永磁同步直線電機(jī)推力

　直線電機(jī)的推力波動(dòng)較大，限制其在超精密領(lǐng)域的應(yīng)用。推力中的諧波是無鐵心永磁同步直線電機(jī)推力波動(dòng)的主要原因之一，消除推力中的部分諧波可以有效降低推力波動(dòng)。該文建立了無鐵心永磁體同步直線電機(jī)推力諧波的解析模型，揭示了結(jié)構(gòu)參數(shù)與推力波動(dòng)間的關(guān)系，并提出了低推力波動(dòng)直線電機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。將設(shè)計(jì)準(zhǔn)則應(yīng)用于一類直線電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，提出了消除推力中特定階性諧波的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，驗(yàn)證了解析模型的準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)方法的有效性。

      采用多個(gè)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)臺的六自由度運(yùn)動(dòng)[3]，其長行程運(yùn)動(dòng)中的高加速度和高精度推力均由直線電機(jī)提供。這種結(jié)構(gòu)避免了粗動(dòng)臺與微動(dòng)臺的疊層結(jié)構(gòu)，僅包含一個(gè)臺體及其附件，能夠大幅降低動(dòng)臺質(zhì)量，一般小于 20kg。但直線電機(jī)的推力波動(dòng)大的特性會影響粗微動(dòng)一體掩模臺的精度。相比于有鐵心

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　　直線電機(jī)，無鐵心直線電機(jī)沒有齒槽力，推力波動(dòng)較小，更適合作為粗微動(dòng)一體掩模臺的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

　　無鐵心永磁同步直線電機(jī)結(jié)構(gòu)模型如。線圈陣列固定不動(dòng)，永磁體陣列運(yùn)動(dòng)。全局坐標(biāo)系 YOZ 固定在線圈陣列上，相對坐標(biāo)系 Y¢O¢Z¢固定在永磁體陣列上，兩個(gè)坐標(biāo)系間的平移矢量為

　　
        推力中的諧波成分越多，諧波造成的推力波動(dòng)越大；推力中的諧波幅值為零的階次越多，諧波造成的推力波動(dòng)越小。由式(1)可以得到一個(gè)重要的結(jié)論，推力中第 n 階諧波的幅值僅由電流密度和磁化強(qiáng)度的第 n 階傅里葉系數(shù) Jxn、(Myn+jMzn)確定，與其他階次的傅里葉系數(shù)無關(guān)。進(jìn)一步觀察式（1），電流密度與磁化強(qiáng)度的第 n 階傅里葉系數(shù)為乘積關(guān)系，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得兩者中的任一為零時(shí)，推力中第 n 階諧波的幅值即為零。因此，為了最大程度降低諧波對于推力波動(dòng)的影響，提出兩條低推力波動(dòng)直線電機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

　　準(zhǔn)則 1：電流密度與磁化強(qiáng)度傅里葉系數(shù)為零的階次盡可能多。

　　準(zhǔn)則 2：電流密度與磁化強(qiáng)度傅里葉系數(shù)不為零的階次盡可能不同。

　　設(shè)計(jì)準(zhǔn)則同樣適用于無鐵心永磁同步平面電機(jī)。本文中的研究以單面永磁體的直線電機(jī)為例，使用疊加原理可以將研究結(jié)果擴(kuò)展應(yīng)用于雙面永磁體的直線電機(jī)。