直线电机设计与优化(TFLM,FSLM)论文阅读笔记2
2.15-2.19大推力低噪声有铁心直线电机（长）（用于光刻机
Linear Iron-core Permanent Magnet Motor with High Force and Low Acoustic Noise
摘要：
振动噪声产生主要原因：高频推力谐波，文中涉及电机兼顾推力和精度(noise)。
1.介绍了旋转电机产生噪声的多种因素，引用文献解释及其削弱方案。
直线电机噪声产生原因（括号内为解决方案）：推力谐波（齿优化、深槽）、齿槽力振动（skewed magnets）、机械振动、编码量化误差（改进精度p49）
左图Tecnotion的TL18，中图为论文改进样机（细化齿，深槽，多相，Halbach阵列），右图试验台
本文采用长定子，永磁动子结构，为了增大加速度、省去运动线缆。
2.传统有铁心电机TL18：采用FEM分析
其中齿槽力与励磁线圈关系不大，推力波动与励磁电流近似成正比， 单个线圈分别驱动
2.1传统单元电机结构：3-4 combination motor，三个线圈对应四个磁级
电机定子、动子产生的磁动势均包含高次谐波，因此推测产生的推力也包含高次谐波。
2.2 仿真分析：skewed magnet可以用于消除或者抑制齿槽力，斜角决定了消除的谐波次数，其中齿槽力的基波周期与定子齿距相等。
采用斜型永磁对齿槽力影响：
1.可以消除相应的齿槽力谐波
2.切向、法向齿槽力峰峰值下降
3.若想通过skewed magnet完全消除齿槽力基波，需要倾斜一个齿距，但会破坏推力作用，实际操作中不采用。
4.给出了齿槽力产生的噪声频率。
skewed magnet可以用于降低推力波动及其谐波，但作用不明显。
采用斜型永磁对齿槽力影响：
1.可以削弱切向、法向的推力波动。
2.尽管有skewed magnet，推力波动及其谐波仍然很大。
3.推力波动会产生振动噪声。
3.细化齿形：改善定子磁动势（多相，细齿）以及改善动子磁势波形（Halbach）减小推力谐波。
3.2 采用HLM分析方法，定子绕组用磁路法p90-p97（p90磁路示意图，p92各部分磁阻计算），动子采用Maxwell计算p82-p89（Halbach阵列在y方向、z方向分别磁化，利用傅里叶分解得到两个方向的磁化强度p84，并求解泊松方程），二者的结合以及与FEM结果的对比分析（p99-p105）。
3.3 细化齿形电机的设计过程：下图为电机待设计参数，其中齿宽和槽宽相等。
利用HLM选取设计参数p103-p105
1.确定电机几何参数，利用HLM对电机不同相数下的Shear stress per power进行仿真，得到最佳相数。
2.确定定子几何，永磁厚度，对两种充磁体不同比例下的推力进行仿真，得到最佳Halbach阵列方式。
利用FEM选取设计参数(HLM不包含漏磁，对于某些参数优化不适用)p105-
Power Dissiation per Unit 、RMS Current Density——[运行条件]作为横坐标shear stress、stage acceleration——[推力性能]作为纵坐标，分析不同参数下的电机性能
1.确定齿宽、槽宽
2.槽宽与槽高之比
3.线匝数与线径配合
4.永磁厚度：适当范围内越厚，推力性能越好；但厚永磁增大动子重量，会减小运行加速度。（文中首先确定试验台电机的功率等级，在特定功率下选择可以达到最大加速的的永磁体厚度）
3.3 优化后的电机尺寸以及根据实际进行的调整
3.4-3.5 电机最终设计方案p128-p136
4.试验台的设计：对试验台的要求：多样化（4中方案，新旧机单双面），空气轴承（分离磁场与机械噪声），长行程（满足各种速度的测试，光刻机最高速度2.4m/s），考虑电机加速时反作用力（防止其作用于系统其它部分，可以通过平衡重量or增大定子、动子的重量比来改进），位置实时测量（用于控制，精度大于1微米，误差小于10微米），力检测装置（测量齿槽力，便于谐波分析），声音测量装置（20Hz-10kHz）
4.2 分情况讨论平台采用方式：长电枢定子短永磁动子（最终方案）（动子轻、定子动子重量比大、无线缆、但存在没有耦合的电枢发热）、长永磁定子短电枢动子（绕组全部耦合、少量功放、但动子重且有线缆）、短电枢定子长永磁动子（绕组全部耦合、无线缆、但动子重且导轨长）、短永磁定子长电枢动子（无优点、四种方案中动子最重、定子动子比最小、线缆最多、绕组不全耦合、长导轨）
4.3 导轨（左下，图中二者截面相同，长度不同）、空气轴承（中图，通过真空或永磁加预压，两个空气供应线），并给出了CAD绘制的试验台侧视图（右下）
5.试验台搭建：花岗岩底板（大的定动子比例）、钢轨、测功器、气浮导轨、位置传感、减震器和电缆托架、电力驱动器。
5.2 针对改进电机，实验平台进行一系列调整，包括定子安装板、测功器、气浮导轨以及电力驱动。
5.3 噪声收集：压电材料测振、麦克风收集声音。
6.对TL18实验（包含驱动算法以及位置控制器设计）：
6.1 电机控制：设定零电位点（选取反电势为0的位置作为零电位点，若安装方式改变，重新确定零电位点，文中选取线圈7作为EMF检测线圈）、电机控制（结合位置传感器以及零电位点，采用NI PXI-8110控制器）、位置控制（PID控制p213-p220）
6.2 实验结果
7.优化电机的实验结果
2.19-High-Force Linear Iron-core Fine-tooth Motor
2.给出了剪切应力tao的求解
3.实验平台搭建：在导轨两端安装了减震器（Shock absorbers (SCS33-25 by ACE)）、三轴测力元件安装在定子下方（triaxial load cells (Type 9250A4 by Kistler)）、位置传感器（optical linear position sensors (read-head T1001 and scale RGSZ20 by Renishaw)）、电机实时控制器（ real-time controller (PXI-8110 by National Instruments)）、采用钴铁定子材料（减轻材料饱和以及漏磁效应，Hyperco50，可以进一步考虑材料的改机对于电机性能的改善）
注：普通电机采用斜型永磁可以改善力的波动，倾斜一个齿距可以完全改善推力波动，但是相应的会削弱推力产生的效果（compromising the thrust）。但改进电机齿距较小，斜型永磁体可以很容易的倾斜一个齿距，并不对推力产生较大的副作用。
参考文献
[]Ultrahigh-acceleration moving-permanent-magnet linear synchronous motor with a long working range[]Fine grain commutation: Integrated design of permanent-magnet synchronous machine drives with highest torque density,[]Thrust ripple reduction in ultrahigh-acceleration moving- permanent-magnet linear synchronous motor,[]High-precision and high-speed positioning of 100g linear synchronous motor
2.20-Fine-tooth Iron-core Linear Synchronous Motor for Low Acoustic Noise Applications
1.电机噪声：磁场、机械、电（PWM换向纹波、解码器）。旋转电机由径向磁力引起的定子径向变形是噪声的主要部分。
2.直线电机噪声来源：
主要存在两种推力：电推力（电枢引起，与通入电流成比例）、齿槽力（与几何特性和永磁相关）
3.讨论电机推力谐波：细化齿电机的定子和动子磁动势的谐波均减小—推力谐波小，同时齿槽力也可以通过斜型永磁的方式减小（齿距变小，永磁的倾斜角也可以较小，减小齿槽力的同时不影响推力效果）。
4.磁路设计：采用五相（相比于三相单位功率剪应力密度高，进一步加大相数会导致气浮导轨的预压力过大，同时绕线困难，需要多个单相逆变器或定制的5相逆变器，或采用六相细化齿电机，用三个三相逆变器）Number of Slots per Pole= Number of Phase
分析切向力（运动方向）、法向力（垂直方向）随位置变化（周期为一个齿距）
5.试验台搭建，实验结果：定子共180个线圈，线圈双层插入槽内，每相绕组线圈串联；绕组分四段驱动，采用4*5=20个功率放大器；无链接和无铰链的电缆载体（Quantum 040-28 by Tsubaki）；加速度计（ accelerometers (353B15 and 356A26 by PCB Piezotronics) ）和麦克风（microphones (130E20 by PCB Piezotronics) ），实时处理器（real-time processor (PXIe- 8133 by National Instruments)）。
6.实验分析：静止、周期运动时的电机噪声；齿槽力产生的噪声。
2.20~2.21-新型直线电机和新型的磁滞电机驱动的磁悬浮线性系统
Linear Stages for Next Generation Precision Motion Systems
1.出于精密运输要求（化学物质在运输中可能会颠簸发生反应），提出磁滞电机驱动的磁悬浮线性系统。
2.低噪声细齿电机及试验台：光学解码器（optical encoders (T1001 and RGSZ20 by Renishaw) ）
3.磁悬浮线性系统（需要时候再看）
硬件：两定子（一个电机定子、两个偏航控制定子、以及由两排永磁体和一个定子背铁组成的偏磁结构；11相绕组，包含左右各三相控制绕组以及一个五相的偏航控制绕组）+一动子（铝base，两个背铁，两个磁滞电机，四个偏磁收集装置）+一个测量系统（xz方向16个光位移传感器，用于稳定磁悬浮；y方向两排磁传感器，用于测量运动方向位移，无线缆）
