1.2 永磁同步直線電機(jī)研究現(xiàn)狀

1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前高端永磁同步直線電機(jī)市場(chǎng)基本由歐洲、美國(guó)、日本、新加坡等地區(qū)和國(guó)家的公司所壟斷，其中知名的公司有：歐洲的Tecnotion、Siemens（西門(mén)子），Rexroth（力士樂(lè)）、Thomson（湯姆森）、ETEL、Bosch（博世）、IDAM；美國(guó)的Parker（派克）、AMS、Kollmorgen（科爾摩根）、Aerotech、K2W；日本的Sodick（沙迪克）、Mitsubishi（三菱）；新加坡的Akribis（雅科貝思）。

Tecnotion公司總部位于荷蘭，公司發(fā)展于飛利浦集團(tuán)，專門(mén)從事直線電機(jī)和轉(zhuǎn)矩電機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)，為全球知名半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商ASML（阿斯麥）提供超精密直線電機(jī)系統(tǒng)。該公司有鐵心與無(wú)鐵心直線電機(jī)均有相應(yīng)的產(chǎn)品，主打T系列初級(jí)有鐵心系列（見(jiàn)圖1-9）和U系列初級(jí)無(wú)鐵心PMSLM，其中有鐵心直線電機(jī)主要分為T(mén)BW、TB、TL以及TM系列；無(wú)鐵心直線電機(jī)（見(jiàn)圖1-10）主要分為UXX/UXA、UL、UM、UF以及UC系列，有/無(wú)鐵心各系列電機(jī)的極限推力以及峰值推力見(jiàn)表1-1和表1-2。

Tecnotion的電機(jī)型號(hào)基本涵蓋了各領(lǐng)域的應(yīng)用，比如TB系列電機(jī)是一種大功率重負(fù)荷設(shè)備，集成了高加速度、高速度和亞微米定位精度、能耗低以及推力密度極高等優(yōu)點(diǎn)，這種電機(jī)特別適用于負(fù)荷高、工作周期長(zhǎng)的應(yīng)用。TBW系列是TB系列電機(jī)的水冷升級(jí)版，該系列電機(jī)配有一個(gè)完全內(nèi)置、高效率的冷卻系統(tǒng)，使其產(chǎn)生的連續(xù)推力比標(biāo)準(zhǔn)版更高，并且在保持其亞微米定位精度的同時(shí)又能承受極高的加速度。由于該電機(jī)的熱量不會(huì)傳導(dǎo)到機(jī)器結(jié)構(gòu)上，因此特別適用于熱管理困難的應(yīng)用場(chǎng)合。TL系列的特點(diǎn)是其線圈和磁軌之間的吸引力極低，其突出性能是尺寸小、加速度高、高速和高精度。TL系列也有加長(zhǎng)版，因此使得TL系列應(yīng)用廣泛，幾乎適用于任何應(yīng)用場(chǎng)合，包括像大幅面數(shù)碼打印機(jī)這種行程長(zhǎng)的設(shè)備。TM系列在不需要高推力的場(chǎng)合應(yīng)用廣泛，性能可靠而且工作效率高。

Tecnotion無(wú)鐵心直線電機(jī)均采用U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在所有的系列中，UXX系列的精度以及推力指標(biāo)是最高的，UXA系列是在UXX系列基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種經(jīng)濟(jì)型版本，雖然性能略有下降，但是尺寸更小、價(jià)格更低。高端UL系列無(wú)鐵心直線電機(jī)由于其速度高、定位精度高、零齒槽力和零法向吸力，被成功應(yīng)用于整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)。中號(hào)UM系列無(wú)鐵心直線電機(jī)擁有極高的速度和由獨(dú)有技術(shù)研發(fā)的出色散熱性能，該系列電機(jī)為無(wú)鐵心設(shè)計(jì)，這使得緊湊的UM系列尤其適和應(yīng)用在高精準(zhǔn)量測(cè)的場(chǎng)合。UF系列電機(jī)專為小體積、高連續(xù)推力需求而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，其體積僅比UC系列稍大一些，該系列電機(jī)特別適用于醫(yī)藥和半導(dǎo)體領(lǐng)域抓取和放置系統(tǒng)等高頻周期性應(yīng)用場(chǎng)合。UC系列電機(jī)是Tecnotion最小的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)產(chǎn)品，該電機(jī)應(yīng)用廣泛、結(jié)構(gòu)緊湊，其質(zhì)量只有幾克，但卻能提供10N或20N的連續(xù)推力。由于非常小的質(zhì)量，它可以適用于Z軸垂直運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。

德國(guó)Siemens公司研發(fā)的L-1FN3系列產(chǎn)品具有高推力密度、高能效、高控制精度以及高動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)點(diǎn)，圖1-11所示為L(zhǎng)-1FN3型直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)爆炸圖。其中采用特殊水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的1FN3電機(jī)，最高運(yùn)行速度達(dá)836m/min，最大電磁推力達(dá)20700N，過(guò)載系數(shù)高達(dá)2.75，水冷式SIMOTICS L-1FN3系列直線電機(jī)專為機(jī)床使用而開(kāi)發(fā)。1FN3直線電機(jī)主要包括重載型以及長(zhǎng)載型兩種：重載型電機(jī)質(zhì)量小且過(guò)載能力強(qiáng)，該電機(jī)特別適合用作加速驅(qū)動(dòng)，適合應(yīng)用于高動(dòng)態(tài)柔性機(jī)床、激光加工以及搬運(yùn)等場(chǎng)合；長(zhǎng)載型電機(jī)質(zhì)量小且持續(xù)負(fù)載能力強(qiáng)，這種電機(jī)適用于具有持續(xù)加速及制動(dòng)階段和始終生效的負(fù)載（例如重力或過(guò)程力）循環(huán)，同時(shí)長(zhǎng)載型電機(jī)的推力波動(dòng)小，適合應(yīng)用于高精密場(chǎng)合，例如振蕩運(yùn)動(dòng)（非圓加工）、高過(guò)程力應(yīng)用（磨削、車削等）、搬運(yùn)機(jī)等。

日本Sodick公司主打數(shù)控機(jī)床用PMSLM，并于1998年率先將直線電機(jī)運(yùn)用到了量產(chǎn)型工作機(jī)床中，目前在母公司研發(fā)的加工中心、電火花成形加工機(jī)、線切割放電加工機(jī)中普遍應(yīng)用，通過(guò)直線電機(jī)以及結(jié)合高性能的驅(qū)動(dòng)控制，極大提升了超精密加工精度。公司首創(chuàng)蛇形冷卻結(jié)構(gòu)，將水冷管道與電樞繞組緊密貼合，大幅提高散熱能力。生產(chǎn)有鐵心和無(wú)鐵心PMSLM，有鐵心電機(jī)包含小型（CMV/F）、中型（CEM）、大型（CEL）、寬幅（CEW）以及特寬幅（CEW2）5種系列，該公司有鐵心系列直線電機(jī)的推力范圍見(jiàn)表1-3。

Sodick無(wú)鐵心直線電機(jī)主要分成大型（CG）、中型（CB）以及小型（CA，又分為CA V/F和CA u兩種）三種，無(wú)鐵心系列推力范圍見(jiàn)表1-4。

Sodick利用自己設(shè)計(jì)的直線電機(jī)以及高性能的伺服驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)的電火花放電加工機(jī)以及高速銑削中心和納米加工中心如圖1-12與圖1-13所示。

新加坡Akribis公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)用于制造、檢測(cè)和測(cè)試的直驅(qū)電機(jī)、平臺(tái)和精密系統(tǒng)方案。Akribis為半導(dǎo)體制造業(yè)、太陽(yáng)能電池、PCB、平板顯示器、硬盤(pán)、LED、機(jī)床、汽車電子、包裝、印刷、光學(xué)和生物醫(yī)療等廣泛的領(lǐng)域提供專業(yè)的支持。推出了ACR、ACM、AUM、AKM、ATM、AHM、AWM、AQM、AJM等多系列PMSLM，其無(wú)/有鐵心系列如圖1-14與圖1-15所示，這些系列的直線電機(jī)推力等級(jí)3～16000N，動(dòng)子長(zhǎng)度5～700mm，有自然冷卻、水冷和氣冷三種散熱方式，可滿足多種場(chǎng)景應(yīng)用需求，具有高速、高加速度、勻速、高穩(wěn)定性、潔凈、運(yùn)行時(shí)低噪聲、免維護(hù)等特點(diǎn)。

美國(guó)科爾摩根公司是全球領(lǐng)先的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和配件供應(yīng)商，其生產(chǎn)的直線電機(jī)品類繁多，直線電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括機(jī)床、半導(dǎo)體、激光切割、紡織等各種工業(yè)場(chǎng)合，生產(chǎn)的有鐵心直線電機(jī)主要包括有冷卻型與無(wú)冷卻型IC系列，推力范圍為141～25000N；無(wú)鐵心直線電機(jī)主要是IL系列的直線電機(jī)，推力范圍為10～1600N，科爾摩根公司用于金屬切割的無(wú)框直驅(qū)直線電機(jī)如圖1-16所示，圖1-17則為結(jié)合科爾摩根直線電機(jī)的大幅面金屬切割機(jī)。

美國(guó)Aerotech公司成立于1970年，主要專注于高精度直線電機(jī)的研發(fā)制造，是為用戶設(shè)計(jì)和制造最高性能的運(yùn)動(dòng)控制和定位系統(tǒng)的公司，生產(chǎn)的直線電機(jī)產(chǎn)品廣泛使用于醫(yī)療設(shè)備、汽車、激光處理、軍事、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域，主要有BLM、BLMSC、BLMX、BLMF等系列，這些系列的直線電機(jī)均具有非常高的定位精度，根據(jù)使用場(chǎng)合的特點(diǎn)，具體的使用場(chǎng)景可以進(jìn)一步細(xì)分，圖1-18所示為Aerotech公司研發(fā)的高精度定位直線電機(jī)平臺(tái)。