1.1.2 初级无/有铁心永磁同步直线电机
根据电机初级铁心结构不同，又可以划分为初级无铁心和初级有铁心两类。本书以精密运动平台中常用的具有代表性的无铁心永磁同步直线电机（Air Core Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，ACPMSLM）和有铁心永磁同步直线电机（Iron Core Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，ICPMSLM）作为具体的研究对象，图1-7为这两种电机的初级结构示意图。初级无铁心直线电机和初级有铁心直线电机各有优势：初级无铁心电机优势是无定位力并且推力波动极小，有助于电机系统在空载或轻载状态下实现高定位精度的应用需求；其缺陷是电机推力密度低，对电机系统加速度性能存在制约。与之相反，初级有铁心直线电机优势是推力密度高，可以满足电机系统大推力和高加速度的应用需求；其缺陷是电机推力波动大，恶化了电机系统的可靠运行性能和控制精度。初级有铁心直线电机还可以采用初级无槽结构，其性能介于初级无铁心直线电机和初级有槽直线电机之间，能够满足高精度、高响应和轻负载的应用需求。
图1-7 永磁同步直线电机初级结构示意图
为了便于直线电机规模化生产和在工业界灵活应用，模块化直线电机近年来成为研究热点。模块化电机是在不考虑漏磁的情况下实现磁通的完全隔离，在模块之间引入气隙间隙或隔磁屏障，阻断了模块之间的耦合，提高了电机的容错性能。直线电机存在的端部效应，会产生推力波动，模块化的结构也可以降低电机整体的推力波动。模块化电机可以分为初级模块化直线电机和次级模块化直线电机，如图1-8所示。次级模块化的优点是结构简单，但是安装的灵活度较低，电机的推力系数也会降低。初级模块化可以根据绕组排布的不同，设计出不同结构的模块，自由度高，而且磁场可以调控，可以实现电机的精密控制。
在精密运动平台的研究背景下，永磁同步直线电机选型是关键的技术难题之一。ACPMSLM和ICPMSLM各有优势，目前针对上述两种类型电机应用特点、性能参数的对比研究多为定性分析，没有系统的定量的对比评估。本书以光刻机的双工件台系统为具体应用背景，围绕提高电机系统定位精度，提出并解决无铁心与有铁心直线电机共性的科学问题，如：磁场精确解析，纵向、横向端部效应及外悬效应分析，三维电磁力研究等；同时，通过介绍永磁同步直线电机电流控制和推力补偿方法，阐述直线电机推力控制技术。
以光刻机的双工件台系统为例，永磁同步直线电机的工作节拍主要分为步进段、扫描曝光段和换台段等，其中步进与扫描段可分为加速时间段、匀速时间段和减速时间段，而换台段仅为加速、减速时间段。在匀速时间段，永磁同步直线电机工作在空载或轻载状态，要求三维电磁力波动尽可能小，以实现速度均匀性和高定位精度，此时对电机的输出推力无要求。在加速和减速时间段，永磁同步直线电机工作在高过载状态，要求电机峰值推力足够大，以实现更大的加速度提高生产效率，此时对电机的定位精度要求较低。综上，对于大多数的精密运动平台用永磁同步直线电机，要求高峰值推力和低电磁力波动并非在同一时间段；在高过载状态，要求峰值推力和电机常数足够大，在空载或轻载状态，要求三维电磁力波动足够小。
图1-8 模块化电机
因此，对于无铁心永磁同步直线电机，无定位力并且推力波动极小，容易满足在空载或轻载状态下高定位精度要求，其关键难题是实现电机兼具高推力密度、高电机常数和低推力波动等性能。对于有铁心永磁同步直线电机，推力密度和电机常数相对较大，容易满足在高过载状态下高加速度要求，但是由于存在定位力和空载法向力波动，难以满足在空载或轻载状态下高定位精度要求，故其关键问题是抑制三维电磁力波动，特别是降低定位力波动，同时维持较高的推力密度。
1.无铁心永磁同步直线电机的优缺点
在分析精密运动平台用无铁心和有铁心永磁同步直线电机工作特性的基础上，开展两种类型永磁同步直线电机特点的对比研究。与有铁心永磁同步直线电机相比，无铁心的优势在于：
（1）无齿槽效应、无定位力。推力波动极小，可以确保电机运行最佳平稳度，定位精度很容易达到微米级，若采用长初级短次级的结构形式，消除线缆扰动力，定位精度可达到亚微米级。
（2）无单边磁拉力。平衡的双磁轨，增加直线导轨的使用寿命，安全、便于操作，并且电机动子安装精度较高。
（3）高动态性能。由于取消了中间机械传动和转换环节，直接驱动的动电枢型无铁心直线电机动子质量很轻，在空载或轻载工况下一般可达到超过10g的加速度，而且机械带宽很高。
（4）振动噪声相对很小。
但是，无铁心永磁同步直线电机也存有一些劣势：
（1）与有铁心直线电机相比，在相同电流密度下，输出推力较小，推力体积密度较低。
（2）由于采用双边永磁体结构，在相同次级长度下，使用的磁体数量几乎是有铁心直线电机的两倍，成本更高。
（3）散热效率低。由于无铁心结构，线圈热损耗传导较差，而且水冷却系统实现困难，电机铜损耗产生的热量易直接散发到外界环境。对于动磁钢无铁心永磁同步直线电机，由于动子部件没有线缆扰动力，位置控制精度更高，但是长初级的电枢绕组产生热损耗显著增大，冷却结构更难实现。
2.有铁心永磁同步直线电机的优缺点
同无铁心永磁同步直线电机比较，有铁心电机优势主要有：
（1）电磁推力大，由于使用铁心聚磁和导磁，物理气隙小，气隙磁通密度高，推力密度和电机常数都相对较大。
（2）初级和次级之间存在法向力。法向吸引力一般相当于电机所产生的电磁推力的5~13倍，在精密气浮定位系统中，法向力预加载方法能有效地利用法向吸引力，足够大的法向吸引力相当于负气压提供吸力，与气源提供正气压所产生的浮力相互平衡，实现电机动子的气浮支撑和导向，这样能减少一个气浮工作面。
（3）散热性能好、易冷却。铁心和电枢绕组接触表面积很大，电机铜损耗很容易传导到铁心背轭，通过铁心背轭的冷却结构中冷却水带走，水冷却效果良好，并且容易实现。
（4）由于采用单面永磁体结构，制造成本相对低。
但是，有铁心永磁同步直线电机也存在缺陷：
（1）铁心开齿槽和初级铁心开端的结构，在空载状态下，产生定位力和空载法向力波动；在负载状态下，产生三维电磁力波动，直接影响电机系统的速度和位置控制精度，同时产生振动和噪声。
（2）存在法向磁拉力，增加了电机的装配难度。
（3）铁心齿部、轭部存在磁饱和问题。
（4）动电枢型的电机动子部件包含初级铁心、线圈和水冷却结构等，质量相对很大，其动态响应能力比无铁心永磁同步直线电机差。
综上所述，无铁心和有铁心永磁同步直线电机各有利弊，需要根据实际的应用背景、系统输入指标约束、电机制造成本等因素综合考虑选择无铁心或有铁心、动电枢型或动磁钢型的永磁同步直线电机。