在永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，當(dāng)三相繞組中通入對(duì)稱正弦電流后，會(huì)在氣隙中產(chǎn)生按正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。與此類似，在永磁直線電機(jī)中通入三相電流后，也會(huì)在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，忽略端部效應(yīng)，磁場(chǎng)在直線方向也呈正弦分布，只是磁場(chǎng)是平移的行波磁場(chǎng)，見(jiàn)圖1。行波磁場(chǎng)與次級(jí)磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生電磁推力，使初級(jí)和次級(jí)產(chǎn)生水平直線相對(duì)運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生電磁力的部分是初級(jí)與次級(jí)耦合的部分［2］。

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

　　F：F＝FXV（1）F存在一個(gè)極大值，如果一臺(tái)電機(jī)的推力密度達(dá)到該極限值，則該電機(jī)的磁路參數(shù)為*佳參數(shù)。對(duì)于本文討論的短初級(jí)永磁直線電機(jī)來(lái)說(shuō)（見(jiàn)圖2），有效寬度a是初級(jí)與次級(jí)磁鋼的耦合寬度部分。有效長(zhǎng)度b是初級(jí)鐵心的長(zhǎng)度。有效高度h包括初級(jí)鐵心高度、次級(jí)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(jī)的結(jié)構(gòu)在y向（寬度方向）上具有對(duì)稱性。次級(jí)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(chǎng)的分布可以認(rèn)為是沿y向不變的。

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

　　有效長(zhǎng)度b和推力有效長(zhǎng)度b可以采用電機(jī)極數(shù)p為單位來(lái)衡量。設(shè)計(jì)電機(jī)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(jí)極數(shù)，并不會(huì)造成磁路參數(shù)和磁場(chǎng)分布特征的改變，也就是說(shuō)電機(jī)的*優(yōu)化磁路參數(shù)并沒(méi)有改變?；谟来胖本€電機(jī)的這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如果只增加初級(jí)的極數(shù)，則電機(jī)的推力將線性增加，并且能保持磁路參數(shù)的*優(yōu)化。

　　電機(jī)推力與電機(jī)極數(shù)基本成正比。可以表示為：F＝P2△Fx（3）式中P為電機(jī)的極數(shù)，△Fx為單位橫向?qū)挾葍蓸O電機(jī)的額定推力。隨著電機(jī)級(jí)數(shù)的增加，公式（3）的誤差越來(lái)越大，當(dāng)電機(jī)極數(shù)為16的時(shí)候，誤差率在1.44％。但是綜合來(lái)講，公式誤差率較小，可以用于電機(jī)的初步設(shè)計(jì)。

　　有效高度h和推力有效高度h包括初級(jí)鐵心高度、次級(jí)磁鋼厚度和氣隙大小。其中鐵心高度和次級(jí)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(jí)與次級(jí)能量交換的場(chǎng)所，氣隙越大，推力就越小。有效高度h與電機(jī)推力關(guān)系密切，沒(méi)有簡(jiǎn)單的規(guī)律可循，一般需要對(duì)有效高度h進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　永磁直線電機(jī)的設(shè)計(jì)方法永磁直線電機(jī)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法參考永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)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(guò)電機(jī)設(shè)計(jì)所要達(dá)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(jī)初級(jí)、次級(jí)、氣隙的具體參數(shù)，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)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(jī)的概念，簡(jiǎn)化電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程。

　　結(jié)語(yǔ)通過(guò)類比旋轉(zhuǎn)電機(jī)推力密度的概念，對(duì)平板式永磁直線電機(jī)幾何尺寸對(duì)電機(jī)推力的影響進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，提出了兩極單元直線電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)化了平板式永磁直線電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程，為將來(lái)直線電機(jī)的系列化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。*后按照該設(shè)計(jì)方法完成了一臺(tái)額定推力為3000N的樣機(jī)設(shè)計(jì)。通過(guò)推力與定位力的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，樣機(jī)的性能與設(shè)計(jì)性能基本相符。