1.2 永磁同步直線電機研究現(xiàn)狀

1.2.1 國外研究現(xiàn)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(qū)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(fā)展于飛利浦集團，專門從事直線電機和轉(zhuǎn)矩電機的研發(fā)和生產(chǎn)，為全球知名半導體設(shè)備供應(yīng)商ASML（阿斯麥）提供超精密直線電機系統(tǒng)。該公司有鐵心與無鐵心直線電機均有相應(yīng)的產(chǎn)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(lǐng)域的應(yīng)用，比如TB系列電機是一種大功率重負荷設(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，這種電機特別適用于負荷高、工作周期長的應(yīng)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(nèi)置、高效率的冷卻系統(tǒng)，使其產(chǎn)生的連續(xù)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(jié)構(gòu)上，因此特別適用于熱管理困難的應(yīng)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(yīng)用廣泛，幾乎適用于任何應(yīng)用場合，包括像大幅面數(shù)碼打印機這種行程長的設(shè)備。TM系列在不需要高推力的場合應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)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(chǔ)上開發(fā)的一種經(jīng)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(yīng)用于整個半導體行業(yè)。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(shù)研發(fā)的出色散熱性能，該系列電機為無鐵心設(shè)計，這使得緊湊的UM系列尤其適和應(yīng)用在高精準量測的場合。UF系列電機專為小體積、高連續(xù)推力需求而設(shè)計開發(fā)的，其體積僅比UC系列稍大一些，該系列電機特別適用于醫(yī)藥和半導體領(lǐng)域抓取和放置系統(tǒng)等高頻周期性應(yīng)用場合。UC系列電機是Tecnotion最小的標準電機產(chǎn)品，該電機應(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軸垂直運動的場合。

德國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態(tài)性能的優(yōu)點，圖1-11所示為L-1FN3型直線電機的結(jié)構(gòu)爆炸圖。其中采用特殊水冷結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)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(fā)。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(zhì)量小且過載能力強，該電機特別適合用作加速驅(qū)動，適合應(yīng)用于高動態(tài)柔性機床、激光加工以及搬運等場合；長載型電機質(zhì)量小且持續(xù)負載能力強，這種電機適用于具有持續(xù)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(huán)，同時長載型電機的推力波動小，適合應(yīng)用于高精密場合，例如振蕩運動（非圓加工）、高過程力應(yīng)用（磨削、車削等）、搬運機等。

日本Sodick公司主打數(shù)控機床用PMSLM，并于1998年率先將直線電機運用到了量產(chǎn)型工作機床中，目前在母公司研發(fā)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(yīng)用，通過直線電機以及結(jié)合高性能的驅(qū)動控制，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(shè)計的直線電機以及高性能的伺服驅(qū)動器生產(chǎn)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(shè)計生產(chǎn)用于制造、檢測和測試的直驅(qū)電機、平臺和精密系統(tǒng)方案。Akribis為半導體制造業(yè)、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(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/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(yīng)用需求，具有高速、高加速度、勻速、高穩(wěn)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(lǐng)先的運動控制系統(tǒng)和配件供應(yīng)商，其生產(chǎn)的直線電機品類繁多，直線電機的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括機床、半導體、激光切割、紡織等各種工業(yè)場合，生產(chǎn)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(qū)直線電機如圖1-16所示，圖1-17則為結(jié)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(fā)制造，是為用戶設(shè)計和制造最高性能的運動控制和定位系統(tǒng)的公司，生產(chǎn)的直線電機產(chǎn)品廣泛使用于醫(yī)療設(shè)備、汽車、激光處理、軍事、航空航天等各個領(lǐng)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(jù)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(fā)的高精度定位直線電機平臺。