图1 LOM等效的受迫谐振系统
Fig.1 Equivalent forced resonance system of the LOM
摘要 直线振荡电机可直接产生直线往复驱动力，具有无运动转换机构、传动效率高、振动噪声小等优势，在直线压缩机、斯特林制冷机、热电联产设备、振动能量回收等众多领域具有广泛的应用前景。该文首先详细阐述了直线振荡电机的工作原理，并在此基础上依据理想受迫谐振系统的要求，归纳了该类电机电磁特性的设计目标；其次，以时间为序，分类介绍了直线振荡电机的发展沿革和研究现状，包括各类电机的优缺点、拓扑结构以及应用变迁等；然后，以文献调研为基础，总结了目前该类电机普遍存在的四个方面的问题；最后，从工业应用需求出发，详细讨论了直线振荡电机在工艺、电磁特性和控制策略等方面存在的难点及关键问题，并对未来发展趋势进行了展望。
关键词：直线振荡电机 谐振系统 电磁特性 拓扑结构 关键问题
在众多的社会生产实践中，大量的工业应用需要实现直线往复驱动以达到生产目的，其中典型的如活塞式压缩机系统、自由活塞发电系统以及振动能量回收系统等。然而，目前绝大多数这类工业设备所采用的方案，仍以“旋转电机+运动转换机构”的间接传动形式为主[1]，其运动转换机构通常为滚珠丝杠或者曲柄连杆等，存在着体积大、摩擦点多、部件易磨损和传动损耗高等显著缺陷，极大地降低了该类工业应用的能效水平，造成了资源与能源的浪费，导致过量的CO2排放。
直线振荡电机（Linear Oscillatory Machine, LOM），顾名思义，是能够直接实现电能与直线往复机械能相互转换的换能机构。与传统传动方式相比，采用直线振荡电机直驱的系统，在理论上不依赖运动转换机构，具有体积小、无侧向力、传动效率高等天然优势，是需要实现直线往复运动的工业应用最具潜力的替代驱动器[2]。
本文首先以永磁LOM为例对其工作原理进行阐述，并以理想受迫谐振系统要求为依据，归纳其电磁特性设计要求；其次，回顾国内外学者对三类LOM的研究成果和技术发展现状，并归纳总结出普遍存在的技术难题；最后，对LOM未来的发展趋势进行了展望，并讨论了下一步亟待解决的若干关键问题。
直线振荡电机之所以不依赖转换机构实现往复运动，主要是利用了受迫简谐振动的原理：动子与弹簧构成谐振系统，定子通过机电能量转换向动子施加周期性往复电磁驱动力Fi(t)，驱动动子按相同频率振动并以一定振幅x(t)对外输出轴功率，如图1所示。
该系统的机电耦合关系表述为
图1 LOM等效的受迫谐振系统
Fig.1 Equivalent forced resonance system of the LOM
（1）
式中，m为动子质量；ke为永磁LOM自身定位力等效的磁性弹簧刚度；k0为机械弹簧刚度；c0为系统阻尼系数；ψpm为永磁磁链；L为定子电感；Fem为电磁力。通常情况下，永磁LOM的电磁力由三大分量构成，第一部分为永磁推力，第二部分为磁阻推力，第三部分为定位力，表达式为
（2）
式中，Wpm为永磁体磁储能。由式（2）可看出，只有永磁与磁阻推力与电流有关，两者之和才是由外部输入电能转换而来的驱动力Fi(t)，前者与电流成正比，后者与电流的二次方成正比。而定位力与电流无关，是永磁体与铁心之间的固有吸引力。直线振荡电机受迫谐振系统的响应框图如图2所示。
图2 直线振荡电机系统响应框图
Fig.2 Operation principle of the LOM
理想的受迫简谐振动激励和响应，通常可以表述为时间的弦函数。类似地，对于直线振荡电机而言，要想获得类似理想受迫简谐振动的输出特性，则直线振荡电机的特性必须满足一定的前提条件。从图2中可以看出，即使在理想弦函数的外加电压激励下，要确保系统的电气和机械响应也为理想弦函数波形，那么系统中的永磁磁链、电感和定位力必须满足必要条件：
（3）
式中，ki、ke均为常数；i(t)和x(t)均为时间的弦函数。由此可知，式（3）反过来对直线振荡电机的电磁方案的设计过程提出了明确的要求，即在电机的电磁设计过程中，其电磁特性应尽可能地接近其理想情况，否则系统性能很难充分发挥。
由上述必要条件可知，在设计直线振荡电机时，理想情况下，其静态特性，即动子处于行程范围-xm～+xm内任意位置时，应当满足如下设计要求：
（1）绕组交链的永磁磁链关于位置呈线性变化。前述必要条件中，无论绕组位于定子或动子上，其所交链的永磁磁链关于位置的偏导数应为常数，即其波形为一条斜率为ki的直线，如图3a所示，这保证了永磁磁链与位置为简单线性关系；即使在动态情况下，动子位置为弦函数时，永磁磁链也同为弦函数，即永磁体在绕组中感应的反电动势也为弦函数。
图3 绕组交链的永磁磁链理想特性曲线
Fig.3 Ideal characteristics of the PM flux linked with winding
（2）定位力关于位置呈负线性变化。定位力的本质为保守力，因此其平均功率恒等于零，无法对外做功，但却对系统的机械响应影响较为显著。由前述必要条件可知，定位力最理想的情况应当满足胡克定律，即与位置呈负线性相关，理想定位力曲线如图4所示，相当于在系统本身的机械弹簧的基础上串联了一个弹性系数为ke的磁性弹簧。因此，为充分发挥系统性能，必须对定位力进行合理设计，确保斜率幅值ke尽可能地大：既保证机械响应为弦函数，又能增大谐振系统的刚度，提高谐振频率或降低系统对机械弹簧的依赖程度。
图4 理想定位力曲线
Fig.4 Ideal characteristics of the detent force
（3）定子电感不随位置变化。前述驱动力分别由永磁推力和磁阻推力构成，但由于后者与电流的二次方成正比，因此磁阻力交变频率为电流频率的两倍，少部分磁阻型直线振荡电机可以利用磁阻力作为驱动力，如图5所示。
图5 磁阻式直线振荡电机
Fig.5 Switched reluctance linear oscillatory machine
通常情况下，该类电机绕组线圈必须采用电流非连续的供电方式，如图6所示，电流非连续供电方式将导致绕组利用率和推力密度低等问题。
图6 电流非连续供电方式
Fig.6 Power supply with inconsistent current
在引入永磁体励磁后，为充分利用永磁体和线圈绕组，大多数的直线振荡电机都采用电流连续的供电方式。在电流为连续弦函数的情况下，磁阻分量会在驱动力中引入倍频分量，如图7所示。
从图7a可知，磁阻推力会导致驱动力波形畸变，进而影响机械输出特性；从图7b可知，磁阻推力与速度基波的乘积为奇函数，因其平均值恒为零而无法对外做功。因此，对于电流连续供电的直线振荡电机，其最理想的电磁设计方法为：应尽可能降低电感对位置的敏感性，其理想的特性曲线如图8所示。
图7 电流为连续弦函数时直线振荡电机电磁力与功率
Fig.7 Electromagnetic force and power of LOM under consistent sinusoidal current
图8 定子电感理想特性曲线
Fig.8 Ideal characteristics of stator inductance
此时，驱动力Fi(t)仅由永磁推力构成，与电流之间仅存在ki倍的比例关系，当电流为弦函数i(t)=Imsin(ωt+φ)时，直线振荡电机的位移响应为
（4）
式中，φ为功率因数角；ω0为机械固有频率，由ke、k0和m共同决定，满足关系式
（5）
按照定子绕组相数分类，LOM可分为单相和三相两大类，其中前者适用于中小功率、短行程、需要高频往复驱动的应用，而后者更适用于大功率、长行程、往复频率低的应用，相关特点是由两者的结构及运行原理决定的。三相LOM与普通直线电机一样，依赖定子行波磁场与动子磁极的相互作用产生电磁推力，其行波磁场的大小、与动子磁极间夹角及运行方向，决定了推力的大小和方向[3-4]。因此，当三相LOM需要输出往复驱动力时，既要控制行波磁场的大小、相位，又要控制其方向。一旦行程缩短、频率增高时，LOM的动子在行程范围内几乎不存在匀速区域，其运动控制过程将变得极为复杂。三相LOM不同动子速度下的反电动势波形如图9所示。
图9 三相LOM不同动子速度下反电动势波形
Fig.9 Back electromotive force of three-phase LOM under different mover speed
图9a为匀速运行，反电动势为正弦波形，幅值恒定；图9b为正弦规律变化的速度运行，其各相反电动势幅值不再对称，其运动控制十分复杂。为此，在短行程高频往复应用中，三相LOM通常被用作发电机而非电动机[5]。
而单相LOM则相反，其电枢磁场为单相脉振磁场而非行波磁场，虽然无法像行波磁场一样实现跨极距的推力输出，但可直接产生同频率往复驱动力，只需要控制力的幅值而不需要控制其方向。由于受相数的限制，其单机功率则低于三相LOM，更适合功率要求不高、高频、短行程的应用场合[6]。
除了上述按电枢绕组相数来分类外，LOM更为常见的是按动子组成结构进行分类，如图10所示，可分为动圈、动磁（铁）和动铁心式三大类[7]。顾名思义，动圈式LOM的动子上运动受力部件为通电线圈；动磁（铁）式LOM的动子上运动受力部件为永磁体（其中，永磁体既可单独用非导磁材料支撑，也可表贴或内嵌于动子铁心上）；而动铁心式LOM的运动受力部件则仅为叠压铁心。以下将对三类电机的研究现状进行综述，并归纳总结出各自的优缺点。
图10 三类LOM结构示意图
Fig.10 Structures of three types of LOMs
2.2.1 动圈式
动圈式LOM的驱动力来自通电导体在磁场中受到的安培力，因此，只要动子线圈处于恒定磁场中并被通入交变电流，即可获得随电流同频率交变的驱动力，驱动动子往复运动。该类电机的基本结构由定子磁极、动子线圈与动子支架三大部分组成，由于结构和原理与扬声器中的发音线圈类似，因此也常被称为音圈电机[8]。根据动子线圈与定子磁极的轴向长度关系分类，可将动圈式LOM分为长线圈与短线圈两种类型，如图11所示：其中长线圈型LOM只有一部分线圈位于定子磁极的包覆下；而短线圈型LOM的全部线圈均位于定子磁极包覆下。整体而言，两类动圈式LOM的优缺点可简述如下[9]。
图11 动圈式LOM分类
Fig.11 Classification of the moving-coil LOM
长线圈型：①优点在于定子磁极包覆的导体数多，相同载流能力下线圈产生的安培力大，推力高；②缺点则是动子端部未进入定子磁极包覆下的导体也会产生损耗，损失一部分效率，且动子质量和线圈电感也相对较大，响应速度慢。
短线圈型：①优点是动子质量轻、电感小、动态响应迅速，且所有导体均可产生安培力，线圈利用率高；②缺点是磁极包覆导体少、推力低。需要特别指出的是，系统机械响应速度与线圈长短、质量和推力大小等因素密切相关，因此在系统优化设计过程中，需要综合考虑磁极大小、线圈长度、动子质量等因素，确保能获得良好的动态性能。
动圈式LOM由于要给线圈留出运动空间，因此定子磁极的工作气隙大，铁心材料一般都工作在线性区域，推力与电流呈线性关系，其控制过程相对简单，并且动子线圈上不存在侧向力，也不会产生转矩，因此动子的装配较为方便，对支撑强度的要求也不高。然而，该类电机的缺陷也是显而易见的，主要包括：①线圈位于动子上，所产生的热量较难向外传导，容易导致线圈温升过高，无法承受长时间的大电流输入，进一步限制了推力密度的提升；②运动线圈的端子必须引出，因此存在显著的飞线问题，长时间运行可靠性低，寿命有限。因此，动圈式LOM不适用于大功率、长行程、高耐久度、高可靠性的工业应用场合。
由于原理简单，结构易加工，动圈式LOM的研究早在20世纪初就引起了学术界的关注。学者L. Potois获得了一种动圈式LOM的发明专利，并设想其应用于驱动泵类负载。由于当时永磁材料性能不佳，因此该电机的定子磁极采用电励磁方式，导致设备体积较大，效率不高。随着汽车工业的迅猛发展，动圈式LOM在20世纪30～50年代获得了一定的发展，J. B. Parson、J. Dikey、G. Nahaman等相继提出了一系列用于发动机燃油泵的动圈式LOM[10-12]，并对其在汽车工业中的初步应用进行了探索研究。1954年，Dolz将动圈式LOM应用于制冷工业中，提出了Dolz线性制冷压缩机，其LOM结构为长线圈型，如图12所示。由图12得知，该结构以采用永磁磁极替代电磁极励磁，从而明显缩减了电机的体积，并提高了系统效率[13]。
图12 Dolz线性压缩机
Fig.12 Linear compressor invented by Dolz
因结构紧凑、体积小、质量轻、谐振频率高等特性，动圈式LOM非常符合微型低温制冷器的应用需求，自问世以来就在小功率深低温制冷领域引起了科研人员及研究机构的高度重视[14]。1976年，飞利浦公司成功研制出第一台采用动圈式LOM直驱的单缸斯特林制冷机[15]，即当线圈中通入交流电时，活塞就被直接驱动，从而压缩工质输出压力波，达到很好的制冷效果，其结构如图13所示。
图13 飞利浦公司动圈式斯特林制冷机
Fig.13 Moving-coil Stirling refrigerator of Philips
紧随其后，牛津大学的G.Davy博士采用类似的动圈式LOM直驱方式，成功研制出了长寿命斯特林制冷机，在80K环境温度下具有0.8W的制冷量，并成功应用于空间卫星上，其电机结构如图14所示[16]。该结构首次采用柔性板弹簧同时提供支撑力和回复力，有效地降低了摩擦力，极大地延长了使用寿命，节省了空间并提高了效率。20世纪80年代末至90年代初，为进一步降低机体振动，研究人员又将目光转移至双活塞对置式斯特林制冷机上来，其驱动电机采用双线圈对置式LOM，如美国Sunpower公司研制的产品，它可通过活塞的相向运动，显著降低机体振动及噪声[17]。
图14 动圈式LOM直驱式牛津型斯特林制冷机
Fig.14 Oxford Stirling refrigerator directly driven by moving-coil LOM
在此之后，经过20多年的努力，动圈式LOM应用于星载斯特林制冷机的技术日趋成熟，并走向产业化，其中较为知名的企业和机构主要集中于欧美以及东亚的日韩等国。1996年，美国学者B. Lequesne给出了动圈式LOM运动周期、行程和散热极限之间的闭环公式，并基于所建立的关系式对永磁磁极进行了优化设计，对不同结构电机性能做了对比分析[18]。韩国学者Deuk等于2002年跟进上述研究，研发了行程为7mm的动圈式斯特林制冷机，达到负载最低温度47K，且72K下制冷量达0.5W[19]。两年后，同为韩国学者的D. H. King等通过采用分布式永磁体的排列方式，克服了正负行程推力幅值不等的问题[20]，降低了驱动器的电压需求。2009年，以色列学者A. Veprik为进一步解决动圈式单活塞斯特制冷机的机械振动问题，通过串联动态反平衡器[21]，几乎完美地吸收了谐振点的机械振动。2010年， Xu Zhaoping等提出了用于自由活塞内燃发电机的动圈式LOM，并利用Quasi-Halbach永磁体阵列提高了气隙磁通密度并降低了推力波动，结构如图15所示，获得了更高的运行频率和更快的机械响应，也进一步拓展了LOM在混合动力汽车中的应用前景[22]。
图15 动圈式自由活塞内燃发电机
Fig.15 Moving-coil free-piston generator
2016年，T. Teo等利用动圈式LOM作为“直线-旋转”电机中的直线驱动模块，证明其快响应特性非常适合用做直线往复螺旋作动器的驱动电机，实现了20μs的响应跟踪速度[23]。2018年，P. Eckert等则瞄准汽车半主动悬架系统，提出了利用Quasi-Halbach无铁心动圈式LOM代替机械式“弹簧-避震器”的半主动悬挂，如图16所示。由于取消了铁心，该电机铁心损耗低且推力波动小，并具有较高的推力密度[24]。
图16 半主动悬架用无铁心动圈式LOM
Fig.16 Coreless moving-coil LOM for semiactive suspension
同年，新加坡制造技术研究院的Zhu Haiyue等设计了一台圆筒型内外双层永磁结构的动圈式LOM，用于纳米级电磁定位器的驱动，如图17所示。通过多物理场优化设计，该结构及方案可使推力-电流灵敏度提高56.2 %，并有效降低了约43%的绕组铜损耗[25]。
图17 圆筒型内外双层永磁动圈式LOM
Fig.17 Tubular double-layer magnets moving-coil LOM
相对国外相关工作，国内对动圈式LOM的研究则起步较晚，多集中于科研机构和高校内部，鲜有来自企业界的研发团队，且初期的主要应用领域多集中在制冷压缩机方面。1991～1995年，西安交通大学顾兆林等成功研制了如图18所示的动圈式LOM直驱的多级高压压缩机[26-27]。
图18 顾兆林等研制的动圈式多级高压直线压缩机
1—Ⅳ级气缸 2—Ⅰ级气缸 3—磁轭 4—永磁体 5—线圈 6—板弹簧 7—轴 8—Ⅱ级气缸 9—Ⅲ级气缸
Fig.18 Multi-level high-pressure moving-coil linear compressor developed by Zhaolin Gu
1999年，合肥电子工业十六研究所的张永清等设计研制了一台1.75W/80K的双动圈LOM驱动的对置式斯特林制冷机[28]，并给出了相应的实验验证，并于2003年进一步研制了一台1W/80K的分置式斯特林制冷机[29]。2003年，浙江大学叶利洪等设计了一台动圈式直线压缩机，并对其结构进行了优化设计[30]。2005年，西安交通大学阎治安设计了一台动圈式直线压缩机，电机效率达到了85.3%[31]，显著高于传统单相异步电机。同年，华中科技大学陈幼平等研制了一台用于高频伺服系统的动圈式LOM，如图19所示，并给出了该类电机固有特性的实验测量方法[32]。
图19 文献[32]研制的动圈式伺服LOM
Fig.19 Moving-coil servo LOM developed in Ref.[32]
与此同时，浙江大学化工机械研究所马振飞等也对冰箱直线压缩机用动圈式LOM进行了研究，设计了一台活塞直径30mm，运动质量0.9 kg的样机，并针对摩擦力、气体力、电阻及等效电感、附加电容、静态位置、共振弹簧刚度等因素对压缩机性能的影响进行了详细的理论分析[33-34]。2007年，华中科技大学丁国忠等也开发了双动圈式LOM驱动的对置式斯特林制冷机，实现了80K下1W的制冷输出[35]，同时也获得了一定的减振降噪效果。2010年，浙江大学李志海提出用沿圆周排列的硅钢片代替电工纯铁作为定子磁轭，以降低动圈式LOM的涡流损耗，设计并优化了一台动圈式直线压缩机[36]。2011年，浙江大学制冷与低温研究所的周文杰设计了国内首台直线臂板弹簧支撑的动圈式斯特林脉管制冷机，如图20所示：在7A电流驱动下推力可达231.7N；在40Hz/540W的输入功率下，系统可在80K的低温下获得4.5W的制冷量[37]。2012年，浙江大学赵鹏采用有限元方法对动圈式直线压缩机的磁路和机械系统进行了结构上的优化，有效降低了机械阻尼，提高了系统效率[38]。
图20 直线臂板弹簧动圈式直线压缩机
1—机壳 2—板弹簧 3—支架 4—内磁轭 5—基体 6—气缸 7—活赛 8—外磁轭 9—永磁铁 10—线圈
Fig.20 Moving-coil linear compressor with triangle flexure bearings
其后，动圈式LOM在国内的应用范围开始由最初的制冷工业，不断拓展到其他应用。例如2012年，兰州理工大学杨逢瑜等设计了一台应用于直线马达的动圈式LOM，它由3组线圈5块环形Halbach永磁体构成，能将推力提高2.5倍，且动态频宽达277Hz[39]。2017年，南京理工大学刘念鹏等设计了一台用于单活塞四冲程自由活塞发电系统的圆筒型直线动圈式LOM，实现了0.6ms的快速响应，获得了95.2%的发电效率[40]。2020年，山东理工大学的王俊源等对一种用于约束活塞内燃发电机的动圈式LOM进行了结构优化，采用Halbach永磁体阵列有效降低了磁轭饱和度，并提高气隙磁通密度，使得相同负载电阻下输出电流提高了18.6%。同年，太原理工大学许小庆等将动圈式LOM用作电液比例阀驱动器，获得了开环阶跃输入下15ms的响应速度[41]。此外，在尖端智能手机领域，动圈式LOM也有不俗表现：如2020年，台湾国立中正大学的C. L. Hsieh等研发了一款5自由度动圈式LOM[42]，用于驱动手机摄像头模组，具有高效、高稳定性、快速响应等优点；在0°和90°倾角下，自动对焦和光学防抖模式的最快位移跟踪响应速度可达到2.8ms和6.6ms。
2.2.2 动磁（铁）式
随着高性能永磁体的发展，尤其是高磁能积的钕铁硼永磁体的成功研制，使得动磁（铁）式LOM成为了近年来的研究热点[43]。该结构的动子所受驱动力的来源，可简单归纳为定子电磁极与动子永磁极间的相互作用力：当定子电枢通入交变电流时，定子上产生极性周期性交变的磁场，此时动子永磁磁场极性恒定，因此极性交变的定子磁场会周期性的吸引或排斥永磁体，进而产生往复驱动力，实现直线往复运动。该类电机的基本结构由定子磁极、动子永磁体和动子支架构成，其中永磁体可以嵌于高强度的非导磁材料制成的动子支架上，也可以表贴或内嵌于铁磁材料上：前者称为动磁式LOM，后者称为动磁铁式LOM，其结构如图21所示。
图21 动磁式与动磁铁式LOM结构差异
Fig.21 Structural difference between moving-magnet and moving-magnet-iron type LOM
由于两类电机在工作原理上并没有本质区别，因此本文将两者统一归为一类，即动磁（铁）式LOM。其中动子结构的些许差异给两者带来的优缺点，可以归纳如下：
1）动磁式LOM的优势在于动子质量较轻，因为在相同永磁体使用量的情况下，高强度非导磁材料的质量轻于导磁背铁；相比于动磁铁式LOM，其缺陷则在于包含了内外双气隙，装配难度高，并且对动子支架强度要求高。
2）动磁铁式LOM的优势在于电机为单气隙，装配简便；缺陷则在于动子背铁除了用于固定永磁体外，还需为其磁通提供闭合回路，因此厚度增加，动子质量显著增大，对弹簧刚度要求高，且响应速度慢。
动磁（铁）式LOM由于采用了高性能永磁体，仅利用少量的永磁体就能提供大量的磁通，可使得电机的体积显著缩小，结构更紧凑，推力和推力密度也更高，并且线圈位于定子上，动子上无电端口，方便线圈散热的同时，又有效地避免了飞线问题。但也正是因为动子结构的改变，给电机带来了一些固有缺陷，主要包括：①由于永磁体位于动子上，相比于动圈式直线振荡电机，在气隙不均匀时，会产生侧向力，从而对加工精度和动子支撑强度提出了更高的要求；②永磁体作为受力运动的部件，需要获得较好的防护，因此对动子支架的设计要求较高[44]。
动磁（铁）式直线振荡电机虽然存在上述固有缺陷，但总体而言，高性能永磁体给该类结构的驱动能力带来了很大的提升。为此，该结构近年来备受学术界和工业界的广泛关注，尤其在冰箱、斯特林制冷机等领域潜力巨大，相关研究工作层出不穷，在理论和技术方面进步显著。早在20世纪80年代，美国Sunpower公司就着手开发动磁式LOM[45]，并得到了美国环保署的大力支持，于1994年推出了第一台直线压缩机样机，并将其成功应用于无氟冰箱上[46]。该压缩机的基本结构如图22所示，其电机为圆筒型结构，永磁体由动子支架保护，同时活塞与气缸构成间隙密封。
图22 Redlich型直线压缩机基本结构
Fig.22 Basic structure of Redlich linear compressor
圆筒结构虽然增大了加工装配难度，但却极大地降低了体积。该公司1999年于欧洲推出的一款冰箱压缩机，其直径不到100mm，输出最大140W的制冷量，最高性能系统（Coefficient of Performance, COP）达2.5[47-48]。由于该直线压缩机是其公司的R. Redlich博士及其研发团队开发的，通常将结构类似的直线压缩机统称为Redlich型直线压缩机，其驱动电机也称为Redlich型LOM。因为该类动磁式直线压缩机开创了非常成功的商业化应用模式，Redlich型LOM成为了该领域的重要参考模型，极大地推动了直线压缩机的发展。LG电子公司瞄准了动磁式直线压缩机的巨大应用前景，与Sunpower公司展开了长期的密切合作，投入巨资对Redlich型直线压缩机进行优化设计，包括电机、活塞、气缸及气阀等关键组件[49-51]，至今获得了超过700项国际专利，并于2004年成功研制了DIOS品牌双开门冰箱的Redlich型直线压缩机[52]，LG直线压缩机基本结构如图23所示：和传统“单相异步电机+曲轴连杆”的活塞压缩机相比，该系统效率提高了20%～30%，COP达1.8。其后，LG公司的研究人员还对动磁式直线压缩机进行了多方面的研究，进一步提出了众多Redlich型LOM改进拓扑、进排气阀结构以及弹簧组件等[53-56]。
图23 LG直线压缩机基本结构
Fig.23 Basic structure of LG linear compressor
Sunpower和LG两公司在动磁式LOM上的成功合作及商业化应用，掀起了学术界的研究热潮，并进一步推动了动磁式LOM的长足发展。1988年，针对电磁阀应用场合，通用电机实验室的B. Lequesne等设计了两种不同结构的的动磁铁式LOM，如图24所示：动子在长气隙中上下运动，其原理类似于继电器[57]。
1989年，美国C. H. Yang和S. A. Nasar研究了一种定子扁平U型的大行程动磁式LOM[58]，推力密度高达400 kN/m2。1992年，武藏工业大学的D. Ebihara设计了一种用于人工心脏的单线圈圆筒型动磁铁式LOM，总行程为14mm，动子结构得到了一定程度简化[59]。1995年，英国谢菲尔德大学的R. Clark等设计并优化了一台双线圈动磁式LOM，并分析了由于系统非线性导致的动态特性的变化[60]。2003年，该研究团队在之前的工作基础上，进一步研究了涡流效应对该电机的影响，结果表明涡流使电机效率下降了5%[61]。2004年，韩国汉阳大学 T. H. Kim等对比了表贴和内置式两种动磁铁式LOM的电磁特性，实验表明永磁体采用内置排布可降低动子加工难度，同时提高推力密度[62]。2008年，英国谢菲尔德大学的J. Wang等设计了一台直线压缩机用Redlich型LOM[63]，如图25所示，电机功率87W，总行程21mm，因动子永磁体采用了Quasi-Halbach阵列而移除了导磁背铁，从而降低了动子质量；同时，定子则改变了传统Redlich型外铁心圆周叠压的方式，采用了新型的软磁复合（Soft Magnetic Composite, SMC）材料，成功解决了以往Redlich型LOM定子分段叠压中所面临的工艺复杂等问题。
图24 B. Lequesne设计的电磁阀用动磁铁式LOM
Fig.24 Moving-magnet-iron LOM for solenoid valve developed by B. Lequesne
图25 J. Wang等设计的动磁式LOM
Fig.25 Moving-magnet LOM developed by J. Wang et al
SMC材料技术的日趋成熟，也为动磁式LOM的定子加工制造提供了新的解决方案，近年来不少研究中均采用了SMC材料作为LOM的定子铁心材料，有效拓展了定子结构。相对硅钢片定子铁心，SMC定子铁心不再存在分段间隙，对饼型绕组的包覆率可达100%，可极大地提高绕组利用率[64-66]。2008～2011年，谢菲尔德大学的X. Chen等提出了一系列的定子E型铁心（E-Core）SMC动磁铁式LOM[67-69]，对比研究了表贴和内置式动子结构对该类电机的影响，采用解析法明确了最优裂比的选取原则，并进行了相关实验验证。2014年，巴西Embraco公司推出了一款无油润滑的直线压缩机，如图26所示：动磁式LOM的外定子采用双边 E-Core构成，动子则由两块矩形磁钢和铸铝支架组成，制冷量在40～245W范围内可调，最大COP可达2.34，成为继LG之后又一成功实现直线压缩机商业应用的范例[70]。
图26 Embraco公司动磁式直线压缩机
Fig.26 Embraco moving-magnet linear compressor
2017年，土耳其Koc大学的A. Hussan等设计了一台外定子为E-Core的叠片型动磁式LOM，内外定子均为圆周分段叠压方式装配，并对其进行了详细的动态特性分析[71]。2018年，芬兰拉彭兰塔工业大学的P. Immonen等提出了一种用于车辆档位器的具有自保持功能的动磁铁式LOM，既可在通电情况下利用电磁力实现自动挂档，也能在无电流情况下利用定、动子之间的磁阻力使档位器保持吸合，确保不掉档[72]。同年，奥地利林芝大学的F. Poltschak等设计了一台无机械弹簧的动磁式LOM，借鉴了轴向被动磁轴承的原理为电机设计了一组对称的磁性弹簧，以克服机械弹簧接触点摩擦、疲劳寿命以及容易失效等问题[73]。2019年，瑞士苏黎世联邦理工S. Miric等设计了一台圆筒型磁悬浮动磁式LOM，利用径向主动磁浮轴承消除了动子的机械摩擦，获得了最大44N的连续驱动力和最高12.5g的轴向加速度[74]。2020年，日本大阪大学的A. Heya等设计分析了一台三自由度的动磁式LOM，通过三维磁路设计实现了动子在空间的三维振动，各轴总行程均为1mm[75]。
国内对动磁式LOM的研究起步也晚于国外。2005年浙江大学化工机械研究所的谢洁飞等研制出了国内首台冰箱用动磁式LOM，如图27所示：采用了平面E-Core结构，但在样机制造过程中存在中心轴难对准，摩擦损耗大等问题[76]。
图27 谢洁飞设计的动磁式直线压缩机
Fig.27 Moving-magnet linear compressor proposed by J. Xie
2007年，浙江大学夏永明等为解决Redlich型LOM定子叠压工艺复杂等问题，创造性地提出了一种双定子横向磁通动磁铁式LOM[77-78]，如图28所示：其叠片工艺与旋转电机无异，极大地降低了加工制造难度。同年，上海交通大学陈楠等则以Redlich型LOM替换传统的动圈式LOM，成功研制了国内首台大冷量动磁式LOM驱动的牛津型斯特林制冷机[79]，总行程达到10mm，运动质量为0.62kg。
图28 夏永明设计的双定子横向磁通动磁式LOM[77-78]
Fig.28 Double stator transverse flux moving-magnet LOM developed by Y. Xia[77-78]
2008年，浙江大学刘晓辉设计了一台Redlich型LOM直驱的空气压缩机，系该类LOM在大功率应用场合的首次尝试，其电机总功率达500W[80]。2009年，基于横向磁路设计，谢洁飞等提出单定子横向磁通动磁铁式LOM[81]，如图29所示：相当于将文献[77]的电磁极和永磁磁极个数交换，变成了长动子短定子的结构；若考虑线圈端部长度，其空间利用率相对前者更高一些，但动子质量更重。
图29 谢洁飞设计的单定子双动子横向磁通动磁式LOM
Fig.29 Single stator double mover transverse flux moving-magnet LOM proposed by J. Xie
同年，中科院理化技术研究所的邹明慧等深入研究了直线压缩机用Redlich型LOM，对比分析了不同线圈、活塞、弹簧等关键部件的设计方案[82]。2011年，浙江大学于明湖等在文献[77]的基础上，将永磁体与动子铁心分离，设计了一台双定子横向磁通动磁式LOM[83-86]，具有动子质量轻、动态响应快等优点，但动子结构较为复杂、加工和装配难度很大。2012年，国立台湾大学N. Tsai等利用磁浮轴承替代传统机械轴承，其结构如图30所示：降低了动磁式LOM机械损耗和噪声，但增加了系统的体积和控制复杂度等[87]。
图30 N. Tsai等设计的磁悬浮动磁式直线压缩机
Fig.30 Magnetic levitation moving-magnet linear compressor designed by N. Tsai et al
2014年，浙江大学赵科对Redlich型LOM进行了改进，探索了其在直线压缩机应用环境下的全局动态优化设计方法[88]。同年，北京航空航天大学的梁惠升等设计了一台Quasi-Halbach动磁式LOM，用于驱动液压伺服泵[89-90]，结构如图31a所示。2017年，其团队对动子结构做了进一步改进，采用多层复合Halbach结构彻底去除了动子背铁，如图31b所示，进一步提高了电机的推力密度[91]。2015～2017年，沈阳工业大学李文瑞在文献[81]的拓扑结构基础上，对单定子横向磁通动磁式LOM的电磁场进行了更为深入的解析分析[92-95]，给出了其等效磁性弹簧刚度和穿片磁通的计算方法，并研究了其应用于热声功率发电系统中时存在的等效阻抗匹配等问题。2018年，东南大学施振川设计了一台圆筒型动磁铁式三相LOM，提出了新型的三层混合叠片方案，相对传统圆周叠片方式，该结构的铁心对线圈包覆系数提高了65%，体积系数提高了35%[96]。
图31 梁惠升等设计的Halbach型动磁式LOM
Fig.31 Moving-magnet LOM with Halbach PM mover proposed by H. Liang et al
2.2.3 动铁心式
不同于上述两类直线振荡电机，动铁心式LOM的动子受力运动部件上不存在电磁激励，仅仅由叠压的铁心组成，因此，它的工作原理类似于开关磁阻电机磁阻最小原理，可利用气隙中的磁场强度差来完成动子向高强度磁场一侧的运动。相对动圈式和动磁（铁）式结构，该类动铁心式拓扑相对比较简单，如图10c所示，可知其动子结构得到了极大的简化。得益于受力运动部件仅由铁心构成，动铁心式LOM的动子加工装配更方便，强度也更高，具有成本低、可靠性高和寿命长等优势。然而，该类电机也面临一些缺陷：动子质量相对于前两类电机大，对弹簧的刚度要求较高，并在运行过程中容易偏离气隙中心线，从而导致较大的侧向力和摩擦损耗。为克服相关问题，必须在制造过程中对动子加工和装配精度进行准确控制，尽量保证行程范围内气隙的均匀性。
因高强度和高可靠性的结构特点，动铁心式LOM电机对高温、大振幅、强振动等恶劣工况的适应能力较强[44]。和动圈式LOM一样，早期的动铁心式LOM的励磁不依赖永磁体，励磁完全由电磁极提供。早在20世纪20年代，H. Wallage和P. Tice就分别申请了动铁心式LOM的发明专利，其应用场合均为内燃机的电磁燃油泵[97-98]。1963年，W. Caldwell提出双绕组的动铁心式LOM，利用不同位置绕组的分时供电来控制铁心动子的受力方向，实现往复运动[99]。
1972年，P. Langdon等提出了一种气隙磁密可调的双线圈动铁心式LOM，如图32所示。其中，一组线圈用于励磁，另一组则用于调磁，可有效降低运动过程中的侧向力[100]。1975年，法国Barthalon公司公开了一种空压机用动铁心式LOM，如图33a所示：其电磁力方向单一，电流只有半个周期能产生电磁力，绕组利用率低。随后，该技术被日本NITTO公司进一步完善，并被广泛应用到水泵、空气压缩机、真空泵等装置中，其结构如图33b所示，在产品开发中得到广泛应用。
图32 P. Langdon等提出的双线圈动铁心式LOM
Fig.32 Twin coils moving-iron LOM proposed by P. Langdon
图33 空压机用动铁心式LOM
Fig.33 Moving-iron LOM for air compressor
1992年，澳大利亚悉尼大学的E. A. Mendrela等设计了一台螺线管型动铁心式LOM，原理类似于开关磁阻直线电机[101-102]。1996年，罗马尼亚蒂米什瓦拉理工大学I. Boldea等设计了一台125W的定子永磁型横向磁通动铁心式LOM，通过横向磁通的磁路设计和定子齿面表贴永磁体的安装方式[103]，既能在动铁心式LOM中引入永磁体辅助励磁提高推力密度，又能解决圆筒型LOM硅钢片叠压工艺复杂等问题，并进一步开展了电机的2D等效模型研究[104]。2000年，NASA格伦研究中心的J. Schreiber将该电机拓展到空间卫星用斯特林制冷机驱动中[105]，有效提高了系统的可靠性和使用寿命。2005年，美国Infinia公司在NASA的研究基础上，并尝试了多种减振的方案，开启了该电机应用于热电联产设备的商业化进程[106-108]，其结构如图34所示。
图34 Infinia公司热电联产动铁心式斯特林发电机
Fig.34 Moving-iron linear Stirling generator released by Infinia for Micro-CHP
2010年，英国谢菲尔德大学的T. Ibrahim提出了如图35所示的圆筒型动铁心式LOM，其铁心材料均采用SMC材料，且永磁体采用了低成本的铁氧体，功率达到88.5W，总行程21mm[109-110]。2018年，香港理工大学Xue Xiangdang等设计了一台如图36所示的圆筒型横向磁通开关磁阻型动铁心式LOM[111]，其定子也采用双定子结构，在一个工作周2期内只有一个定子上的线圈通电，单向输出推力，因此也面临绕组利用率低等问题。
图35 T. Ibrahim提出的SMC动铁心式LOM
Fig.35 SMC moving-iron LOM with proposed by T. Ibrahim
图36 Xiangdang Xue等设计的横向磁通磁阻型动铁心式LOM
Fig.36 Transverse flux switched reluctance moving-iron LOM proposed by Xiangdang Xue
国内对动铁心式LOM的研究可以追溯到20世纪80年代。1986年，汕头液压件厂引进并消化吸收日本电磁空压机相关技术，成功地试制了动铁心式LOM样机，其结构与原理类似于Barthalon和NITTO公司的产品，功率达93W。1988年，该样机通过相关部门的技术鉴定，被国家计委指定为替代进口产品[112]。1995年，太原理工大学李岚等对E-Core动铁心式LOM的控制方法进行了研究，明确了该类电机的频率特性[113]。1996年，太原理工大学李肖伟等采用插值拟合的方法，对一台20W的动铁心式LOM的动态过程进行了数值求解，并得到了相关实验验证[114]。2003年，西安交通大学何志龙等设计了一台动铁心式直线压缩机，对其工作过程和阀片动力学进行了分析[115]。2004年，太原理工大学的杨凯提出了一种永磁体辅助励磁的动铁心式LOM拓扑结构，如图37所示，并利用有限元和数值计算软件对其电磁特性和动态性能进行了详细分析[116]。
图37 杨凯设计的定子永磁型动铁心式LOM
Fig.37 Stator-magnet moving-iron LOM by K. Yang
2005年，西南石油大学的任振兴等对动铁心式LOM的动子复位问题进行了研究，明确了误差产生的原因并提出了相应的解决措施[117]。2011年，浙江理工大学的王洋在I. Boldea的研究基础上，进一步提出了新型双定子双动子的横向磁通动铁心式LOM的拓扑结构，并对其磁场分部、静态和动态特性等进行了深入的仿真和实验验证[118]。2012年，西安交通大学陈梁远等设计了一台C形定子铁心的动铁心式LOM，原理类似电磁继电器，通电后定子对动子产生单相吸合作用力，结构如图38所示[119]。
图38 陈梁远设计的动铁心式LOM
Fig.38 Moving-iron LOM proposed by L. Chen
2017～2020年，华中科技大学李想等在文献[103]的研究基础上，对拓扑结构进行了改进创新，提出了若干新型结构的定子永磁型横向磁通动铁心式直线振荡电机，进一步降低了加工装配的难度[120-121]，如图39所示。
图39 李想等提出的定子永磁型横向磁通动铁心式LOM
Fig.39 Stator-magnet moving-iron transverse flux LOM proposed by X. Li et al
通过三维磁路建模分析，李想等对所提出的新结构电磁特性进行了深入研究[122-123]；同时引入自适应全阶观测器，成功实现了该新型电机的谐振频率跟踪控制和无传感器位移辨识[124-125]，为后续的产品设计开发奠定了较为坚实的基础。
综上所述，对三类电机的特点及适用范围总结归纳见表1。从表1中可以看出，在定子励磁方式上，动圈式和动铁心式LOM比动磁（铁）式LOM更多样，对应的定子结构设计也更灵活。从气隙和动子结构方面比较，动圈式和动磁式LOM均为双气隙，动子结构均较复杂，而动铁心式LOM则为单气隙，动子结构最简单。因此，加工上动磁式LOM对工艺的要求最高且运行可靠性差，动铁心式则对工艺要求较低而运行可靠性最高。从功率、效率等方面看，动圈式LOM由于永磁体等效气隙大，因此气隙磁通密度难以提升，功率密度相对较低，而动磁（铁）式LOM尽管承受侧向力导致的高摩擦损耗，但由于其功率密度较高，因此效率依然较高，动铁心式LOM虽然功率密度也稍低，但在定子上引入永磁体励磁后，该类电机在功率密度和效率方面均有望获得进一步提升。从行程和频率上比较，动圈式LOM动子质量较轻，因此响应速度快且频率较容易提高，但飞线问题限制了其在工作行程，而动铁心式LOM由于动子质量较重，对弹簧刚度要求较高，动磁（铁）式LOM则介于两者之间。根据三类LOM各自的综合特性可知，动圈式LOM较适用于中小功率驱动及伺服传动的应用场合，动磁（铁）式和动铁心式LOM则更适合于需要大功率驱动的应用。
表1 三类电机综合特性对比
Tab.1 Comprehensive characteristics comparison of three types of LOMs
对比项目动圈式动磁（铁）式动铁心式 定子励磁直流电磁极或永磁体仅绕组仅绕组或绕组+永磁体 动子结构绕组+支架永磁体+支架（永磁体+铁心）导磁铁心 气隙类型双气隙双（单）气隙单气隙 侧向力无高高 加工难度一般高简单 可靠性一般低高 动子质量轻中等重 效率中高中 优势无侧向力、低摩擦损耗、响应速度快功率密度高、振荡频率高可靠性高、制造成本低 缺陷飞线、绕组不易散热、永磁体等效气隙大、功率密度低永磁体振动、摩擦损耗高、结构复杂、可靠性差动子质量重、摩擦损耗高、对弹簧刚度需求高 行程短长长 适用场合中小功率驱动及伺服传动大功率驱动大功率驱动 典型应用斯特林制冷机扬声器摄像头模组精密运动台冰箱直线压缩机斯特林制冷机自由活塞发电机液压泵空气压缩机振动筛冲压机燃油泵
结合前述LOM的理想特性以及大量的文献调研发现，迄今关于LOM研究及产品开发中，虽然在拓扑结构、电磁设计等方面有了长足的进步，但是在定子铁心、动子结构、定位力、电枢与永磁体磁路等方面仍然存在一些问题，具体总结如下。
为节约空间，目前大部分LOM均采用圆筒型结构，由此带来了定子铁心成型难度大等问题[126]。传统结构LOM均采用平行磁通的磁路设计，使得圆筒型定子铁心的材料及工艺选择受到了极大的限制，主要包括如下四种情况。
（1）采用实心电工纯铁。这种定子铁心通常应用于动圈式LOM中，比较容易加工成型，然而缺陷也很明显，即铁心内涡流损耗高，不利于电机的散热和效率提升。
（2）采用圆周叠压硅钢片。这种定子铁心被广泛应用于Redlich型LOM中，并随着该类电机的产业化应用而得到迅速推广。然而，在平行磁通的磁路下，若要加工成圆筒型定子铁心，则硅钢片必须采用沿圆周方向叠压，如图40所示。相关研究表明，此种硅钢片叠压方式面临工艺复杂、叠片系数较低（通常在0.6～0.8之间，远低于常规硅钢片叠片系数0.95）等问题[127]，严重降低了永磁材料利用率和电机推力密度[128]，严重时将导致推力下降20%。
（3）定子铁心采用SMC材料热压成型。高性能SMC材料可以赋予LOM定子更大的设计自由度，具有加工成型方便、涡流损耗小等优点[129]。然而，因SMC材料的磁学和力学性能远不及硅钢片，其磁导率和饱和磁通密度相对较低，进而明显降低了LOM的推力密度；同时，SMC较宽的磁滞回线使得在LOM正常运行频率范围内，其定子铁心损耗高于硅钢片。
图40 Redlich型LOM定子铁心叠压方式
Fig.40 Stator lamination of Redlich LOM
（4）采用轴向叠压硅钢片。该种叠片方式与普通旋转电机无异，是最成熟且简单的定子铁心工艺。相对于Redlich型LOM而言，为了采用轴向叠压技术，必须把LOM电机的磁路从平行磁通改为横向磁通路径：在此情况下，电机的定子线圈存在端部，面临体积大、铜耗高、永磁体漏磁大等问题，严重限制LOM的输出能力。
动子结构复杂的问题广泛存在于动磁式LOM中，这主要是由永磁体的力学特性差所导致的。由于要跟随动子一起高频振动，因此，永磁体必须辅以高强度的保持支架，一方面克服其与铁心之间的吸引力，另一方面对永磁体进行防护，其结构如图41所示。
图41 动磁式LOM动子结构
Fig.41 Mover structure of moving-magnet LOM
在实际运行中，支架必须具备强度高、质量小等特点，否则会增加系统对弹簧刚度的要求。同时，支架会增加LOM动子的复杂度，尤其是外延至与弹簧连接处的区域，需要特殊的钣金、焊接和镂空工艺制造，同时必须通过安装精度及疲劳寿命的严格要求。此外，因动子始终处于高频往复振动状态，永磁体的耐久度和可靠性将面临很大考验，尤其是机械气隙较小时，永磁体容易与定子产生擦碰而破碎，从而影响系统的正常工作。因此，在工艺不够成熟的前提下，难以通过减小动磁式LOM的机械气隙来获得较高输出推力。
动磁（铁）式LOM或带永磁体的动圈式LOM，其永磁体必然位于电枢绕组的等效气隙中，是电枢主磁通的必经路径，如图42所示。因此，电枢绕组产生的退磁磁动势一定会直接作用在永磁体上，对永磁体工作点产生显著影响。当应用场合的环境温度较高时，过高的退磁磁动势极易导致永磁体工作点跌落至拐点以下，进而造成不可逆退磁。因此，传统的永磁直线振荡电机对永磁体牌号、充磁方向、磁体厚度等都有较高的要求，这在一定程度上限制了设计自由度。
图42 动圈式和动磁式LOM电枢磁路与永磁体
Fig.42 PM and armature flux paths of moving-coil and moving-magnet LOM
若不配合机械弹簧来实现短行程内的高频往复运动，则对LOM系统的响应速度要求极快并且对算法要求很高，需要频繁地控制电机正、反向地起动和制动，能耗也较高。因此，绝大多数LOM工作时必须配合机械弹簧才能构成受迫简谐振动系统，一方面利用机械式的弹性回复力进行复位，另一方面则是利用机械谐振的频率特性使电机达到共振状态，从而以最小电流输出最大位移，达到节能的效果。回复力既可以由机械弹簧单独提供，也可以由动子所受的定位力与机械弹簧共同提供，前者对机械弹簧刚度需求大，而后者则相对小，可以减小弹簧及其支架的体积质量，并降低装配难度。然而从前述文献的调研来看，绝大部分的直线振荡电机，其动子定位力关于位置的曲线斜率均较小，尤其是动圈式LOM以及经典Redlich型LOM中定位力几乎为零，如图43所示[130]。
图43 Redlich型LOM定位力
Fig.43 Detent force of Redlich LOM
因此，LOM所需回复力几乎完全依赖于外加的机械弹簧，以致动子结构复杂，与弹簧连接处强度要求很高，从而导致如下不足：①外加机械弹簧不可避免地增加了电机体积，挤占了一些应用中本就有限的可用空间，如冰箱压缩机、呼吸机、便携式移动制冷设备等；②在高频运行工况下，机械弹簧将面临疲劳和失效等问题，将降低LOM安全可靠性，缩减使用寿命，增加维护成本等。
文献[73]提出在动磁（铁）式LOM两端添加轴向磁轴承，以形成磁性弹簧而取代机械弹簧，通过在工作磁路外构建“气缸—定子铁心—动子实心钢环—动子永磁体—动子SMC端环”间的附加磁路以产生与动子位移反向的吸引力，具体结构如图44所示。
图44 附加磁性弹簧的动磁式LOM
Fig.44 Moving-magnet LOM with magnetic springs
然而，该LOM并非利用电机本体的气隙磁场与动子间的定位力来复位，而是依赖于附加的结构，将面临如下两个问题：①添置的磁弹簧给电机带来了附加的体积、质量和电磁损耗，具体见表2。磁性弹簧附加的损耗约占总涡流和铁心损耗约27%，整个系统既不经济也不高效；②多数情况下，系统所获得的磁性定位力与其理想特性曲线差别很大，如图44d所示，将严重影响系统的输出机械特性。
表2 文献[73]设计的动磁式LOM在14Hz下的损耗分布
Tab.2 Loss distribution of moving-magnet LOM proposed by Ref.[73] at 14Hz
损耗分布位置电机本体涡流及铁心损耗/W磁弹簧损耗/W 定子永磁体—1.6 SMC端环—1.5 动子永磁体0.83.6 隔板（实心钢）2.81.6 定子磁弹簧轭部—1.6 铝轴23— 合计26.69.9
综上所述，作为直线往复驱动器，LOM系统可以直接进行驱动及能量转换，在一定程度上可有效解决传统的“曲柄连杆+旋转电机”传动方式所面临的体积大、传动效率低、振动噪声高等缺点，并已逐步在一些工业场合得到应用。然而，作为近年发展起来的新兴技术，LOM及系统在实际运行时，受到电机拓扑结构、材料属性及加工工艺、电磁及参数非线性、负载时变性等多种因素影响，其关键性能指标（如推力、效率等）很难充分发挥，严重时甚至会恶化电机驱动性能。为进一步提高运行效率、安全性及可靠性，减小体积及质量，降低机械振动及噪声等，未来亟需从如下方面对LOM电机及系统开展进一步的研究，进而全面提升系统的驱动能力。主要发展方向及研究内容包括：
1）低加工难度的铁心磁路设计
现有的适合于定子加工LOM的铁心材料中，硅钢片是磁学和力学等综合性能较好且较稳定的。然而，现有的平行磁通的磁路设计使得硅钢片叠压工艺过于复杂，加工精度要求较高。因此，未来研究的重点可以放在磁路设计的改进上，可采用横向或混合磁通式的磁路设计来进一步降低工艺复杂性[131-133]。
2）定子永磁型拓扑结构
相比于动磁（铁）式LOM，定子永磁型LOM具备动子可靠性高等优势，一方面能直接解决动子结构复杂，永磁体承受振动应力的问题，在某些对可靠性要求较高的应用场合具有显著优势；另一方面，将永磁体移至定子侧，有利于散热设计，且能给该类电机的磁路带来更多灵活的选择[134]。
3）高推力密度
LOM的应用场合通常空间狭小，对电机的体积有很严格的限制。如何在有限的体积内输出更高的驱动力，是所有LOM的共同追求[135]。其中关键点在于，如何在满足有限空间内的温升限制前提下，进一步提高电机的电磁负荷，进而获得更强的输出能力[136]。
4）高线性定位力
负线性的定位力可构成磁性弹簧，降低LOM对机械弹簧的依赖；甚至在定位力斜率足够高、等效磁性弹簧刚度够大时，可省略机械弹簧，从而进一步缩小电机体积，提高运行的安全可靠性。因此，如何在不增大电机体积的前提下，利用电机本身的工作磁场构造磁性弹簧，并在保证定位力线性度的前提下尽可能提高其关于位置的斜率，是未来研究的重点之一。
5）高抗去磁能力
LOM特殊的工作原理，决定了其永磁磁场一部分区域必然被电枢磁场增强，而另一部分被削弱。从现有文献调研情况看，目前大多数的LOM永磁体与电枢磁路均为串联，这使得两者磁场在永磁体内存在反向叠加，导致永磁体工作点对电流极为敏感，尤其在温度高的工作环境中更容易在反向电枢磁场的作用下移动至拐点以下，造成不可逆退磁。因此，如何对永磁体进行防失磁设计，提高其抗去磁电流能力，对提高LOM的可靠运行及拓宽过载能力至关重要。
6）无传感器绝对位置检测
无传感器位置检测技术可以省略位移传感器，降低LOM系统的体积和成本，提高可靠性，是未来工业化应用的发展趋势[137]。然而，目前基于电压电流的位置辨识算法中，大多估计的是LOM的相对位置，无法针对变负载变工况下的动子绝对位置进行更准确的观测，从而不能很好地保证系统运行的安全可靠性。因此，如何在无位移传感器的情况下准确辨识LOM动子的绝对位置，对提升整个电机驱动系统的输出能力、控制精度和安全可靠性至关重要。
本文对LOM的拓扑结构、等效模型、电磁特性分析及设计等方面进行了总结，梳理了LOM拓扑结构的发展演变及应用现状，归纳总结了LOM存在的问题及指出了下一步亟须发展的重要方向及关键技术。简而言之，LOM应尽可能保证永磁磁链线性、定位力负线性，以及电感位置不变，确保其响应特性尽可能接近理想受迫谐振系统。通过提高永磁磁链和定位力斜率，可以明显提升LOM的推力密度和等效磁性弹簧刚度，从而降低甚至摆脱对机械弹簧依赖，进而有效地缩小电机及系统的体积。为进一步提高LOM运行的安全性和可靠性，不断拓展其工业化应用场合，亟须优化LOM拓扑及磁路设计，简化铁心和动子结构，降低加工难度，提高永磁体抗去磁能力等。
由于LOM系统具有体积小、振动噪声小、传动效率高等优点，LOM系统是成为往复直驱工业场合的重要驱动方式。随着理论发展和技术革新，LOM系统必将在制冷工业、新能源发电、智能装备制造等众多领域获得广泛的应用，更好地服务于国家的“碳达峰、碳中和”发展战略，为国家和社会创造出巨大的经济效益。
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Overview of Linear Oscillatory Machines: Topology and Application
Abstract 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.
Keywords：Linear oscillatory machine (LOM), resonant system, electromagnetic characteristics, topology, key issues
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210957
中图分类号：TM351
国家重点研发计划金砖国际合作重点项目（2018YFE0100200）、国家自然科学基金面上项目（51877093）、湖北省重大科技创新项目（2019AAA026）、深圳市基础研究专项（自然科学基金）基础研究面上项目（JCYJ20190809101205546）、广西自然科学基金（2021JJB160171）和广西大学“高层次人才”引进科研启动项目（A3020051028）资助。
收稿日期 2021-06-24
改稿日期 2021-08-04
徐 伟 男，1980年生，教授，博士生导师，研究方向为直线电机系统及其控制。E-mail：weixu@hust.edu.cn
李 想 男，1993年生，助理教授，研究方向为直线振荡电机及系统分析与设计。E-mail：xiangli@gxu.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）