华中科技大学等单位学者发表直线振荡电机拓扑结构及应用的研究综述

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直线振荡电机可直接产生直线往复驱动力，具有无运动转换机构、传动效率高、振动噪声小等优势，在直线压缩机、斯特林制冷机、热电联产设备、振动能量回收等众多领域具有广泛的应用前景。 强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）、广西大学电气工程学院的徐伟、李想、廖凯举、柏丽丽、宫逸凡，在2022年第21期《电工技术学报》上撰文，首先详细阐述直线振荡电机的工作原理，并在此基础上依据理想受迫谐振系统的要求，归纳该类电机电磁特性的设计目标；其次，以时间为序，分类介绍直线振荡电机的发展沿革和研究现状，包括各类电机的优缺点、拓扑结构以及应用变迁等；然后，以文献调研为基础，总结目前该类电机普遍存在的四个方面的问题；最后，从工业应用需求出发，详细讨论直线振荡电机在工艺、电磁特性和控制策略等方面存在的难点及关键问题，并对未来发展趋势进行了展望。

在众多的社会生产实践中，大量的工业应用需要实现直线往复驱动以达到生产目的，其中典型的如活塞式压缩机系统、自由活塞发电系统以及振动能量回收系统等。然而，目前绝大多数这类工业设备所采用的方案，仍以“旋转电机+运动转换机构”的间接传动形式为主，其运动转换机构通常为滚珠丝杠或者曲柄连杆等，存在着体积大、摩擦点多、部件易磨损和传动损耗高等显著缺陷，极大地降低了该类工业应用的能效水平，造成了资源与能源的浪费，导致过量的二氧化碳排放。

直线振荡电机（Linear Oscillatory Machine, LOM），顾名思义，是能够直接实现电能与直线往复机械能相互转换的换能机构。与传统传动方式相比，采用直线振荡电机直驱的系统，在理论上不依赖运动转换机构，具有体积小、无侧向力、传动效率高等天然优势，是需要实现直线往复运动的工业应用最具潜力的替代驱动器。

强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）、广西大学电气工程学院的研究人员首先以永磁直线振荡电机为例对其工作原理进行阐述，并以理想受迫谐振系统要求为依据，归纳其电磁特性设计要求；其次，回顾国内外学者对三类直线振荡电机的研究成果和技术发展现状，并归纳总结出普遍存在的技术难题；最后，对直线振荡电机未来的发展趋势进行了展望，并讨论了下一步亟待解决的若干关键问题。

他们指出，作为直线往复驱动器，直线振荡电机系统可以直接进行驱动及能量转换，在一定程度上可有效解决传统的“曲柄连杆+旋转电机”传动方式所面临的体积大、传动效率低、振动噪声高等缺点，并已逐步在一些工业场合得到应用。

然而，作为近年发展起来的新兴技术，直线振荡电机及系统在实际运行时，受到电机拓扑结构、材料属性及加工工艺、电磁及参数非线性、负载时变性等多种因素影响，其关键性能指标（如推力、效率等）很难充分发挥，严重时甚至会恶化电机驱动性能。

为进一步提高运行效率、安全性及可靠性，减小体积及质量，降低机械振动及噪声等，未来亟需从如下方面对直线振荡电机电机及系统开展进一步的研究，进而全面提升系统的驱动能力。

1）低加工难度的铁心磁路设计

现有的适合于定子加工直线振荡电机的铁心材料中，硅钢片是磁学和力学等综合性能较好且较稳定的。然而，现有的平行磁通的磁路设计使得硅钢片叠压工艺过于复杂，加工精度要求较高。因此，未来研究的重点可以放在磁路设计的改进上，可采用横向或混合磁通式的磁路设计来进一步降低工艺复杂性。

2）定子永磁型拓扑结构

相比于动磁（铁）式直线振荡电机，定子永磁型直线振荡电机具备动子可靠性高等优势，一方面能直接解决动子结构复杂，永磁体承受振动应力的问题，在某些对可靠性要求较高的应用场合具有显著优势；另一方面，将永磁体移至定子侧，有利于散热设计，且能给该类电机的磁路带来更多灵活的选择。

3）高推力密度

直线振荡电机的应用场合通常空间狭小，对电机的体积有很严格的限制。如何在有限的体积内输出更高的驱动力，是所有直线振荡电机的共同追求。其中关键点在于，如何在满足有限空间内的温升限制前提下，进一步提高电机的电磁负荷，进而获得更强的输出能力。

4）高线性定位力

负线性的定位力可构成磁性弹簧，降低直线振荡电机对机械弹簧的依赖；甚至在定位力斜率足够高、等效磁性弹簧刚度够大时，可省略机械弹簧，从而进一步缩小电机体积，提高运行的安全可靠性。因此，如何在不增大电机体积的前提下，利用电机本身的工作磁场构造磁性弹簧，并在保证定位力线性度的前提下尽可能提高其关于位置的斜率，是未来研究的重点之一。

5）高抗去磁能力

直线振荡电机特殊的工作原理，决定了其永磁磁场一部分区域必然被电枢磁场增强，而另一部分被削弱。从现有文献调研情况看，目前大多数的直线振荡电机永磁体与电枢磁路均为串联，这使得两者磁场在永磁体内存在反向叠加，导致永磁体工作点对电流极为敏感，尤其在温度高的工作环境中更容易在反向电枢磁场的作用下移动至拐点以下，造成不可逆退磁。因此，如何对永磁体进行防失磁设计，提高其抗去磁电流能力，对提高直线振荡电机的可靠运行及拓宽过载能力至关重要。

6）无传感器绝对位置检测

无传感器位置检测技术可以省略位移传感器，降低直线振荡电机系统的体积和成本，提高可靠性，是未来工业化应用的发展趋势。然而，目前基于电压电流的位置辨识算法中，大多估计的是直线振荡电机的相对位置，无法针对变负载变工况下的动子绝对位置进行更准确的观测，从而不能很好地保证系统运行的安全可靠性。因此，如何在无位移传感器的情况下准确辨识直线振荡电机动子的绝对位置，对提升整个电机驱动系统的输出能力、控制精度和安全可靠性至关重要。

研究人员指出，直线振荡电机应尽可能保证永磁磁链线性、定位力负线性，以及电感位置不变，确保其响应特性尽可能接近理想受迫谐振系统。通过提高永磁磁链和定位力斜率，可以明显提升直线振荡电机的推力密度和等效磁性弹簧刚度，从而降低甚至摆脱对机械弹簧依赖，进而有效地缩小电机及系统的体积。为进一步提高直线振荡电机运行的安全性和可靠性，不断拓展其工业化应用场合，亟须优化直线振荡电机拓扑及磁路设计，简化铁心和动子结构，降低加工难度，提高永磁体抗去磁能力等。

他们最后表示，由于直线振荡电机系统具有体积小、振动噪声小、传动效率高等优点，直线振荡电机系统是成为往复直驱工业场合的重要驱动方式。随着理论发展和技术革新，直线振荡电机系统必将在制冷工业、新能源发电、智能装备制造等众多领域获得广泛的应用，更好地服务于国家的“碳达峰、碳中和”发展战略，为国家和社会创造出巨大的经济效益。

本文编自2022年第21期《电工技术学报》，论文标题为“直线振荡电机拓扑结构及应用综述”。本课题得到国家重点研发计划金砖国际合作重点项目、国家自然科学基金面上项目、湖北省重大科技创新项目、深圳市基础研究专项（自然科学基金）基础研究面上项目、广西自然科学基金和广西大学“高层次人才”引进科研启动项目的支持。

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