1.2 永磁同步直線電機研究現狀

1.2.1 國外研究現狀

目前高端永磁同步直線電機市場基本由歐洲、美國、日本、新加坡等地區和國家的公司所壟斷，其中知名的公司有：歐洲的Tecnotion、Siemens（西門子），Rexroth（力士樂）、Thomson（湯姆森）、ETEL、Bosch（博世）、IDAM；美國的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，公司發展于飛利浦集團，專門從事直線電機和轉矩電機的研發和生產，為全球知名半導體設備供應商ASML（阿斯麥）提供超精密直線電機系統。該公司有鐵心與無鐵心直線電機均有相應的產品，主打T系列初級有鐵心系列（見圖1-9）和U系列初級無鐵心PMSLM，其中有鐵心直線電機主要分為TBW、TB、TL以及TM系列；無鐵心直線電機（見圖1-10）主要分為UXX/UXA、UL、UM、UF以及UC系列，有/無鐵心各系列電機的極限推力以及峰值推力見表1-1和表1-2。

Tecnotion的電機型號基本涵蓋了各領域的應用，比如TB系列電機是一種大功率重負荷設備，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點，這種電機特別適用于負荷高、工作周期長的應用。TBW系列是TB系列電機的水冷升級版，該系列電機配有一個完全內置、高效率的冷卻系統，使其產生的連續推力比標準版更高，并且在保持其亞微米定位精度的同時又能承受極高的加速度。由于該電機的熱量不會傳導到機器結構上，因此特別適用于熱管理困難的應用場合。TL系列的特點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系列也有加長版，因此使得TL系列應用廣泛，幾乎適用于任何應用場合，包括像大幅面數碼打印機這種行程長的設備。TM系列在不需要高推力的場合應用廣泛，性能可靠而且工作效率高。

Tecnotion無鐵心直線電機均采用U型結構設計，在所有的系列中，UXX系列的精度以及推力指標是最高的，UXA系列是在UXX系列基礎上開發的一種經濟型版本，雖然性能略有下降，但是尺寸更小、價格更低。高端UL系列無鐵心直線電機由于其速度高、定位精度高、零齒槽力和零法向吸力，被成功應用于整個半導體行業。中號UM系列無鐵心直線電機擁有極高的速度和由獨有技術研發的出色散熱性能，該系列電機為無鐵心設計，這使得緊湊的UM系列尤其適和應用在高精準量測的場合。UF系列電機專為小體積、高連續推力需求而設計開發的，其體積僅比UC系列稍大一些，該系列電機特別適用于醫藥和半導體領域抓取和放置系統等高頻周期性應用場合。UC系列電機是Tecnotion最小的標準電機產品，該電機應用廣泛、結構緊湊，其質量只有幾克，但卻能提供10N或20N的連續推力。由于非常小的質量，它可以適用于Z軸垂直運動的場合。

德國Siemens公司研發的L-1FN3系列產品具有高推力密度、高能效、高控制精度以及高動態性能的優點，圖1-11所示為L-1FN3型直線電機的結構爆炸圖。其中采用特殊水冷結構設計的1FN3電機，最高運行速度達836m/min，最大電磁推力達20700N，過載系數高達2.75，水冷式SIMOTICS L-1FN3系列直線電機專為機床使用而開發。1FN3直線電機主要包括重載型以及長載型兩種：重載型電機質量小且過載能力強，該電機特別適合用作加速驅動，適合應用于高動態柔性機床、激光加工以及搬運等場合；長載型電機質量小且持續負載能力強，這種電機適用于具有持續加速及制動階段和始終生效的負載（例如重力或過程力）循環，同時長載型電機的推力波動小，適合應用于高精密場合，例如振蕩運動（非圓加工）、高過程力應用（磨削、車削等）、搬運機等。

日本Sodick公司主打數控機床用PMSLM，并于1998年率先將直線電機運用到了量產型工作機床中，目前在母公司研發的加工中心、電火花成形加工機、線切割放電加工機中普遍應用，通過直線電機以及結合高性能的驅動控制，極大提升了超精密加工精度。公司首創蛇形冷卻結構，將水冷管道與電樞繞組緊密貼合，大幅提高散熱能力。生產有鐵心和無鐵心PMSLM，有鐵心電機包含小型（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的推力范圍見表1-3。

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

Sodick利用自己設計的直線電機以及高性能的伺服驅動器生產的電火花放電加工機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公司設計生產用于制造、檢測和測試的直驅電機、平臺和精密系統方案。Akribis為半導體制造業、太陽能電池、PCB、平板顯示器、硬盤、LED、機床、汽車電子、包裝、印刷、光學和生物醫療等廣泛的領域提供專業的支持。推出了ACR、ACM、AUM、AKM、ATM、AHM、AWM、AQM、AJM等多系列PMSLM，其無/有鐵心系列如圖1-14與圖1-15所示，這些系列的直線電機推力等級3～16000N，動子長度5～700mm，有自然冷卻、水冷和氣冷三種散熱方式，可滿足多種場景應用需求，具有高速、高加速度、勻速、高穩定性、潔凈、運行時低噪聲、免維護等特點。

美國科爾摩根公司是全球領先的運動控制系統和配件供應商，其生產的直線電機品類繁多，直線電機的應用領域主要包括機床、半導體、激光切割、紡織等各種工業場合，生產的有鐵心直線電機主要包括有冷卻型與無冷卻型IC系列，推力范圍為141～25000N；無鐵心直線電機主要是IL系列的直線電機，推力范圍為10～1600N，科爾摩根公司用于金屬切割的無框直驅直線電機如圖1-16所示，圖1-17則為結合科爾摩根直線電機的大幅面金屬切割機。

美國Aerotech公司成立于1970年，主要專注于高精度直線電機的研發制造，是為用戶設計和制造最高性能的運動控制和定位系統的公司，生產的直線電機產品廣泛使用于醫療設備、汽車、激光處理、軍事、航空航天等各個領域，主要有BLM、BLMSC、BLMX、BLMF等系列，這些系列的直線電機均具有非常高的定位精度，根據使用場合的特點，具體的使用場景可以進一步細分，圖1-18所示為Aerotech公司研發的高精度定位直線電機平臺。