直线电动机由于不需要任何中间转换机构就能产生直线运动，驱动直线运动的生产机械，所以使整个装置或系统结构简单、运行可靠、精度高、效率高等，因此是近年来国内外积极研究开发的电动机之一。
直线电动机的类型很多，从原理上讲，每一种旋转电动机都有与之相对应的直线电动机。直线电动机按其工作原理分为：直线感应电动机、直线直流电动机等。
一、直线感应电动机
（一）主要类型和基本结构
直线感应电动机主要有扁平型、圆筒型和圆盘型三种型式，其中扁平型应用最为广泛。
1．扁平型
直线电动机可以看作是由旋转电动机演变而来的。设想把旋转的感应电动机沿着径向剖开，并将圆周展开成直线，即可得到扁平型直线感应电动机，如图4—15所示。由定子演变而来的一侧称为一次侧，由转子演变而来的一侧称为二次侧。
图4—15所示演变而来的直线感应电动机，其一次侧和二次侧长度是相等的。由于在运行时一次侧与二次侧之间要做相对运动，假定在运动开始时，一次侧和二次侧正好对齐，那么在运动过程中，一次侧和二次侧之间相互电磁耦合的部分就越来越少，影响正常的运行。为了保证在所需的行程范围内，一次侧和二次侧之间的电磁耦合始终不变，实际应用时，必须把一次侧和二次侧制造成不同长度。当然既可以是一次侧短、二次侧长，也可以是一次侧长、二次侧短。前者称为短一次侧，后者称为长一次侧。如图4—16所示。由于短一次侧结构比较简单，制造成本和运行费用均较低，一般均采用短一次侧。
图4—16所示的扁平型直线感应电动机，仅在二次侧的一边具有一次侧，这种结构型式称为单边型。它的最大特点是在一次侧和二次侧之间存在着较大的法向吸力，这在大多数场合下是不希望的。若在二次侧的两边都装上一次侧，那么这个法向吸力就可以互相抵消，这种结构型式称为双边型，如图4—17所示。
扁平型直线感应电动机的一次侧铁心由硅钢片叠成，与二次侧相对的一面开有槽，槽中放置绕组。一次侧绕组可以是单相、两相、三相或者多相的。二次侧有两种结构类型，一种是栅型结构，尤如旋转电动机的笼形结构；二次侧铁心上开槽，槽中放置导条，并在两端用端部导体连接所有槽中导条。另一种是实心结构，即采用整块均匀的金属材料，它又分成非磁性二次侧和钢二次侧，非磁性二次侧的导电性能好，一般为铜或铝。
图4—15 直线感应电动机的演变过程
a）旋转式感应电动机；b）直线感应电动机
图4—16 扁平型直线感应电动机图 图4—17 双边型直线感应电动机
a）短一次侧；b）长一次侧
2．圆筒型（管型）
图4—18（a）所示为扁平型直线感应电动机，将它沿着和直线运动相垂直的方向卷成筒形，就形成圆筒型直线感应电动机，如图4—18（b）所示。在某些特殊的场合，这种电机还可以做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电动机，旋转直线的运动体既可以是一次侧，也可以是二次侧。
图4—18 圆筒型直线感应电动机的形成 图4—19 圆盘型直线感应电动机
a）扁平型；b）圆筒型
3．圆盘型
圆盘型直线感应电动机，如图4—19所示。它的二次侧做成扁平的圆盘形状，并能够绕经过圆心的轴自由转动，将一次侧放在二次侧圆盘靠近外缘的平面上，使圆盘受切向力作旋转运动。一次侧可以是单面的，也可以是双面的。虽然它也作旋转运动，但运行原理和设计方法与扁平型直线感应电动机相同，故仍属于直线电动机的范畴。与普通旋转电动机相比，具有以下一些优点：
（1）力矩与旋转速度可以通过多台一次侧组合的方式或通过一次侧在圆盘上的径向位置来调节。
（2）无需通过齿轮减速箱就能得到较低的速度，因而电动机的振动和噪声很小。
（二）基本工作原理
直线感应电动机是由旋转电动机演变而来的，当一次侧的三相（或多相）绕组通入对称正弦交流电时，会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边缘效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电动机相似，沿着直线方向按正弦规律分布，但它不是旋转而是沿着直线平移，因此称为行波磁场，如图4—20中曲线1所示。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的。行波磁场移动的速度称为同步速度，即
式中，D为旋转电动机定子内圆周的直径；t为极距，t= pD/2p；p为极对数；f为电源频率。
图4—20 直线感应电动机的工作原理
行波磁场切割二次侧导条，将在导条中产生感应电动势和电流，所有导条的电流（图中只画出其中一根导条）和气隙磁场相互作用，产生切向电磁力。如果一次侧是固定不动的，那么二次侧便在这个电磁力的作用下，顺着行波磁场的移动方向作直线运动。若二次侧移动的速度用n表示，转差率用s表示，则有
由式可知，改变极距或电源频率，均可改变二次侧移动的速度。改变一次侧绕组中通电相序，可改变二次侧移动的方向。
此外，由于直线电动机的二次侧大多数用整块金属板或复合金属板制成，不存在明显的导条，在分析原理时可以将其看成是无限多导条的并联。这与分析空心杯转子旋转电动机是完全一样的。
二、直线直流电动机
直线直流电动机通常做成圆筒型，它的优点是结构简单可靠，运行效率高，控制比较方便、灵活，尤其和闭环控制系统结合在一起，可精密地控制位移，其速度和加速度控制范围广，调速的平滑性好。缺点是存在着带绕组的电枢和电刷。
直线直流电动机按励磁方式可分为永磁式和电磁式两大类。前者多用于驱动功率较小的场合；后者则用于驱动功率较大的场合。
（一）永磁式直线直流电动机
永磁式直线直流电动机的磁极由永久磁铁做成。按照它的结构特征可分为动圈型和动铁型两种。动圈型在实际中用得较多，如图4—21所示，在软铁架两端装有极性同向的两块永久磁铁，当移动绕组中通入直流电流时，便产生电磁力，只要电磁力大于滑轨上的静摩擦阻力，绕组就沿着滑轨作直线运动，其运动的方向可由左手定则确定。改变绕组中直流电流的大小和方向，即可改变电磁力的大小和方向。电磁力的大小为
图4—21 永磁式动圈式直线直流电动机结构示意图
（二）电磁式直线直流电动机
任何一种永磁式直线直流电动机，只要把永久磁铁改成电磁铁，就成为电磁式直线直流电动机，同样也有动圈型和动铁型两种。图4—22所示为电磁式动圈型直线直流电动机的结构示意图。当励磁绕组通电后产生磁通与移动绕组的通电导体相互作用产生电磁力，克服滑轨上的静摩擦力，移动绕组便作直线运动。
图4—22 电磁式动圈型直线直流电动机结构示意图
对于动圈型直线直流电动机，电磁式的成本要比永磁式低。因为永磁式所用的永磁材料在整个行程上都存在，而电磁式只用一般材料的励磁绕组即可；永磁材料质硬，机械加工费用大；电磁式可通过串、并联励磁绕组和附加补偿绕组等方式改善电动机的性能，灵活性较强。但电磁式比永磁式多了一项励磁损耗。
电磁式动铁型直线直流电动机通常做成多极式，图4—23所示为三磁极式直线直流电动机。当环形励
图4—23 三极电磁式直线直流电动机
磁绕组通电时，便产生磁通，径向穿过气隙和电枢绕组，当铁心中由径向过渡到轴向，形成闭合回路，如图中虚线所示。径向气隙磁场与通电的电枢绕组相互作用产生轴向电磁力，推动磁极作直线运动。当这种电动机用于短行程和低速移动的场合时，可以省掉滑动的电刷。但若行程很长，为了提高效率，同永磁式直线电动机一样，在磁极上装上电刷，使电流只在电枢绕组的工作段流过。