【摘 要】文章针对传统设计在大气隙场景下的不足，从电机结构、电磁特性及推力性能影响入手，阐述了大气隙直线感应电动机（LargeAirGap Linear Induction Motor，LAGLIM）的设计原理。在此基础上，采用对比法分析了以下两种设计方案：电磁性能优先的高推力密度优化型与工艺成本优先的低成本简易型。系统对比了二者的优劣并探讨了核心问题的应对策略。理论建模与实验验证表明了设计方案的合理性与有效性，可为大气隙直线感应电机的优化设计提供参考。

【关键词】大气隙；直线感应电机；电机设计

引言

直线感应电机作为将电能直接转换为直线机械能的装置，在伺服系统、轨道交通及工业自动化等领域具有广阔的应用前景。在当前的国内外研究中，针对力特性与参数建模，华中科技大学团队通过有限元法分析大气隙直线感应电机的推力与法向力特性，发现法向力占比显著低于普通直线电机，验证了其适用于轨道交通的可行性[12]；针对次级结构优化，大连交通大学对比了矩形、三角形、梯形次级导体结构，发现三角形结构在电磁推力和制动时间上表现最优，为大气隙LIM的次级设计提供了新思路[3]；针对端部效应与磁场分布，北京交通大学研究了长初级双边LIM的纵向动态端部效应，建立了一维时谐磁场方程，分析了气隙磁场分布特性，提出通过调整品质因数削弱端部效应[4]；针对等效电路模型改进，韩国汉阳大学采用三维有限元法分析了悬垂、半帽、全帽型次级结构对磁场分布的影响，提出的全帽型结构可显著降低横向边端效应；针对超导材料应用，日本在高温超导直线电机领域取得突破，通过空芯结构结合超导线圈，提升了气隙磁密与推力密度，以应用于超高速磁浮列车牵引系统[5]；针对动态端部效应抑制，加拿大在轻轨LIM系统中研究了动态端部效应，提出通过调整极距与气隙比例减少漏磁，优化推力波动。瑞士开发了双定子结构LIM，通过次级导体嵌入材料补偿端部效应，降低推力脉动。虽然国内外研究取得了显著进展，但大气隙带来的电磁性能弱化仍是核心瓶颈。

一、传统设计在大气隙场景下的不足

（一）磁化电流增大导致损耗显著增加

大气隙会导致磁路磁阻增加。为维持气隙磁通密度不变，需提升励磁电流。根据电磁学原理，在主磁通基本恒定的条件下，气隙长度与磁化电流近似呈正比关系，即气隙越大，所需磁化电流越大。这不仅增加了铜损，还会导致铁芯涡流损耗加剧。电机运行电流过大会使电机温升加快，缩短绝缘材料的寿命，增大系统能耗，导致运行效率偏低、大量能源被浪费，不满足节能设计目标[67]。

（二）边端效应引发电磁性能恶化

直线电机为初级铁芯两端开断的结构，在大气隙下更易产生边端效应。磁场在气隙边缘发生畸变，电磁场分布不均匀，导致推力波动、波形畸变及振动加剧。边端效应还会产生附加损耗，降低电机功率因数，进一步衰减输出效率，从而影响电机运行。

（三）效率与功率密度显著下降

气隙增大会直接削弱电磁耦合效率。感应电机主要依赖气隙中的旋转磁场传递能量，大气隙会导致漏磁增加，有效磁通量减少，从而影响电磁转换效率。研究表明，气隙每增加1倍，效率将下降10%以上。

（四）机械结构复杂性与成本上升

大气隙设计对机械结构的强度、刚度及材料提出了更高的要求，导致结构复杂度与成本显著增加。大气隙下，电磁力虽因磁密降低而减小，但电机整体尺寸增大，导致机械载荷分布更加不均。

（五）动态响应与稳定性受限

动态响应与稳定性是大功率LIM的关键指标，大气隙场景下二者均显著恶化。在定子电感方面，大气隙下，气隙长度增大导致定子电感减小。电感是电流响应的关键参数，电感减小导致电流上升速度变慢，动态转矩滞后明显。

（六）维护需求与寿命问题

大气隙LIM的无接触运行虽然减少了机械磨损，但其他部件的失效模式与维护需求变化显著。大气隙下，绕组端部漏磁增加，导致绕组端部电场强度增大，局部放电风险增加。同时，散热困难导致绕组温升更高，加速了绝缘材料的热老化。