清华大学朱煜教授团队：无铁芯永磁同步平面电机设计与应用

平面电机作为实现多自由度精密运动的新型驱动装置，在以先进光刻为代表的高端制造领域扮演着关键角色。随着智能制造对纳米级精度与高动态响应能力的要求不断提高，传统串联机构的局限性日益凸显，无铁芯永磁同步平面电机因具有无齿槽效应、高动态响应等特性，成为学术界与工业界关注的焦点。

▲ 平面多自由度示意

近年来，光刻、基因测序、生物制药生产线自动化传输等前沿科技领域的蓬勃发展，对运动平台提出了前所未有的高要求，特别是对于那些需要在三维空间中执行多自由度运动的任务。更进一步地，这些应用还要求运动平台具备高动态和高精度的特性，从而满足从宏观大范围移动到微观精准运动的多元化需求。

▲ 平面运动需求案例

▲ 平面电机在光刻机工件台的应用

国际光刻机领导者ASML 公司与飞利浦公司合作，将动圈式磁浮平面电机应用于DUV 与EUV 光刻机的工件台粗动台，显著提升了运动控制的精度与效率。通过ASML 公司的专利布局，可以洞悉其采用的动圈式平面电机构型(图b、图c)，这种设计通过粗动台与微动台的精细配合，构建了一个既可实现大范围运动，又能保持高精度、高速度和高加速度的超精密运动平台系统，充分展示了磁浮平面电机在尖端制造技术中的核心地位。

在无铁芯永磁同步平面电机领域，尽管已有显著的研究进展，但在设计、控制和驱动方面仍存在挑战。特别是在设计建模方面，目前缺乏直接适用于平面电机结构优化的解析型建模方法。在控制领域，由于平面电机的多自由度耦合特性，动力学解耦控制面临重大挑战。此外，在驱动方面，传统的电流分配方法(如D-Q分解和最小二乘法)虽然在一定程度上实现了平面电机的驱动解耦，但这些方法基于理想的推力模型，难以应对实际电机中的复杂非线性和高频变化，导致推力精度不足，限制了电机在超精密应用中的性能。

无铁芯永磁同步平面电机设计与应用

朱煜 张鸣 胡楚雄 胡金春 著

北京 : 科学出版社, 2025. 7

ISBN 978-7-03-082700-5

本书以无铁芯永磁同步平面电机为研究对象，旨在系统论述设计、控制和驱动等关键技术，并面向工业应用。结合实际应用案例，本书将展示这些关键技术在实践中的应用过程。

在设计和控制需求的推动下，本书首先对平面电机的推力模型进行深入研究。在第2 章和第3 章中，给出一种统一的解析推力模型，该模型不仅满足一般建模方法的要求，还在线圈形状和边缘效应方面实现了统一。第2 章中的模型能够描述任意形状线圈在周期磁场下的行为，并通过高阶谐波的统一化表达提高建模精度，满足平面电机基本运动要求。第3 章进一步给出扩展统一模型，整合了边缘效应，使平面电机能更有效地利用边缘磁场，提高效率，优化负载传输，并减少驱动器的非线性，从而提升精密性能。

▲ 模块化动磁式磁浮平面电机

无铁芯永磁平面电机多轴解耦控制的对象——动磁式磁浮平面电机采用模块化结构

在驱动及控制方法方面，本书第4 章介绍电流分配方法，包括D-Q 分解方法和最小二乘法，实现平面电机的驱动解耦。第5 章则给出一种计算驱动方法，通过逆向辨识电机的实际输入输出数据，实时校正驱动电流，提高电机推力输出的线性度和精度。第6 章针对多自由度超精密运动控制系统的耦合问题，分析多自由度耦合模型和动态误差产生机理，并给出一套多因素作用下的多自由度解耦方案，实现高性能的动力学模型解耦，为平面电机在工业应用中奠定基础。

▲ 平面电机精密/超精密测量系统

基于推力模型、电流分配、计算驱动和多轴解耦控制的关键技术研究，本书第7 章和第8 章介绍两种应用实例。第7 章探讨模块化平面电机在工业自动化物料运输中的系统级应用；第8 章则介绍精密/超精密动磁式磁浮平面电机在精密运动台中的应用。

第9 章对平面电机在建模仿真、驱动控制、设计制造及应用等方面的未来发展趋势进行展望。

本书注重理论深度与工程实用性的结合，既可为高校相关专业师生提供学术参考，亦能为企业研发人员提供技术借鉴。感谢团队成员在实验验证与案例开发中的贡献。期望本书能为推动我国精密运动控制技术的自主创新提供有益参考。

本文摘编自《无铁芯永磁同步平面电机设计与应用》（朱煜等著. 北京 : 科学出版社, 2025. 7）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

（先进光刻机关键技术与应用）

ISBN 978-7-03-082700-5

责任编辑：孙力维 赵艳春

（本文编辑：刘四旦）