Halbach动圈式永磁直线电机的设计(2)

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内燃直线发电系统

图1.1 内燃直线发电系统

在倡导节约能源的大环境下，内燃直线发电系统在混合动力汽车等设备上具有不错的应用前景，其具有效率高，节约能源等优点，是一种很好的技术。直线电机是内燃直线发电系统的重要组成部分，它实现能量转换的过程，是内燃直线发电系统实现高性能的核心环节。为了使内燃直线发电集成动力具有高性能，一般要求直线电机具有推力稳定、可控性强、效率高的性能。

1.2 相关技术国内外研究现状

1.3 直线电机简介

不同于旋转电机，直线电机无需传动结构而能够直接输出直线运动，其最大优点是取消了从电机到工作台之间的一切中间传动环节，使得用直线电机驱动的系统具有结构紧凑，没有中间环节，传动效率高等优点，而且控制精度也比较高。它所具有的突出优势，已越来越引起人们重视，不久的将来，它将像微电子技术和计数机技术一样，在人类的各个领域得到广泛的应用。

直线电机的原理与旋转电机类似，根据励磁源的不同，直线电机分为电磁式和永磁式两种，电磁式有交流、直流和步进三种；根据运动部分的不同，直线电机又可以分为动圈式、动铁式和动磁式三种。下面对直线电机的基本原理，发展过程做简单介绍。

1.4.1 直线电机的基本原理

以单边型直线电机为例，其基本结构如图1.2所示，由初级和定子两部分构成，初级是励磁源，次级是被磁场力作用的部分。

直线电机基本结构

与旋转电机类似，当初级绕组中通入三相对称正弦电流时，气隙中产生磁场，当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动，因而产生行波磁场，这个磁场是平移的，平移的速度称为同步速度Vs （m/s），且vs =2ft 。然后次级导条在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流。而所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果次级和初级中一个是固定的一个是活动的，那么它们之间就会发生相对直线运动。若次级移动的速度为V，转差率用s表示，则有：

上述就是以单边型直线电机为例，直线电机的工作原理。其他类型的直线电机的工作原理与之类似，都是通有电流的导体在洛伦兹力的作用下产生直线运动。

1.4.2 直线电机的发展过程

直线电机的历史，据文献[8]介绍，最早是由惠思登在1840年开始提出和制作了略具雏形但并不成功的直线电机，从那时起，已有170多年历史，在这个过程中直线电机经历了探索实验、开发应用和实验商品化三个阶段。

（1）探索试验阶段（1840- 1955）

1840年到1955年是探索试验阶段，在这段时间直线电机经历了从设想到实验到部分实验性应用的一个不断探索、屡遭失败的过程。惠思登之后最早明确提到直线电机文章的是1980年美国匹兹堡市长，虽然这个想法激励了很多科学家的热情，但是由于当时的制造技术、工程材料以及控制技术的的现状，在经过20多年的努力后，最终却未能获得成功。在这个阶段由于直线电机没有在成本和效率上战胜旋转电机，以及直线电机在设计上没有成功的突破，所以在这一时期直线电机始终未能得到真正的应用。

（2）开发应用阶段（1956-1970）

1956年以来，由于这个时期控制技术和材料的惊人发展，以及前期理论讨论和试验研究工作积累的大量经验，使得直线电机技术的到了凶猛的发展，有了电磁铁型、动圈型的直线电机的成就，为开发应用提供了有力条件。在此期间，直线振荡电机也产生了。到1956年后，应用直线电机的实用设备被逐渐开发出来。例如采用直线电机的自动绘图仪、点唱机、空气压缩机等。