1.1.2 初級無/有鐵心永磁同步直線電機

根據電機初級鐵心結構不同，又可以劃分為初級無鐵心和初級有鐵心兩類。本書以精密運動平臺中常用的具有代表性的無鐵心永磁同步直線電機（Air Core Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，ACPMSLM）和有鐵心永磁同步直線電機（Iron Core Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，ICPMSLM）作為具體的研究對象，圖1-7為這兩種電機的初級結構示意圖。初級無鐵心直線電機和初級有鐵心直線電機各有優勢：初級無鐵心電機優勢是無定位力并且推力波動極小，有助于電機系統在空載或輕載狀態下實現高定位精度的應用需求；其缺陷是電機推力密度低，對電機系統加速度性能存在制約。與之相反，初級有鐵心直線電機優勢是推力密度高，可以滿足電機系統大推力和高加速度的應用需求；其缺陷是電機推力波動大，惡化了電機系統的可靠運行性能和控制精度。初級有鐵心直線電機還可以采用初級無槽結構，其性能介于初級無鐵心直線電機和初級有槽直線電機之間，能夠滿足高精度、高響應和輕負載的應用需求。

為了便于直線電機規模化生產和在工業界靈活應用，模塊化直線電機近年來成為研究熱點。模塊化電機是在不考慮漏磁的情況下實現磁通的完全隔離，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，提高了電機的容錯性能。直線電機存在的端部效應，會產生推力波動，模塊化的結構也可以降低電機整體的推力波動。模塊化電機可以分為初級模塊化直線電機和次級模塊化直線電機，如圖1-8所示。次級模塊化的優點是結構簡單，但是安裝的靈活度較低，電機的推力系數也會降低。初級模塊化可以根據繞組排布的不同，設計出不同結構的模塊，自由度高，而且磁場可以調控，可以實現電機的精密控制。

在精密運動平臺的研究背景下，永磁同步直線電機選型是關鍵的技術難題之一。ACPMSLM和ICPMSLM各有優勢，目前針對上述兩種類型電機應用特點、性能參數的對比研究多為定性分析，沒有系統的定量的對比評估。本書以光刻機的雙工件臺系統為具體應用背景，圍繞提高電機系統定位精度，提出并解決無鐵心與有鐵心直線電機共性的科學問題，如：磁場精確解析，縱向、橫向端部效應及外懸效應分析，三維電磁力研究等；同時，通過介紹永磁同步直線電機電流控制和推力補償方法，闡述直線電機推力控制技術。

以光刻機的雙工件臺系統為例，永磁同步直線電機的工作節拍主要分為步進段、掃描曝光段和換臺段等，其中步進與掃描段可分為加速時間段、勻速時間段和減速時間段，而換臺段僅為加速、減速時間段。在勻速時間段，永磁同步直線電機工作在空載或輕載狀態，要求三維電磁力波動盡可能小，以實現速度均勻性和高定位精度，此時對電機的輸出推力無要求。在加速和減速時間段，永磁同步直線電機工作在高過載狀態，要求電機峰值推力足夠大，以實現更大的加速度提高生產效率，此時對電機的定位精度要求較低。綜上，對于大多數的精密運動平臺用永磁同步直線電機，要求高峰值推力和低電磁力波動并非在同一時間段；在高過載狀態，要求峰值推力和電機常數足夠大，在空載或輕載狀態，要求三維電磁力波動足夠小。

因此，對于無鐵心永磁同步直線電機，無定位力并且推力波動極小，容易滿足在空載或輕載狀態下高定位精度要求，其關鍵難題是實現電機兼具高推力密度、高電機常數和低推力波動等性能。對于有鐵心永磁同步直線電機，推力密度和電機常數相對較大，容易滿足在高過載狀態下高加速度要求，但是由于存在定位力和空載法向力波動，難以滿足在空載或輕載狀態下高定位精度要求，故其關鍵問題是抑制三維電磁力波動，特別是降低定位力波動，同時維持較高的推力密度。

1.無鐵心永磁同步直線電機的優缺點

在分析精密運動平臺用無鐵心和有鐵心永磁同步直線電機工作特性的基礎上，開展兩種類型永磁同步直線電機特點的對比研究。與有鐵心永磁同步直線電機相比，無鐵心的優勢在于：

（1）無齒槽效應、無定位力。推力波動極小，可以確保電機運行最佳平穩度，定位精度很容易達到微米級，若采用長初級短次級的結構形式，消除線纜擾動力，定位精度可達到亞微米級。

（2）無單邊磁拉力。平衡的雙磁軌，增加直線導軌的使用壽命，安全、便于操作，并且電機動子安裝精度較高。

（3）高動態性能。由于取消了中間機械傳動和轉換環節，直接驅動的動電樞型無鐵心直線電機動子質量很輕，在空載或輕載工況下一般可達到超過10g的加速度，而且機械帶寬很高。

（4）振動噪聲相對很小。

但是，無鐵心永磁同步直線電機也存有一些劣勢：

（1）與有鐵心直線電機相比，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構，在相同次級長度下，使用的磁體數量幾乎是有鐵心直線電機的兩倍，成本更高。

（3）散熱效率低。由于無鐵心結構，線圈熱損耗傳導較差，而且水冷卻系統實現困難，電機銅損耗產生的熱量易直接散發到外界環境。對于動磁鋼無鐵心永磁同步直線電機，由于動子部件沒有線纜擾動力，位置控制精度更高，但是長初級的電樞繞組產生熱損耗顯著增大，冷卻結構更難實現。

2.有鐵心永磁同步直線電機的優缺點

同無鐵心永磁同步直線電機比較，有鐵心電機優勢主要有：

（1）電磁推力大，由于使用鐵心聚磁和導磁，物理氣隙小，氣隙磁通密度高，推力密度和電機常數都相對較大。

（2）初級和次級之間存在法向力。法向吸引力一般相當于電機所產生的電磁推力的5~13倍，在精密氣浮定位系統中，法向力預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于負氣壓提供吸力，與氣源提供正氣壓所產生的浮力相互平衡，實現電機動子的氣浮支撐和導向，這樣能減少一個氣浮工作面。

（3）散熱性能好、易冷卻。鐵心和電樞繞組接觸表面積很大，電機銅損耗很容易傳導到鐵心背軛，通過鐵心背軛的冷卻結構中冷卻水帶走，水冷卻效果良好，并且容易實現。

（4）由于采用單面永磁體結構，制造成本相對低。

但是，有鐵心永磁同步直線電機也存在缺陷：

（1）鐵心開齒槽和初級鐵心開端的結構，在空載狀態下，產生定位力和空載法向力波動；在負載狀態下，產生三維電磁力波動，直接影響電機系統的速度和位置控制精度，同時產生振動和噪聲。

（2）存在法向磁拉力，增加了電機的裝配難度。

（3）鐵心齒部、軛部存在磁飽和問題。

（4）動電樞型的電機動子部件包含初級鐵心、線圈和水冷卻結構等，質量相對很大，其動態響應能力比無鐵心永磁同步直線電機差。

綜上所述，無鐵心和有鐵心永磁同步直線電機各有利弊，需要根據實際的應用背景、系統輸入指標約束、電機制造成本等因素綜合考慮選擇無鐵心或有鐵心、動電樞型或動磁鋼型的永磁同步直線電機。