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织针直驱直线电机技术能够以数量级水平提升传统针织工艺的生产效率，具备实现三维织物自由编织的潜力。由于技术难度和经济成本的双重挑战，长期以来织针直驱直线电机技术的研究需求不明，关键技术不清，发展极为缓慢。武汉纺织大学机械工程与自动化学院范良志、林子镇、陈振、刘毅航在2024年第6期《电气技术》上撰文从针织机械基础性关键指标出发，明确织针直驱直线电机技术的研究需求，归纳总结超薄直线电机设计、超薄电机阵列的多物理场耦合、多自由度电机阵列三项关键技术，综述了国内外相关研究概况，着重阐明电织针方案的研究进展，指出当前多物理场耦合结构失效机理和控制策略研究面临的挑战及相应对策，正面回应了传统纺织产业发展面临的时代命题。
纺织业是我国规模极其庞大的支柱性产业，我国国情决定了不能对纺织工业实施产业外包或者将其彻底淘汰，因此如何利用电气技术从装备层面推动传统纺织行业的发展，已成为当今时代的必答命题之一。
然而，这一问题是人类两次工业革命都未能解决的难题，所以相关科技领域面临严峻挑战。针织品是相对高端的纺织品类，参考表1中历次工业革命中针织装备的技术特点，研究相关装备技术的升级路径是对这一时代命题答案的有效探索，需要达成以数量级的水平提升生产效率，开发出全新的产品品类。
欧美纺织机械工程师最早申请了直线电机相关专利并提出了当今各种主流直线电机构型，但是电气系统的成本远远超过一整套织机的成本。就性 能指标而言，直线电机在相当长的历史时期里都无法达到同时期凸轮驱动技术的主流参数水平。鉴于经济成本和技术难度的双重挑战，以直线电机直驱编织为基础的针织机械研究长期止步不前。
表1 历次工业革命中针织装备的技术特点
在电力电子半导体、新型电磁材料、电机理论、自动控制技术、信息技术等科技进步的持续推动下，直线电机直驱技术在最近半个多世纪里取得了巨大进步，有力保障了新一代装备的开发，例如飞机电磁弹射器、磁悬浮列车、光刻机工件台等。
但是，相对于这些进步，针织机械的直线电机直驱技术研究需求和关键问题却长期未能得到明确。1986年，日本旭化成工业株式会社申请的一份专利明确提出，采用直线电机直驱织针的编织方法能够以10的倍率提升织机的生产效率，然而该方案中的直线电机沿用常规直线电机方案，对织针直驱直线电机的研究需求分析不足，重点集中在传统针织工艺的实现，规避了直线电机技术领域的关键问题，并不能解决经济成本和技术难度的双重难题，因而实际发展极为缓慢。目前，国内外以针织机械为对象的直驱直线电机研究和应用报道比较少见。
为了能对未来的三维织物自由编织装备研究奠定理论基础，本文第一作者在2008年提出以针织机械的电织针原理作为研究起点，并且获得国家自然科学基金青年项目的资助，开始了针织机械直线电机直驱技术的理论探索，主要包含织针直驱的直线电机技术和驱动控制技术两个方面。其中，直线电机方面的研究工作以电机厚度限制下的动作能力作为目标，主要解决电机技术指标难题。本文总结作者15年来相应部分的研究成果，综述国内外相关工作，归纳三项共性关键技术，指出目前面临的挑战并提出相应对策，最后展望未来研究方向，以期为推动传统产业进步和相关领域研究工作提供参考。
织针直驱直线电机驱动控制方面的研究工作以少线缆或无线缆、少传感器或无传感器的驱控一体化海量电机轴电子凸轮联动控制作为主要目标，是解决经济成本难题的关键所在，但由于论文篇幅限制，这一方面的工作将另文发表。
1 织针直驱直线电机的研究需求
织针直驱直线电机将织针本体设计为直线电机，针织机械对织针的性能要求等价于对直驱直线电机的性能要求，其研究需求可以分为两个方向分阶段展开：①数量级提升传统针织工艺生产效率的直驱直线电机研究；②开发针织新工艺、新品类的多自由度直驱直线电机研究。
1.1 数量级提升针织生产效率的研究需求
主流织针针距通常不大于1～3mm，肩并肩紧密排列呈现出凸轮曲线或行波函数图案，而且“行程@频率”必须不低于±5mm@10Hz到±10mm@70Hz这一区间，典型值在±10mm@30Hz左右；在7×24h连续工作制下，织针寿命至少在30天以上，进口高档产品甚至长达6个月。
换算为直线电机技术指标，相当于各直线电机厚度不超过1～3mm，峰值加速度不低于2g～200g（重力加速度g= 9.8m/ s 2 ），典型加速度约30g； 此外，在10～20mm上全行程推力不低于1～2N水平，即具备大约100～200克力（1克力=9.8× 10 - 3 N ）左右纱线牵引力，定位稳定（即“成圈”“集圈”“浮线”等指令功位上具有位置自锁能力），峰值载荷不超过30N（钩针断裂），海量超薄直线电机以多轴联动的电子凸轮伺服运动方式合成出凸轮曲线或行波函数图案，在7×24h工作模式下寿命不低于30天。 纬编针织织针动作要求如图1所示。
就上述技术指标来说，极高的加速度指标通常要求极强的电磁驱动载荷，这给超薄直线电机电磁拓扑方案设计和冷却方式带来了严峻挑战。此外，由于织针肩并肩呈阵列运行，针距不超过1～3mm，所有关键结构件厚度必然在1mm左右甚至更薄，薄壳结构屈曲、翘曲、大变形等结构非线性行为凸显；各直线电机散热条件极差，进一步诱发材料温升软 化等材料非线性问题，极易出现运动卡死、电机烧毁、永磁阵列共振、退磁等不同形式的结构失效，与针织机械的7×24h工作模式形成了极为尖锐的矛盾，直线电机阵列存在结构安全和可靠性问题，需要重点开展有针对性的研究。
图1 纬编针织织针动作要求
1.2 开发针织新工艺、新品类的研究需求
绝大多数针织机械产品品类的空间维度都属于二维平面或二维曲面。就新工艺、新品类产品开发来说，将产品空间维度提升至三维是非常合理的装备技术演化和发展方向，恰好能满足新兴的复合材料工业对组织增强结构相的未来性能需求。
普通织针只有沿针杆方向往复运动的主动驱动自由度，如图1所示。就动作能力而言，需要增加多根织针才能实现高维织物的编织，例如：传统二维针织物需要2根织针或者是织针与横向运动的沉降片总计2个主动控制自由度；针织横机的三维曲面织物典型编织方法采用4根织针作为基本单位，构成了4针床设计，每个基本动作单位总计至少4个主动驱动自由度才能完成3维曲面编织，有的还要额外增加1个针床整体横向移动，即第5个主动驱动自由度。
当织物产品维度从二维进入三维，要求实现异型曲面的自由实体编织时，简单增加多根织针的方式终将导致各驱动机构的布局相互干涉，从而无法实现目的。显然，织针直驱的多自由度直线电机是唯一有可能实现三维异型曲面自由实体编织的针织机械解决方案。
就织针直驱的直线电机本身来说，关键问题在于高加速度和高推力密度要求下的超薄直线电机阵列设计或阵列式电机设计，具体包含三项关键技术：适用于织针直驱的超薄直线电机原理、超薄直线电机阵列的多物理场耦合分析、用于织针直驱的多自由度直线电机阵列设计。
2 织针的直驱直线电机关键技术
2.1 适用于织针直驱的超薄直线电机设计
长期以来，织针直驱的电磁装置拓扑方案或超薄直线电机设计一直是国内外研究的核心内容，难点在于厚度限制下的“行程@频率”指标，但不同于侧重功率密度和效率的直线振荡电机，织针直驱直线电机主要用于海量电机轴的电子凸轮联动控制，更侧重推力密度指标。
根据驱动力来源的物理学本质，电动机可以分为三类：第一类是稳定磁场中电流产生的洛伦兹力电动机；第二类是交变磁场与感应电流交互作用产生电磁力的电磁感应电动机；第三类是铁磁性物体几何形貌与磁场之间麦克斯韦场力作用的电动机。前两类电动机驱动力来源于磁场与电流之间的相互作用，第三类电动机驱动力来源于磁场对铁磁性物质的吸引或排斥。就直线电机原理来说，第一类电动机主要是无铁心直线电机，特别是无铁心的永磁式直线电机、音圈电机等，第二类电动机主要是感应式直线电机，第三类电动机主要是磁阻式直线电机和有铁心直线电机。
由于织针运动的高加速度要求，直驱直线电机的体积推力密度必须达到非常高的水平（直线电机体积推力密度=加速度×运动部件的平均物质密度）。然而，第三类电动机受限于铁磁性物质的磁饱和程度，推力密度达到一定阈值后就难以再提升。第二类电动机依赖交变磁场对闭合导体的作用，由于磁场具有极强的穿透性，若未设置必要厚度的磁场屏蔽，1～3mm厚度感应式直线电机内部剧烈变化的交变磁场必然会严重干扰两侧相邻电机的运动。但是，若设置了充分的磁场屏蔽，则感应式直线电机的厚度就很难被压缩至1～3mm范围内。这些难以调和的矛盾使第二类和第三类电动机都不适用于主流织针的直驱直线电机研究。
第一类电动机可以进一步分为动磁式电机和动圈式电机两类。由文献检索发现的国内外论文和专利中，绝大多数织针的直驱直线电机方案都选择动圈式永磁直线电机原理。
常规的动圈式永磁直线电机通常配备背铁铁轭作为永磁体位置保持架和磁场导体，构成封闭磁路。背铁铁轭的存在非常不利于减小直线电机厚度；而且大面积永磁薄片的磁动势利用率很低，严重影响直线电机的推力密度和性能指标。事实上，绝大多数常规直线电机厚度不小于8～10mm，加速度不高于4g。
音圈电机缺乏位置自锁能力，并不适合作为需要定位保持力的织针直驱直线电机，更适合作为振动电机使用。在1～3mm电机厚度限制下，动磁式直线电机中的运动永磁体对相邻电机中永磁体的运动同样会产生较为强烈的干扰，也不适合作为主流织针直驱直线电机的研究对象。
作者在2008年提出的电织针本质上属于第一类电动机，即双边永磁动圈式直线电机。与常规的双边永磁动圈式直线电机相比，电织针取消了背铁铁轭并重新安排了磁路，磁力线横穿整个阵列，构成一种新型的阵列式电机，如图2所示。由于阵列电机中仅存在永磁体和线圈，在结构和磁路设计上能够保障各台直线电机厚度最小化和气隙磁场最大化。作者早年研究的测试样机针距大约为2.2～2.3mm（永磁体设计间隔1.2mm，永磁体厚度1mm），气隙磁场强度达到0.45T左右。
图2 电织针阵列电机
动磁式永磁直线电机的动子部分无需安排电磁线，在结构设计上更为简洁，可以获得较大的绝对推力，但是永磁体部分的运动必然会对相邻的运动磁铁产生作用，直线电机的厚度必须设置得比较大，主要适合粗针距、大推力和较低性能要求的特定场合。就1～3mm主流织针驱动来说，动磁式永磁直线电机方案的研究应用前景比较有限。
近些年来，国内还出现一些以螺线管电磁铁为核心或以“磁悬浮”作为关键词的织针电磁驱动方案。但是，这些方案的工作原理存在明显问题或其物理学原理存在错误，并不适合作为织针驱动装置的设计方案，后文将进行必要的分析。这从侧面说明了织针直驱直线电机研究需求分析不足带来的困扰。
2.2 超薄直线电机阵列的多物理场耦合分析
海量厚度不大于1～3mm的织针直驱超薄直线电机紧密排列合成行波函数图案运动，各关键部件必然仅为厚度约1mm或更薄的薄壳结构，必须要面对严重的多物理场耦合问题，涉及超薄直线电机的磁路分析、电磁耦合、热设计、结构优化、运动学动力学建模等多个方面。
这一关键技术主要解决两个问题：其一是保障电织针阵列结构安全，探索阵列结构失效机制，研究阵列结构安全控制策略；其二是明确“行程@频率”性能指标分布相对于电织针的密集阵列特征、材料性能、薄壳结构特征等关键要素的关系，方便开展电织针阵列的结构和性能最优化设计。
电织针阵列结构安全问题主要由永磁体磁吸力与永磁体弯曲变形之间的正反馈作用所引起，构成了织针直驱直线电机设计的重大挑战。由于永磁体两侧磁场强度的差别，每片永磁体左右两侧的磁吸力大小不同，各永磁体存在较强的弯曲内应力和弯曲变形趋势，这种变形会明显加剧磁场强度的差别进而使弯曲更为强烈。磁吸力弯曲变形正反馈、缝隙冷却流体、薄壳结构之间的双向强耦合关系如图3所示。
图3 磁吸力弯曲变形正反馈、缝隙冷却流体、 薄壳结构之间的双向强耦合关系
磁吸力引起的弯曲变形正反馈完全由每一片永磁体的薄壳结构所承受。在动子电芯高频驱动的强烈作用下，一方面动子薄壳可能会出现热致翘曲和屈曲形变，另一方面永磁阵列会出现明显的结构振动甚至是破坏性共振，构成典型的电磁-温度-结构之间的强场耦合。此外，气隙阵列中的强制冷却流体与动子电芯薄壳结构之间会存在明显的流体动力学强耦合；实际必然存在的不等厚冷却气流和高驱动内应力、惯性应力将会对电芯薄壳施加侧向动态力和复杂动态内应力，引发电芯薄壳翘曲、屈曲形变；这些问题既涵盖结构场和流体场，又包括温度场和应力场。
动子电芯薄壳阵列与永磁体薄片阵列之间的电磁场、热场、气隙流场、应力场、薄壳结构场彼此相互作用的数学物理建模与薄壳阵列结构优化设计是需要重点研究的关键技术之一。电织针阵列的多物理场耦合分析如图4所示。
图4 电织针阵列的多物理场耦合分析
如何在保障最大推力、最小温升、最高动态性能指标的前提下建立合理的薄壳阵列结构多物理场 耦合快速计算模型，是电织针研究中最重要的关键技术之一。相关研究将为寻求最佳的薄壳阵列结构参数、电磁参数设计、冷却方案和冷却参数，探索电织针阵列结构失效规律和控制策略奠定关键理论基础。
依据模型精度和计算速度，多物理场耦合研究方法主要分为两类：一是以数学物理为基础的研究方法，包括以有限元分析为主的纯数值方法、以网格划分为基础的半解析法、适合快速计算的纯解析法；二是样本数据驱动的代理模型方法。
纯数值3D有限元计算结果往往用作研究的计算时间基准或计算精度基准，一般采用通用有限元软件直接进行多场耦合计算，但是硬件资源和计算时间需求非常庞大，效率极低，不适合直接用于参数优化计算。因此，如何依据各物理场的特点进行适度简化以开展参数化建模，成为多物理场耦合的重点。例如，东南大学LIU Xiaomei等通过简化流体场模型将多场耦合计算时间从大约110h降低至不足85h。
半解析法在计算精度和计算速度之间具有较好的平衡，因而能够直接用于直线电机参数优化设计，特别适用于2D模型研究。例如，荷兰Eindhoven大学ALEKSANDROV S R等以直线电机的2D矩形网格单元为耦合计算单位，分别基于谐波函数、等效磁路和热阻网络建立了2D半解析计算模型，完成了三类电磁拓扑直线电机的推力性能与功率损耗比较。华中科技大学曹龙飞等借助快速有限元提取槽漏磁，构建了绕组涡流损耗半解析算法，计算速度提高近100倍。
全解析法的计算效率高，比较适于主要考虑电磁场、应力场的多物理场耦合优化计算，对铁磁性材料的磁饱和等存在确定曲线或函数表达的非线性因素都能较好地进行处理。例如，山东大学XING Zezhi等采用全解析模型进行电机结构振动的快速计算，计算时间比有限元多场耦合模型降低了92%以上。
在包含流体场的强制冷却多物理场耦合研究中，若干关键物理量并不能用预知的函数或曲线表达，而是与具体的结构和工况有关。例如，表面传热系数、等效热导率等，只能通过有限元方法研究其分布。然而，流体场的有限元网格划分往往需要大量的人工经验，因而包含流体场的分析通常都进行简化或平均处理。
例如，哈尔滨工业大学PAN Donghua等首先基于有限元方法分析冷却水流速，进而推导计算出平均散热系数，构建出参数化的热阻网络解析模型，然后采用3D有限元校验了气隙磁场参数化模型的计算精度，最后基于电机结构参数而非电机几何模型网格划分完成了电磁场与温度场参数化模型综合，采用遗传算法进行参数优化之后的全局温升控制在±2℃。沈阳工程学院邢军强等采用流固耦合共轭传热原理判别流体气隙的流动状态，计算出气隙等效热导率后依据经验公式推算损耗和温度场分布。
样本数据驱动的代理模型方法基于设计参数相对于数学物理模型之间的某种预设关系构建等价的数据模型来简化计算，主要有响应面模型、径向基函数、克里金代理模型、支持向量机、人工神经网络、组合代理模型、多可信度代理模型等。代理模型法并不直接进行数学物理计算，而是采取插值拟合或统计学抽样方式，在少量多物理场耦合计算样本或实际试验样本的基础上直接构造新的多物理场耦合数据加速迭代计算，例如中心复合设计、正交试验设计、均匀试验设计、全因子抽样、拉丁超立方抽样等。在必要数量的多物理场耦合计算样本与物理试验数据的验证和支撑下，代理模型法能较好地解决复杂多参数非线性系统最优化设计面临的计算成本难题。
沈阳工业大学张凤阁团队从模型-策略-算法三个层面综述了相关研究工作，较为全面地提出了代理模型的选取原则、优化策略的适用范围和不同优化算法的优势和改进方向。
当多物理场耦合模型本身包含很多的设计参数和非线性因素时，单纯计算样本数据驱动得到的代理模型可信度不足。代理模型方法通常首先采用参数敏感性分析方法，在合理精度水平下降低优化计算参数空间的维度，采用相关系数或方均根误差评估代理模型与原始数学物理模型的偏差，达到提高优化分析可信度的目的。例如，西北农林科技大学杨思莹等开展了等价电路的频率响应幅值相对于变压器绕组参数的灵敏度变化曲线特征分析；沈阳工业大学王天煜等采用方差分析法进行MW级电机转子结构强度敏感性分析，总结出转子结构参数和材料的选取原则；李玮等在大功率高速电机优化中采用交叉验证算法和预测系数进行克里金代理模型精度评价。
2.3 用于织针直驱的多自由度直线电机阵列设计
自由度是机械装备的第一设计参数，之后才是各自由度上的行程、速度、加速度等运动指标和精度指标。三维针织装备主要包含二维织物的三维曲面无缝编织和三维预成型实体编织两类。目前尚未发现任何以这两类针织装备为应用对象的多自由度电机研究文献，也未发现有公开文献从机械装备第一参数的角度深入研究多自由度电机的运用方式问题。
尽管如此，考虑到多自由度直驱电机在三维编织方向的应用潜力，仍然有必要简述这一领域的关键技术需求，促进相关研究工作展开。
单一自由度电机的核心缺点是运动能力不足，必须通过堆式（例如并联）或叠式（例如串联）运用多台电机才能实现复杂运动控制，因而造成复杂运动机构设计中空间机构干涉和奇异点的问题。例如，经典的多轴联动加工中心轨迹规划碰撞干涉问题，多自由度机器人运动控制中的工作空间奇异点问题、碰撞干涉问题等。
传统针织机械堆叠运用大量织针的往复直线单自由度运动合成出行波函数曲线运动，满足二维织物编织动作需求。未来通过堆叠运用大量多自由度电机进行编织动作驱动，各台电机的运动自由度彼此之间可以进行任意耦合，以空间行波函数方式构造出各类复杂运动，例如单点的空间曲线运动或多点的空间曲面运动等，特别适合在狭小空间内进行多个维度的操作动作。这恰好就是三维针织装备设计开发的关键所在。
以传统针织工艺动作为参照，用于三维编织的织针直驱多自由度电机将以直线往复运动作为主运动自由度，而辅助自由度和相应电磁拓扑方案的选择取决于三维针织工艺的具体动作设计。以当前广泛使用的针织舌针为例，如图1所示，主运动自由度是沿针杆方向的往复直线运动，针舌的旋转是被动自由度，其运动轨迹实质是主运动自由度的转换结果。辅助自由度同样是驱动运动自由度，然而如何安排辅助自由度的数量和位置，完全取决于三维针织工艺动作需求，对应直线电机的驱动运动自由度将不少于2个，同时也不排除在多自由度直线电机上安排必要数量的被动运动自由度。
如何在多自由度直线电机阵列中协调不同电机的多个运动自由度，构建出恰当的空间行波运动完成复杂的三维纱线编织动作，这是未来需要深入研究的内容。如何在狭小空间内实现高性能的多自由度直线电机电磁拓扑，如何低成本实现海量多自由度直线电机驱动控制，将构成未来研究的新挑战。
3 织针直驱直线电机技术的研究进展
截至目前，织针直驱电机或电磁装置的不同设计方案一直都是国内外相关研究的主要内容。有关织针直驱电机阵列中的多物理场耦合、多自由度电机阵列，还有电气控制技术的研究报道还不多。
通过EI论文检索和Espacenet全球专利检索发现，大部分研究文献都集中于日本企业持续20多年的全球专利布局之中，然而大约在2010年左右，这一布局未再持续，其中的关键在于电机和电气控制部分的研究缺乏突破性进展。欧洲企业与研究单位较少关注织针直驱的直线电机研究，更多关注经编针织中用直驱直线电机替代链条驱动的梳栉往复横移机构，在一些先进的经编针织机上实现了产业化，但对生产效率的提升还达不到数量级的程度。美国研究织针直驱电磁装置的时间最早，但20世纪70年代之后未能持续，不可避免地体现出了时代技术的缺陷。我国相关研究工作主要从21世纪开始。目前，尚无用于直驱织针的多自由度直线电机的研究报道，因此下文将主要介绍国内外代表性研究工作现状，重点概述电织针方案的研究进展。
3.1 日本企业的全球专利布局
日本旭化成工业株式会社大竹伸光在1986年公开的专利实施例采用了东京农业与技术大学KANO Y等所写的《长动程三相驱动可移动磁铁型线性DC电机的分析》一书中详细描述的常规直线电机经典设计（日本电力工程学院磁铁研究报告，卷MAG85，期111-119，77～86页），直线电机厚度8mm，总运动质量达100g，推力14.8N，扣除170g编织拉力和30g运动阻力后最大加速度约13g，可提高生产效率5倍。该专利方案主要关注直线电机直驱织针的针织工艺实现方式，与直线电机设计有关的内容较少。该方案通过弯折针杆达成2.82mm的织针间隔，然而附加质量大、质量分布不均衡，非常不利于达到更高的加速度或“行程@频率”。旭化成工业株式会社的织针直驱直线电机如图5所示。
图5 旭化成工业株式会社的织针直驱直线电机
日本旭化成、津田驹、共和电机、日本电产等企业全球专利布局的主题集中在织针直驱直线电机的超薄化、精细化设计方面，在直线电机原理研究方面缺乏创新，仍属于常规的永磁直线电机，拘泥于传统针织工艺动作实现方式。超薄厚度的高性能直线电机研究不足，缺乏多物理场耦合方面的深入研究，难以在降低直线电机厚度的同时提高“行程@频率”响应。
日本企业界开展的结构精细化工作几乎已穷尽极致，代表性方案如图6所示，缺乏最为关键的海量直线电机联动驱动电气控制系统研究报道，无法解决电气驱动控制系统的经济成本难题，因此最近10年便再无更多的专利公开或研究报道。
图6 日本企业织针直驱直线电机的代表性方案
截至目前，仍未检索到厚度低于8mm的织针直驱直线电机文献，EI和Espacenet检索到的各种织针直驱直线电机的指标尚未超过1986年水准。
3.2 美国和欧洲国家相关单位的研究
公开文献中最早出现的织针直驱电磁装置是1973年美国GATI G提出的一种新型织机的电磁铁式驱动装置。织针选择软磁性材料制作，采取类似于继电器吸合衔铁的方式安排多个吸合平衡位置作为织针的多个功位位置，电气控制采用机械开关。相对于传统针织机械设计，电磁驱动织针的概念非常新颖，但其功位位置同样是固定位置，1～3mm厚度的空心螺线管吸引力偏小，从动作原理上无法提供新的控制能力，因而没有更多的发展。1973年最早出现的织针直驱电磁装置专利设计如图7所示。
图7 1973年最早出现的织针直驱电磁装置专利设计
欧美国家在织针直驱直线电机领域内的研究工作起步非常早，但持续性较差，在织针直驱直线电机方面的研究非常少。具有代表性的欧洲纺机企业，例如德国卡尔迈耶公司，主要将直线电机用于经编织机的横移机构驱动，并不直接用来驱动织针，性能提升还达不到10的倍数级别。保加利亚索菲亚大学2010年前后发表过若干论文，主要开展了有关织针直驱的动磁式直线电机驱动力和定位力的优化设计分析，然而该直线电机方案中仅永磁体动子部分的厚度就达到5.96mm，全行程平均推力大约1N，峰值推力仅2.6N左右，研究前景有限。保加利亚索菲亚工业大学动磁式直驱织针直线电机如图8所示。
图8 保加利亚索菲亚工业大学动磁式 直驱织针直线电机
实际上，最早的直线电机技术文献是1895年关于梭织机梭子驱动的一份美国专利，然而欧美日等国家的发展却主要集中在飞机弹射、磁悬浮列车、电磁炮、半导体自动化生产装备等尖端技术领域，关键原因在于织机的动作性能指标与经济成本要求都极为苛刻，直线电机性能仍然需要大幅提升。在纺织产业经历了多次全球转移的背景下，欧美日各国缺乏研究这一命题的产业发展需求，同时也缺乏主动升级相应产业的必要性。
3.3 电织针方案研究进展
1）早期理论和试验研究
电织针方案研究首先开展了织针运动学动力学分析，依据简单乒乓控制的原则并参考主流织机运行参数，提出了大约29g的直线电机加速度指标。
电织针方案早期选择印制电路板（printed circuit board, PCB）工艺和“几”字形分布绕组作为样机设计基础；每片电机设计厚度为2.5mm，气隙约1.2～1.4mm，永磁体尺寸1mm×10mm×100mm。以常规PCB工艺作为参考依据，理论上应该具备大约30g的驱动能力。然而实验中发现，接近两侧背铁的各列永磁体存在明显的弯曲变形，显著的多物理场耦合带来了PCB变形和划伤、卡死等问题，电芯基板运动无法连续。早年设计的电织针样机装配如图9所示。
图9 早年设计的电织针样机装配
这些问题主要由PCB玻纤增强树脂的材料属性与平行线路发热引起，多层线路板中的平行线路使层合薄板结构存在类似于柔性铰链的薄弱环节，如图10所示，相邻层铜箔走线切换位置存在微小的旋转变形。累积的旋转变形使PCB整体出现较大的不可逆弯曲，卡死在气隙之中。此外，早年样机采用的PCB只有 35 m m 铜 箔能产生电磁力，接近1mm厚度的玻纤增强基板纯属无效质量，因而性能指标还有进一步提升的空间。
图10 PCB分布式电路板的薄弱结构环节
2）绕组、结构和工艺改进及理论分析
文献通过集中式电机绕组设计和环氧树脂浇铸工艺设计，改进了动子电芯的结构和材料，初步解决了动子电芯结构强度不足和结构质量利用率低的问题，绝大部分电芯结构空间都充满了电磁导线，最大程度地提高了推力密度。此外，1mm厚度永磁薄片的跨度从100mm调整为25mm，从结构设计上提高了永磁薄片的抗弯强度。该文献采用工程常用电磁参数和有限元方法验证了绕组新方案的合理性，采用直流无刷电机模式能达到大约±10mm@ 35Hz的理论指标，平均推力大约7N，动子质量≤13g（假定为全铜材质）。
可以作为对比的是，2023年11月19日—22日中国国际纺织机械展览会暨ITMA亚洲展览会上的一款以高效生产作为主要优点的针织机（福建泉州高盛纺织机械公司，GS—A系列双面机），其舌针动程约20mm，最高转速20r/min，84路进纱，经换算得到的“行程@频率”参数约为±10mm@28Hz。
目前，相关理论研究给出了矩形永磁阵列中气隙磁场分布的解析式和永磁体间不平衡磁吸力的计算式，通过有限元验证了工程常用参数条件下的最高运动性能参数，而且相对于目前主流织机的织针性能参数，保留了充分的设计裕度，为改进样机的试制和性能测试提供了依据。
改进后的集中式绕组电织针样机测试如图11所示。试制的改进样机运动电芯设计厚度0.7mm，实际质量约7g；永磁体尺寸为1mm×10mm×30mm，相邻电机实际间距不大于2.4mm，气隙磁场强度实测不小于0.5T。在初次通电的低功率测试中，通过视频帧分析看到“行程@频率”已经达到±5mm@ 10Hz的水平，单片电机驱动总功率大约9W，粗测无明显温升，很好地对应了初始设计的性能参数冗余。
图11 改进后的集中式绕组电织针样机测试
3）热设计和多物理场耦合问题
热设计主要针对温升控制和温度分布均匀性控制问题，通常包含风冷、水冷和油冷三种主要冷却形式。电织针阵列热设计面临的困难较常规直线电机的热设计更为复杂。
一方面，由于织针直驱直线电机研究长期没有突破性的进展或合理的解决方案，更为深入的热设计理论研究与试验测试工作并未得到重视。例如，各日本企业提出的织针直驱直线电机专利方案文献都不包含相应的电机散热方式说明。
另一方面，一部分研究者意识到了这一重要问题，并且提出了以强制风冷为主的方案，但还缺少深入的研究进展报道。最早出现的美国GATI G专利方案采用220V交流电驱动，在双螺线管中央布置真空吸头进行强制风冷（见图7），但是该专利方案缺少后续研究或应用报道。作者早年的电织针专利采用强制风冷，高压冷气从电芯底部自下而上扫过整个PCB电芯表面。然而，由于早年样机测试出现了多物理场耦合引起的结构失效，这一方案实际并未得到有效检验。
针对改进后的电织针结构，作者对风冷方式进行了必要的调整，采取侧向多路进排气的方式最大程度地减少气流流阻，并且开展了必要的有限元热分析。电织针阵列的大量薄壳结构被简化建模为刚体，忽略了结构非线性因素及多物理场双向强耦合问题，采用正交试验的方法对热设计方案的主要参数进行了初步评估。有限元热分析中设定电芯持续热功率12W，通过调整进气压力大小，以绝对温升控制在40℃以下和温差最小化为目标，确定空冷参数，每片电机大约需要230mL/s的空气流量。电织针改进样机的强制空气冷却方案如图12所示。
图12 电织针改进样机的强制空气冷却方案
由于狭窄气隙中电芯温度测量困难，采用热像仪（海康威视H10，测试距离约0.5m）对试制的浇铸电芯线圈温升进行等价工况的初步测试，如图13所示，分别测量了自然空冷和风扇简单强制空冷下的电芯温升。简单风冷条件下的电芯温度稳定在60℃左右（热功率总计9.5W，环境温度约17℃），观察到明显的热阻耦合现象，初步温升测试结果基本符合预期。
图13 等价风冷工况稳态温度场的初步测试
在后续样机测试研究中，多物理场耦合问题会进一步凸显出来，相应的理论研究和试验测试工作仍有待进一步深入。
4）电气驱动和控制方法研究
电气控制系统是降低织针直驱针织装备成本的关键所在，同时也是关键技术难点之一。它包含两个部分，首先是用于大量织针驱动的超薄直线电机功率驱动器设计，然后是大量织针以可控行波图案联动的伺服反馈控制。
就功率驱动部分来说，减少驱动器和相应电缆的数量是降低成本的关键。文献提出的时空域Park变换电机阵列联动驱动与控制新方法在理论上大幅降低了电机驱动器的数量需求，多路电机驱动信号以串行传输方式在各电机端重新分配组合，驱动电缆的数量得以大幅减少。
就反馈控制部分来说，减少传感器与信号电缆的数量是降低成本的关键。专利文献给出一种以霍尔元件编码为基础的反馈控制方式，结合频率注入或反电势等无传感器位置测量进行单片超薄直线电机的伺服运动控制。霍尔元件拓展一定数量之后，同时作为换向元件和粗定位的位置编码器使用。
在海量电织针联动的反馈控制中，各电织针的霍尔位置编码组合在一起，以串行总线方式传送到驱动控制器，并且在驱动控制器中完成各直线电机的无传感器位置测量信息与霍尔编码的数据融合。霍尔编码和无传感器位置测量数据反馈如图14所示。基于这一方案，不仅驱动器和驱动电缆的数量大幅减少，传感器的数量和相应信号电缆的数量也大幅减少，从而在驱动控制原理架构上保障了电气控制系统的低成本。
图14 霍尔编码和无传感器位置测量数据反馈
无传感器位置测量方法目前主要用于永磁同步伺服电机，主要有频率注入法和反电势法两种。旋转变压器的工作原理与频率注入法类似，都利用了定转子间的凸极特性；频率注入法和反电势法也有相通之处，都是基于定转子间磁链幅值与相对角度差的关系进行电角度测量，并且反电势法还能用于隐极式电机。
两类无传感器位置测量方法能够在未来用于电织针阵列控制系统开发，与霍尔编码数据相融合以提高运动电芯的位置测量和运动控制精度，解决电气控制系统成本高昂的难题。文献针对小尺寸旋转变压器的绕组设计理论和试验研究成果为电织针阵列的无传感器位置测量技术研究奠定了较好的工作基础。
3.4 国内其他相关研究状况
浙江大学张森林等于2008年提出了一种采用直线直流电机直接驱动织针的设计，但缺乏后续研究报道。该方案实质上是标准的音圈电机，如图15所示，驱动线圈处于简单的匀强磁场之中，在洛伦兹力驱动下执行往复运动，电磁拓扑和工作原理等同于扬声器中的振动音圈。2021年，西安工程大学刘泽旭等提出一种洛伦兹力磁悬浮织针驱动装置，其实质也是音圈电机，工作原理仍是匀强磁场中单一线圈在洛伦兹力作用下的运动，完全依赖反馈控制实现定位，并不具备位置自锁能力，不适合作为织针直驱电机。
图15 音圈电机方案
2010年之后，陆续出现了一批以“磁悬浮”或“磁织针”为关键词的织针电磁驱动方案，如图16所示，这些方案实质均为基于铁心螺线管电磁吸合或电磁排斥原理的织针驱动方式，其电磁驱动力属于麦克斯韦场力。
图16 螺线管式织针驱动方案
无论采用哪种电磁驱动力，上述所谓磁悬浮方案都滥用了磁悬浮的概念，直接违反了磁悬浮技术领域（1842年）最基础的恩绍定律（Earnshaw theorem），不符合诸多磁悬浮方法的基本要求。此外，这些方案的运动织针侧面都需要设置导向支撑，仍须克服摩擦力，毫无悬浮意义。
在1～3mm厚度限制下，除非上述螺线管式方案采用理想超导材料，否则很难实现足够强的磁吸力达到2g～200g的加速性能指标。更为重要的是，即便存在理想超导材料，即使满足了动力需求，功位位置也会受限于驱动线圈的数量和安装位置，难以实现软件增删或设定。因此，与传统凸轮驱动相比，这类方案从原理上并不能提供任何新的工艺能力，只能提供数量和位置固定的有限定位能力，而且从电磁原理上来说，体积和尺寸很难降低，不可能满足主流织机技术要求。除非超导技术出现重大突破，否则在可以预见的未来这类方案都不可能达到或只是接近目前凸轮驱动技术的水平。
4 织针直驱的直线电机研究挑战及对策
织针直驱直线电机研究的关键挑战集中体现在多物理场耦合问题与极限高工况条件下的结构失效机理和控制策略研究不足。
运动电芯的塑性薄壳特征明显，气隙中的高速冷却气流对电芯薄壳的流体动力不可忽略，在薄壳内部线圈的动态电磁力、惯性力，还有外部纱线牵引力干扰下的薄壳弯曲、屈曲形变与运动模态复杂。叠加永磁体结构变形正反馈、电磁材料非线性等多个复杂因素的影响之后，薄壳阵列结构安全面临严重威胁，在极限高工况条件下，多物理场双向强耦合导致密集阵列结构失效的作用机理尚不明确。
难点主要有三个：第一，复杂多物理场双向强耦合分析的理论建模难题，必须同时包含“电磁-应力-薄壳结构”“缝隙流体-温度-薄壳结构”“电磁-应力-温度”等至少三种类别的双向强耦合，研究探索电织针阵列结构失效的发生机理和失效控制策略；第二，多场耦合计算成本极其高昂，大量测试样机的制作代价难以承受，必须提出合理的研究方法开展多物理场耦合数据分析和电织针阵列设计参数优化，基于有限的试验数据和模型计算数据集，在极限高工况条件下，揭示诸多复杂因素和参数变化影响阵列结构安全的作用规律，探究保障阵列结构安全的参数调整和控制方式；第三，封闭在阵列空间内的三维温度场分布和薄壳结构形变在线测量困难，气隙名义厚度仅有0.1～0.2mm，缺少必要的传感器安装空间，必须提出有针对性的间接测量方法或测量数据估计方法。
解决对策可从三个方面展开。第一是依据电织针阵列内的电、磁、应力、温度、薄壳结构数学物理模型和材料属性，利用通用有限元软件编程建立多物理场耦合的解析模型或半解析模型；对流体场进行必要简化之后，借助人工经验和有限元方法构建参数化的流固耦合模型，在2D/3D网格中建立多物理场双向强耦合半解析模型，并采用高精度的3D数值有限元算例和样机实测数据对半解析有限元模型进行检验。第二是利用必要的样机实测样本和半解析有限元模型样本，应用人工智能方法扩充数据集，构建大样本的人工智能代理模型，开展电织针阵列结构安全的优化设计和参数敏感性分析；基于参数敏感性分析方法，揭示电织针阵列结构失效的发生机制，提出相应的失效控制策略。第三是在电芯浇铸过程预埋薄膜温度传感器，在永磁薄片恰当位置粘贴薄膜应变片；基于测试指标关联性，提出等价解耦观测指标，例如解耦运动电芯的电磁和薄壳温升与形变指标等，开展等价解耦指标的估计与测试，降低测试难度。
5 结论
相对于传统针织机械来说，织针的直线电机直驱技术不仅具备数量级提升工作效率的研究开发前景，而且能够为三维自由编织设备研究奠定关键理论基础和提供关键元器件开发保障，正面回应我国纺织产业发展面临的时代命题。
织针直驱的直线电机技术研究难点集中体现为极高的综合性能要求和极低的经济成本限制，特别表现为超薄的直线电机厚度，或者说是针距间隔与极高的加速度指标之间的尖锐矛盾，还有大规模海量织针直驱电机以阵列形式合成行波运动的伺服联动电气驱动控制系统的成本难题。
从提高针织机械生产效率的角度来说，织针直驱直线电机需要着重克服超薄厚度限制下的加速度指标问题。相对于当前国内外已知的各种方案来说，电织针方案已经在织针直驱直线电机的电机设计、热设计、低成本电气驱动和控制系统相关理论研究方面取得了一定的进展，提出了完整的解决方案；基于改进样机的理论和试验研究报道将会持续跟进。未来还需要进一步着力在电织针阵列的多物理场耦合机理和高频高加速度条件下的结构失效问题上继续开展深入的理论与试验研究工作。
从针织产品新工艺、新品类开发来说，需要从三维织物结构和工艺动作需求研究出发，提出多自由度织针直驱直线电机的动作需求，构建恰当的空间行波运动完成复杂的三维纱线编织动作，是未来需要深入研究的内容；对应的多自由度直线电机电磁拓扑方案设计和驱动控制电气系统软硬件方案，是未来的主要技术挑战。
本工作成果发表在2024年第6期《电气技术》，论文标题为“织针直驱直线电机技术研究进展与挑战”。本课题得到国家自然科学基金项目; 教育部人文社科规划项目的支持。
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