直線振蕩電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及應(yīng)用綜述

徐 偉 李 想 廖凱舉 柏麗麗 宮逸凡

直線振蕩電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及應(yīng)用綜述

徐 偉1李 想2廖凱舉1柏麗麗1宮逸凡1

（1. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)） 武漢 430074 2. 廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院 南寧 530004）

直線振蕩電機(jī)可直接產(chǎn)生直線往復(fù)驅(qū)動(dòng)力，具有無(wú)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)效率高、振動(dòng)噪聲小等優(yōu)勢(shì)，在直線壓縮機(jī)、斯特林制冷機(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備、振動(dòng)能量回收等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。該文首先詳細(xì)闡述了直線振蕩電機(jī)的工作原理，并在此基礎(chǔ)上依據(jù)理想受迫諧振系統(tǒng)的要求，歸納了該類(lèi)電機(jī)電磁特性的設(shè)計(jì)目標(biāo)；其次，以時(shí)間為序，分類(lèi)介紹了直線振蕩電機(jī)的發(fā)展沿革和研究現(xiàn)狀，包括各類(lèi)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及應(yīng)用變遷等；然后，以文獻(xiàn)調(diào)研為基礎(chǔ)，總結(jié)了目前該類(lèi)電機(jī)普遍存在的四個(gè)方面的問(wèn)題；最后，從工業(yè)應(yīng)用需求出發(fā)，詳細(xì)討論了直線振蕩電機(jī)在工藝、電磁特性和控制策略等方面存在的難點(diǎn)及關(guān)鍵問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

直線振蕩電機(jī) 諧振系統(tǒng) 電磁特性 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 關(guān)鍵問(wèn)題

0 引言

在眾多的社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐中，大量的工業(yè)應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)驅(qū)動(dòng)以達(dá)到生產(chǎn)目的，其中典型的如活塞式壓縮機(jī)系統(tǒng)、自由活塞發(fā)電系統(tǒng)以及振動(dòng)能量回收系統(tǒng)等。然而，目前絕大多數(shù)這類(lèi)工業(yè)設(shè)備所采用的方案，仍以“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)”的間接傳動(dòng)形式為主[1]，其運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)通常為滾珠絲杠或者曲柄連桿等，存在著體積大、摩擦點(diǎn)多、部件易磨損和傳動(dòng)損耗高等顯著缺陷，極大地降低了該類(lèi)工業(yè)應(yīng)用的能效水平，造成了資源與能源的浪費(fèi)，導(dǎo)致過(guò)量的CO2排放。

直線振蕩電機(jī)（Linear Oscillatory Machine, LOM），顧名思義，是能夠直接實(shí)現(xiàn)電能與直線往復(fù)機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的換能機(jī)構(gòu)。與傳統(tǒng)傳動(dòng)方式相比，采用直線振蕩電機(jī)直驅(qū)的系統(tǒng)，在理論上不依賴(lài)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，具有體積小、無(wú)側(cè)向力、傳動(dòng)效率高等天然優(yōu)勢(shì)，是需要實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的工業(yè)應(yīng)用最具潛力的替代驅(qū)動(dòng)器[2]。

本文首先以永磁LOM為例對(duì)其工作原理進(jìn)行闡述，并以理想受迫諧振系統(tǒng)要求為依據(jù)，歸納其電磁特性設(shè)計(jì)要求；其次，回顧國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三類(lèi)LOM的研究成果和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并歸納總結(jié)出普遍存在的技術(shù)難題；最后，對(duì)LOM未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，并討論了下一步亟待解決的若干關(guān)鍵問(wèn)題。

1 工作原理與理想特性

1.1 工作原理

直線振蕩電機(jī)之所以不依賴(lài)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，主要是利用了受迫簡(jiǎn)諧振動(dòng)的原理：動(dòng)子與彈簧構(gòu)成諧振系統(tǒng)，定子通過(guò)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換向動(dòng)子施加周期性往復(fù)電磁驅(qū)動(dòng)力F()，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子按相同頻率振動(dòng)并以一定振幅()對(duì)外輸出軸功率，如圖1所示。

該系統(tǒng)的機(jī)電耦合關(guān)系表述為

圖1 LOM等效的受迫諧振系統(tǒng)

式中，為動(dòng)子質(zhì)量；e為永磁LOM自身定位力等效的磁性彈簧剛度；0為機(jī)械彈簧剛度；0為系統(tǒng)阻尼系數(shù)；pm為永磁磁鏈；為定子電感；em為電磁力。通常情況下，永磁LOM的電磁力由三大分量構(gòu)成，第一部分為永磁推力，第二部分為磁阻推力，第三部分為定位力，表達(dá)式為

式中，pm為永磁體磁儲(chǔ)能。由式（2）可看出，只有永磁與磁阻推力與電流有關(guān)，兩者之和才是由外部輸入電能轉(zhuǎn)換而來(lái)的驅(qū)動(dòng)力F()，前者與電流成正比，后者與電流的二次方成正比。而定位力與電流無(wú)關(guān)，是永磁體與鐵心之間的固有吸引力。直線振蕩電機(jī)受迫諧振系統(tǒng)的響應(yīng)框圖如圖2所示。

圖2 直線振蕩電機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)框圖

理想的受迫簡(jiǎn)諧振動(dòng)激勵(lì)和響應(yīng)，通?？梢员硎鰹闀r(shí)間的弦函數(shù)。類(lèi)似地，對(duì)于直線振蕩電機(jī)而言，要想獲得類(lèi)似理想受迫簡(jiǎn)諧振動(dòng)的輸出特性，則直線振蕩電機(jī)的特性必須滿足一定的前提條件。從圖2中可以看出，即使在理想弦函數(shù)的外加電壓激勵(lì)下，要確保系統(tǒng)的電氣和機(jī)械響應(yīng)也為理想弦函數(shù)波形，那么系統(tǒng)中的永磁磁鏈、電感和定位力必須滿足必要條件：

式中，i、e均為常數(shù)；()和()均為時(shí)間的弦函數(shù)。由此可知，式（3）反過(guò)來(lái)對(duì)直線振蕩電機(jī)的電磁方案的設(shè)計(jì)過(guò)程提出了明確的要求，即在電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)過(guò)程中，其電磁特性應(yīng)盡可能地接近其理想情況，否則系統(tǒng)性能很難充分發(fā)揮。

1.2 理想電磁特性

由上述必要條件可知，在設(shè)計(jì)直線振蕩電機(jī)時(shí)，理想情況下，其靜態(tài)特性，即動(dòng)子處于行程范圍-m～+m內(nèi)任意位置時(shí)，應(yīng)當(dāng)滿足如下設(shè)計(jì)要求：

（1）繞組交鏈的永磁磁鏈關(guān)于位置呈線性變化。前述必要條件中，無(wú)論繞組位于定子或動(dòng)子上，其所交鏈的永磁磁鏈關(guān)于位置的偏導(dǎo)數(shù)應(yīng)為常數(shù)，即其波形為一條斜率為i的直線，如圖3a所示，這保證了永磁磁鏈與位置為簡(jiǎn)單線性關(guān)系；即使在動(dòng)態(tài)情況下，動(dòng)子位置為弦函數(shù)時(shí)，永磁磁鏈也同為弦函數(shù)，即永磁體在繞組中感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)也為弦函數(shù)。

圖3 繞組交鏈的永磁磁鏈理想特性曲線

（2）定位力關(guān)于位置呈負(fù)線性變化。定位力的本質(zhì)為保守力，因此其平均功率恒等于零，無(wú)法對(duì)外做功，但卻對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械響應(yīng)影響較為顯著。由前述必要條件可知，定位力最理想的情況應(yīng)當(dāng)滿足胡克定律，即與位置呈負(fù)線性相關(guān)，理想定位力曲線如圖4所示，相當(dāng)于在系統(tǒng)本身的機(jī)械彈簧的基礎(chǔ)上串聯(lián)了一個(gè)彈性系數(shù)為e的磁性彈簧。因此，為充分發(fā)揮系統(tǒng)性能，必須對(duì)定位力進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保斜率幅值e盡可能地大：既保證機(jī)械響應(yīng)為弦函數(shù)，又能增大諧振系統(tǒng)的剛度，提高諧振頻率或降低系統(tǒng)對(duì)機(jī)械彈簧的依賴(lài)程度。

圖4 理想定位力曲線

（3）定子電感不隨位置變化。前述驅(qū)動(dòng)力分別由永磁推力和磁阻推力構(gòu)成，但由于后者與電流的二次方成正比，因此磁阻力交變頻率為電流頻率的兩倍，少部分磁阻型直線振蕩電機(jī)可以利用磁阻力作為驅(qū)動(dòng)力，如圖5所示。

圖5 磁阻式直線振蕩電機(jī)

通常情況下，該類(lèi)電機(jī)繞組線圈必須采用電流非連續(xù)的供電方式，如圖6所示，電流非連續(xù)供電方式將導(dǎo)致繞組利用率和推力密度低等問(wèn)題。

圖6 電流非連續(xù)供電方式

在引入永磁體勵(lì)磁后，為充分利用永磁體和線圈繞組，大多數(shù)的直線振蕩電機(jī)都采用電流連續(xù)的供電方式。在電流為連續(xù)弦函數(shù)的情況下，磁阻分量會(huì)在驅(qū)動(dòng)力中引入倍頻分量，如圖7所示。

從圖7a可知，磁阻推力會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力波形畸變，進(jìn)而影響機(jī)械輸出特性；從圖7b可知，磁阻推力與速度基波的乘積為奇函數(shù)，因其平均值恒為零而無(wú)法對(duì)外做功。因此，對(duì)于電流連續(xù)供電的直線振蕩電機(jī)，其最理想的電磁設(shè)計(jì)方法為：應(yīng)盡可能降低電感對(duì)位置的敏感性，其理想的特性曲線如圖8所示。

圖8 定子電感理想特性曲線

此時(shí)，驅(qū)動(dòng)力F()僅由永磁推力構(gòu)成，與電流之間僅存在i倍的比例關(guān)系，當(dāng)電流為弦函數(shù)()=msin(+)時(shí)，直線振蕩電機(jī)的位移響應(yīng)為

式中，為功率因數(shù)角；0為機(jī)械固有頻率，由e、0和共同決定，滿足關(guān)系式

2 直線振蕩電機(jī)分類(lèi)及發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 按繞組相數(shù)分類(lèi)

按照定子繞組相數(shù)分類(lèi)，LOM可分為單相和三相兩大類(lèi)，其中前者適用于中小功率、短行程、需要高頻往復(fù)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，而后者更適用于大功率、長(zhǎng)行程、往復(fù)頻率低的應(yīng)用，相關(guān)特點(diǎn)是由兩者的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理決定的。三相LOM與普通直線電機(jī)一樣，依賴(lài)定子行波磁場(chǎng)與動(dòng)子磁極的相互作用產(chǎn)生電磁推力，其行波磁場(chǎng)的大小、與動(dòng)子磁極間夾角及運(yùn)行方向，決定了推力的大小和方向[3-4]。因此，當(dāng)三相LOM需要輸出往復(fù)驅(qū)動(dòng)力時(shí)，既要控制行波磁場(chǎng)的大小、相位，又要控制其方向。一旦行程縮短、頻率增高時(shí)，LOM的動(dòng)子在行程范圍內(nèi)幾乎不存在勻速區(qū)域，其運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程將變得極為復(fù)雜。三相LOM不同動(dòng)子速度下的反電動(dòng)勢(shì)波形如圖9所示。

圖9 三相LOM不同動(dòng)子速度下反電動(dòng)勢(shì)波形

圖9a為勻速運(yùn)行，反電動(dòng)勢(shì)為正弦波形，幅值恒定；圖9b為正弦規(guī)律變化的速度運(yùn)行，其各相反電動(dòng)勢(shì)幅值不再對(duì)稱(chēng)，其運(yùn)動(dòng)控制十分復(fù)雜。為此，在短行程高頻往復(fù)應(yīng)用中，三相LOM通常被用作發(fā)電機(jī)而非電動(dòng)機(jī)[5]。

而單相LOM則相反，其電樞磁場(chǎng)為單相脈振磁場(chǎng)而非行波磁場(chǎng)，雖然無(wú)法像行波磁場(chǎng)一樣實(shí)現(xiàn)跨極距的推力輸出，但可直接產(chǎn)生同頻率往復(fù)驅(qū)動(dòng)力，只需要控制力的幅值而不需要控制其方向。由于受相數(shù)的限制，其單機(jī)功率則低于三相LOM，更適合功率要求不高、高頻、短行程的應(yīng)用場(chǎng)合[6]。

2.2 按動(dòng)子結(jié)構(gòu)分類(lèi)

除了上述按電樞繞組相數(shù)來(lái)分類(lèi)外，LOM更為常見(jiàn)的是按動(dòng)子組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)，如圖10所示，可分為動(dòng)圈、動(dòng)磁（鐵）和動(dòng)鐵心式三大類(lèi)[7]。顧名思義，動(dòng)圈式LOM的動(dòng)子上運(yùn)動(dòng)受力部件為通電線圈；動(dòng)磁（鐵）式LOM的動(dòng)子上運(yùn)動(dòng)受力部件為永磁體（其中，永磁體既可單獨(dú)用非導(dǎo)磁材料支撐，也可表貼或內(nèi)嵌于動(dòng)子鐵心上）；而動(dòng)鐵心式LOM的運(yùn)動(dòng)受力部件則僅為疊壓鐵心。以下將對(duì)三類(lèi)電機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并歸納總結(jié)出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.2.1 動(dòng)圈式

動(dòng)圈式LOM的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的安培力，因此，只要?jiǎng)幼泳€圈處于恒定磁場(chǎng)中并被通入交變電流，即可獲得隨電流同頻率交變的驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該類(lèi)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)由定子磁極、動(dòng)子線圈與動(dòng)子支架三大部分組成，由于結(jié)構(gòu)和原理與揚(yáng)聲器中的發(fā)音線圈類(lèi)似，因此也常被稱(chēng)為音圈電機(jī)[8]。根據(jù)動(dòng)子線圈與定子磁極的軸向長(zhǎng)度關(guān)系分類(lèi)，可將動(dòng)圈式LOM分為長(zhǎng)線圈與短線圈兩種類(lèi)型，如圖11所示：其中長(zhǎng)線圈型LOM只有一部分線圈位于定子磁極的包覆下；而短線圈型LOM的全部線圈均位于定子磁極包覆下。整體而言，兩類(lèi)動(dòng)圈式LOM的優(yōu)缺點(diǎn)可簡(jiǎn)述如下[9]。

圖11 動(dòng)圈式LOM分類(lèi)

長(zhǎng)線圈型：①優(yōu)點(diǎn)在于定子磁極包覆的導(dǎo)體數(shù)多，相同載流能力下線圈產(chǎn)生的安培力大，推力高；②缺點(diǎn)則是動(dòng)子端部未進(jìn)入定子磁極包覆下的導(dǎo)體也會(huì)產(chǎn)生損耗，損失一部分效率，且動(dòng)子質(zhì)量和線圈電感也相對(duì)較大，響應(yīng)速度慢。

短線圈型：①優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)子質(zhì)量輕、電感小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，且所有導(dǎo)體均可產(chǎn)生安培力，線圈利用率高；②缺點(diǎn)是磁極包覆導(dǎo)體少、推力低。需要特別指出的是，系統(tǒng)機(jī)械響應(yīng)速度與線圈長(zhǎng)短、質(zhì)量和推力大小等因素密切相關(guān)，因此在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮磁極大小、線圈長(zhǎng)度、動(dòng)子質(zhì)量等因素，確保能獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。

動(dòng)圈式LOM由于要給線圈留出運(yùn)動(dòng)空間，因此定子磁極的工作氣隙大，鐵心材料一般都工作在線性區(qū)域，推力與電流呈線性關(guān)系，其控制過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，并且動(dòng)子線圈上不存在側(cè)向力，也不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此動(dòng)子的裝配較為方便，對(duì)支撐強(qiáng)度的要求也不高。然而，該類(lèi)電機(jī)的缺陷也是顯而易見(jiàn)的，主要包括：①線圈位于動(dòng)子上，所產(chǎn)生的熱量較難向外傳導(dǎo)，容易導(dǎo)致線圈溫升過(guò)高，無(wú)法承受長(zhǎng)時(shí)間的大電流輸入，進(jìn)一步限制了推力密度的提升；②運(yùn)動(dòng)線圈的端子必須引出，因此存在顯著的飛線問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可靠性低，壽命有限。因此，動(dòng)圈式LOM不適用于大功率、長(zhǎng)行程、高耐久度、高可靠性的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。

由于原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)易加工，動(dòng)圈式LOM的研究早在20世紀(jì)初就引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注。學(xué)者L. Potois獲得了一種動(dòng)圈式LOM的發(fā)明專(zhuān)利，并設(shè)想其應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)泵類(lèi)負(fù)載。由于當(dāng)時(shí)永磁材料性能不佳，因此該電機(jī)的定子磁極采用電勵(lì)磁方式，導(dǎo)致設(shè)備體積較大，效率不高。隨著汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展，動(dòng)圈式LOM在20世紀(jì)30～50年代獲得了一定的發(fā)展，J. B. Parson、J. Dikey、G. Nahaman等相繼提出了一系列用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵的動(dòng)圈式LOM[10-12]，并對(duì)其在汽車(chē)工業(yè)中的初步應(yīng)用進(jìn)行了探索研究。1954年，Dolz將動(dòng)圈式LOM應(yīng)用于制冷工業(yè)中，提出了Dolz線性制冷壓縮機(jī)，其LOM結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)線圈型，如圖12所示。由圖12得知，該結(jié)構(gòu)以采用永磁磁極替代電磁極勵(lì)磁，從而明顯縮減了電機(jī)的體積，并提高了系統(tǒng)效率[13]。

圖12 Dolz線性壓縮機(jī)

因結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、諧振頻率高等特性，動(dòng)圈式LOM非常符合微型低溫制冷器的應(yīng)用需求，自問(wèn)世以來(lái)就在小功率深低溫制冷領(lǐng)域引起了科研人員及研究機(jī)構(gòu)的高度重視[14]。1976年，飛利浦公司成功研制出第一臺(tái)采用動(dòng)圈式LOM直驅(qū)的單缸斯特林制冷機(jī)[15]，即當(dāng)線圈中通入交流電時(shí)，活塞就被直接驅(qū)動(dòng)，從而壓縮工質(zhì)輸出壓力波，達(dá)到很好的制冷效果，其結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 飛利浦公司動(dòng)圈式斯特林制冷機(jī)

緊隨其后，牛津大學(xué)的G.Davy博士采用類(lèi)似的動(dòng)圈式LOM直驅(qū)方式，成功研制出了長(zhǎng)壽命斯特林制冷機(jī)，在80K環(huán)境溫度下具有0.8W的制冷量，并成功應(yīng)用于空間衛(wèi)星上，其電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖14所示[16]。該結(jié)構(gòu)首次采用柔性板彈簧同時(shí)提供支撐力和回復(fù)力，有效地降低了摩擦力，極大地延長(zhǎng)了使用壽命，節(jié)省了空間并提高了效率。20世紀(jì)80年代末至90年代初，為進(jìn)一步降低機(jī)體振動(dòng)，研究人員又將目光轉(zhuǎn)移至雙活塞對(duì)置式斯特林制冷機(jī)上來(lái)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用雙線圈對(duì)置式LOM，如美國(guó)Sunpower公司研制的產(chǎn)品，它可通過(guò)活塞的相向運(yùn)動(dòng)，顯著降低機(jī)體振動(dòng)及噪聲[17]。

圖14 動(dòng)圈式LOM直驅(qū)式牛津型斯特林制冷機(jī)

在此之后，經(jīng)過(guò)20多年的努力，動(dòng)圈式LOM應(yīng)用于星載斯特林制冷機(jī)的技術(shù)日趨成熟，并走向產(chǎn)業(yè)化，其中較為知名的企業(yè)和機(jī)構(gòu)主要集中于歐美以及東亞的日韓等國(guó)。1996年，美國(guó)學(xué)者B. Lequesne給出了動(dòng)圈式LOM運(yùn)動(dòng)周期、行程和散熱極限之間的閉環(huán)公式，并基于所建立的關(guān)系式對(duì)永磁磁極進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)電機(jī)性能做了對(duì)比分析[18]。韓國(guó)學(xué)者Deuk等于2002年跟進(jìn)上述研究，研發(fā)了行程為7mm的動(dòng)圈式斯特林制冷機(jī)，達(dá)到負(fù)載最低溫度47K，且72K下制冷量達(dá)0.5W[19]。兩年后，同為韓國(guó)學(xué)者的D. H. King等通過(guò)采用分布式永磁體的排列方式，克服了正負(fù)行程推力幅值不等的問(wèn)題[20]，降低了驅(qū)動(dòng)器的電壓需求。2009年，以色列學(xué)者A. Veprik為進(jìn)一步解決動(dòng)圈式單活塞斯特制冷機(jī)的機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)串聯(lián)動(dòng)態(tài)反平衡器[21]，幾乎完美地吸收了諧振點(diǎn)的機(jī)械振動(dòng)。2010年， Xu Zhaoping等提出了用于自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的動(dòng)圈式LOM，并利用Quasi-Halbach永磁體陣列提高了氣隙磁通密度并降低了推力波動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖15所示，獲得了更高的運(yùn)行頻率和更快的機(jī)械響應(yīng)，也進(jìn)一步拓展了LOM在混合動(dòng)力汽車(chē)中的應(yīng)用前景[22]。

圖15 動(dòng)圈式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)

2016年，T. Teo等利用動(dòng)圈式LOM作為“直線-旋轉(zhuǎn)”電機(jī)中的直線驅(qū)動(dòng)模塊，證明其快響應(yīng)特性非常適合用做直線往復(fù)螺旋作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了20μs的響應(yīng)跟蹤速度[23]。2018年，P. Eckert等則瞄準(zhǔn)汽車(chē)半主動(dòng)懸架系統(tǒng)，提出了利用Quasi-Halbach無(wú)鐵心動(dòng)圈式LOM代替機(jī)械式“彈簧-避震器”的半主動(dòng)懸掛，如圖16所示。由于取消了鐵心，該電機(jī)鐵心損耗低且推力波動(dòng)小，并具有較高的推力密度[24]。

圖16 半主動(dòng)懸架用無(wú)鐵心動(dòng)圈式LOM

同年，新加坡制造技術(shù)研究院的Zhu Haiyue等設(shè)計(jì)了一臺(tái)圓筒型內(nèi)外雙層永磁結(jié)構(gòu)的動(dòng)圈式LOM，用于納米級(jí)電磁定位器的驅(qū)動(dòng)，如圖17所示。通過(guò)多物理場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)及方案可使推力-電流靈敏度提高56.2 %，并有效降低了約43%的繞組銅損耗[25]。

圖17 圓筒型內(nèi)外雙層永磁動(dòng)圈式LOM

相對(duì)國(guó)外相關(guān)工作，國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)圈式LOM的研究則起步較晚，多集中于科研機(jī)構(gòu)和高校內(nèi)部，鮮有來(lái)自企業(yè)界的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，且初期的主要應(yīng)用領(lǐng)域多集中在制冷壓縮機(jī)方面。1991～1995年，西安交通大學(xué)顧兆林等成功研制了如圖18所示的動(dòng)圈式LOM直驅(qū)的多級(jí)高壓壓縮機(jī)[26-27]。

圖18 顧兆林等研制的動(dòng)圈式多級(jí)高壓直線壓縮機(jī)

1—Ⅳ級(jí)氣缸 2—Ⅰ級(jí)氣缸 3—磁軛 4—永磁體 5—線圈 6—板彈簧 7—軸 8—Ⅱ級(jí)氣缸 9—Ⅲ級(jí)氣缸

Fig.18 Multi-level high-pressure moving-coil linear compressor developed by Zhaolin Gu

1999年，合肥電子工業(yè)十六研究所的張永清等設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)1.75W/80K的雙動(dòng)圈LOM驅(qū)動(dòng)的對(duì)置式斯特林制冷機(jī)[28]，并給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并于2003年進(jìn)一步研制了一臺(tái)1W/80K的分置式斯特林制冷機(jī)[29]。2003年，浙江大學(xué)葉利洪等設(shè)計(jì)了一臺(tái)動(dòng)圈式直線壓縮機(jī)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[30]。2005年，西安交通大學(xué)閻治安設(shè)計(jì)了一臺(tái)動(dòng)圈式直線壓縮機(jī)，電機(jī)效率達(dá)到了85.3%[31]，顯著高于傳統(tǒng)單相異步電機(jī)。同年，華中科技大學(xué)陳幼平等研制了一臺(tái)用于高頻伺服系統(tǒng)的動(dòng)圈式LOM，如圖19所示，并給出了該類(lèi)電機(jī)固有特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法[32]。

圖19 文獻(xiàn)[32]研制的動(dòng)圈式伺服LOM

與此同時(shí)，浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所馬振飛等也對(duì)冰箱直線壓縮機(jī)用動(dòng)圈式LOM進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一臺(tái)活塞直徑30mm，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量0.9 kg的樣機(jī)，并針對(duì)摩擦力、氣體力、電阻及等效電感、附加電容、靜態(tài)位置、共振彈簧剛度等因素對(duì)壓縮機(jī)性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析[33-34]。2007年，華中科技大學(xué)丁國(guó)忠等也開(kāi)發(fā)了雙動(dòng)圈式LOM驅(qū)動(dòng)的對(duì)置式斯特林制冷機(jī)，實(shí)現(xiàn)了80K下1W的制冷輸出[35]，同時(shí)也獲得了一定的減振降噪效果。2010年，浙江大學(xué)李志海提出用沿圓周排列的硅鋼片代替電工純鐵作為定子磁軛，以降低動(dòng)圈式LOM的渦流損耗，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一臺(tái)動(dòng)圈式直線壓縮機(jī)[36]。2011年，浙江大學(xué)制冷與低溫研究所的周文杰設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)直線臂板彈簧支撐的動(dòng)圈式斯特林脈管制冷機(jī)，如圖20所示：在7A電流驅(qū)動(dòng)下推力可達(dá)231.7N；在40Hz/540W的輸入功率下，系統(tǒng)可在80K的低溫下獲得4.5W的制冷量[37]。2012年，浙江大學(xué)趙鵬采用有限元方法對(duì)動(dòng)圈式直線壓縮機(jī)的磁路和機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，有效降低了機(jī)械阻尼，提高了系統(tǒng)效率[38]。

圖20 直線臂板彈簧動(dòng)圈式直線壓縮機(jī)

1—機(jī)殼 2—板彈簧 3—支架 4—內(nèi)磁軛 5—基體 6—?dú)飧?7—活賽 8—外磁軛 9—永磁鐵 10—線圈

Fig.20 Moving-coil linear compressor with triangle flexure bearings

其后，動(dòng)圈式LOM在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用范圍開(kāi)始由最初的制冷工業(yè)，不斷拓展到其他應(yīng)用。例如2012年，蘭州理工大學(xué)楊逢瑜等設(shè)計(jì)了一臺(tái)應(yīng)用于直線馬達(dá)的動(dòng)圈式LOM，它由3組線圈5塊環(huán)形Halbach永磁體構(gòu)成，能將推力提高2.5倍，且動(dòng)態(tài)頻寬達(dá)277Hz[39]。2017年，南京理工大學(xué)劉念鵬等設(shè)計(jì)了一臺(tái)用于單活塞四沖程自由活塞發(fā)電系統(tǒng)的圓筒型直線動(dòng)圈式LOM，實(shí)現(xiàn)了0.6ms的快速響應(yīng)，獲得了95.2%的發(fā)電效率[40]。2020年，山東理工大學(xué)的王俊源等對(duì)一種用于約束活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的動(dòng)圈式LOM進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用Halbach永磁體陣列有效降低了磁軛飽和度，并提高氣隙磁通密度，使得相同負(fù)載電阻下輸出電流提高了18.6%。同年，太原理工大學(xué)許小慶等將動(dòng)圈式LOM用作電液比例閥驅(qū)動(dòng)器，獲得了開(kāi)環(huán)階躍輸入下15ms的響應(yīng)速度[41]。此外，在尖端智能手機(jī)領(lǐng)域，動(dòng)圈式LOM也有不俗表現(xiàn)：如2020年，臺(tái)灣國(guó)立中正大學(xué)的C. L. Hsieh等研發(fā)了一款5自由度動(dòng)圈式LOM[42]，用于驅(qū)動(dòng)手機(jī)攝像頭模組，具有高效、高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)；在0°和90°傾角下，自動(dòng)對(duì)焦和光學(xué)防抖模式的最快位移跟蹤響應(yīng)速度可達(dá)到2.8ms和6.6ms。

2.2.2 動(dòng)磁（鐵）式

隨著高性能永磁體的發(fā)展，尤其是高磁能積的釹鐵硼永磁體的成功研制，使得動(dòng)磁（鐵）式LOM成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[43]。該結(jié)構(gòu)的動(dòng)子所受驅(qū)動(dòng)力的來(lái)源，可簡(jiǎn)單歸納為定子電磁極與動(dòng)子永磁極間的相互作用力：當(dāng)定子電樞通入交變電流時(shí)，定子上產(chǎn)生極性周期性交變的磁場(chǎng)，此時(shí)動(dòng)子永磁磁場(chǎng)極性恒定，因此極性交變的定子磁場(chǎng)會(huì)周期性的吸引或排斥永磁體，進(jìn)而產(chǎn)生往復(fù)驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該類(lèi)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)由定子磁極、動(dòng)子永磁體和動(dòng)子支架構(gòu)成，其中永磁體可以嵌于高強(qiáng)度的非導(dǎo)磁材料制成的動(dòng)子支架上，也可以表貼或內(nèi)嵌于鐵磁材料上：前者稱(chēng)為動(dòng)磁式LOM，后者稱(chēng)為動(dòng)磁鐵式LOM，其結(jié)構(gòu)如圖21所示。

圖21 動(dòng)磁式與動(dòng)磁鐵式LOM結(jié)構(gòu)差異

由于兩類(lèi)電機(jī)在工作原理上并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，因此本文將兩者統(tǒng)一歸為一類(lèi)，即動(dòng)磁（鐵）式LOM。其中動(dòng)子結(jié)構(gòu)的些許差異給兩者帶來(lái)的優(yōu)缺點(diǎn)，可以歸納如下：

1）動(dòng)磁式LOM的優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)子質(zhì)量較輕，因?yàn)樵谙嗤来朋w使用量的情況下，高強(qiáng)度非導(dǎo)磁材料的質(zhì)量輕于導(dǎo)磁背鐵；相比于動(dòng)磁鐵式LOM，其缺陷則在于包含了內(nèi)外雙氣隙，裝配難度高，并且對(duì)動(dòng)子支架強(qiáng)度要求高。

2）動(dòng)磁鐵式LOM的優(yōu)勢(shì)在于電機(jī)為單氣隙，裝配簡(jiǎn)便；缺陷則在于動(dòng)子背鐵除了用于固定永磁體外，還需為其磁通提供閉合回路，因此厚度增加，動(dòng)子質(zhì)量顯著增大，對(duì)彈簧剛度要求高，且響應(yīng)速度慢。

動(dòng)磁（鐵）式LOM由于采用了高性能永磁體，僅利用少量的永磁體就能提供大量的磁通，可使得電機(jī)的體積顯著縮小，結(jié)構(gòu)更緊湊，推力和推力密度也更高，并且線圈位于定子上，動(dòng)子上無(wú)電端口，方便線圈散熱的同時(shí)，又有效地避免了飛線問(wèn)題。但也正是因?yàn)閯?dòng)子結(jié)構(gòu)的改變，給電機(jī)帶來(lái)了一些固有缺陷，主要包括：①由于永磁體位于動(dòng)子上，相比于動(dòng)圈式直線振蕩電機(jī)，在氣隙不均勻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生側(cè)向力，從而對(duì)加工精度和動(dòng)子支撐強(qiáng)度提出了更高的要求；②永磁體作為受力運(yùn)動(dòng)的部件，需要獲得較好的防護(hù)，因此對(duì)動(dòng)子支架的設(shè)計(jì)要求較高[44]。

動(dòng)磁（鐵）式直線振蕩電機(jī)雖然存在上述固有缺陷，但總體而言，高性能永磁體給該類(lèi)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)能力帶來(lái)了很大的提升。為此，該結(jié)構(gòu)近年來(lái)備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，尤其在冰箱、斯特林制冷機(jī)等領(lǐng)域潛力巨大，相關(guān)研究工作層出不窮，在理論和技術(shù)方面進(jìn)步顯著。早在20世紀(jì)80年代，美國(guó)Sunpower公司就著手開(kāi)發(fā)動(dòng)磁式LOM[45]，并得到了美國(guó)環(huán)保署的大力支持，于1994年推出了第一臺(tái)直線壓縮機(jī)樣機(jī)，并將其成功應(yīng)用于無(wú)氟冰箱上[46]。該壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖22所示，其電機(jī)為圓筒型結(jié)構(gòu)，永磁體由動(dòng)子支架保護(hù)，同時(shí)活塞與氣缸構(gòu)成間隙密封。

圖22 Redlich型直線壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)

圓筒結(jié)構(gòu)雖然增大了加工裝配難度，但卻極大地降低了體積。該公司1999年于歐洲推出的一款冰箱壓縮機(jī)，其直徑不到100mm，輸出最大140W的制冷量，最高性能系統(tǒng)（Coefficient of Performance, COP）達(dá)2.5[47-48]。由于該直線壓縮機(jī)是其公司的R. Redlich博士及其研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的，通常將結(jié)構(gòu)類(lèi)似的直線壓縮機(jī)統(tǒng)稱(chēng)為Redlich型直線壓縮機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)也稱(chēng)為Redlich型LOM。因?yàn)樵擃?lèi)動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)開(kāi)創(chuàng)了非常成功的商業(yè)化應(yīng)用模式，Redlich型LOM成為了該領(lǐng)域的重要參考模型，極大地推動(dòng)了直線壓縮機(jī)的發(fā)展。LG電子公司瞄準(zhǔn)了動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)的巨大應(yīng)用前景，與Sunpower公司展開(kāi)了長(zhǎng)期的密切合作，投入巨資對(duì)Redlich型直線壓縮機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括電機(jī)、活塞、氣缸及氣閥等關(guān)鍵組件[49-51]，至今獲得了超過(guò)700項(xiàng)國(guó)際專(zhuān)利，并于2004年成功研制了DIOS品牌雙開(kāi)門(mén)冰箱的Redlich型直線壓縮機(jī)[52]，LG直線壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖23所示：和傳統(tǒng)“單相異步電機(jī)+曲軸連桿”的活塞壓縮機(jī)相比，該系統(tǒng)效率提高了20%～30%，COP達(dá)1.8。其后，LG公司的研究人員還對(duì)動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)進(jìn)行了多方面的研究，進(jìn)一步提出了眾多Redlich型LOM改進(jìn)拓?fù)?、進(jìn)排氣閥結(jié)構(gòu)以及彈簧組件等[53-56]。

圖23 LG直線壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)

Sunpower和LG兩公司在動(dòng)磁式LOM上的成功合作及商業(yè)化應(yīng)用，掀起了學(xué)術(shù)界的研究熱潮，并進(jìn)一步推動(dòng)了動(dòng)磁式LOM的長(zhǎng)足發(fā)展。1988年，針對(duì)電磁閥應(yīng)用場(chǎng)合，通用電機(jī)實(shí)驗(yàn)室的B. Lequesne等設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的的動(dòng)磁鐵式LOM，如圖24所示：動(dòng)子在長(zhǎng)氣隙中上下運(yùn)動(dòng)，其原理類(lèi)似于繼電器[57]。

1989年，美國(guó)C. H. Yang和S. A. Nasar研究了一種定子扁平U型的大行程動(dòng)磁式LOM[58]，推力密度高達(dá)400 kN/m2。1992年，武藏工業(yè)大學(xué)的D. Ebihara設(shè)計(jì)了一種用于人工心臟的單線圈圓筒型動(dòng)磁鐵式LOM，總行程為14mm，動(dòng)子結(jié)構(gòu)得到了一定程度簡(jiǎn)化[59]。1995年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的R. Clark等設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一臺(tái)雙線圈動(dòng)磁式LOM，并分析了由于系統(tǒng)非線性導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)特性的變化[60]。2003年，該研究團(tuán)隊(duì)在之前的工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了渦流效應(yīng)對(duì)該電機(jī)的影響，結(jié)果表明渦流使電機(jī)效率下降了5%[61]。2004年，韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué) T. H. Kim等對(duì)比了表貼和內(nèi)置式兩種動(dòng)磁鐵式LOM的電磁特性，實(shí)驗(yàn)表明永磁體采用內(nèi)置排布可降低動(dòng)子加工難度，同時(shí)提高推力密度[62]。2008年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的J. Wang等設(shè)計(jì)了一臺(tái)直線壓縮機(jī)用Redlich型LOM[63]，如圖25所示，電機(jī)功率87W，總行程21mm，因動(dòng)子永磁體采用了Quasi-Halbach陣列而移除了導(dǎo)磁背鐵，從而降低了動(dòng)子質(zhì)量；同時(shí)，定子則改變了傳統(tǒng)Redlich型外鐵心圓周疊壓的方式，采用了新型的軟磁復(fù)合（Soft Magnetic Composite, SMC）材料，成功解決了以往Redlich型LOM定子分段疊壓中所面臨的工藝復(fù)雜等問(wèn)題。

圖24 B. Lequesne設(shè)計(jì)的電磁閥用動(dòng)磁鐵式LOM

圖25 J. Wang等設(shè)計(jì)的動(dòng)磁式LOM

SMC材料技術(shù)的日趨成熟，也為動(dòng)磁式LOM的定子加工制造提供了新的解決方案，近年來(lái)不少研究中均采用了SMC材料作為L(zhǎng)OM的定子鐵心材料，有效拓展了定子結(jié)構(gòu)。相對(duì)硅鋼片定子鐵心，SMC定子鐵心不再存在分段間隙，對(duì)餅型繞組的包覆率可達(dá)100%，可極大地提高繞組利用率[64-66]。2008～2011年，謝菲爾德大學(xué)的X. Chen等提出了一系列的定子E型鐵心（E-Core）SMC動(dòng)磁鐵式LOM[67-69]，對(duì)比研究了表貼和內(nèi)置式動(dòng)子結(jié)構(gòu)對(duì)該類(lèi)電機(jī)的影響，采用解析法明確了最優(yōu)裂比的選取原則，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2014年，巴西Embraco公司推出了一款無(wú)油潤(rùn)滑的直線壓縮機(jī)，如圖26所示：動(dòng)磁式LOM的外定子采用雙邊 E-Core構(gòu)成，動(dòng)子則由兩塊矩形磁鋼和鑄鋁支架組成，制冷量在40～245W范圍內(nèi)可調(diào)，最大COP可達(dá)2.34，成為繼LG之后又一成功實(shí)現(xiàn)直線壓縮機(jī)商業(yè)應(yīng)用的范例[70]。

圖26 Embraco公司動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)

2017年，土耳其Koc大學(xué)的A. Hussan等設(shè)計(jì)了一臺(tái)外定子為E-Core的疊片型動(dòng)磁式LOM，內(nèi)外定子均為圓周分段疊壓方式裝配，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的動(dòng)態(tài)特性分析[71]。2018年，芬蘭拉彭蘭塔工業(yè)大學(xué)的P. Immonen等提出了一種用于車(chē)輛檔位器的具有自保持功能的動(dòng)磁鐵式LOM，既可在通電情況下利用電磁力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掛檔，也能在無(wú)電流情況下利用定、動(dòng)子之間的磁阻力使檔位器保持吸合，確保不掉檔[72]。同年，奧地利林芝大學(xué)的F. Poltschak等設(shè)計(jì)了一臺(tái)無(wú)機(jī)械彈簧的動(dòng)磁式LOM，借鑒了軸向被動(dòng)磁軸承的原理為電機(jī)設(shè)計(jì)了一組對(duì)稱(chēng)的磁性彈簧，以克服機(jī)械彈簧接觸點(diǎn)摩擦、疲勞壽命以及容易失效等問(wèn)題[73]。2019年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工S. Miric等設(shè)計(jì)了一臺(tái)圓筒型磁懸浮動(dòng)磁式LOM，利用徑向主動(dòng)磁浮軸承消除了動(dòng)子的機(jī)械摩擦，獲得了最大44N的連續(xù)驅(qū)動(dòng)力和最高12.5g的軸向加速度[74]。2020年，日本大阪大學(xué)的A. Heya等設(shè)計(jì)分析了一臺(tái)三自由度的動(dòng)磁式LOM，通過(guò)三維磁路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)子在空間的三維振動(dòng)，各軸總行程均為1mm[75]。

國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)磁式LOM的研究起步也晚于國(guó)外。2005年浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所的謝潔飛等研制出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)冰箱用動(dòng)磁式LOM，如圖27所示：采用了平面E-Core結(jié)構(gòu)，但在樣機(jī)制造過(guò)程中存在中心軸難對(duì)準(zhǔn)，摩擦損耗大等問(wèn)題[76]。

圖27 謝潔飛設(shè)計(jì)的動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)

2007年，浙江大學(xué)夏永明等為解決Redlich型LOM定子疊壓工藝復(fù)雜等問(wèn)題，創(chuàng)造性地提出了一種雙定子橫向磁通動(dòng)磁鐵式LOM[77-78]，如圖28所示：其疊片工藝與旋轉(zhuǎn)電機(jī)無(wú)異，極大地降低了加工制造難度。同年，上海交通大學(xué)陳楠等則以Redlich型LOM替換傳統(tǒng)的動(dòng)圈式LOM，成功研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)大冷量動(dòng)磁式LOM驅(qū)動(dòng)的牛津型斯特林制冷機(jī)[79]，總行程達(dá)到10mm，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為0.62kg。

圖28 夏永明設(shè)計(jì)的雙定子橫向磁通動(dòng)磁式LOM[77-78]

2008年，浙江大學(xué)劉曉輝設(shè)計(jì)了一臺(tái)Redlich型LOM直驅(qū)的空氣壓縮機(jī)，系該類(lèi)LOM在大功率應(yīng)用場(chǎng)合的首次嘗試，其電機(jī)總功率達(dá)500W[80]。2009年，基于橫向磁路設(shè)計(jì)，謝潔飛等提出單定子橫向磁通動(dòng)磁鐵式LOM[81]，如圖29所示：相當(dāng)于將文獻(xiàn)[77]的電磁極和永磁磁極個(gè)數(shù)交換，變成了長(zhǎng)動(dòng)子短定子的結(jié)構(gòu)；若考慮線圈端部長(zhǎng)度，其空間利用率相對(duì)前者更高一些，但動(dòng)子質(zhì)量更重。

同年，中科院理化技術(shù)研究所的鄒明慧等深入研究了直線壓縮機(jī)用Redlich型LOM，對(duì)比分析了不同線圈、活塞、彈簧等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)方案[82]。2011年，浙江大學(xué)于明湖等在文獻(xiàn)[77]的基礎(chǔ)上，將永磁體與動(dòng)子鐵心分離，設(shè)計(jì)了一臺(tái)雙定子橫向磁通動(dòng)磁式LOM[83-86]，具有動(dòng)子質(zhì)量輕、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但動(dòng)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、加工和裝配難度很大。2012年，國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)N. Tsai等利用磁浮軸承替代傳統(tǒng)機(jī)械軸承，其結(jié)構(gòu)如圖30所示：降低了動(dòng)磁式LOM機(jī)械損耗和噪聲，但增加了系統(tǒng)的體積和控制復(fù)雜度等[87]。

圖30 N. Tsai等設(shè)計(jì)的磁懸浮動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)

2014年，浙江大學(xué)趙科對(duì)Redlich型LOM進(jìn)行了改進(jìn)，探索了其在直線壓縮機(jī)應(yīng)用環(huán)境下的全局動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[88]。同年，北京航空航天大學(xué)的梁惠升等設(shè)計(jì)了一臺(tái)Quasi-Halbach動(dòng)磁式LOM，用于驅(qū)動(dòng)液壓伺服泵[89-90]，結(jié)構(gòu)如圖31a所示。2017年，其團(tuán)隊(duì)對(duì)動(dòng)子結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步改進(jìn)，采用多層復(fù)合Halbach結(jié)構(gòu)徹底去除了動(dòng)子背鐵，如圖31b所示，進(jìn)一步提高了電機(jī)的推力密度[91]。2015～2017年，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)李文瑞在文獻(xiàn)[81]的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)單定子橫向磁通動(dòng)磁式LOM的電磁場(chǎng)進(jìn)行了更為深入的解析分析[92-95]，給出了其等效磁性彈簧剛度和穿片磁通的計(jì)算方法，并研究了其應(yīng)用于熱聲功率發(fā)電系統(tǒng)中時(shí)存在的等效阻抗匹配等問(wèn)題。2018年，東南大學(xué)施振川設(shè)計(jì)了一臺(tái)圓筒型動(dòng)磁鐵式三相LOM，提出了新型的三層混合疊片方案，相對(duì)傳統(tǒng)圓周疊片方式，該結(jié)構(gòu)的鐵心對(duì)線圈包覆系數(shù)提高了65%，體積系數(shù)提高了35%[96]。

圖31 梁惠升等設(shè)計(jì)的Halbach型動(dòng)磁式LOM

2.2.3 動(dòng)鐵心式

不同于上述兩類(lèi)直線振蕩電機(jī)，動(dòng)鐵心式LOM的動(dòng)子受力運(yùn)動(dòng)部件上不存在電磁激勵(lì)，僅僅由疊壓的鐵心組成，因此，它的工作原理類(lèi)似于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)磁阻最小原理，可利用氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度差來(lái)完成動(dòng)子向高強(qiáng)度磁場(chǎng)一側(cè)的運(yùn)動(dòng)。相對(duì)動(dòng)圈式和動(dòng)磁（鐵）式結(jié)構(gòu)，該類(lèi)動(dòng)鐵心式拓?fù)湎鄬?duì)比較簡(jiǎn)單，如圖10c所示，可知其動(dòng)子結(jié)構(gòu)得到了極大的簡(jiǎn)化。得益于受力運(yùn)動(dòng)部件僅由鐵心構(gòu)成，動(dòng)鐵心式LOM的動(dòng)子加工裝配更方便，強(qiáng)度也更高，具有成本低、可靠性高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。然而，該類(lèi)電機(jī)也面臨一些缺陷：動(dòng)子質(zhì)量相對(duì)于前兩類(lèi)電機(jī)大，對(duì)彈簧的剛度要求較高，并在運(yùn)行過(guò)程中容易偏離氣隙中心線，從而導(dǎo)致較大的側(cè)向力和摩擦損耗。為克服相關(guān)問(wèn)題，必須在制造過(guò)程中對(duì)動(dòng)子加工和裝配精度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，盡量保證行程范圍內(nèi)氣隙的均勻性。

因高強(qiáng)度和高可靠性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，動(dòng)鐵心式LOM電機(jī)對(duì)高溫、大振幅、強(qiáng)振動(dòng)等惡劣工況的適應(yīng)能力較強(qiáng)[44]。和動(dòng)圈式LOM一樣，早期的動(dòng)鐵心式LOM的勵(lì)磁不依賴(lài)永磁體，勵(lì)磁完全由電磁極提供。早在20世紀(jì)20年代，H. Wallage和P. Tice就分別申請(qǐng)了動(dòng)鐵心式LOM的發(fā)明專(zhuān)利，其應(yīng)用場(chǎng)合均為內(nèi)燃機(jī)的電磁燃油泵[97-98]。1963年，W. Caldwell提出雙繞組的動(dòng)鐵心式LOM，利用不同位置繞組的分時(shí)供電來(lái)控制鐵心動(dòng)子的受力方向，實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)[99]。

1972年，P. Langdon等提出了一種氣隙磁密可調(diào)的雙線圈動(dòng)鐵心式LOM，如圖32所示。其中，一組線圈用于勵(lì)磁，另一組則用于調(diào)磁，可有效降低運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的側(cè)向力[100]。1975年，法國(guó)Barthalon公司公開(kāi)了一種空壓機(jī)用動(dòng)鐵心式LOM，如圖33a所示：其電磁力方向單一，電流只有半個(gè)周期能產(chǎn)生電磁力，繞組利用率低。隨后，該技術(shù)被日本NITTO公司進(jìn)一步完善，并被廣泛應(yīng)用到水泵、空氣壓縮機(jī)、真空泵等裝置中，其結(jié)構(gòu)如圖33b所示，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。

圖32 P. Langdon等提出的雙線圈動(dòng)鐵心式LOM

1992年，澳大利亞悉尼大學(xué)的E. A. Mendrela等設(shè)計(jì)了一臺(tái)螺線管型動(dòng)鐵心式LOM，原理類(lèi)似于開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)[101-102]。1996年，羅馬尼亞蒂米什瓦拉理工大學(xué)I. Boldea等設(shè)計(jì)了一臺(tái)125W的定子永磁型橫向磁通動(dòng)鐵心式LOM，通過(guò)橫向磁通的磁路設(shè)計(jì)和定子齒面表貼永磁體的安裝方式[103]，既能在動(dòng)鐵心式LOM中引入永磁體輔助勵(lì)磁提高推力密度，又能解決圓筒型LOM硅鋼片疊壓工藝復(fù)雜等問(wèn)題，并進(jìn)一步開(kāi)展了電機(jī)的2D等效模型研究[104]。2000年，NASA格倫研究中心的J. Schreiber將該電機(jī)拓展到空間衛(wèi)星用斯特林制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)中[105]，有效提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。2005年，美國(guó)Infinia公司在NASA的研究基礎(chǔ)上，并嘗試了多種減振的方案，開(kāi)啟了該電機(jī)應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的商業(yè)化進(jìn)程[106-108]，其結(jié)構(gòu)如圖34所示。

圖34 Infinia公司熱電聯(lián)產(chǎn)動(dòng)鐵心式斯特林發(fā)電機(jī)

2010年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的T. Ibrahim提出了如圖35所示的圓筒型動(dòng)鐵心式LOM，其鐵心材料均采用SMC材料，且永磁體采用了低成本的鐵氧體，功率達(dá)到88.5W，總行程21mm[109-110]。2018年，香港理工大學(xué)Xue Xiangdang等設(shè)計(jì)了一臺(tái)如圖36所示的圓筒型橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻型動(dòng)鐵心式LOM[111]，其定子也采用雙定子結(jié)構(gòu)，在一個(gè)工作周2期內(nèi)只有一個(gè)定子上的線圈通電，單向輸出推力，因此也面臨繞組利用率低等問(wèn)題。

圖35 T. Ibrahim提出的SMC動(dòng)鐵心式LOM

圖36 Xiangdang Xue等設(shè)計(jì)的橫向磁通磁阻型動(dòng)鐵心式LOM

國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)鐵心式LOM的研究可以追溯到20世紀(jì)80年代。1986年，汕頭液壓件廠引進(jìn)并消化吸收日本電磁空壓機(jī)相關(guān)技術(shù)，成功地試制了動(dòng)鐵心式LOM樣機(jī)，其結(jié)構(gòu)與原理類(lèi)似于Barthalon和NITTO公司的產(chǎn)品，功率達(dá)93W。1988年，該樣機(jī)通過(guò)相關(guān)部門(mén)的技術(shù)鑒定，被國(guó)家計(jì)委指定為替代進(jìn)口產(chǎn)品[112]。1995年，太原理工大學(xué)李嵐等對(duì)E-Core動(dòng)鐵心式LOM的控制方法進(jìn)行了研究，明確了該類(lèi)電機(jī)的頻率特性[113]。1996年，太原理工大學(xué)李肖偉等采用插值擬合的方法，對(duì)一臺(tái)20W的動(dòng)鐵心式LOM的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值求解，并得到了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[114]。2003年，西安交通大學(xué)何志龍等設(shè)計(jì)了一臺(tái)動(dòng)鐵心式直線壓縮機(jī)，對(duì)其工作過(guò)程和閥片動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析[115]。2004年，太原理工大學(xué)的楊凱提出了一種永磁體輔助勵(lì)磁的動(dòng)鐵心式LOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖37所示，并利用有限元和數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)其電磁特性和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了詳細(xì)分析[116]。

圖37 楊凱設(shè)計(jì)的定子永磁型動(dòng)鐵心式LOM

2005年，西南石油大學(xué)的任振興等對(duì)動(dòng)鐵心式LOM的動(dòng)子復(fù)位問(wèn)題進(jìn)行了研究，明確了誤差產(chǎn)生的原因并提出了相應(yīng)的解決措施[117]。2011年，浙江理工大學(xué)的王洋在I. Boldea的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了新型雙定子雙動(dòng)子的橫向磁通動(dòng)鐵心式LOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)其磁場(chǎng)分部、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性等進(jìn)行了深入的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[118]。2012年，西安交通大學(xué)陳梁遠(yuǎn)等設(shè)計(jì)了一臺(tái)C形定子鐵心的動(dòng)鐵心式LOM，原理類(lèi)似電磁繼電器，通電后定子對(duì)動(dòng)子產(chǎn)生單相吸合作用力，結(jié)構(gòu)如圖38所示[119]。

圖38 陳梁遠(yuǎn)設(shè)計(jì)的動(dòng)鐵心式LOM

2017～2020年，華中科技大學(xué)李想等在文獻(xiàn)[103]的研究基礎(chǔ)上，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新，提出了若干新型結(jié)構(gòu)的定子永磁型橫向磁通動(dòng)鐵心式直線振蕩電機(jī)，進(jìn)一步降低了加工裝配的難度[120-121]，如圖39所示。

圖39 李想等提出的定子永磁型橫向磁通動(dòng)鐵心式LOM

通過(guò)三維磁路建模分析，李想等對(duì)所提出的新結(jié)構(gòu)電磁特性進(jìn)行了深入研究[122-123]；同時(shí)引入自適應(yīng)全階觀測(cè)器，成功實(shí)現(xiàn)了該新型電機(jī)的諧振頻率跟蹤控制和無(wú)傳感器位移辨識(shí)[124-125]，為后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)奠定了較為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

綜上所述，對(duì)三類(lèi)電機(jī)的特點(diǎn)及適用范圍總結(jié)歸納見(jiàn)表1。從表1中可以看出，在定子勵(lì)磁方式上，動(dòng)圈式和動(dòng)鐵心式LOM比動(dòng)磁（鐵）式LOM更多樣，對(duì)應(yīng)的定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也更靈活。從氣隙和動(dòng)子結(jié)構(gòu)方面比較，動(dòng)圈式和動(dòng)磁式LOM均為雙氣隙，動(dòng)子結(jié)構(gòu)均較復(fù)雜，而動(dòng)鐵心式LOM則為單氣隙，動(dòng)子結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。因此，加工上動(dòng)磁式LOM對(duì)工藝的要求最高且運(yùn)行可靠性差，動(dòng)鐵心式則對(duì)工藝要求較低而運(yùn)行可靠性最高。從功率、效率等方面看，動(dòng)圈式LOM由于永磁體等效氣隙大，因此氣隙磁通密度難以提升，功率密度相對(duì)較低，而動(dòng)磁（鐵）式LOM盡管承受側(cè)向力導(dǎo)致的高摩擦損耗，但由于其功率密度較高，因此效率依然較高，動(dòng)鐵心式LOM雖然功率密度也稍低，但在定子上引入永磁體勵(lì)磁后，該類(lèi)電機(jī)在功率密度和效率方面均有望獲得進(jìn)一步提升。從行程和頻率上比較，動(dòng)圈式LOM動(dòng)子質(zhì)量較輕，因此響應(yīng)速度快且頻率較容易提高，但飛線問(wèn)題限制了其在工作行程，而動(dòng)鐵心式LOM由于動(dòng)子質(zhì)量較重，對(duì)彈簧剛度要求較高，動(dòng)磁（鐵）式LOM則介于兩者之間。根據(jù)三類(lèi)LOM各自的綜合特性可知，動(dòng)圈式LOM較適用于中小功率驅(qū)動(dòng)及伺服傳動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合，動(dòng)磁（鐵）式和動(dòng)鐵心式LOM則更適合于需要大功率驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。

表1 三類(lèi)電機(jī)綜合特性對(duì)比

Tab.1 Comprehensive characteristics comparison of three types of LOMs

3 亟待解決的問(wèn)題

結(jié)合前述LOM的理想特性以及大量的文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，迄今關(guān)于LOM研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，雖然在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電磁設(shè)計(jì)等方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是在定子鐵心、動(dòng)子結(jié)構(gòu)、定位力、電樞與永磁體磁路等方面仍然存在一些問(wèn)題，具體總結(jié)如下。

3.1 定子鐵心工藝

為節(jié)約空間，目前大部分LOM均采用圓筒型結(jié)構(gòu)，由此帶來(lái)了定子鐵心成型難度大等問(wèn)題[126]。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)LOM均采用平行磁通的磁路設(shè)計(jì)，使得圓筒型定子鐵心的材料及工藝選擇受到了極大的限制，主要包括如下四種情況。

（1）采用實(shí)心電工純鐵。這種定子鐵心通常應(yīng)用于動(dòng)圈式LOM中，比較容易加工成型，然而缺陷也很明顯，即鐵心內(nèi)渦流損耗高，不利于電機(jī)的散熱和效率提升。

（2）采用圓周疊壓硅鋼片。這種定子鐵心被廣泛應(yīng)用于Redlich型LOM中，并隨著該類(lèi)電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用而得到迅速推廣。然而，在平行磁通的磁路下，若要加工成圓筒型定子鐵心，則硅鋼片必須采用沿圓周方向疊壓，如圖40所示。相關(guān)研究表明，此種硅鋼片疊壓方式面臨工藝復(fù)雜、疊片系數(shù)較低（通常在0.6～0.8之間，遠(yuǎn)低于常規(guī)硅鋼片疊片系數(shù)0.95）等問(wèn)題[127]，嚴(yán)重降低了永磁材料利用率和電機(jī)推力密度[128]，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致推力下降20%。

（3）定子鐵心采用SMC材料熱壓成型。高性能SMC材料可以賦予LOM定子更大的設(shè)計(jì)自由度，具有加工成型方便、渦流損耗小等優(yōu)點(diǎn)[129]。然而，因SMC材料的磁學(xué)和力學(xué)性能遠(yuǎn)不及硅鋼片，其磁導(dǎo)率和飽和磁通密度相對(duì)較低，進(jìn)而明顯降低了LOM的推力密度；同時(shí)，SMC較寬的磁滯回線使得在LOM正常運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，其定子鐵心損耗高于硅鋼片。

（4）采用軸向疊壓硅鋼片。該種疊片方式與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)無(wú)異，是最成熟且簡(jiǎn)單的定子鐵心工藝。相對(duì)于Redlich型LOM而言，為了采用軸向疊壓技術(shù)，必須把LOM電機(jī)的磁路從平行磁通改為橫向磁通路徑：在此情況下，電機(jī)的定子線圈存在端部，面臨體積大、銅耗高、永磁體漏磁大等問(wèn)題，嚴(yán)重限制LOM的輸出能力。

3.2 動(dòng)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜

動(dòng)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題廣泛存在于動(dòng)磁式LOM中，這主要是由永磁體的力學(xué)特性差所導(dǎo)致的。由于要跟隨動(dòng)子一起高頻振動(dòng)，因此，永磁體必須輔以高強(qiáng)度的保持支架，一方面克服其與鐵心之間的吸引力，另一方面對(duì)永磁體進(jìn)行防護(hù)，其結(jié)構(gòu)如圖41所示。

圖41 動(dòng)磁式LOM動(dòng)子結(jié)構(gòu)

在實(shí)際運(yùn)行中，支架必須具備強(qiáng)度高、質(zhì)量小等特點(diǎn)，否則會(huì)增加系統(tǒng)對(duì)彈簧剛度的要求。同時(shí)，支架會(huì)增加LOM動(dòng)子的復(fù)雜度，尤其是外延至與彈簧連接處的區(qū)域，需要特殊的鈑金、焊接和鏤空工藝制造，同時(shí)必須通過(guò)安裝精度及疲勞壽命的嚴(yán)格要求。此外，因動(dòng)子始終處于高頻往復(fù)振動(dòng)狀態(tài)，永磁體的耐久度和可靠性將面臨很大考驗(yàn)，尤其是機(jī)械氣隙較小時(shí)，永磁體容易與定子產(chǎn)生擦碰而破碎，從而影響系統(tǒng)的正常工作。因此，在工藝不夠成熟的前提下，難以通過(guò)減小動(dòng)磁式LOM的機(jī)械氣隙來(lái)獲得較高輸出推力。

3.3 電樞與永磁磁路串聯(lián)

動(dòng)磁（鐵）式LOM或帶永磁體的動(dòng)圈式LOM，其永磁體必然位于電樞繞組的等效氣隙中，是電樞主磁通的必經(jīng)路徑，如圖42所示。因此，電樞繞組產(chǎn)生的退磁磁動(dòng)勢(shì)一定會(huì)直接作用在永磁體上，對(duì)永磁體工作點(diǎn)產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)合的環(huán)境溫度較高時(shí)，過(guò)高的退磁磁動(dòng)勢(shì)極易導(dǎo)致永磁體工作點(diǎn)跌落至拐點(diǎn)以下，進(jìn)而造成不可逆退磁。因此，傳統(tǒng)的永磁直線振蕩電機(jī)對(duì)永磁體牌號(hào)、充磁方向、磁體厚度等都有較高的要求，這在一定程度上限制了設(shè)計(jì)自由度。

圖42 動(dòng)圈式和動(dòng)磁式LOM電樞磁路與永磁體

3.4 定位力低

若不配合機(jī)械彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)短行程內(nèi)的高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則對(duì)LOM系統(tǒng)的響應(yīng)速度要求極快并且對(duì)算法要求很高，需要頻繁地控制電機(jī)正、反向地起動(dòng)和制動(dòng)，能耗也較高。因此，絕大多數(shù)LOM工作時(shí)必須配合機(jī)械彈簧才能構(gòu)成受迫簡(jiǎn)諧振動(dòng)系統(tǒng)，一方面利用機(jī)械式的彈性回復(fù)力進(jìn)行復(fù)位，另一方面則是利用機(jī)械諧振的頻率特性使電機(jī)達(dá)到共振狀態(tài)，從而以最小電流輸出最大位移，達(dá)到節(jié)能的效果。回復(fù)力既可以由機(jī)械彈簧單獨(dú)提供，也可以由動(dòng)子所受的定位力與機(jī)械彈簧共同提供，前者對(duì)機(jī)械彈簧剛度需求大，而后者則相對(duì)小，可以減小彈簧及其支架的體積質(zhì)量，并降低裝配難度。然而從前述文獻(xiàn)的調(diào)研來(lái)看，絕大部分的直線振蕩電機(jī)，其動(dòng)子定位力關(guān)于位置的曲線斜率均較小，尤其是動(dòng)圈式LOM以及經(jīng)典Redlich型LOM中定位力幾乎為零，如圖43所示[130]。

圖43 Redlich型LOM定位力

因此，LOM所需回復(fù)力幾乎完全依賴(lài)于外加的機(jī)械彈簧，以致動(dòng)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與彈簧連接處強(qiáng)度要求很高，從而導(dǎo)致如下不足：①外加機(jī)械彈簧不可避免地增加了電機(jī)體積，擠占了一些應(yīng)用中本就有限的可用空間，如冰箱壓縮機(jī)、呼吸機(jī)、便攜式移動(dòng)制冷設(shè)備等；②在高頻運(yùn)行工況下，機(jī)械彈簧將面臨疲勞和失效等問(wèn)題，將降低LOM安全可靠性，縮減使用壽命，增加維護(hù)成本等。

文獻(xiàn)[73]提出在動(dòng)磁（鐵）式LOM兩端添加軸向磁軸承，以形成磁性彈簧而取代機(jī)械彈簧，通過(guò)在工作磁路外構(gòu)建“氣缸—定子鐵心—?jiǎng)幼訉?shí)心鋼環(huán)—?jiǎng)幼佑来朋w—?jiǎng)幼覵MC端環(huán)”間的附加磁路以產(chǎn)生與動(dòng)子位移反向的吸引力，具體結(jié)構(gòu)如圖44所示。

圖44 附加磁性彈簧的動(dòng)磁式LOM

然而，該LOM并非利用電機(jī)本體的氣隙磁場(chǎng)與動(dòng)子間的定位力來(lái)復(fù)位，而是依賴(lài)于附加的結(jié)構(gòu)，將面臨如下兩個(gè)問(wèn)題：①添置的磁彈簧給電機(jī)帶來(lái)了附加的體積、質(zhì)量和電磁損耗，具體見(jiàn)表2。磁性彈簧附加的損耗約占總渦流和鐵心損耗約27%，整個(gè)系統(tǒng)既不經(jīng)濟(jì)也不高效；②多數(shù)情況下，系統(tǒng)所獲得的磁性定位力與其理想特性曲線差別很大，如圖44d所示，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的輸出機(jī)械特性。

表2 文獻(xiàn)[73]設(shè)計(jì)的動(dòng)磁式LOM在14Hz下的損耗分布

Tab.2 Loss distribution of moving-magnet LOM proposed by Ref.[73] at 14Hz

4 發(fā)展趨勢(shì)展望

綜上所述，作為直線往復(fù)驅(qū)動(dòng)器，LOM系統(tǒng)可以直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)及能量轉(zhuǎn)換，在一定程度上可有效解決傳統(tǒng)的“曲柄連桿+旋轉(zhuǎn)電機(jī)”傳動(dòng)方式所面臨的體積大、傳動(dòng)效率低、振動(dòng)噪聲高等缺點(diǎn)，并已逐步在一些工業(yè)場(chǎng)合得到應(yīng)用。然而，作為近年發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，LOM及系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，受到電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、材料屬性及加工工藝、電磁及參數(shù)非線性、負(fù)載時(shí)變性等多種因素影響，其關(guān)鍵性能指標(biāo)（如推力、效率等）很難充分發(fā)揮，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)夯姍C(jī)驅(qū)動(dòng)性能。為進(jìn)一步提高運(yùn)行效率、安全性及可靠性，減小體積及質(zhì)量，降低機(jī)械振動(dòng)及噪聲等，未來(lái)亟需從如下方面對(duì)LOM電機(jī)及系統(tǒng)開(kāi)展進(jìn)一步的研究，進(jìn)而全面提升系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力。主要發(fā)展方向及研究?jī)?nèi)容包括：

1）低加工難度的鐵心磁路設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的適合于定子加工LOM的鐵心材料中，硅鋼片是磁學(xué)和力學(xué)等綜合性能較好且較穩(wěn)定的。然而，現(xiàn)有的平行磁通的磁路設(shè)計(jì)使得硅鋼片疊壓工藝過(guò)于復(fù)雜，加工精度要求較高。因此，未來(lái)研究的重點(diǎn)可以放在磁路設(shè)計(jì)的改進(jìn)上，可采用橫向或混合磁通式的磁路設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)一步降低工藝復(fù)雜性[131-133]。

2）定子永磁型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

相比于動(dòng)磁（鐵）式LOM，定子永磁型LOM具備動(dòng)子可靠性高等優(yōu)勢(shì)，一方面能直接解決動(dòng)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，永磁體承受振動(dòng)應(yīng)力的問(wèn)題，在某些對(duì)可靠性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合具有顯著優(yōu)勢(shì)；另一方面，將永磁體移至定子側(cè)，有利于散熱設(shè)計(jì)，且能給該類(lèi)電機(jī)的磁路帶來(lái)更多靈活的選擇[134]。

3）高推力密度

LOM的應(yīng)用場(chǎng)合通?？臻g狹小，對(duì)電機(jī)的體積有很?chē)?yán)格的限制。如何在有限的體積內(nèi)輸出更高的驅(qū)動(dòng)力，是所有LOM的共同追求[135]。其中關(guān)鍵點(diǎn)在于，如何在滿足有限空間內(nèi)的溫升限制前提下，進(jìn)一步提高電機(jī)的電磁負(fù)荷，進(jìn)而獲得更強(qiáng)的輸出能力[136]。

4）高線性定位力

負(fù)線性的定位力可構(gòu)成磁性彈簧，降低LOM對(duì)機(jī)械彈簧的依賴(lài)；甚至在定位力斜率足夠高、等效磁性彈簧剛度夠大時(shí)，可省略機(jī)械彈簧，從而進(jìn)一步縮小電機(jī)體積，提高運(yùn)行的安全可靠性。因此，如何在不增大電機(jī)體積的前提下，利用電機(jī)本身的工作磁場(chǎng)構(gòu)造磁性彈簧，并在保證定位力線性度的前提下盡可能提高其關(guān)于位置的斜率，是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一。

5）高抗去磁能力

LOM特殊的工作原理，決定了其永磁磁場(chǎng)一部分區(qū)域必然被電樞磁場(chǎng)增強(qiáng)，而另一部分被削弱。從現(xiàn)有文獻(xiàn)調(diào)研情況看，目前大多數(shù)的LOM永磁體與電樞磁路均為串聯(lián)，這使得兩者磁場(chǎng)在永磁體內(nèi)存在反向疊加，導(dǎo)致永磁體工作點(diǎn)對(duì)電流極為敏感，尤其在溫度高的工作環(huán)境中更容易在反向電樞磁場(chǎng)的作用下移動(dòng)至拐點(diǎn)以下，造成不可逆退磁。因此，如何對(duì)永磁體進(jìn)行防失磁設(shè)計(jì)，提高其抗去磁電流能力，對(duì)提高LOM的可靠運(yùn)行及拓寬過(guò)載能力至關(guān)重要。

6）無(wú)傳感器絕對(duì)位置檢測(cè)

無(wú)傳感器位置檢測(cè)技術(shù)可以省略位移傳感器，降低LOM系統(tǒng)的體積和成本，提高可靠性，是未來(lái)工業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)[137]。然而，目前基于電壓電流的位置辨識(shí)算法中，大多估計(jì)的是LOM的相對(duì)位置，無(wú)法針對(duì)變負(fù)載變工況下的動(dòng)子絕對(duì)位置進(jìn)行更準(zhǔn)確的觀測(cè)，從而不能很好地保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。因此，如何在無(wú)位移傳感器的情況下準(zhǔn)確辨識(shí)LOM動(dòng)子的絕對(duì)位置，對(duì)提升整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出能力、控制精度和安全可靠性至關(guān)重要。

5 結(jié)論

本文對(duì)LOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、等效模型、電磁特性分析及設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了總結(jié)，梳理了LOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展演變及應(yīng)用現(xiàn)狀，歸納總結(jié)了LOM存在的問(wèn)題及指出了下一步亟須發(fā)展的重要方向及關(guān)鍵技術(shù)。簡(jiǎn)而言之，LOM應(yīng)盡可能保證永磁磁鏈線性、定位力負(fù)線性，以及電感位置不變，確保其響應(yīng)特性盡可能接近理想受迫諧振系統(tǒng)。通過(guò)提高永磁磁鏈和定位力斜率，可以明顯提升LOM的推力密度和等效磁性彈簧剛度，從而降低甚至擺脫對(duì)機(jī)械彈簧依賴(lài)，進(jìn)而有效地縮小電機(jī)及系統(tǒng)的體積。為進(jìn)一步提高LOM運(yùn)行的安全性和可靠性，不斷拓展其工業(yè)化應(yīng)用場(chǎng)合，亟須優(yōu)化LOM拓?fù)浼按怕吩O(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化鐵心和動(dòng)子結(jié)構(gòu)，降低加工難度，提高永磁體抗去磁能力等。

由于LOM系統(tǒng)具有體積小、振動(dòng)噪聲小、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，LOM系統(tǒng)是成為往復(fù)直驅(qū)工業(yè)場(chǎng)合的重要驅(qū)動(dòng)方式。隨著理論發(fā)展和技術(shù)革新，LOM系統(tǒng)必將在制冷工業(yè)、新能源發(fā)電、智能裝備制造等眾多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，更好地服務(wù)于國(guó)家的“碳達(dá)峰、碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略，為國(guó)家和社會(huì)創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 曾健鴻, 葉云岳, 吳長(zhǎng)春. 壓縮機(jī)用直線電機(jī)的研究與發(fā)展綜述[C]// 2000 年全國(guó)直線電機(jī)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 溫州, 2000: 80-84.

Zen Jianhong, Ye Yunyue, Wu Changchun. Research and development of linear motor for compressor [C]// Proceedings of National Linear Motor Conference, Wenzhou, China, 2000: 80-84.

[2] Boldea I, Tutelea L N, Popa A, et al. Linear oscillatory PMSM drives: a revisit in 2019[C]//2019 IEEE International Electric Machines & Drives Conference, San Diego, CA, USA, 2019: 1772-1777.

[3] Boldea I, Nasar S A. Linear electric actuators and generators [M]. New York: Cambridge University Press, 1997.

[4] Boldea I, Tutelea L N, Xu Wei, et al. Linear electric machines, drives, and MAGLEVs: an overview[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 65(9): 7504-7515.

[5] 張靜, 余海濤, 施振川. 一種波浪發(fā)電裝置用低速雙動(dòng)子永磁直線電機(jī)運(yùn)行機(jī)理研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(19): 4553-4562.

Zhang Jing, Yu Haitao, Shi Zhenchuan. Research on a tubular linear permanent magnet machines with dual translators for low speed wave energy conversion[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(19): 4553-4562.

[6] Boldea I, Tutelea L N, Popa A. Linear oscillatory electric motor/generators: an overview[C]//2021 13th International Symposium on Linear Drives for Industry Applications (LDIA), Wuhan, China, 2021: 1-7.

[7] Redlich R W. A summary of twenty years experience with linear motor and alternators [J/OL]. Sunpower Inc. https://www.sunpower.com/.

[8] 柴嘉偉, 貴獻(xiàn)國(guó). 音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(6): 1113-1125.

Chai Jiawei, Gui Xianguo. Overview of structure optimization and application of voice coil motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1113-1125.

[9] 常雪峰, 陳幼平, 艾武, 等. 音圈直線電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、控制及應(yīng)用綜述[J]. 微電機(jī), 2008, 41(11): 66-69, 83.

Chang Xuefeng, Chen Youping, Ai Wu, et al. Design and control application of voice coil linear motors[J]. Micromotors, 2008, 41(11): 66-69, 83.

[10] Parsons J B. Electromagnetic pump for internal-combustion engines: US, 2416843[P]. 1947-03-04.

[11] Toyoda A, Chiba Y. Electromagnetic pump: US4504198[P]. 1985-03-12.

[12] Nahman G, Stratta R, Vernazza E. Electromagnetie Pump with vibratory movement for gaseous fluids: US,1934994 [P]. 1933-11-14.

[13] Nozawa K. Refrigerating machine oil: US4256593[P]. 1981-03-17.

[14] 陳國(guó)邦, 顏鵬達(dá), 李金壽. 斯特林低溫制冷機(jī)的研究與發(fā)展[J]. 低溫工程, 2006(5): 1-10.

Chen Guobang, Yan Pengda, Li Jinshou. Research and development of Stirling cryogenic refrigerator[J]. Cryogenics, 2006(5): 1-10.

[15] Stolfi F, de Jonge A K. Stirling cryogenerators with linear drive [J]. Philips Technical Review, 1985, 42(1): 1-10.

[16] Davey G, Orlowska A H. Miniature stirling cycle cooler[J]. Cryogenics, 1987, 27(3): 148-151.

[17] Marquardt E, Radebaugh R, Kittel P. Design equations and scaling laws for linear compressors with flexure springs [C]//Proceedings of 7th International Cryocooler Conference. New Mexico, USA, 1992: 783-804.

[18] Lequesne B. Permanent magnet linear motors for short strokes[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1996, 32(1): 161-168.

[19] Koh D Y, Hong Yongju, Park S J, et al. A study on the linear compressor characteristics of the Stirling cryocooler[J]. Cryogenics, 2002, 42(6/7): 427-432.

[20] Kim D H, Lee D Y, Jung C G, et al. Improvement of operating characteristics for MC-LOA taking account of permanent magnet arrangement[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2004, 40(4): 2038-2040.

[21] Veprik A, Nachman I, Pundak N. Dynamic counterbalancing the single-piston linear compressor of a Stirling cryogenic cooler[J]. Cryogenics, 2009, 49(5): 165-170.

[22] Xu Zhaoping, Chang Siqin. Improved moving coil electric machine for internal combustion linear generator[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2010, 25(2): 281-286.

[23] Teo T J, Zhu Haiyue, Chen Silu, et al. Principle and modeling of a novel moving coil linear-rotary electromagnetic actuator[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(11): 6930-6940.

[24] Eckert P R, Flores Filho A F, Perondi E A, et al. Dual quasi-halbach linear tubular actuator with coreless moving-coil for semiactive and active suspension[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 65(12): 9873-9883.

[25] Zhu Haiyue, Teo T J, Pang C K. Analytical model-based multiphysics optimization of a nanopositioning electromagnetic actuator[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 65(1): 478-487.

[26] 顧兆林, 葉士祿, 郁永章, 等. 電磁線性驅(qū)動(dòng)高壓壓縮機(jī): 中國(guó), 2105572[P]. 1992-05-27.

[27] 顧兆林, 李云, 劉昌皓. 線性驅(qū)動(dòng)微型高壓壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方案研究[J]. 流體機(jī)械, 1995, 23(4): 18-21, 3.

Gu Zhaolin, Li Yun, Liu Changhao. Design of miniature high pressure compressor driven by linear motor[J]. Fluid Machinery, 1995, 23(4): 18-21, 3.

[28] 張永清, 何世安, 郭良珠, 等. 分置式斯特林制冷器對(duì)動(dòng)壓壓縮機(jī)研究[J]. 低溫工程, 1999(4): 99-102.

Zhang Yongqing, He Shi'an, Guo Liangzhu, et al. Study on dual-opposed compressor of miniature split Stirling cryocooler [J]. Cryogenics, 1999(4): 99-102.

[29] 羅運(yùn)文, 張永清. 1W/80K@60℃分置式斯特林制冷機(jī)的研制[J]. 低溫與超導(dǎo), 2003, 31(2): 1-3.

Luo Yunwen, Zhang Yongqing. Development of 1W/80K@60℃ split stirling cooler[J]. Cryogenics and Superconductivity, 2003, 31(2): 1-3.

[30] 葉利洪. 直線壓縮機(jī)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2003.

[31] 閻治安, 高小赟, 易萍虎, 等. 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)用直線永磁電動(dòng)機(jī)的研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 39(2): 191-195.

Yan Zhi'an, Gao Xiaoyun, Yi Pinghu, et al. Research on permanent-magnet linear motor for linear compressor[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2005, 39(2): 191-195.

[32] 陳幼平, 杜志強(qiáng), 艾武, 等. 一種短行程直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(7): 131-136.

Chen Youping, Du Zhiqiang, Ai Wu, et al. Research on model of a new short-stroke linear motor and its experiments[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(7): 131-136.

[33] 馬振飛. 冰箱用直線壓縮機(jī)原理性樣機(jī)的研制[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2005.

[34] 馬振飛, 鄭水英, 崔麗娜. 摩擦力對(duì)直線壓縮機(jī)性能的影響[J]. 壓縮機(jī)技術(shù), 2004(6): 11-13.

Ma Zhenfei, Zheng Shuiying, Cui Lina. Influenec of the friction force on the performance of linear compressor[J]. Compressor Technology, 2004(6): 11-13.

[35] 丁國(guó)忠, 張曉青, 何明順, 等. 斯特林用直線壓縮機(jī)的研究[J]. 低溫與超導(dǎo), 2007, 35(6): 458-462.

Ding Guozhong, Zhang Xiaoqing, He Mingshun, et al. Study on linear compressor for Stirling refrigerator[J]. Cryogenics and Superconductivity, 2007, 35(6): 458-462.

[36] 李志海. 動(dòng)圈式直線壓縮機(jī)若干關(guān)鍵問(wèn)題研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2010.

[37] 周文杰. 直線臂板彈簧支撐的動(dòng)圈式線性壓縮機(jī)理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2011.

[38] 趙鵬. 動(dòng)圈式直線壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2012.

[39] 楊逢瑜, 劉欣玉, 楊龍. 新型高頻動(dòng)圈式直線力馬達(dá)的研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2012, 40(9): 112-115, 118.

Yang Fengyu, Liu Xinyu, Yang Long. Study of a new high frequency moving coil linear force motor[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2012, 40(9): 112-115, 118.

[40] 劉念鵬. 自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)用直線發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與樣機(jī)試驗(yàn)研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2018.

[41] 許小慶, 權(quán)龍, 王旭平. 新型高性能動(dòng)圈式電液比例閥及其性能[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2020, 56(4): 233-238.

Xu Xiaoqing, Quan Long, Wang Xuping. New high performance electro-hydraulic proportional valve and its performance[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(4): 233-238.

[42] Hsieh C L, Liu C S, Cheng C C. Design of a 5 degree of freedom-voice coil motor actuator for smartphone camera modules[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2020, 309: 112014.

[43] Liang Kun. A review of linear compressors for refrigeration[J]. International Journal of Refrigeration, 2017, 84: 253-273.

[44] 陳梁遠(yuǎn), 李黎川. 壓縮機(jī)用直線電機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(15): 52-68, 15.

Chen Liangyuan, Li Lichuan. Development of the linear motor and its key technologies for reciprocating compressors[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(15): 52-68, 15.

[45] Beale W T, Scheck C G. Electromechanical transducer particularly suitable for a linear alternator driven by a free-piston Stirling engine: US, 4623808[P]. 1986-11-18.

[46] Van der Walt N R, Unger R Z. Linear compressors-a maturing technology[C]//Proceedings of 45th International Appliance Technical Conference, Madison, USA, 1994: 239-246.

[47] Unger R Z. Linear compressors for clean and specialty class[C]//Proceedings of International Compressor Engineering Conference, West Lafayette, USA, 1998: 73-78.

[48] Unger R Z. Development and testing of a linear compressor sized for the European market [C]//Proceedings of International Appliance Technical Conference, West Lafayette, USA, 1999: 41-49.

[49] Lee H K, Song, G Y, Park J S, et al. Development of the linear compressor for a household refrigerator [C]//Proceedings of International Compressor Engineering Conference, West Lafayette, USA, 2000: 31-38.

[50] Park K, Hong E, Lee H. Linear motor for linear compressor[C]//Proceedings of International Compressor Engineering Conference, West Lafayette, USA, 2002: 31-38.

[51] Lee H, Wang, S M, Park K B. Iron loss analysis of linear motor for linear compressor [C]//Proceedings of International Compressor Engineering Conference, West Lafayette, USA, 2004: 1-7.

[52] Lee H, Jeong S S, Lee C W, Lee H K. Linear compressor for air-conditioner [C]//Proceedings of International Compressor Engineering Conference, West Lafayette, USA, 2004: 1-7.

[53] Lee H, Ki S H, Jung S S, et al. The innovative green technology for refrigerator[C]//Proceedings of International Compressor Engineering Conference, West Lafayette, USA, 2008: 1-6.

[54] Lee H, Ki S, Kang J H, et al. Noise characteristics of linear compressor for refrigerators [C]//International Conference on Sound and Vibration, Daejeon, Korea, 2008: 2714-2719.

[55] Hur K B, Lee H. Linear compressor: USA, US6398523B1 [P]. 2002-6-4.

[56] Lee H K, Park K B, Park J S, et al. Linear motor and linear compressor using the same: US, 7659643[P]. 2010-02-09.

[57] Lequesne B. Fast acting, long stroke, bistable solenoids with moving permanent magnets: part I [C]//Conference Record of the 1988 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Pittsburgh, USA, 1988: 142-148.

[58] Yang C H, Nasar S A, Yount W R. Novel high force-density PM linear oscillating motors and their controllers[C]//Proceedings, Fourth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Baltimore, USA, 1989: 183-187.

[59] Ebihara D, Watada M. Development of a single-winding linear oscillatory actuator (artificial heart application)[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1992, 28(5): 3030-3032.

[60] Clark R E, Smith D S, Mellor P H, et al. Design optimisation of moving-magnet actuators for reciprocating electro-mechanical systems[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1995, 31(6): 3746-3748.

[61] Clark R E, Jewell G W, Howe D. Dynamic modeling of tubular moving-magnet linear actuators[J]. Journal of Applied Physics, 2003, 93(10): 8787-8789.

[62] Kim T H, Lee H W, Kim Y H, et al. Development of a flux concentration-type linear oscillatory actuator[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2004, 40(4): 2092-2094.

[63] Wang J, Howe D, Lin Z. Analysis of a short-stroke, single-phase, quasi-Halbach magnetised tubular permanent magnet motor for linear compressor applications[J]. IET Electric Power Applications, 2008, 2(3): 193-200.

[64] 趙小軍, 徐華偉, 劉小娜, 等. 基于PSO-Powell混合算法的軟磁復(fù)合材料二維矢量磁滯特性模擬[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(14): 2893-2903.

Zhao Xiaojun, Xu Huawei, Liu Xiaona, et al. Two-dimensional vector hysteresis simulation of soft magnetic composite materials based on the hybrid algorithm of PSO-Powell[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(14): 2893-2903.

[65] 徐衍亮, 崔波, 張文晶, 等. 軟磁復(fù)合材料-Si鋼組合鐵心盤(pán)式橫向磁通永磁無(wú)刷電機(jī)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(5): 983-990.

Xu Yanliang, Cui Bo, Zhang Wenjing, et al. Disk transverse flux permanent magnet brushless motor based on soft magnetic composite-Si steel core[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 983-990.

[66] 王韶鵬, 劉成成, 汪友華, 等. 軟磁復(fù)合材料永磁電機(jī)的6σ穩(wěn)健多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(4): 637-645.

Wang Shaopeng, Liu Chengcheng, Wang Youhua, et al. 6σ robust multidisciplinary design optimization method for permanent magnet motors with soft magnetic composite cores[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(4): 637-645.

[67] Zhu Z Q, Chen X, Howe D, et al. Electromagnetic modeling of a novel linear oscillating actuator[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2008, 44(11): 3855-3858.

[68] Zhu Z Q, Chen X. Analysis of an E-core interior permanent magnet linear oscillating actuator[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(10): 4384-4387.

[69] Chen X, Zhu Z Q. Analytical determination of optimal split ratio of E-core permanent magnet linear oscillating actuators[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, 47(1): 25-33.

[70] Pellegrini C, Schroeder A, Santini O, et al. Noise characteristics improvements for a new generation of variable capacity compressor using linear motor technology[C]//Proceedings of International Compressor Engineering Conference, West Lafayette, USA, 2014: 1-6.

[71] Hassan A, Bijanzad A, Lazoglu I. Dynamic analysis of a novel moving magnet linear actuator[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(5): 3758-3766.

[72] Immonen P, Ruuskanen V, Pyrh?nen J. Moving magnet linear actuator with self-holding functionality[J]. IET Electrical Systems in Transportation, 2018, 8(3): 182-187.

[73] Poltschak F, Ebetshuber P. Design of integrated magnetic springs for linear oscillatory actuators[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(3): 2185-2192.

[74] Miri? S, Küttel P, Tüysüz A, et al. Design and experimental analysis of a new magnetically levitated tubular linear actuator[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(6): 4816-4825.

[75] Heya A, Hirata K, Matsushita T, et al. Design and analysis of a three-degree-of-freedom linear oscillatory actuator[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2020, 56(2): 1-4.

[76] 謝潔飛. 動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)理論與試驗(yàn)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2005.

[77] 夏永明, 盧琴芬, 葉云岳, 等. 新型雙定子直線振蕩電機(jī)分析及建模[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2007, 22(12): 29-33.

Xia Yongming, Lu Qinfen, Ye Yunyue, et al. Modeling and analysis of a novel linear oscillatory motor with two divided stators[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2007, 22(12): 29-33.

[78] 夏永明. 新型雙定子直線振蕩電機(jī)的研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2007.

[79] 陳楠. 大冷量斯特林制冷機(jī)用動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)關(guān)鍵部件及整機(jī)性能研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2007.

[80] Liu Xiaohui. Research and development of moving-magnet linear air compressor[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2008.

[81] 謝潔飛, 李新華, 袁茂強(qiáng). 新型雙動(dòng)子直線振蕩電動(dòng)機(jī)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(36): 67-72.

Xie Jiefei, Li Xinhua, Yuan Maoqiang. A novel linear oscillatory motor with two divided moving body[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(36): 67-72.

[82] 鄒慧明, 張立欽, 彭國(guó)宏, 等. 動(dòng)磁式直線振蕩電機(jī)性能實(shí)驗(yàn)研究[C]//中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 天津, 2009: 840-843.

[83] 于明湖. 直線壓縮機(jī)用橫向磁通永磁直線振蕩電機(jī)系統(tǒng)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2011.

[84] 于明湖, 盧琴芬, 葉云岳, 等. 雙定子直線振蕩電機(jī)高效控制策略[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2011, 45(5): 799-803.

Yu Minghu, Lu Qinfen, Ye Yunyue, et al. High efficiency control strategy for linear oscillatory motor with two separated stators[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2011, 45(5): 799-803.

[85] 于明湖, 張玉秋, 盧琴芬, 等. 動(dòng)磁式橫向磁通直線振蕩電機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2012, 46(2): 206-211.

Yu Minghu, Zhang Yuqiu, Lu Qinfen, et al. Design of moving-magnet transverse-flux linear oscillatory motor[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2012, 46(2): 206-211.

[86] Zhang Yuqiu, Lu Qinfen, Yu Minghu, et al. A novel transverse-flux moving-magnet linear oscillatory actuator[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2012, 48(5): 1856-1862.

[87] Tsai N C, Chiang Chaowen. High-frequency linear compressor and lateral position regulation[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2012, 20(1): 127-138.

[88] 趙科. 冰箱用動(dòng)磁鐵式直線壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2014.

[89] Liang Huisheng, Jiao Zongxia, Yan Liang, et al. Design and analysis of a tubular linear oscillating motor for directly-driven EHA pump[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, 210: 107-118.

[90] 梁惠升, 王天乙, 焦宗夏, 等. 新型直線振蕩電機(jī)建模與動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 40(5): 662-667.

Liang Huisheng, Wang Tianyi, Jiao Zongxia, et al. Modeling and dynamic characteristics experiment of novel linear oscillating motor[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2014, 40(5): 662-667.

[91] Jiao Zongxia, Wang Tianyi, Yan Liang. Design of a tubular linear oscillating motor with a novel compound Halbach magnet array[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2017, 22(1): 498-508.

[92] 夏加寬, 李文瑞, 何新, 等. 熱聲發(fā)電系統(tǒng)最大電能輸出阻抗匹配及機(jī)械諧振特性分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(22): 5908-5914.

Xia Jiakuan, Li Wenrui, He Xin, et al. Analysis on impedance matching and mechanical resonance characteristics of maximum electric power output for thermoacoustic electric generation systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(22): 5908-5914.

[93] 夏加寬, 李文瑞, 何新, 等. 各向異性橫向磁通永磁直線電機(jī)穿片漏磁分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(14): 518-524.

Xia Jiakuan, Li Wenrui, He Xin, et al. Analysis of anisotropic permeate leakage flux on transverse flux permanent magnet linear machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(14): 518-524.

[94] Xia Jiakuan, Li Wenrui, Peng Renqiang, et al. Analysis on axial end flux leakage and resonance characteristic of TFPM linear generator for thermoacoustic electric generation system[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2016, 52(12): 1-7.

[95] 李文瑞. 橫向磁通永磁直線熱聲發(fā)電機(jī)空間磁場(chǎng)計(jì)算及特性分析[D]. 沈陽(yáng): 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué), 2017.

[96] 施振川. 圓筒型直線振蕩電機(jī)關(guān)鍵問(wèn)題研究[D]. 南京: 東南大學(xué), 2018.

[97] Toyoda A, ARIMA S. Electromagnetic pump: US3958902[P]. 1976-05-25.

[98] Panick K, Glass J. Electromagnetic fuel delivery and metering pump: US, 4496292[P]. 1985-01-29.

[99] Caldwell W I. Linear displacement electromagnetic actuator: US, 3178151[P]. 1965-04-13.

[100] McGill I, Tian Zhuang. Method of controlling a reciprocating linear motor: US, 6954040[P]. 2005-10-11.

[101] Mendrela E A, Pudlowski Z J. Transients and dynamics in a linear reluctance self-oscillating motor[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 1992, 7(1): 183-191.

[102] Mendrela E A. Comparison of the performance of a linear reluctance oscillating motor operating under AC supply with one under DC supply[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 1999, 14(3): 328-332.

[103] Boldea I, Nasar S A, Penswick B, et al. New linear reciprocating machine with stationary permanent magnets[C]//Proceedings of Thirty-First Annual Meeting of Industry Applications Society, San Diego, USA, 1996: 825-829.

[104] Boldea I, Wang Congxiao, Yang Bin, et al. Analysis and design of flux-reversal linear permanent magnet oscillating machine[C]// Proceedings of Thirty-Third Annual Meeting of Industry Applications Society, St. Louis, USA, 1998: 136-143.

[105] Schreiber J G. Capabilities and technical issues regarding the Stirling radioisotope generator [C]//Proceedings of IEEE Aerospace Conference, Big Sky, USA, 2002: 2445-2452.

[106] Qiu Songgang, Redinger D, Augenblick J. Stirling convertor and system configuration concepts for reduced vibration and a balanced system[C]// Proceedings of Third International Energy Conversion Engineering Conference, San Francisco, USA, 2013: 1-10.

[107] Qiu Songgang, Augenblick J. Development and magnetic analysis of a stirling convertor assembly linear alternator[C]//Proceedings of Third International Energy Conversion Engineering Conference, San Francisco, California, USA, 2005: 5653.

[108] Qiu Songgang, Augenblick J, Redinger D. Low-mass stirling convertor progress updates[C]// Proceedings of Third International Energy Conversion Engineering Conference, San Francisco, USA, 2005: 5596.

[109] Ibrahim T. Short-stroke, single-phase tubular permanent magnet motors for refrigeration applications[D]. Sheffield: University of Sheffield, 2009.

[110] Ibrahim T, Wang J, Howe D, et al. Design and optimisation of a moving-iron linear permanent magnet motor for reciprocating compressors using finite element analysis[J]. International Journal of Electrical & Computer Sciences IJECS/IJENS, 2010, 10(2): 84-90.

[111] Xue Xiangdang, Cheng K W E, Zhang Zhu. Model, analysis, and application of tubular linear switched reluctance actuator for linear compressors[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 65(12): 9863-9872.

[112] 潘賢耀, 余水全. 節(jié)能新產(chǎn)品-電磁式空氣壓縮機(jī)[J].壓縮機(jī)技術(shù), 1993(3): 47-48, F003.

Pan Xianyao, Yu Shuiquan. A new product-linear air pump[J]. Compressor Technology, 1993(3): 47-48, F003.

[113] 李嵐, 王淑紅. 直線直流振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制[J]. 機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化, 1995, 17(2)195-197.

Li Lan, Wang Shuhong. Control of linear DC oscillatory motor[J]. Manufacturing Automation, 1995, 17(2): 195-197.

[114] 李肖偉, 熊光煜, 劉星達(dá). 動(dòng)鐵型直線振動(dòng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 1996, 11(2): 42-46.

Li Xiaowei, Xiong Guangyu, Liu Xingda. Dynamic analysis of a moving-core linear-motion oscillator[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 1996, 11(2): 42-46.

[115] 何志龍, 李連生, 束鵬程. 冰箱用直線壓縮機(jī)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 37(11): 1119-1123.

He Zhilong, Li Liansheng, Shu Pengcheng. Study on linear compressor for household refrigerator[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2003, 37(11): 1119-1123.

[116] 楊凱. 動(dòng)鐵式直線振動(dòng)電機(jī)的靜態(tài)特性分析及動(dòng)態(tài)仿真[D]. 太原: 太原理工大學(xué), 2004.

[117] 任振興, 杜堅(jiān), 律福志. 動(dòng)鐵式直線電機(jī)復(fù)位誤差分析[J]. 機(jī)械, 2005, 32(6): 63-64.

Ren Zhenxing, Du Jian, Lü Fuzhi. The analysis of the reset error of moving iron minear motor[J]. Machinery, 2005, 32(6): 63-64.

[118] 王洋. 雙定子動(dòng)鐵式直線振蕩電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D]. 杭州: 浙江理工大學(xué), 2011.

[119] 陳梁遠(yuǎn), 李黎川. 一種往復(fù)開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)的設(shè)計(jì)與控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(3): 130-136, 5.

Chen Liangyuan, Li Lichuan. Design and control of reciprocating linear switched reluctance motor[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(3): 130-136, 5.

[120] Li Xiang, Xu Wei, Ye Caiyong, et al. Comparative study of transversal-flux permanent-magnetic linear oscillatory machines for compressor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 65(9): 7437-7446.

[121] Li Xiang, Xu Wei, Ye Caiyong, et al. Novel hybrid-flux-path moving-iron linear oscillatory machine with magnets on stator[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2017, 53(11): 1-5.

[122] 李想, 徐偉, 葉才勇. 新型定子永磁型動(dòng)鐵心式橫向磁通直線振蕩電機(jī)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(21): 6209-6217.

Li Xiang, Xu Wei, Ye Caiyong. Novel stator-magnet moving-iron transversal-flux linear oscillatory machine[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(21): 6209-6217.

[123] Xu Wei, Li Xiang, Zhu Jianguo, et al. 3-D modeling and testing of a stator-magnet transverse-flux linear oscillatory machine for direct compressor drive[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(9): 8474-8486.

[124] Xu Wei, Wang Qizhe, Li Xiang, et al. A novel resonant frequency tracking control for linear compressor based on MRAS method[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2020, 4(3): 227-236.

[125] Xu Wei, Wang Qizhe, Liu Yi, et al. Adaptive full-order displacement observer for sensorless resonant frequency tracking control of linear oscillatory machines[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022, 69(2): 1310-1321.

[126] 張春雷, 張輝, 葉佩青, 等. 兩相無(wú)槽圓筒型永磁同步直線電機(jī)電感計(jì)算與分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(6): 1159-1168.

Zhang Chunlei, Zhang Hui, Ye Peiqing, et al. Inductance analysis of two-phase slotless tubular permanent magnet synchronous linear motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1159-1168.

[127] Kim K H, Park H I, Jeong S S, et al. Comparison of characteristics of permanent-magnet linear oscillating actuator according to laminated method of stator core[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 1-4.

[128] Lee K S, Lee S H, Park J H, et al. Design and experimental analysis of a 3 kW single-phase linear permanent magnet generator for stirling engines[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2018, 54(11): 1-5.

[129] 趙國(guó)新, 孔德財(cái), 高曉林. 軟磁復(fù)合材料與硅鋼片材料的永磁電機(jī)性能差異研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(增刊1): 75-81.

Zhao Guoxin, Kong Decai, Gao Xiaolin. Performance difference study on permanent magnet synchronous motor based on soft magnetic composite material and silicon steel sheet[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(S1): 75-81.

[130] Shin K H, Choi J Y. Electromagnetic analysis of single-phase linear oscillatory actuator based on subdomain analytical model with end and stacking effects[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2021, 57(2): 1-5.

[131] 趙玫, 于帥, 鄒海林, 等. 聚磁式橫向磁通永磁直線電機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(17): 3730-3740.

Zhao Mei, Yu Shuai, Zou Hailin, et al. Multi-objective optimization of transverse flux permanent magnet linear machine with the concentrated flux mover[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(17): 3730-3740.

[132] 羅俊, 寇寶泉, 楊小寶. 雙交替極橫向磁通直線電機(jī)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(5): 991-1000.

Luo Jun, Kou Baoquan, Yang Xiaobao. Optimization and design of dual-consequent-pole transverse flux linear machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 991-1000.

[133] 寇寶泉, 金銀錫, 張魯, 等. 考慮端部效應(yīng)的混合勵(lì)磁直線渦流制動(dòng)器解析模型[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(8): 187-200.

Kou Baoquan, Jin Yinxi, Zhang Lu, et al. Analytical model of hybrid excitation linear eddy current brake with considering end effects[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(8): 187-200.

[134] 沈燚明, 盧琴芬. 初級(jí)勵(lì)磁型永磁直線電機(jī)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(11): 2325-2343.

Shen Yiming, Lu Qinfen. Overview of permanent magnet linear machines with primary excitation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(11): 2325-2343.

[135] 凌志健, 趙文祥, 吉敬華. 高推力永磁直線作動(dòng)器及其關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(5): 1022-1035.

Ling Zhijian, Zhao Wenxiang, Ji Jinghua. Overview of high force density permanent magnet linear actuator and its key technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 1022-1035.

[136] 李雄松, 崔鶴松, 胡純福, 等. 平板型永磁直線同步電機(jī)推力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(5): 916-923.

Li Xiongsong, Cui Hesong, Hu Chunfu, et al. Optimal design of thrust characteristics of flat-type permanent magnet linear synchronous motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 916-923.

[137] 孟高軍, 袁野, 孫玉坤, 等. 帶定位力補(bǔ)償?shù)臄U(kuò)張觀測(cè)器磁通切換永磁直線電機(jī)無(wú)位置傳感器控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(17): 4091-4101.

Meng Gaojun, Yuan Ye, Sun Yukun, et al. Extended state observer with cogging force compensation for sensorless control strategy of linear flux-switching permanent magnet machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(17): 4091-4101.

Overview of Linear Oscillatory Machines: Topology and Application

Xu Wei1Li Xiang2Liao Kaiju1Bai Lili1Gong Yifan1

（1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. School of Electrical Engineering Guangxi University Nanning 530004 China）

Linear oscillatory machines (LOMs) can directly produce linear reciprocating force without motion conversion mechanism, enjoying the advantages of high transmission efficiency and low vibration and noise. Hence, it has great potential in many industries such as linear compressor, Stirling refrigerator, combined heat and power device, vibration energy harvester, and so on. In this paper, firstly, the working principle of LOM is illustrated in details. Afterwards, according to the necessities of the ideal forced resonance system, the indexes for electromagnetic characteristics of LOM are put forward. Secondly, the development and state of the art of different types of LOMs are introduced sequentially, including the pros and cons of different topologies, technique development, and industrial applications. Consequently, based on the literature survey, four existing problems of LOMs are summarized in brief. Finally, the future development trend of the LOM is prospected, and some key issues in the aspects of fabrication, electromagnetic characteristics and control strategy are discussed in details.

Linear oscillatory machine (LOM), resonant system, electromagnetic characteristics, topology, key issues

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210957

TM351

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃金磚國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目（2018YFE0100200）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51877093）、湖北省重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2019AAA026）、深圳市基礎(chǔ)研究專(zhuān)項(xiàng)（自然科學(xué)基金）基礎(chǔ)研究面上項(xiàng)目（JCYJ20190809101205546）、廣西自然科學(xué)基金（2021JJB160171）和廣西大學(xué)“高層次人才”引進(jìn)科研啟動(dòng)項(xiàng)目（A3020051028）資助。

2021-06-24

2021-08-04

徐 偉 男，1980年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹本€電機(jī)系統(tǒng)及其控制。E-mail：weixu@hust.edu.cn

李 想 男，1993年生，助理教授，研究方向?yàn)橹本€振蕩電機(jī)及系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。E-mail：xiangli@gxu.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）