永磁同步直線電機推力

　直線電機的推力波動較大，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推力波動的主要原因之一，消除推力中的部分諧波可以有效降低推力波動。該文建立了無鐵心永磁體同步直線電機推力諧波的解析模型，揭示了結(jié)構(gòu)參數(shù)與推力波動間的關(guān)系，并提出了低推力波動直線電機的設(shè)計準則。將設(shè)計準則應(yīng)用于一類直線電機的優(yōu)化設(shè)計中，提出了消除推力中特定階性諧波的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法。設(shè)計結(jié)果與有限元仿真結(jié)果和實驗結(jié)果進行比對，驗證了解析模型的準確性和設(shè)計方法的有效性。

      采用多個直線電機驅(qū)動動臺的六自由度運動[3]，其長行程運動中的高加速度和高精度推力均由直線電機提供。這種結(jié)構(gòu)避免了粗動臺與微動臺的疊層結(jié)構(gòu)，僅包含一個臺體及其附件，能夠大幅降低動臺質(zhì)量，一般小于 20kg。但直線電機的推力波動大的特性會影響粗微動一體掩模臺的精度。相比于有鐵心

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　　直線電機，無鐵心直線電機沒有齒槽力，推力波動較小，更適合作為粗微動一體掩模臺的驅(qū)動電機。

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

　　
        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越小。由式(1)可以得到一個重要的結(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)。進一步觀察式（1），電流密度與磁化強度的第 n 階傅里葉系數(shù)為乘積關(guān)系，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計使得兩者中的任一為零時，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的影響，提出兩條低推力波動直線電機設(shè)計準則：

　　準則 1：電流密度與磁化強度傅里葉系數(shù)為零的階次盡可能多。

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

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