直線振蕩電機拓撲結構及應用綜述

徐 偉 李 想 廖凱舉 柏麗麗 宮逸凡

直線振蕩電機拓撲結構及應用綜述

徐 偉1李 想2廖凱舉1柏麗麗1宮逸凡1

（1. 強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學） 武漢 430074 2. 廣西大學電氣工程學院 南寧 530004）

直線振蕩電機可直接產生直線往復驅動力，具有無運動轉換機構、傳動效率高、振動噪聲小等優勢，在直線壓縮機、斯特林制冷機、熱電聯產設備、振動能量回收等眾多領域具有廣泛的應用前景。該文首先詳細闡述了直線振蕩電機的工作原理，并在此基礎上依據理想受迫諧振系統的要求，歸納了該類電機電磁特性的設計目標；其次，以時間為序，分類介紹了直線振蕩電機的發展沿革和研究現狀，包括各類電機的優缺點、拓撲結構以及應用變遷等；然后，以文獻調研為基礎，總結了目前該類電機普遍存在的四個方面的問題；最后，從工業應用需求出發，詳細討論了直線振蕩電機在工藝、電磁特性和控制策略等方面存在的難點及關鍵問題，并對未來發展趨勢進行了展望。

直線振蕩電機 諧振系統 電磁特性 拓撲結構 關鍵問題

0 引言

在眾多的社會生產實踐中，大量的工業應用需要實現直線往復驅動以達到生產目的，其中典型的如活塞式壓縮機系統、自由活塞發電系統以及振動能量回收系統等。然而，目前絕大多數這類工業設備所采用的方案，仍以“旋轉電機+運動轉換機構”的間接傳動形式為主[1]，其運動轉換機構通常為滾珠絲杠或者曲柄連桿等，存在著體積大、摩擦點多、部件易磨損和傳動損耗高等顯著缺陷，極大地降低了該類工業應用的能效水平，造成了資源與能源的浪費，導致過量的CO2排放。

直線振蕩電機（Linear Oscillatory Machine, LOM），顧名思義，是能夠直接實現電能與直線往復機械能相互轉換的換能機構。與傳統傳動方式相比，采用直線振蕩電機直驅的系統，在理論上不依賴運動轉換機構，具有體積小、無側向力、傳動效率高等天然優勢，是需要實現直線往復運動的工業應用最具潛力的替代驅動器[2]。

本文首先以永磁LOM為例對其工作原理進行闡述，并以理想受迫諧振系統要求為依據，歸納其電磁特性設計要求；其次，回顧國內外學者對三類LOM的研究成果和技術發展現狀，并歸納總結出普遍存在的技術難題；最后，對LOM未來的發展趨勢進行了展望，并討論了下一步亟待解決的若干關鍵問題。

1 工作原理與理想特性

1.1 工作原理

直線振蕩電機之所以不依賴轉換機構實現往復運動，主要是利用了受迫簡諧振動的原理：動子與彈簧構成諧振系統，定子通過機電能量轉換向動子施加周期性往復電磁驅動力F()，驅動動子按相同頻率振動并以一定振幅()對外輸出軸功率，如圖1所示。

該系統的機電耦合關系表述為

圖1 LOM等效的受迫諧振系統

式中，為動子質量；e為永磁LOM自身定位力等效的磁性彈簧剛度；0為機械彈簧剛度；0為系統阻尼系數；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，表達式為

式中，pm為永磁體磁儲能。由式（2）可看出，只有永磁與磁阻推力與電流有關，兩者之和才是由外部輸入電能轉換而來的驅動力F()，前者與電流成正比，后者與電流的二次方成正比。而定位力與電流無關，是永磁體與鐵心之間的固有吸引力。直線振蕩電機受迫諧振系統的響應框圖如圖2所示。

圖2 直線振蕩電機系統響應框圖

理想的受迫簡諧振動激勵和響應，通?？梢员硎鰹闀r間的弦函數。類似地，對于直線振蕩電機而言，要想獲得類似理想受迫簡諧振動的輸出特性，則直線振蕩電機的特性必須滿足一定的前提條件。從圖2中可以看出，即使在理想弦函數的外加電壓激勵下，要確保系統的電氣和機械響應也為理想弦函數波形，那么系統中的永磁磁鏈、電感和定位力必須滿足必要條件：

式中，i、e均為常數；()和()均為時間的弦函數。由此可知，式（3）反過來對直線振蕩電機的電磁方案的設計過程提出了明確的要求，即在電機的電磁設計過程中，其電磁特性應盡可能地接近其理想情況，否則系統性能很難充分發揮。

1.2 理想電磁特性

由上述必要條件可知，在設計直線振蕩電機時，理想情況下，其靜態特性，即動子處于行程范圍-m～+m內任意位置時，應當滿足如下設計要求：

（1）繞組交鏈的永磁磁鏈關于位置呈線性變化。前述必要條件中，無論繞組位于定子或動子上，其所交鏈的永磁磁鏈關于位置的偏導數應為常數，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單線性關系；即使在動態情況下，動子位置為弦函數時，永磁磁鏈也同為弦函數，即永磁體在繞組中感應的反電動勢也為弦函數。

圖3 繞組交鏈的永磁磁鏈理想特性曲線

（2）定位力關于位置呈負線性變化。定位力的本質為保守力，因此其平均功率恒等于零，無法對外做功，但卻對系統的機械響應影響較為顯著。由前述必要條件可知，定位力最理想的情況應當滿足胡克定律，即與位置呈負線性相關，理想定位力曲線如圖4所示，相當于在系統本身的機械彈簧的基礎上串聯了一個彈性系數為e的磁性彈簧。因此，為充分發揮系統性能，必須對定位力進行合理設計，確保斜率幅值e盡可能地大：既保證機械響應為弦函數，又能增大諧振系統的剛度，提高諧振頻率或降低系統對機械彈簧的依賴程度。

圖4 理想定位力曲線

（3）定子電感不隨位置變化。前述驅動力分別由永磁推力和磁阻推力構成，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可以利用磁阻力作為驅動力，如圖5所示。

圖5 磁阻式直線振蕩電機

通常情況下，該類電機繞組線圈必須采用電流非連續的供電方式，如圖6所示，電流非連續供電方式將導致繞組利用率和推力密度低等問題。

圖6 電流非連續供電方式

在引入永磁體勵磁后，為充分利用永磁體和線圈繞組，大多數的直線振蕩電機都采用電流連續的供電方式。在電流為連續弦函數的情況下，磁阻分量會在驅動力中引入倍頻分量，如圖7所示。

從圖7a可知，磁阻推力會導致驅動力波形畸變，進而影響機械輸出特性；從圖7b可知，磁阻推力與速度基波的乘積為奇函數，因其平均值恒為零而無法對外做功。因此，對于電流連續供電的直線振蕩電機，其最理想的電磁設計方法為：應盡可能降低電感對位置的敏感性，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，驅動力F()僅由永磁推力構成，與電流之間僅存在i倍的比例關系，當電流為弦函數()=msin(+)時，直線振蕩電機的位移響應為

式中，為功率因數角；0為機械固有頻率，由e、0和共同決定，滿足關系式

2 直線振蕩電機分類及發展現狀

2.1 按繞組相數分類

按照定子繞組相數分類，LOM可分為單相和三相兩大類，其中前者適用于中小功率、短行程、需要高頻往復驅動的應用，而后者更適用于大功率、長行程、往復頻率低的應用，相關特點是由兩者的結構及運行原理決定的。三相LOM與普通直線電機一樣，依賴定子行波磁場與動子磁極的相互作用產生電磁推力，其行波磁場的大小、與動子磁極間夾角及運行方向，決定了推力的大小和方向[3-4]。因此，當三相LOM需要輸出往復驅動力時，既要控制行波磁場的大小、相位，又要控制其方向。一旦行程縮短、頻率增高時，LOM的動子在行程范圍內幾乎不存在勻速區域，其運動控制過程將變得極為復雜。三相LOM不同動子速度下的反電動勢波形如圖9所示。

圖9 三相LOM不同動子速度下反電動勢波形

圖9a為勻速運行，反電動勢為正弦波形，幅值恒定；圖9b為正弦規律變化的速度運行，其各相反電動勢幅值不再對稱，其運動控制十分復雜。為此，在短行程高頻往復應用中，三相LOM通常被用作發電機而非電動機[5]。

而單相LOM則相反，其電樞磁場為單相脈振磁場而非行波磁場，雖然無法像行波磁場一樣實現跨極距的推力輸出，但可直接產生同頻率往復驅動力，只需要控制力的幅值而不需要控制其方向。由于受相數的限制，其單機功率則低于三相LOM，更適合功率要求不高、高頻、短行程的應用場合[6]。

2.2 按動子結構分類

除了上述按電樞繞組相數來分類外，LOM更為常見的是按動子組成結構進行分類，如圖10所示，可分為動圈、動磁（鐵）和動鐵心式三大類[7]。顧名思義，動圈式LOM的動子上運動受力部件為通電線圈；動磁（鐵）式LOM的動子上運動受力部件為永磁體（其中，永磁體既可單獨用非導磁材料支撐，也可表貼或內嵌于動子鐵心上）；而動鐵心式LOM的運動受力部件則僅為疊壓鐵心。以下將對三類電機的研究現狀進行綜述，并歸納總結出各自的優缺點。

2.2.1 動圈式

動圈式LOM的驅動力來自通電導體在磁場中受到的安培力，因此，只要動子線圈處于恒定磁場中并被通入交變電流，即可獲得隨電流同頻率交變的驅動力，驅動動子往復運動。該類電機的基本結構由定子磁極、動子線圈與動子支架三大部分組成，由于結構和原理與揚聲器中的發音線圈類似，因此也常被稱為音圈電機[8]。根據動子線圈與定子磁極的軸向長度關系分類，可將動圈式LOM分為長線圈與短線圈兩種類型，如圖11所示：其中長線圈型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，兩類動圈式LOM的優缺點可簡述如下[9]。

圖11 動圈式LOM分類

長線圈型：①優點在于定子磁極包覆的導體數多，相同載流能力下線圈產生的安培力大，推力高；②缺點則是動子端部未進入定子磁極包覆下的導體也會產生損耗，損失一部分效率，且動子質量和線圈電感也相對較大，響應速度慢。

短線圈型：①優點是動子質量輕、電感小、動態響應迅速，且所有導體均可產生安培力，線圈利用率高；②缺點是磁極包覆導體少、推力低。需要特別指出的是，系統機械響應速度與線圈長短、質量和推力大小等因素密切相關，因此在系統優化設計過程中，需要綜合考慮磁極大小、線圈長度、動子質量等因素，確保能獲得良好的動態性能。

動圈式LOM由于要給線圈留出運動空間，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域，推力與電流呈線性關系，其控制過程相對簡單，并且動子線圈上不存在側向力，也不會產生轉矩，因此動子的裝配較為方便，對支撐強度的要求也不高。然而，該類電機的缺陷也是顯而易見的，主要包括：①線圈位于動子上，所產生的熱量較難向外傳導，容易導致線圈溫升過高，無法承受長時間的大電流輸入，進一步限制了推力密度的提升；②運動線圈的端子必須引出，因此存在顯著的飛線問題，長時間運行可靠性低，壽命有限。因此，動圈式LOM不適用于大功率、長行程、高耐久度、高可靠性的工業應用場合。

由于原理簡單，結構易加工，動圈式LOM的研究早在20世紀初就引起了學術界的關注。學者L. Potois獲得了一種動圈式LOM的發明專利，并設想其應用于驅動泵類負載。由于當時永磁材料性能不佳，因此該電機的定子磁極采用電勵磁方式，導致設備體積較大，效率不高。隨著汽車工業的迅猛發展，動圈式LOM在20世紀30～50年代獲得了一定的發展，J. B. Parson、J. Dikey、G. Nahaman等相繼提出了一系列用于發動機燃油泵的動圈式LOM[10-12]，并對其在汽車工業中的初步應用進行了探索研究。1954年，Dolz將動圈式LOM應用于制冷工業中，提出了Dolz線性制冷壓縮機，其LOM結構為長線圈型，如圖12所示。由圖12得知，該結構以采用永磁磁極替代電磁極勵磁，從而明顯縮減了電機的體積，并提高了系統效率[13]。

圖12 Dolz線性壓縮機

因結構緊湊、體積小、質量輕、諧振頻率高等特性，動圈式LOM非常符合微型低溫制冷器的應用需求，自問世以來就在小功率深低溫制冷領域引起了科研人員及研究機構的高度重視[14]。1976年，飛利浦公司成功研制出第一臺采用動圈式LOM直驅的單缸斯特林制冷機[15]，即當線圈中通入交流電時，活塞就被直接驅動，從而壓縮工質輸出壓力波，達到很好的制冷效果，其結構如圖13所示。

圖13 飛利浦公司動圈式斯特林制冷機

緊隨其后，牛津大學的G.Davy博士采用類似的動圈式LOM直驅方式，成功研制出了長壽命斯特林制冷機，在80K環境溫度下具有0.8W的制冷量，并成功應用于空間衛星上，其電機結構如圖14所示[16]。該結構首次采用柔性板彈簧同時提供支撐力和回復力，有效地降低了摩擦力，極大地延長了使用壽命，節省了空間并提高了效率。20世紀80年代末至90年代初，為進一步降低機體振動，研究人員又將目光轉移至雙活塞對置式斯特林制冷機上來，其驅動電機采用雙線圈對置式LOM，如美國Sunpower公司研制的產品，它可通過活塞的相向運動，顯著降低機體振動及噪聲[17]。

圖14 動圈式LOM直驅式牛津型斯特林制冷機

在此之后，經過20多年的努力，動圈式LOM應用于星載斯特林制冷機的技術日趨成熟，并走向產業化，其中較為知名的企業和機構主要集中于歐美以及東亞的日韓等國。1996年，美國學者B. Lequesne給出了動圈式LOM運動周期、行程和散熱極限之間的閉環公式，并基于所建立的關系式對永磁磁極進行了優化設計，對不同結構電機性能做了對比分析[18]。韓國學者Deuk等于2002年跟進上述研究，研發了行程為7mm的動圈式斯特林制冷機，達到負載最低溫度47K，且72K下制冷量達0.5W[19]。兩年后，同為韓國學者的D. H. King等通過采用分布式永磁體的排列方式，克服了正負行程推力幅值不等的問題[20]，降低了驅動器的電壓需求。2009年，以色列學者A. Veprik為進一步解決動圈式單活塞斯特制冷機的機械振動問題，通過串聯動態反平衡器[21]，幾乎完美地吸收了諧振點的機械振動。2010年， Xu Zhaoping等提出了用于自由活塞內燃發電機的動圈式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，結構如圖15所示，獲得了更高的運行頻率和更快的機械響應，也進一步拓展了LOM在混合動力汽車中的應用前景[22]。

圖15 動圈式自由活塞內燃發電機

2016年，T. Teo等利用動圈式LOM作為“直線-旋轉”電機中的直線驅動模塊，證明其快響應特性非常適合用做直線往復螺旋作動器的驅動電機，實現了20μs的響應跟蹤速度[23]。2018年，P. Eckert等則瞄準汽車半主動懸架系統，提出了利用Quasi-Halbach無鐵心動圈式LOM代替機械式“彈簧-避震器”的半主動懸掛，如圖16所示。由于取消了鐵心，該電機鐵心損耗低且推力波動小，并具有較高的推力密度[24]。

圖16 半主動懸架用無鐵心動圈式LOM

同年，新加坡制造技術研究院的Zhu Haiyue等設計了一臺圓筒型內外雙層永磁結構的動圈式LOM，用于納米級電磁定位器的驅動，如圖17所示。通過多物理場優化設計，該結構及方案可使推力-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 圓筒型內外雙層永磁動圈式LOM

相對國外相關工作，國內對動圈式LOM的研究則起步較晚，多集中于科研機構和高校內部，鮮有來自企業界的研發團隊，且初期的主要應用領域多集中在制冷壓縮機方面。1991～1995年，西安交通大學顧兆林等成功研制了如圖18所示的動圈式LOM直驅的多級高壓壓縮機[26-27]。

圖18 顧兆林等研制的動圈式多級高壓直線壓縮機

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

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

1999年，合肥電子工業十六研究所的張永清等設計研制了一臺1.75W/80K的雙動圈LOM驅動的對置式斯特林制冷機[28]，并給出了相應的實驗驗證，并于2003年進一步研制了一臺1W/80K的分置式斯特林制冷機[29]。2003年，浙江大學葉利洪等設計了一臺動圈式直線壓縮機，并對其結構進行了優化設計[30]。2005年，西安交通大學閻治安設計了一臺動圈式直線壓縮機，電機效率達到了85.3%[31]，顯著高于傳統單相異步電機。同年，華中科技大學陳幼平等研制了一臺用于高頻伺服系統的動圈式LOM，如圖19所示，并給出了該類電機固有特性的實驗測量方法[32]。

圖19 文獻[32]研制的動圈式伺服LOM

與此同時，浙江大學化工機械研究所馬振飛等也對冰箱直線壓縮機用動圈式LOM進行了研究，設計了一臺活塞直徑30mm，運動質量0.9 kg的樣機，并針對摩擦力、氣體力、電阻及等效電感、附加電容、靜態位置、共振彈簧剛度等因素對壓縮機性能的影響進行了詳細的理論分析[33-34]。2007年，華中科技大學丁國忠等也開發了雙動圈式LOM驅動的對置式斯特林制冷機，實現了80K下1W的制冷輸出[35]，同時也獲得了一定的減振降噪效果。2010年，浙江大學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，以降低動圈式LOM的渦流損耗，設計并優化了一臺動圈式直線壓縮機[36]。2011年，浙江大學制冷與低溫研究所的周文杰設計了國內首臺直線臂板彈簧支撐的動圈式斯特林脈管制冷機，如圖20所示：在7A電流驅動下推力可達231.7N；在40Hz/540W的輸入功率下，系統可在80K的低溫下獲得4.5W的制冷量[37]。2012年，浙江大學趙鵬采用有限元方法對動圈式直線壓縮機的磁路和機械系統進行了結構上的優化，有效降低了機械阻尼，提高了系統效率[38]。

圖20 直線臂板彈簧動圈式直線壓縮機

1—機殼 2—板彈簧 3—支架 4—內磁軛 5—基體 6—氣缸 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，動圈式LOM在國內的應用范圍開始由最初的制冷工業，不斷拓展到其他應用。例如2012年，蘭州理工大學楊逢瑜等設計了一臺應用于直線馬達的動圈式LOM，它由3組線圈5塊環形Halbach永磁體構成，能將推力提高2.5倍，且動態頻寬達277Hz[39]。2017年，南京理工大學劉念鵬等設計了一臺用于單活塞四沖程自由活塞發電系統的圓筒型直線動圈式LOM，實現了0.6ms的快速響應，獲得了95.2%的發電效率[40]。2020年，山東理工大學的王俊源等對一種用于約束活塞內燃發電機的動圈式LOM進行了結構優化，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，使得相同負載電阻下輸出電流提高了18.6%。同年，太原理工大學許小慶等將動圈式LOM用作電液比例閥驅動器，獲得了開環階躍輸入下15ms的響應速度[41]。此外，在尖端智能手機領域，動圈式LOM也有不俗表現：如2020年，臺灣國立中正大學的C. L. Hsieh等研發了一款5自由度動圈式LOM[42]，用于驅動手機攝像頭模組，具有高效、高穩定性、快速響應等優點；在0°和90°傾角下，自動對焦和光學防抖模式的最快位移跟蹤響應速度可達到2.8ms和6.6ms。

2.2.2 動磁（鐵）式

隨著高性能永磁體的發展，尤其是高磁能積的釹鐵硼永磁體的成功研制，使得動磁（鐵）式LOM成為了近年來的研究熱點[43]。該結構的動子所受驅動力的來源，可簡單歸納為定子電磁極與動子永磁極間的相互作用力：當定子電樞通入交變電流時，定子上產生極性周期性交變的磁場，此時動子永磁磁場極性恒定，因此極性交變的定子磁場會周期性的吸引或排斥永磁體，進而產生往復驅動力，實現直線往復運動。該類電機的基本結構由定子磁極、動子永磁體和動子支架構成，其中永磁體可以嵌于高強度的非導磁材料制成的動子支架上，也可以表貼或內嵌于鐵磁材料上：前者稱為動磁式LOM，后者稱為動磁鐵式LOM，其結構如圖21所示。

圖21 動磁式與動磁鐵式LOM結構差異

由于兩類電機在工作原理上并沒有本質區別，因此本文將兩者統一歸為一類，即動磁（鐵）式LOM。其中動子結構的些許差異給兩者帶來的優缺點，可以歸納如下：

1）動磁式LOM的優勢在于動子質量較輕，因為在相同永磁體使用量的情況下，高強度非導磁材料的質量輕于導磁背鐵；相比于動磁鐵式LOM，其缺陷則在于包含了內外雙氣隙，裝配難度高，并且對動子支架強度要求高。

2）動磁鐵式LOM的優勢在于電機為單氣隙，裝配簡便；缺陷則在于動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，動子質量顯著增大，對彈簧剛度要求高，且響應速度慢。

動磁（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，可使得電機的體積顯著縮小，結構更緊湊，推力和推力密度也更高，并且線圈位于定子上，動子上無電端口，方便線圈散熱的同時，又有效地避免了飛線問題。但也正是因為動子結構的改變，給電機帶來了一些固有缺陷，主要包括：①由于永磁體位于動子上，相比于動圈式直線振蕩電機，在氣隙不均勻時，會產生側向力，從而對加工精度和動子支撐強度提出了更高的要求；②永磁體作為受力運動的部件，需要獲得較好的防護，因此對動子支架的設計要求較高[44]。

動磁（鐵）式直線振蕩電機雖然存在上述固有缺陷，但總體而言，高性能永磁體給該類結構的驅動能力帶來了很大的提升。為此，該結構近年來備受學術界和工業界的廣泛關注，尤其在冰箱、斯特林制冷機等領域潛力巨大，相關研究工作層出不窮，在理論和技術方面進步顯著。早在20世紀80年代，美國Sunpower公司就著手開發動磁式LOM[45]，并得到了美國環保署的大力支持，于1994年推出了第一臺直線壓縮機樣機，并將其成功應用于無氟冰箱上[46]。該壓縮機的基本結構如圖22所示，其電機為圓筒型結構，永磁體由動子支架保護，同時活塞與氣缸構成間隙密封。

圖22 Redlich型直線壓縮機基本結構

圓筒結構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，其直徑不到100mm，輸出最大140W的制冷量，最高性能系統（Coefficient of Performance, COP）達2.5[47-48]。由于該直線壓縮機是其公司的R. Redlich博士及其研發團隊開發的，通常將結構類似的直線壓縮機統稱為Redlich型直線壓縮機，其驅動電機也稱為Redlich型LOM。因為該類動磁式直線壓縮機開創了非常成功的商業化應用模式，Redlich型LOM成為了該領域的重要參考模型，極大地推動了直線壓縮機的發展。LG電子公司瞄準了動磁式直線壓縮機的巨大應用前景，與Sunpower公司展開了長期的密切合作，投入巨資對Redlich型直線壓縮機進行優化設計，包括電機、活塞、氣缸及氣閥等關鍵組件[49-51]，至今獲得了超過700項國際專利，并于2004年成功研制了DIOS品牌雙開門冰箱的Redlich型直線壓縮機[52]，LG直線壓縮機基本結構如圖23所示：和傳統“單相異步電機+曲軸連桿”的活塞壓縮機相比，該系統效率提高了20%～30%，COP達1.8。其后，LG公司的研究人員還對動磁式直線壓縮機進行了多方面的研究，進一步提出了眾多Redlich型LOM改進拓撲、進排氣閥結構以及彈簧組件等[53-56]。

圖23 LG直線壓縮機基本結構

Sunpower和LG兩公司在動磁式LOM上的成功合作及商業化應用，掀起了學術界的研究熱潮，并進一步推動了動磁式LOM的長足發展。1988年，針對電磁閥應用場合，通用電機實驗室的B. Lequesne等設計了兩種不同結構的的動磁鐵式LOM，如圖24所示：動子在長氣隙中上下運動，其原理類似于繼電器[57]。

1989年，美國C. H. Yang和S. A. Nasar研究了一種定子扁平U型的大行程動磁式LOM[58]，推力密度高達400 kN/m2。1992年，武藏工業大學的D. Ebihara設計了一種用于人工心臟的單線圈圓筒型動磁鐵式LOM，總行程為14mm，動子結構得到了一定程度簡化[59]。1995年，英國謝菲爾德大學的R. Clark等設計并優化了一臺雙線圈動磁式LOM，并分析了由于系統非線性導致的動態特性的變化[60]。2003年，該研究團隊在之前的工作基礎上，進一步研究了渦流效應對該電機的影響，結果表明渦流使電機效率下降了5%[61]。2004年，韓國漢陽大學 T. H. Kim等對比了表貼和內置式兩種動磁鐵式LOM的電磁特性，實驗表明永磁體采用內置排布可降低動子加工難度，同時提高推力密度[62]。2008年，英國謝菲爾德大學的J. Wang等設計了一臺直線壓縮機用Redlich型LOM[63]，如圖25所示，電機功率87W，總行程21mm，因動子永磁體采用了Quasi-Halbach陣列而移除了導磁背鐵，從而降低了動子質量；同時，定子則改變了傳統Redlich型外鐵心圓周疊壓的方式，采用了新型的軟磁復合（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雜等問題。

圖24 B. Lequesne設計的電磁閥用動磁鐵式LOM

圖25 J. Wang等設計的動磁式LOM

SMC材料技術的日趨成熟，也為動磁式LOM的定子加工制造提供了新的解決方案，近年來不少研究中均采用了SMC材料作為LOM的定子鐵心材料，有效拓展了定子結構。相對硅鋼片定子鐵心，SMC定子鐵心不再存在分段間隙，對餅型繞組的包覆率可達100%，可極大地提高繞組利用率[64-66]。2008～2011年，謝菲爾德大學的X. Chen等提出了一系列的定子E型鐵心（E-Core）SMC動磁鐵式LOM[67-69]，對比研究了表貼和內置式動子結構對該類電機的影響，采用解析法明確了最優裂比的選取原則，并進行了相關實驗驗證。2014年，巴西Embraco公司推出了一款無油潤滑的直線壓縮機，如圖26所示：動磁式LOM的外定子采用雙邊 E-Core構成，動子則由兩塊矩形磁鋼和鑄鋁支架組成，制冷量在40～245W范圍內可調，最大COP可達2.34，成為繼LG之后又一成功實現直線壓縮機商業應用的范例[70]。

圖26 Embraco公司動磁式直線壓縮機

2017年，土耳其Koc大學的A. Hussan等設計了一臺外定子為E-Core的疊片型動磁式LOM，內外定子均為圓周分段疊壓方式裝配，并對其進行了詳細的動態特性分析[71]。2018年，芬蘭拉彭蘭塔工業大學的P. Immonen等提出了一種用于車輛檔位器的具有自保持功能的動磁鐵式LOM，既可在通電情況下利用電磁力實現自動掛檔，也能在無電流情況下利用定、動子之間的磁阻力使檔位器保持吸合，確保不掉檔[72]。同年，奧地利林芝大學的F. Poltschak等設計了一臺無機械彈簧的動磁式LOM，借鑒了軸向被動磁軸承的原理為電機設計了一組對稱的磁性彈簧，以克服機械彈簧接觸點摩擦、疲勞壽命以及容易失效等問題[73]。2019年，瑞士蘇黎世聯邦理工S. Miric等設計了一臺圓筒型磁懸浮動磁式LOM，利用徑向主動磁浮軸承消除了動子的機械摩擦，獲得了最大44N的連續驅動力和最高12.5g的軸向加速度[74]。2020年，日本大阪大學的A. Heya等設計分析了一臺三自由度的動磁式LOM，通過三維磁路設計實現了動子在空間的三維振動，各軸總行程均為1mm[75]。

國內對動磁式LOM的研究起步也晚于國外。2005年浙江大學化工機械研究所的謝潔飛等研制出了國內首臺冰箱用動磁式LOM，如圖27所示：采用了平面E-Core結構，但在樣機制造過程中存在中心軸難對準，摩擦損耗大等問題[76]。

圖27 謝潔飛設計的動磁式直線壓縮機

2007年，浙江大學夏永明等為解決Redlich型LOM定子疊壓工藝復雜等問題，創造性地提出了一種雙定子橫向磁通動磁鐵式LOM[77-78]，如圖28所示：其疊片工藝與旋轉電機無異，極大地降低了加工制造難度。同年，上海交通大學陳楠等則以Redlich型LOM替換傳統的動圈式LOM，成功研制了國內首臺大冷量動磁式LOM驅動的牛津型斯特林制冷機[79]，總行程達到10mm，運動質量為0.62kg。

圖28 夏永明設計的雙定子橫向磁通動磁式LOM[77-78]

2008年，浙江大學劉曉輝設計了一臺Redlich型LOM直驅的空氣壓縮機，系該類LOM在大功率應用場合的首次嘗試，其電機總功率達500W[80]。2009年，基于橫向磁路設計，謝潔飛等提出單定子橫向磁通動磁鐵式LOM[81]，如圖29所示：相當于將文獻[77]的電磁極和永磁磁極個數交換，變成了長動子短定子的結構；若考慮線圈端部長度，其空間利用率相對前者更高一些，但動子質量更重。

同年，中科院理化技術研究所的鄒明慧等深入研究了直線壓縮機用Redlich型LOM，對比分析了不同線圈、活塞、彈簧等關鍵部件的設計方案[82]。2011年，浙江大學于明湖等在文獻[77]的基礎上，將永磁體與動子鐵心分離，設計了一臺雙定子橫向磁通動磁式LOM[83-86]，具有動子質量輕、動態響應快等優點，但動子結構較為復雜、加工和裝配難度很大。2012年，國立臺灣大學N. Tsai等利用磁浮軸承替代傳統機械軸承，其結構如圖30所示：降低了動磁式LOM機械損耗和噪聲，但增加了系統的體積和控制復雜度等[87]。

圖30 N. Tsai等設計的磁懸浮動磁式直線壓縮機

2014年，浙江大學趙科對Redlich型LOM進行了改進，探索了其在直線壓縮機應用環境下的全局動態優化設計方法[88]。同年，北京航空航天大學的梁惠升等設計了一臺Quasi-Halbach動磁式LOM，用于驅動液壓伺服泵[89-90]，結構如圖31a所示。2017年，其團隊對動子結構做了進一步改進，采用多層復合Halbach結構徹底去除了動子背鐵，如圖31b所示，進一步提高了電機的推力密度[91]。2015～2017年，沈陽工業大學李文瑞在文獻[81]的拓撲結構基礎上，對單定子橫向磁通動磁式LOM的電磁場進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算方法，并研究了其應用于熱聲功率發電系統中時存在的等效阻抗匹配等問題。2018年，東南大學施振川設計了一臺圓筒型動磁鐵式三相LOM，提出了新型的三層混合疊片方案，相對傳統圓周疊片方式，該結構的鐵心對線圈包覆系數提高了65%，體積系數提高了35%[96]。

圖31 梁惠升等設計的Halbach型動磁式LOM

2.2.3 動鐵心式

不同于上述兩類直線振蕩電機，動鐵心式LOM的動子受力運動部件上不存在電磁激勵，僅僅由疊壓的鐵心組成，因此，它的工作原理類似于開關磁阻電機磁阻最小原理，可利用氣隙中的磁場強度差來完成動子向高強度磁場一側的運動。相對動圈式和動磁（鐵）式結構，該類動鐵心式拓撲相對比較簡單，如圖10c所示，可知其動子結構得到了極大的簡化。得益于受力運動部件僅由鐵心構成，動鐵心式LOM的動子加工裝配更方便，強度也更高，具有成本低、可靠性高和壽命長等優勢。然而，該類電機也面臨一些缺陷：動子質量相對于前兩類電機大，對彈簧的剛度要求較高，并在運行過程中容易偏離氣隙中心線，從而導致較大的側向力和摩擦損耗。為克服相關問題，必須在制造過程中對動子加工和裝配精度進行準確控制，盡量保證行程范圍內氣隙的均勻性。

因高強度和高可靠性的結構特點，動鐵心式LOM電機對高溫、大振幅、強振動等惡劣工況的適應能力較強[44]。和動圈式LOM一樣，早期的動鐵心式LOM的勵磁不依賴永磁體，勵磁完全由電磁極提供。早在20世紀20年代，H. Wallage和P. Tice就分別申請了動鐵心式LOM的發明專利，其應用場合均為內燃機的電磁燃油泵[97-98]。1963年，W. Caldwell提出雙繞組的動鐵心式LOM，利用不同位置繞組的分時供電來控制鐵心動子的受力方向，實現往復運動[99]。

1972年，P. Langdon等提出了一種氣隙磁密可調的雙線圈動鐵心式LOM，如圖32所示。其中，一組線圈用于勵磁，另一組則用于調磁，可有效降低運動過程中的側向力[100]。1975年，法國Barthalon公司公開了一種空壓機用動鐵心式LOM，如圖33a所示：其電磁力方向單一，電流只有半個周期能產生電磁力，繞組利用率低。隨后，該技術被日本NITTO公司進一步完善，并被廣泛應用到水泵、空氣壓縮機、真空泵等裝置中，其結構如圖33b所示，在產品開發中得到廣泛應用。

圖32 P. Langdon等提出的雙線圈動鐵心式LOM

1992年，澳大利亞悉尼大學的E. A. Mendrela等設計了一臺螺線管型動鐵心式LOM，原理類似于開關磁阻直線電機[101-102]。1996年，羅馬尼亞蒂米什瓦拉理工大學I. Boldea等設計了一臺125W的定子永磁型橫向磁通動鐵心式LOM，通過橫向磁通的磁路設計和定子齒面表貼永磁體的安裝方式[103]，既能在動鐵心式LOM中引入永磁體輔助勵磁提高推力密度，又能解決圓筒型LOM硅鋼片疊壓工藝復雜等問題，并進一步開展了電機的2D等效模型研究[104]。2000年，NASA格倫研究中心的J. Schreiber將該電機拓展到空間衛星用斯特林制冷機驅動中[105]，有效提高了系統的可靠性和使用壽命。2005年，美國Infinia公司在NASA的研究基礎上，并嘗試了多種減振的方案，開啟了該電機應用于熱電聯產設備的商業化進程[106-108]，其結構如圖34所示。

圖34 Infinia公司熱電聯產動鐵心式斯特林發電機

2010年，英國謝菲爾德大學的T. Ibrahim提出了如圖35所示的圓筒型動鐵心式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，功率達到88.5W，總行程21mm[109-110]。2018年，香港理工大學Xue Xiangdang等設計了一臺如圖36所示的圓筒型橫向磁通開關磁阻型動鐵心式LOM[111]，其定子也采用雙定子結構，在一個工作周2期內只有一個定子上的線圈通電，單向輸出推力，因此也面臨繞組利用率低等問題。

圖35 T. Ibrahim提出的SMC動鐵心式LOM

圖36 Xiangdang Xue等設計的橫向磁通磁阻型動鐵心式LOM

國內對動鐵心式LOM的研究可以追溯到20世紀80年代。1986年，汕頭液壓件廠引進并消化吸收日本電磁空壓機相關技術，成功地試制了動鐵心式LOM樣機，其結構與原理類似于Barthalon和NITTO公司的產品，功率達93W。1988年，該樣機通過相關部門的技術鑒定，被國家計委指定為替代進口產品[112]。1995年，太原理工大學李嵐等對E-Core動鐵心式LOM的控制方法進行了研究，明確了該類電機的頻率特性[113]。1996年，太原理工大學李肖偉等采用插值擬合的方法，對一臺20W的動鐵心式LOM的動態過程進行了數值求解，并得到了相關實驗驗證[114]。2003年，西安交通大學何志龍等設計了一臺動鐵心式直線壓縮機，對其工作過程和閥片動力學進行了分析[115]。2004年，太原理工大學的楊凱提出了一種永磁體輔助勵磁的動鐵心式LOM拓撲結構，如圖37所示，并利用有限元和數值計算軟件對其電磁特性和動態性能進行了詳細分析[116]。

圖37 楊凱設計的定子永磁型動鐵心式LOM

2005年，西南石油大學的任振興等對動鐵心式LOM的動子復位問題進行了研究，明確了誤差產生的原因并提出了相應的解決措施[117]。2011年，浙江理工大學的王洋在I. Boldea的研究基礎上，進一步提出了新型雙定子雙動子的橫向磁通動鐵心式LOM的拓撲結構，并對其磁場分部、靜態和動態特性等進行了深入的仿真和實驗驗證[118]。2012年，西安交通大學陳梁遠等設計了一臺C形定子鐵心的動鐵心式LOM，原理類似電磁繼電器，通電后定子對動子產生單相吸合作用力，結構如圖38所示[119]。

圖38 陳梁遠設計的動鐵心式LOM

2017～2020年，華中科技大學李想等在文獻[103]的研究基礎上，對拓撲結構進行了改進創新，提出了若干新型結構的定子永磁型橫向磁通動鐵心式直線振蕩電機，進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鐵心式LOM

通過三維磁路建模分析，李想等對所提出的新結構電磁特性進行了深入研究[122-123]；同時引入自適應全階觀測器，成功實現了該新型電機的諧振頻率跟蹤控制和無傳感器位移辨識[124-125]，為后續的產品設計開發奠定了較為堅實的基礎。

綜上所述，對三類電機的特點及適用范圍總結歸納見表1。從表1中可以看出，在定子勵磁方式上，動圈式和動鐵心式LOM比動磁（鐵）式LOM更多樣，對應的定子結構設計也更靈活。從氣隙和動子結構方面比較，動圈式和動磁式LOM均為雙氣隙，動子結構均較復雜，而動鐵心式LOM則為單氣隙，動子結構最簡單。因此，加工上動磁式LOM對工藝的要求最高且運行可靠性差，動鐵心式則對工藝要求較低而運行可靠性最高。從功率、效率等方面看，動圈式LOM由于永磁體等效氣隙大，因此氣隙磁通密度難以提升，功率密度相對較低，而動磁（鐵）式LOM盡管承受側向力導致的高摩擦損耗，但由于其功率密度較高，因此效率依然較高，動鐵心式LOM雖然功率密度也稍低，但在定子上引入永磁體勵磁后，該類電機在功率密度和效率方面均有望獲得進一步提升。從行程和頻率上比較，動圈式LOM動子質量較輕，因此響應速度快且頻率較容易提高，但飛線問題限制了其在工作行程，而動鐵心式LOM由于動子質量較重，對彈簧剛度要求較高，動磁（鐵）式LOM則介于兩者之間。根據三類LOM各自的綜合特性可知，動圈式LOM較適用于中小功率驅動及伺服傳動的應用場合，動磁（鐵）式和動鐵心式LOM則更適合于需要大功率驅動的應用。

表1 三類電機綜合特性對比

Tab.1 Comprehensive characteristics comparison of three types of LOMs

3 亟待解決的問題

結合前述LOM的理想特性以及大量的文獻調研發現，迄今關于LOM研究及產品開發中，雖然在拓撲結構、電磁設計等方面有了長足的進步，但是在定子鐵心、動子結構、定位力、電樞與永磁體磁路等方面仍然存在一些問題，具體總結如下。

3.1 定子鐵心工藝

為節約空間，目前大部分LOM均采用圓筒型結構，由此帶來了定子鐵心成型難度大等問題[126]。傳統結構LOM均采用平行磁通的磁路設計，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）采用實心電工純鐵。這種定子鐵心通常應用于動圈式LOM中，比較容易加工成型，然而缺陷也很明顯，即鐵心內渦流損耗高，不利于電機的散熱和效率提升。

（2）采用圓周疊壓硅鋼片。這種定子鐵心被廣泛應用于Redlich型LOM中，并隨著該類電機的產業化應用而得到迅速推廣。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。相關研究表明，此種硅鋼片疊壓方式面臨工藝復雜、疊片系數較低（通常在0.6～0.8之間，遠低于常規硅鋼片疊片系數0.95）等問題[127]，嚴重降低了永磁材料利用率和電機推力密度[128]，嚴重時將導致推力下降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定子更大的設計自由度，具有加工成型方便、渦流損耗小等優點[129]。然而，因SMC材料的磁學和力學性能遠不及硅鋼片，其磁導率和飽和磁通密度相對較低，進而明顯降低了LOM的推力密度；同時，SMC較寬的磁滯回線使得在LOM正常運行頻率范圍內，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電機無異，是最成熟且簡單的定子鐵心工藝。相對于Redlich型LOM而言，為了采用軸向疊壓技術，必須把LOM電機的磁路從平行磁通改為橫向磁通路徑：在此情況下，電機的定子線圈存在端部，面臨體積大、銅耗高、永磁體漏磁大等問題，嚴重限制LOM的輸出能力。

3.2 動子結構復雜

動子結構復雜的問題廣泛存在于動磁式LOM中，這主要是由永磁體的力學特性差所導致的。由于要跟隨動子一起高頻振動，因此，永磁體必須輔以高強度的保持支架，一方面克服其與鐵心之間的吸引力，另一方面對永磁體進行防護，其結構如圖41所示。

圖41 動磁式LOM動子結構

在實際運行中，支架必須具備強度高、質量小等特點，否則會增加系統對彈簧剛度的要求。同時，支架會增加LOM動子的復雜度，尤其是外延至與彈簧連接處的區域，需要特殊的鈑金、焊接和鏤空工藝制造，同時必須通過安裝精度及疲勞壽命的嚴格要求。此外，因動子始終處于高頻往復振動狀態，永磁體的耐久度和可靠性將面臨很大考驗，尤其是機械氣隙較小時，永磁體容易與定子產生擦碰而破碎，從而影響系統的正常工作。因此，在工藝不夠成熟的前提下，難以通過減小動磁式LOM的機械氣隙來獲得較高輸出推力。

3.3 電樞與永磁磁路串聯

動磁（鐵）式LOM或帶永磁體的動圈式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路徑，如圖42所示。因此，電樞繞組產生的退磁磁動勢一定會直接作用在永磁體上，對永磁體工作點產生顯著影響。當應用場合的環境溫度較高時，過高的退磁磁動勢極易導致永磁體工作點跌落至拐點以下，進而造成不可逆退磁。因此，傳統的永磁直線振蕩電機對永磁體牌號、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計自由度。

圖42 動圈式和動磁式LOM電樞磁路與永磁體

3.4 定位力低

若不配合機械彈簧來實現短行程內的高頻往復運動，則對LOM系統的響應速度要求極快并且對算法要求很高，需要頻繁地控制電機正、反向地起動和制動，能耗也較高。因此，絕大多數LOM工作時必須配合機械彈簧才能構成受迫簡諧振動系統，一方面利用機械式的彈性回復力進行復位，另一方面則是利用機械諧振的頻率特性使電機達到共振狀態，從而以最小電流輸出最大位移，達到節能的效果?；貜土瓤梢杂蓹C械彈簧單獨提供，也可以由動子所受的定位力與機械彈簧共同提供，前者對機械彈簧剛度需求大，而后者則相對小，可以減小彈簧及其支架的體積質量，并降低裝配難度。然而從前述文獻的調研來看，絕大部分的直線振蕩電機，其動子定位力關于位置的曲線斜率均較小，尤其是動圈式LOM以及經典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所需回復力幾乎完全依賴于外加的機械彈簧，以致動子結構復雜，與彈簧連接處強度要求很高，從而導致如下不足：①外加機械彈簧不可避免地增加了電機體積，擠占了一些應用中本就有限的可用空間，如冰箱壓縮機、呼吸機、便攜式移動制冷設備等；②在高頻運行工況下，機械彈簧將面臨疲勞和失效等問題，將降低LOM安全可靠性，縮減使用壽命，增加維護成本等。

文獻[73]提出在動磁（鐵）式LOM兩端添加軸向磁軸承，以形成磁性彈簧而取代機械彈簧，通過在工作磁路外構建“氣缸—定子鐵心—動子實心鋼環—動子永磁體—動子SMC端環”間的附加磁路以產生與動子位移反向的吸引力，具體結構如圖44所示。

圖44 附加磁性彈簧的動磁式LOM

然而，該LOM并非利用電機本體的氣隙磁場與動子間的定位力來復位，而是依賴于附加的結構，將面臨如下兩個問題：①添置的磁彈簧給電機帶來了附加的體積、質量和電磁損耗，具體見表2。磁性彈簧附加的損耗約占總渦流和鐵心損耗約27%，整個系統既不經濟也不高效；②多數情況下，系統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，將嚴重影響系統的輸出機械特性。

表2 文獻[73]設計的動磁式LOM在14Hz下的損耗分布

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

4 發展趨勢展望

綜上所述，作為直線往復驅動器，LOM系統可以直接進行驅動及能量轉換，在一定程度上可有效解決傳統的“曲柄連桿+旋轉電機”傳動方式所面臨的體積大、傳動效率低、振動噪聲高等缺點，并已逐步在一些工業場合得到應用。然而，作為近年發展起來的新興技術，LOM及系統在實際運行時，受到電機拓撲結構、材料屬性及加工工藝、電磁及參數非線性、負載時變性等多種因素影響，其關鍵性能指標（如推力、效率等）很難充分發揮，嚴重時甚至會惡化電機驅動性能。為進一步提高運行效率、安全性及可靠性，減小體積及質量，降低機械振動及噪聲等，未來亟需從如下方面對LOM電機及系統開展進一步的研究，進而全面提升系統的驅動能力。主要發展方向及研究內容包括：

1）低加工難度的鐵心磁路設計

現有的適合于定子加工LOM的鐵心材料中，硅鋼片是磁學和力學等綜合性能較好且較穩定的。然而，現有的平行磁通的磁路設計使得硅鋼片疊壓工藝過于復雜，加工精度要求較高。因此，未來研究的重點可以放在磁路設計的改進上，可采用橫向或混合磁通式的磁路設計來進一步降低工藝復雜性[131-133]。

2）定子永磁型拓撲結構

相比于動磁（鐵）式LOM，定子永磁型LOM具備動子可靠性高等優勢，一方面能直接解決動子結構復雜，永磁體承受振動應力的問題，在某些對可靠性要求較高的應用場合具有顯著優勢；另一方面，將永磁體移至定子側，有利于散熱設計，且能給該類電機的磁路帶來更多靈活的選擇[134]。

3）高推力密度

LOM的應用場合通?？臻g狹小，對電機的體積有很嚴格的限制。如何在有限的體積內輸出更高的驅動力，是所有LOM的共同追求[135]。其中關鍵點在于，如何在滿足有限空間內的溫升限制前提下，進一步提高電機的電磁負荷，進而獲得更強的輸出能力[136]。

4）高線性定位力

負線性的定位力可構成磁性彈簧，降低LOM對機械彈簧的依賴；甚至在定位力斜率足夠高、等效磁性彈簧剛度夠大時，可省略機械彈簧，從而進一步縮小電機體積，提高運行的安全可靠性。因此，如何在不增大電機體積的前提下，利用電機本身的工作磁場構造磁性彈簧，并在保證定位力線性度的前提下盡可能提高其關于位置的斜率，是未來研究的重點之一。

5）高抗去磁能力

LOM特殊的工作原理，決定了其永磁磁場一部分區域必然被電樞磁場增強，而另一部分被削弱。從現有文獻調研情況看，目前大多數的LOM永磁體與電樞磁路均為串聯，這使得兩者磁場在永磁體內存在反向疊加，導致永磁體工作點對電流極為敏感，尤其在溫度高的工作環境中更容易在反向電樞磁場的作用下移動至拐點以下，造成不可逆退磁。因此，如何對永磁體進行防失磁設計，提高其抗去磁電流能力，對提高LOM的可靠運行及拓寬過載能力至關重要。

6）無傳感器絕對位置檢測

無傳感器位置檢測技術可以省略位移傳感器，降低LOM系統的體積和成本，提高可靠性，是未來工業化應用的發展趨勢[137]。然而，目前基于電壓電流的位置辨識算法中，大多估計的是LOM的相對位置，無法針對變負載變工況下的動子絕對位置進行更準確的觀測，從而不能很好地保證系統運行的安全可靠性。因此，如何在無位移傳感器的情況下準確辨識LOM動子的絕對位置，對提升整個電機驅動系統的輸出能力、控制精度和安全可靠性至關重要。

5 結論

本文對LOM的拓撲結構、等效模型、電磁特性分析及設計等方面進行了總結，梳理了LOM拓撲結構的發展演變及應用現狀，歸納總結了LOM存在的問題及指出了下一步亟須發展的重要方向及關鍵技術。簡而言之，LOM應盡可能保證永磁磁鏈線性、定位力負線性，以及電感位置不變，確保其響應特性盡可能接近理想受迫諧振系統。通過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機械彈簧依賴，進而有效地縮小電機及系統的體積。為進一步提高LOM運行的安全性和可靠性，不斷拓展其工業化應用場合，亟須優化LOM拓撲及磁路設計，簡化鐵心和動子結構，降低加工難度，提高永磁體抗去磁能力等。

由于LOM系統具有體積小、振動噪聲小、傳動效率高等優點，LOM系統是成為往復直驅工業場合的重要驅動方式。隨著理論發展和技術革新，LOM系統必將在制冷工業、新能源發電、智能裝備制造等眾多領域獲得廣泛的應用，更好地服務于國家的“碳達峰、碳中和”發展戰略，為國家和社會創造出巨大的經濟效益。

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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

國家重點研發計劃金磚國際合作重點項目（2018YFE0100200）、國家自然科學基金面上項目（51877093）、湖北省重大科技創新項目（2019AAA026）、深圳市基礎研究專項（自然科學基金）基礎研究面上項目（JCYJ20190809101205546）、廣西自然科學基金（2021JJB160171）和廣西大學“高層次人才”引進科研啟動項目（A3020051028）資助。

2021-06-24

2021-08-04

徐 偉 男，1980年生，教授，博士生導師，研究方向為直線電機系統及其控制。E-mail：weixu@hust.edu.cn

李 想 男，1993年生，助理教授，研究方向為直線振蕩電機及系統分析與設計。E-mail：xiangli@gxu.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）