在永磁旋轉電機中，當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，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］。

　　永磁直線電機的結構與推力的關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，設計合理的旋轉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構在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)磁場的分布可以認為是沿y向不變的。

　　即電機的推力跟橫向寬度a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果。計算結果再乘以電機的實際有效寬度即為電機的實際分析結果。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。設計電機采用單層繞組結構，忽略端部效應的情況下，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。基于永磁直線電機的這種結構特點，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。可以表示為：F＝P2△Fx（3）式中P為電機的極數(shù)，△Fx為單位橫向寬度兩極電機的額定推力。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)化設計。

　　永磁直線電機的設計方法永磁直線電機的常規(guī)設計方法參考永磁旋轉電機的設計方法，設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計所要達到的性能指標：額定推力FN、*大推力Fmax等。

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

　　結語通過類比旋轉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。在此基礎上，提出了兩極單元直線電機的設計方法，簡化了平板式永磁直線電機的設計過程，為將來直線電機的系列化設計提供了依據(jù)。*后按照該設計方法完成了一臺額定推力為3000N的樣機設計。通過推力與定位力的實驗測試，樣機的性能與設計性能基本相符。