採用三維永磁陣列的平面電機的製作方法

2023-04-25 20:47:41 1

專利名稱：採用三維永磁陣列的平面電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種平面電機，特別是一種採用三維永磁陣列的平面電機，主要應用於製造 設備與機器人領域。
背景技術：
在許多工業設備中，我們需要驅動工件或工作檯做平面運動並在平面上對其進行精確定 位，例如顯微鏡的載物臺，光刻機中的矽片臺等設備。傳統的平面定位裝置由兩套或多套直 線驅動單元垂直疊加而成，每套直線驅動單元由一臺旋轉電動機、 一套直線運動轉換機構和 一套直線導軌組成，或者由一臺直線電機和一套直線導軌組成。位於底層的直線驅動單元不 僅承擔末端承件臺的驅動，而且還承載著頂層直線驅動單元的質量，於是造成了平面定位裝 置在多個方向上(如傳統XY工作檯的X方向和Y方向)運動慣量的嚴重不均衡，從而影響 了運動行程、響應速度、運動精度等性能指標的提高。在這種背景下，採用電磁力直接驅動 單一動子直接實現多自由度運動的平面電機則應運而生,它避開了傳統多自由度工作檯疊層 驅動的思路，在精密的平面定位裝置中具有廣闊的應用前景，受到廣泛的關注
根據平面電機非運動自由度的約束方式和涉及的技術領域，可將平面電機劃分為氣浮平 面電機和磁浮平面電機，它們分別採用氣浮和磁浮方式實現對非運動自由度(如偏擺、縱頃 和橫頃)的約束。相比於氣浮方式，磁浮方式具有結構簡單、基座表面無需精密加工、可實 現非運動自由度的主動約束、易在真空環境中應用等優點。
目前的磁浮平面電機一般由通電線圈在永磁陣列氣隙磁場中產生的洛倫茲力提供驅動力 和懸浮支承。隨著對平面電機加速度和負載性能指標的要求不斷提高，我們需要不斷提高永 磁陣列氣隙磁場強度。特別是對於採用永磁陣列作為動子的動鐵式磁浮平面電機，具有無線 纜幹擾，適應真空的工作環境等突出優點，但是永磁陣列本身的重力已經負載的重力需要電 磁力來支承。這就要求我們不斷提高永磁陣列工作氣隙的場強與自身質量的比值，及在質量 不變的前提下不斷提高氣隙的磁感應強度。
目前的永磁陣列都採用2D平面永磁陣列，主要的幾種結構如圖l所示，圖l (a)所示 陣歹ll形式由Asakawa首先在專禾U《Two dimensional positioning devices》(U. S. Patent 4626 749, Dec. 1986.)中提出；圖1 (b)所示陣列形式由Chitayat在專利《Two-axis motor with high density magnetic platen》(U.S. Patent 5777 402， July 1998)中提出；Trumper 等人在專利《Magnetic arrays》(U.S. Patent 5631 618， May 1997)中提出了一種Halbach 結構的陣列形式如圖1 (c)所示；Cho等人在文章《Magnetic field analysis of 2-D permanent magnet array for planar motor》 (IEEETransactions on Magnetics, 2001， 37(5) :3762 3766.)中提出了圖l (d)所示陣列形式，並對以上幾種結構做了比較，認為圖a所示陣列形式的磁組裝密度只及直線永磁電動機磁組裝密度的一半；圖1 (b)和圖1 (c)
所示陣列形式的磁組裝密度也低於直線永磁電動機的磁組裝密度，給出了四種陣列形式表面 氣隙磁通密度分布的解析解，並計算了這幾種結構的表面氣隙磁通密度分布，證明與其他三
種陣列形式相比，圖d所示陣列形式具有更高的表面氣隙磁通密度。另外一種，文獻中常見 的halbach永磁陣列如圖1 (e)所示。上述這幾種永磁陣列都是2D平面永磁陣列，陣列內 部永磁體的空間分布不隨Z的變化而變化。因此我們可以構造出3D平面永磁陣列，進一步提 高永磁陣列工作氣隙的場強與自身質量的比值。

發明內容
本發明的目的是提供一種採用三維永磁陣列的平面電機。
本發明的技術方案如下
一種採用三維永磁陣列的平面電機，包含有動子5和定子6，所述平面電機包括採用永
磁陣列作為定子的動圈式結構或永磁陣列作為動子的動鐵式結構，其特徵在於所述的永磁 陣列採用三維永磁陣列，該三維永磁陣列由上底面為S極的S型正四稜台大永磁體1、上底
面為N極的N型正四稜台大永磁體2和小永磁體3組成，所述S型和N型正四稜台大永磁體 都沿各自的上下兩底面中心連線方向充磁，所述小永磁體3由底面為等腰三角形的直三稜柱 在上下底面處對稱截去一個四稜錐得到，使得小永磁體3兩個側面成為與N型正四稜台大永 磁體一個側面全等的等腰梯形，充磁方向平行於底面等腰三角形的底邊方向，S型正四稜台 大永磁體1和N型正四稜台大永磁體2下底面朝下，且沿X方向和Y方向交錯排列成平面陣 列；小永磁體3布置在相鄰兩個S型和N型大永磁體之間，使得小永磁體3兩個側面分別與 N型和S型正四稜台大永磁體的一個側面重合，且小永磁體3充磁方向由N型正四稜台大永 磁體2的N極指向相鄰的S型正四稜台大永磁體1的S極。
本發明的技術特徵還在於對於採用永磁陣列作為動子的動鐵式結構，所述定子6由多 個互相垂直的線圈陣列組成，每個線圈陣列由多個矩形無鐵芯線圈4線性排列而成；對於用 永磁陣列作為定子的動圈式結構，所述的動子由多個線圈陣列組成，相鄰線圈陣列之間相互 垂直，每個線圈陣列由多個矩形無鐵芯線圈4線性排列而成。
本發明的技術特徵還在於:所述線圈陣列的排列方向與所述永磁陣列的排列方向成45。。 本發明所述的採用三維永磁陣列的平面電機具有以下優點及突出性效果採用了三維永
磁陣列，進一步提高了永磁陣列工作氣隙的場強與自身質量的比值，從而在驅動電流不變的 情況下提高了平面電機的推力和懸浮能力，大大提高了平面電機的加速度和帶負載能力。


圖l現有技術中公開的幾種永磁陣列。
圖2是本發明所述採用三維永磁陣列的平面電機的三維視圖。
圖3是本發明所述採用三維永磁陣列的平面電機的正四稜台大永磁體三維視圖。
圖4是本發明所述採用三維永磁陣列的平面電機的小永磁體三維視圖。圖5是本發明所述採用三維永磁陣列的平面電機的兩個正四稜台大永磁體和一個小永磁 體的裝配三維視圖。
圖6本發明所述永磁陣列氣隙磁感應強度豎直分量關於XY坐標的變化關係示意圖。 圖中l-S型正四稜台大永磁體；2-N型正四稜台大永磁體；3 —小永磁體；4一線圈；5
一動子；6 —定子；
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體結構、機理和工作過程作進一步的說明。
圖2是本發明所述採用三維永磁陣列的平面電機的三維視圖，由圖可知本發明所述採 用三維永磁陣列的平面電機包括動子5和定子4，動子採用三維永磁陣列，所述的永磁陣列 採用三維永磁陣列，該三維永磁陣列由上底面為S極的S型正四稜台大永磁體1、上底面為N 極的N型正四稜台大永磁體2和小永磁體3組成，所述S型和N型正四稜台大永磁體都沿各 自的上下兩底面中心連線方向充磁，所述小永磁體3由底面為等腰三角形的直三稜柱在上下 底面處對稱截去一個四稜錐得到，使得小永磁體3兩個側面成為與N型正四稜台大永磁體一 個側面全等的等腰梯形，充磁方向平行於底面等腰三角形的底邊方向，S型正四稜台大永磁 體1和N型正四稜台大永磁體2下底面朝下，且沿X方向和Y方向交錯排列成平面陣列；小 永磁體3布置在相鄰兩個S型和N型大永磁體之間，使得小永磁體3兩個側面分別與N型和 S型正四稜台大永磁體的一個側面重合，且小永磁體3充磁方向由N型正四稜台大永磁體2 的N極指向相鄰的S型正四稜台大永磁體1的S極。
圖5給出了在S型正四稜台大永磁體和N型正四稜台大永磁體中間布置小永磁體的三維 示意圖。圖中的"S"和"N"表示正四稜台大永磁體的上底面分別為S極和N極。箭頭表示 小永磁體的充磁方向。小永磁體的兩個側面分別與兩個正四稜台大永磁體的側面重合。
如圖2所示，平面電機採用磁浮方式實現對非運動自由度的約束；所述定子6由多個互 相垂直的線圈陣列組成，每個線圈陣列由多個矩形無鐵芯線圈4線性排列而成；線圈陣列的 排列方向與所述永磁陣列的排列方向成45° 。
三維永磁陣列在動子和定子之間的氣隙中或接觸面上產生氣隙磁場。圖6是通過有限元 仿真分析得到的圖2所示平面永磁陣列的氣隙磁感應強度豎直分量Bz關於XY坐標的變化關 系示意圖。t為極距即圖2中兩個相鄰正四稜台大永磁體上底面中心的距離，也是圖2中 平面永磁陣列的氣隙磁感應強度兩相鄰峰值之間的距離。通過仿真分析，我們發現三維永磁 陣列，在質量相同的情況下，工作氣隙的磁感應強度高於現有的幾種永磁陣列，從而在驅動 電流不變的情況下提高了平面電機的推力和懸浮能力，大大提高了平面電機的加速度和帶負 載能力。
權利要求
1.一種採用三維永磁陣列的平面電機，包含有動子(5)和定子(6)，所述平面電機包括採用永磁陣列作為定子的動圈式結構或永磁陣列作為動子的動鐵式結構，其特徵在於所述的永磁陣列採用三維永磁陣列，該三維永磁陣列由上底面為S極的S型正四稜台大永磁體(1)、上底面為N極的N型正四稜台大永磁體(2)和小永磁體(3)組成，所述S型和N型正四稜台大永磁體都沿各自的上下兩底面中心連線方向充磁，所述小永磁體(3)由底面為等腰三角形的直三稜柱在上下底面處對稱截去一個四稜錐得到，使得小永磁體(3)兩個側面成為與N型正四稜台大永磁體一個側面全等的等腰梯形，充磁方向平行於底面等腰三角形的底邊方向，S型正四稜台大永磁體(1)和N型正四稜台大永磁體(2)下底面朝下，且沿X方向和Y方向交錯排列成平面陣列；小永磁體(3)布置在相鄰兩個S型和N型大永磁體之間，使得小永磁體(3)兩個側面分別與N型和S型正四稜台大永磁體的一個側面重合，且小永磁體(3)充磁方向由N型正四稜台大永磁體(2)的N極指向相鄰的S型正四稜台大永磁體(1)的S極。
2. 按照權利要求l所述的採用三維永磁陣列的平面電機，其特徵在於對於採用永磁陣 列作為動子的動鐵式結構，所述定子(6)由多個互相垂直的線圈陣列組成，每個線圈陣列由 多個矩形無鐵芯線圈(4)線性排列而成；對於用永磁陣列作為定子的動圈式結構，所述的動 子由多個線圈陣列組成，相鄰線圈陣列之間相互垂直，每個線圈陣列由多個矩形無鐵芯線圈(4)線性排列而成。
3. 按照權利要求2所述的採用三維永磁陣列的平面電機，其特徵在於所述線圈陣列的 排列方向與所述永磁陣列的排列方向成45。。
全文摘要
採用三維永磁陣列的平面電機，該平面電機包括動子和定子。所述動子採用三維永磁陣列，該三維永磁陣列由上底面分別為S極和N極的S型和N型正四稜台大永磁體以及小永磁體組成，所述S型和N型大永磁體都沿各自的上下兩底面中心連線方向充磁，小永磁體由底面為等腰三角形的直三稜柱在上下底面處對稱截去一個四稜錐得到，充磁方向平行於底面等腰三角形的底邊方向，S型和N型大永磁體下底面朝下，且沿X方向和Y方向交錯排列成平面陣列；小永磁體布置在相鄰兩個大永磁體之間，且小永磁體充磁方向由N型大永磁體的N極指向相鄰的S型大永磁體的S極。該動子能在氣隙產生更高的場強質量比，從而提高平面電機的推力和加速度。
文檔編號H02N15/00GK101610054SQ20091008889
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月21日 優先權日2009年7月21日
發明者尹文生, 鳴 張, 徐登峰, 煜 朱, 楊開明, 段廣洪, 汪勁松, 胡金春, 田 蔡, 偉 閔 申請人:清華大學