［;;］

、2#KKL 诊断

技术

［;4］

、G5I 控制技术

［;@］

等已有的成熟的控制技术；

二是研究适用于直线电机的控制理论和控制技术。
例如：采用瞬时电流跟踪 GM8 变频技术，控制感应
式直线电机的推力和移动速度

［;?］

；在中凸变椭圆活

塞车削加工的刀具微进给直线电机驱动系统中，分
别采用了自寻优数字 G5I 校正控制方法

［;>］

和模糊推

理自校正 G5I 控制方法

［;!］

；在直线电机驱动带式高

速分拣包刷系统中，采用模糊控制器

［;,］

等。

直线电机应用研究

直线电机应用研究是直线电机研究中最重要的

研究内容，也是研究直线电机的最终目的。由于直
线电机能直接产生连续单向或往复的直线机械运
动，不需中间机械传动变换装置，在国民经济各部门
具有广阔的应用前景。

直线电机在工业机器人、机床及各种需要直线

运动的机械装置中应用较多

［;/］

。如：上海工大与上

海电机厂联合研制的直线电机机械手，作为加工汽
轮发电机扇形冲片的自动下料装置；浙江大学研制
的直线电机驱动的冲压机，消除了传统冲压机的各
种大小带轮、齿轮、飞轮、曲轴、连杆等，冲压机结构
简单、体积小、重量轻、噪音极小、节能、智能化程度
高

［47］

；

西安交通大学研究了一种新型结构的直线压

・

;

・

控

制

工

程

第 34 卷