1.1.2 初級(jí)無(wú)/有鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)

根據(jù)電機(jī)初級(jí)鐵心結(jié)構(gòu)不同，又可以劃分為初級(jí)無(wú)鐵心和初級(jí)有鐵心兩類(lèi)。本書(shū)以精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中常用的具有代表性的無(wú)鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)（Air Core Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，ACPMSLM）和有鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)（Iron Core Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，ICPMSLM）作為具體的研究對(duì)象，圖1-7為這兩種電機(jī)的初級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖。初級(jí)無(wú)鐵心直線(xiàn)電機(jī)和初級(jí)有鐵心直線(xiàn)電機(jī)各有優(yōu)勢(shì)：初級(jí)無(wú)鐵心電機(jī)優(yōu)勢(shì)是無(wú)定位力并且推力波動(dòng)極小，有助于電機(jī)系統(tǒng)在空載或輕載狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)高定位精度的應(yīng)用需求；其缺陷是電機(jī)推力密度低，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)加速度性能存在制約。與之相反，初級(jí)有鐵心直線(xiàn)電機(jī)優(yōu)勢(shì)是推力密度高，可以滿(mǎn)足電機(jī)系統(tǒng)大推力和高加速度的應(yīng)用需求；其缺陷是電機(jī)推力波動(dòng)大，惡化了電機(jī)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行性能和控制精度。初級(jí)有鐵心直線(xiàn)電機(jī)還可以采用初級(jí)無(wú)槽結(jié)構(gòu)，其性能介于初級(jí)無(wú)鐵心直線(xiàn)電機(jī)和初級(jí)有槽直線(xiàn)電機(jī)之間，能夠滿(mǎn)足高精度、高響應(yīng)和輕負(fù)載的應(yīng)用需求。

為了便于直線(xiàn)電機(jī)規(guī)模化生產(chǎn)和在工業(yè)界靈活應(yīng)用，模塊化直線(xiàn)電機(jī)近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。模塊化電機(jī)是在不考慮漏磁的情況下實(shí)現(xiàn)磁通的完全隔離，在模塊之間引入氣隙間隙或隔磁屏障，阻斷了模塊之間的耦合，提高了電機(jī)的容錯(cuò)性能。直線(xiàn)電機(jī)存在的端部效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生推力波動(dòng)，模塊化的結(jié)構(gòu)也可以降低電機(jī)整體的推力波動(dòng)。模塊化電機(jī)可以分為初級(jí)模塊化直線(xiàn)電機(jī)和次級(jí)模塊化直線(xiàn)電機(jī)，如圖1-8所示。次級(jí)模塊化的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是安裝的靈活度較低，電機(jī)的推力系數(shù)也會(huì)降低。初級(jí)模塊化可以根據(jù)繞組排布的不同，設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)的模塊，自由度高，而且磁場(chǎng)可以調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精密控制。

在精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研究背景下，永磁同步直線(xiàn)電機(jī)選型是關(guān)鍵的技術(shù)難題之一。ACPMSLM和ICPMSLM各有優(yōu)勢(shì)，目前針對(duì)上述兩種類(lèi)型電機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)、性能參數(shù)的對(duì)比研究多為定性分析，沒(méi)有系統(tǒng)的定量的對(duì)比評(píng)估。本書(shū)以光刻機(jī)的雙工件臺(tái)系統(tǒng)為具體應(yīng)用背景，圍繞提高電機(jī)系統(tǒng)定位精度，提出并解決無(wú)鐵心與有鐵心直線(xiàn)電機(jī)共性的科學(xué)問(wèn)題，如：磁場(chǎng)精確解析，縱向、橫向端部效應(yīng)及外懸效應(yīng)分析，三維電磁力研究等；同時(shí)，通過(guò)介紹永磁同步直線(xiàn)電機(jī)電流控制和推力補(bǔ)償方法，闡述直線(xiàn)電機(jī)推力控制技術(shù)。

以光刻機(jī)的雙工件臺(tái)系統(tǒng)為例，永磁同步直線(xiàn)電機(jī)的工作節(jié)拍主要分為步進(jìn)段、掃描曝光段和換臺(tái)段等，其中步進(jìn)與掃描段可分為加速時(shí)間段、勻速時(shí)間段和減速時(shí)間段，而換臺(tái)段僅為加速、減速時(shí)間段。在勻速時(shí)間段，永磁同步直線(xiàn)電機(jī)工作在空載或輕載狀態(tài)，要求三維電磁力波動(dòng)盡可能小，以實(shí)現(xiàn)速度均勻性和高定位精度，此時(shí)對(duì)電機(jī)的輸出推力無(wú)要求。在加速和減速時(shí)間段，永磁同步直線(xiàn)電機(jī)工作在高過(guò)載狀態(tài)，要求電機(jī)峰值推力足夠大，以實(shí)現(xiàn)更大的加速度提高生產(chǎn)效率，此時(shí)對(duì)電機(jī)的定位精度要求較低。綜上，對(duì)于大多數(shù)的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)用永磁同步直線(xiàn)電機(jī)，要求高峰值推力和低電磁力波動(dòng)并非在同一時(shí)間段；在高過(guò)載狀態(tài)，要求峰值推力和電機(jī)常數(shù)足夠大，在空載或輕載狀態(tài)，要求三維電磁力波動(dòng)足夠小。

因此，對(duì)于無(wú)鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)，無(wú)定位力并且推力波動(dòng)極小，容易滿(mǎn)足在空載或輕載狀態(tài)下高定位精度要求，其關(guān)鍵難題是實(shí)現(xiàn)電機(jī)兼具高推力密度、高電機(jī)常數(shù)和低推力波動(dòng)等性能。對(duì)于有鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)，推力密度和電機(jī)常數(shù)相對(duì)較大，容易滿(mǎn)足在高過(guò)載狀態(tài)下高加速度要求，但是由于存在定位力和空載法向力波動(dòng)，難以滿(mǎn)足在空載或輕載狀態(tài)下高定位精度要求，故其關(guān)鍵問(wèn)題是抑制三維電磁力波動(dòng)，特別是降低定位力波動(dòng)，同時(shí)維持較高的推力密度。

1.無(wú)鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

在分析精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)用無(wú)鐵心和有鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)工作特性的基礎(chǔ)上，開(kāi)展兩種類(lèi)型永磁同步直線(xiàn)電機(jī)特點(diǎn)的對(duì)比研究。與有鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)相比，無(wú)鐵心的優(yōu)勢(shì)在于：

（1）無(wú)齒槽效應(yīng)、無(wú)定位力。推力波動(dòng)極小，可以確保電機(jī)運(yùn)行最佳平穩(wěn)度，定位精度很容易達(dá)到微米級(jí)，若采用長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)的結(jié)構(gòu)形式，消除線(xiàn)纜擾動(dòng)力，定位精度可達(dá)到亞微米級(jí)。

（2）無(wú)單邊磁拉力。平衡的雙磁軌，增加直線(xiàn)導(dǎo)軌的使用壽命，安全、便于操作，并且電機(jī)動(dòng)子安裝精度較高。

（3）高動(dòng)態(tài)性能。由于取消了中間機(jī)械傳動(dòng)和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，直接驅(qū)動(dòng)的動(dòng)電樞型無(wú)鐵心直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子質(zhì)量很輕，在空載或輕載工況下一般可達(dá)到超過(guò)10g的加速度，而且機(jī)械帶寬很高。

（4）振動(dòng)噪聲相對(duì)很小。

但是，無(wú)鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)也存有一些劣勢(shì)：

（1）與有鐵心直線(xiàn)電機(jī)相比，在相同電流密度下，輸出推力較小，推力體積密度較低。

（2）由于采用雙邊永磁體結(jié)構(gòu)，在相同次級(jí)長(zhǎng)度下，使用的磁體數(shù)量幾乎是有鐵心直線(xiàn)電機(jī)的兩倍，成本更高。

（3）散熱效率低。由于無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)，線(xiàn)圈熱損耗傳導(dǎo)較差，而且水冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)困難，電機(jī)銅損耗產(chǎn)生的熱量易直接散發(fā)到外界環(huán)境。對(duì)于動(dòng)磁鋼無(wú)鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)，由于動(dòng)子部件沒(méi)有線(xiàn)纜擾動(dòng)力，位置控制精度更高，但是長(zhǎng)初級(jí)的電樞繞組產(chǎn)生熱損耗顯著增大，冷卻結(jié)構(gòu)更難實(shí)現(xiàn)。

2.有鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

同無(wú)鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)比較，有鐵心電機(jī)優(yōu)勢(shì)主要有：

（1）電磁推力大，由于使用鐵心聚磁和導(dǎo)磁，物理氣隙小，氣隙磁通密度高，推力密度和電機(jī)常數(shù)都相對(duì)較大。

（2）初級(jí)和次級(jí)之間存在法向力。法向吸引力一般相當(dāng)于電機(jī)所產(chǎn)生的電磁推力的5~13倍，在精密氣浮定位系統(tǒng)中，法向力預(yù)加載方法能有效地利用法向吸引力，足夠大的法向吸引力相當(dāng)于負(fù)氣壓提供吸力，與氣源提供正氣壓所產(chǎn)生的浮力相互平衡，實(shí)現(xiàn)電機(jī)動(dòng)子的氣浮支撐和導(dǎo)向，這樣能減少一個(gè)氣浮工作面。

（3）散熱性能好、易冷卻。鐵心和電樞繞組接觸表面積很大，電機(jī)銅損耗很容易傳導(dǎo)到鐵心背軛，通過(guò)鐵心背軛的冷卻結(jié)構(gòu)中冷卻水帶走，水冷卻效果良好，并且容易實(shí)現(xiàn)。

（4）由于采用單面永磁體結(jié)構(gòu)，制造成本相對(duì)低。

但是，有鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)也存在缺陷：

（1）鐵心開(kāi)齒槽和初級(jí)鐵心開(kāi)端的結(jié)構(gòu)，在空載狀態(tài)下，產(chǎn)生定位力和空載法向力波動(dòng)；在負(fù)載狀態(tài)下，產(chǎn)生三維電磁力波動(dòng)，直接影響電機(jī)系統(tǒng)的速度和位置控制精度，同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。

（2）存在法向磁拉力，增加了電機(jī)的裝配難度。

（3）鐵心齒部、軛部存在磁飽和問(wèn)題。

（4）動(dòng)電樞型的電機(jī)動(dòng)子部件包含初級(jí)鐵心、線(xiàn)圈和水冷卻結(jié)構(gòu)等，質(zhì)量相對(duì)很大，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力比無(wú)鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)差。

綜上所述，無(wú)鐵心和有鐵心永磁同步直線(xiàn)電機(jī)各有利弊，需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用背景、系統(tǒng)輸入指標(biāo)約束、電機(jī)制造成本等因素綜合考慮選擇無(wú)鐵心或有鐵心、動(dòng)電樞型或動(dòng)磁鋼型的永磁同步直線(xiàn)電機(jī)。