在永磁旋轉(zhuǎn)電機中，當(dāng)三相繞組中通入對稱正弦電流后，會在氣隙中產(chǎn)生按正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁場。與此類似，在永磁直線電機中通入三相電流后，也會在氣隙中產(chǎn)生磁場，忽略端部效應(yīng)，磁場在直線方向也呈正弦分布，只是磁場是平移的行波磁場，見圖1。行波磁場與次級磁場相互作用便產(chǎn)生電磁推力，使初級和次級產(chǎn)生水平直線相對運動。產(chǎn)生電磁力的部分是初級與次級耦合的部分［2］。

　　永磁直線電機的結(jié)構(gòu)與推力的關(guān)系永磁直線電機的推力密度在材料和冷卻條件一定的情況下，設(shè)計合理的旋轉(zhuǎn)電機其額定力矩基本上跟電機的體積成正比。直線電機的額定推力也一樣，將電機的額定推力FN和有效體積V（即初級和次級耦合部分的體積）比定義為推力密度

　　F：F＝FXV（1）F存在一個極大值，如果一臺電機的推力密度達到該極限值，則該電機的磁路參數(shù)為*佳參數(shù)。對于本文討論的短初級永磁直線電機來說（見圖2），有效寬度a是初級與次級磁鋼的耦合寬度部分。有效長度b是初級鐵心的長度。有效高度h包括初級鐵心高度、次級磁鋼厚度和氣隙大小。

　　有效寬度a和推力稀土永磁直線電機的結(jié)構(gòu)在y向（寬度方向）上具有對稱性。次級磁鋼采用y向均勻充磁，如果不考慮磁鋼y向形狀的微小變化和端部漏磁，其內(nèi)磁場的分布可以認(rèn)為是沿y向不變的。

　　即電機的推力跟橫向?qū)挾萢成正比?？梢栽趯挾确较蛏辖厝≈本€電機的一個縱向截面進行分析，得到的是有效寬度為單位長度的直線電機的結(jié)果。計算結(jié)果再乘以電機的實際有效寬度即為電機的實際分析結(jié)果。因此，直線電機額定推力大小可以由式（2）表示：F＝a△Fa（2）式中a為電機橫向有效寬度，△Fa為單位橫向有效寬度的直線電機的額定推力。

　　有效長度b和推力有效長度b可以采用電機極數(shù)p為單位來衡量。設(shè)計電機采用單層繞組結(jié)構(gòu)，忽略端部效應(yīng)的情況下，增加初級極數(shù)，并不會造成磁路參數(shù)和磁場分布特征的改變，也就是說電機的*優(yōu)化磁路參數(shù)并沒有改變?；谟来胖本€電機的這種結(jié)構(gòu)特點，如果只增加初級的極數(shù)，則電機的推力將線性增加，并且能保持磁路參數(shù)的*優(yōu)化。

　　電機推力與電機極數(shù)基本成正比?？梢员硎緸椋篎＝P2△Fx（3）式中P為電機的極數(shù)，△Fx為單位橫向?qū)挾葍蓸O電機的額定推力。隨著電機級數(shù)的增加，公式（3）的誤差越來越大，當(dāng)電機極數(shù)為16的時候，誤差率在1.44％。但是綜合來講，公式誤差率較小，可以用于電機的初步設(shè)計。

　　有效高度h和推力有效高度h包括初級鐵心高度、次級磁鋼厚度和氣隙大小。其中鐵心高度和次級磁鋼厚度越大，代表磁能材料的越多，推力也就越大。而氣隙是初級與次級能量交換的場所，氣隙越大，推力就越小。有效高度h與電機推力關(guān)系密切，沒有簡單的規(guī)律可循，一般需要對有效高度h進行優(yōu)化設(shè)計。

　　永磁直線電機的設(shè)計方法永磁直線電機的常規(guī)設(shè)計方法參考永磁旋轉(zhuǎn)電機的設(shè)計方法，設(shè)計中首先要確定基本條件，包括額定電壓U、頻率f、*大電流容量I。還需要明確通過電機設(shè)計所要達到的性能指標(biāo)：額定推力FN、*大推力Fmax等。

　　然后根據(jù)給定條件和目標(biāo)，確定電機初級、次級、氣隙的具體參數(shù)，整個設(shè)計過程比較復(fù)雜。根據(jù)第3節(jié)的分析，引入兩極單元直線電機的概念，簡化電機設(shè)計過程。

　　結(jié)語通過類比旋轉(zhuǎn)電機推力密度的概念，對平板式永磁直線電機幾何尺寸對電機推力的影響進行了分析。在此基礎(chǔ)上，提出了兩極單元直線電機的設(shè)計方法，簡化了平板式永磁直線電機的設(shè)計過程，為將來直線電機的系列化設(shè)計提供了依據(jù)。*后按照該設(shè)計方法完成了一臺額定推力為3000N的樣機設(shè)計。通過推力與定位力的實驗測試，樣機的性能與設(shè)計性能基本相符。