1.2 永磁同步直线电机研究现状

1.2.1 国外研究现状

目前高端永磁同步直线电机市场基本由欧洲、美国、日本、新加坡等地区和国家的公司所垄断，其中知名的公司有：欧洲的Tecnotion、Siemens（西门子），Rexroth（力士乐）、Thomson（汤姆森）、ETEL、Bosch（博世）、IDAM；美国的Parker（派克）、AMS、Kollmorgen（科尔摩根）、Aerotech、K2W；日本的Sodick（沙迪克）、Mitsubishi（三菱）；新加坡的Akribis（雅科贝思）。

Tecnotion公司总部位于荷兰，公司发展于飞利浦集团，专门从事直线电机和转矩电机的研发和生产，为全球知名半导体设备供应商ASML（阿斯麦）提供超精密直线电机系统。该公司有铁心与无铁心直线电机均有相应的产品，主打T系列初级有铁心系列（见图1-9）和U系列初级无铁心PMSLM，其中有铁心直线电机主要分为TBW、TB、TL以及TM系列；无铁心直线电机（见图1-10）主要分为UXX/UXA、UL、UM、UF以及UC系列，有/无铁心各系列电机的极限推力以及峰值推力见表1-1和表1-2。

Tecnotion的电机型号基本涵盖了各领域的应用，比如TB系列电机是一种大功率重负荷设备，集成了高加速度、高速度和亚微米定位精度、能耗低以及推力密度极高等优点，这种电机特别适用于负荷高、工作周期长的应用。TBW系列是TB系列电机的水冷升级版，该系列电机配有一个完全内置、高效率的冷却系统，使其产生的连续推力比标准版更高，并且在保持其亚微米定位精度的同时又能承受极高的加速度。由于该电机的热量不会传导到机器结构上，因此特别适用于热管理困难的应用场合。TL系列的特点是其线圈和磁轨之间的吸引力极低，其突出性能是尺寸小、加速度高、高速和高精度。TL系列也有加长版，因此使得TL系列应用广泛，几乎适用于任何应用场合，包括像大幅面数码打印机这种行程长的设备。TM系列在不需要高推力的场合应用广泛，性能可靠而且工作效率高。

Tecnotion无铁心直线电机均采用U型结构设计，在所有的系列中，UXX系列的精度以及推力指标是最高的，UXA系列是在UXX系列基础上开发的一种经济型版本，虽然性能略有下降，但是尺寸更小、价格更低。高端UL系列无铁心直线电机由于其速度高、定位精度高、零齿槽力和零法向吸力，被成功应用于整个半导体行业。中号UM系列无铁心直线电机拥有极高的速度和由独有技术研发的出色散热性能，该系列电机为无铁心设计，这使得紧凑的UM系列尤其适和应用在高精准量测的场合。UF系列电机专为小体积、高连续推力需求而设计开发的，其体积仅比UC系列稍大一些，该系列电机特别适用于医药和半导体领域抓取和放置系统等高频周期性应用场合。UC系列电机是Tecnotion最小的标准电机产品，该电机应用广泛、结构紧凑，其质量只有几克，但却能提供10N或20N的连续推力。由于非常小的质量，它可以适用于Z轴垂直运动的场合。

德国Siemens公司研发的L-1FN3系列产品具有高推力密度、高能效、高控制精度以及高动态性能的优点，图1-11所示为L-1FN3型直线电机的结构爆炸图。其中采用特殊水冷结构设计的1FN3电机，最高运行速度达836m/min，最大电磁推力达20700N，过载系数高达2.75，水冷式SIMOTICS L-1FN3系列直线电机专为机床使用而开发。1FN3直线电机主要包括重载型以及长载型两种：重载型电机质量小且过载能力强，该电机特别适合用作加速驱动，适合应用于高动态柔性机床、激光加工以及搬运等场合；长载型电机质量小且持续负载能力强，这种电机适用于具有持续加速及制动阶段和始终生效的负载（例如重力或过程力）循环，同时长载型电机的推力波动小，适合应用于高精密场合，例如振荡运动（非圆加工）、高过程力应用（磨削、车削等）、搬运机等。

日本Sodick公司主打数控机床用PMSLM，并于1998年率先将直线电机运用到了量产型工作机床中，目前在母公司研发的加工中心、电火花成形加工机、线切割放电加工机中普遍应用，通过直线电机以及结合高性能的驱动控制，极大提升了超精密加工精度。公司首创蛇形冷却结构，将水冷管道与电枢绕组紧密贴合，大幅提高散热能力。生产有铁心和无铁心PMSLM，有铁心电机包含小型（CMV/F）、中型（CEM）、大型（CEL）、宽幅（CEW）以及特宽幅（CEW2）5种系列，该公司有铁心系列直线电机的推力范围见表1-3。

Sodick无铁心直线电机主要分成大型（CG）、中型（CB）以及小型（CA，又分为CA V/F和CA u两种）三种，无铁心系列推力范围见表1-4。

Sodick利用自己设计的直线电机以及高性能的伺服驱动器生产的电火花放电加工机以及高速铣削中心和纳米加工中心如图1-12与图1-13所示。

新加坡Akribis公司设计生产用于制造、检测和测试的直驱电机、平台和精密系统方案。Akribis为半导体制造业、太阳能电池、PCB、平板显示器、硬盘、LED、机床、汽车电子、包装、印刷、光学和生物医疗等广泛的领域提供专业的支持。推出了ACR、ACM、AUM、AKM、ATM、AHM、AWM、AQM、AJM等多系列PMSLM，其无/有铁心系列如图1-14与图1-15所示，这些系列的直线电机推力等级3～16000N，动子长度5～700mm，有自然冷却、水冷和气冷三种散热方式，可满足多种场景应用需求，具有高速、高加速度、匀速、高稳定性、洁净、运行时低噪声、免维护等特点。

美国科尔摩根公司是全球领先的运动控制系统和配件供应商，其生产的直线电机品类繁多，直线电机的应用领域主要包括机床、半导体、激光切割、纺织等各种工业场合，生产的有铁心直线电机主要包括有冷却型与无冷却型IC系列，推力范围为141～25000N；无铁心直线电机主要是IL系列的直线电机，推力范围为10～1600N，科尔摩根公司用于金属切割的无框直驱直线电机如图1-16所示，图1-17则为结合科尔摩根直线电机的大幅面金属切割机。

美国Aerotech公司成立于1970年，主要专注于高精度直线电机的研发制造，是为用户设计和制造最高性能的运动控制和定位系统的公司，生产的直线电机产品广泛使用于医疗设备、汽车、激光处理、军事、航空航天等各个领域，主要有BLM、BLMSC、BLMX、BLMF等系列，这些系列的直线电机均具有非常高的定位精度，根据使用场合的特点，具体的使用场景可以进一步细分，图1-18所示为Aerotech公司研发的高精度定位直线电机平台。