動磁型同步表面電機的製作方法
2023-05-05 00:06:01 2
專利名稱：動磁型同步表面電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於晶片光刻定位的高速、高精度表面電機，特別涉及一種動磁型同步表面電機。
背景技術：
隨著微米、納米技術的不斷發展，在微型機械的製造和裝配、精密測量、超精密加工、集成電路晶片光刻和掃描隧道顯微鏡等領域越來越需要高效率和高精度的平面驅動裝置。傳統的平面驅動裝置由兩組旋轉電機驅動的直線運動轉換機構疊加而成。由於直線運動轉換機構存在摩擦、側隙、變形等一系列問題，使得傳統平面驅動裝置的定位精度和效率難以達到較高的水平。另外，傳統的平面驅動裝置多採用層疊式的導軌結構，即在一個方向進給軸上搭乘另一個方向的進給軸，這種層疊式的結構使得平面驅動裝置的推重比較大，也使得上下進給軸的慣性負載大小不一致，由此使驅動裝置存在固有頻率低下，響應速度難以進一步提高等問題。正因為存在上述缺點，使得傳統的二維平面驅動裝置在光刻機等精密、超精密加工設備中的應用受到了限制。為使上述問題得到徹底解決，最有效的方法就是採用表面電機實現二維平面驅動。
表面電機克服傳統平面驅動裝置層疊式的結構弱點，採用直接驅動的方式實現驅動裝置在任意平面方向上的運動，它的特點是在平面方向上沒有導軌，靠電磁推力的直接作用產生平面運動。
目前，世界上關於表面電機的研究正被一些發達國家所關注，並稱之為下一代半導體晶片光刻印刷製造裝置的核心技術。表面電機按照結構形式可以分為四類步進型表面電機、感應型表面電機、線性直流型表面電機和同步永磁型表面電機。每種表面電機電磁推力的產生原理分別與同類型的旋轉電機的電磁轉矩產生原理相似，它們的提出與同類型的旋轉電機有著密不可分的關係。其中，同步永磁型表面電機具有結構簡單、推力大、效率高、損耗低和響應速度快等良好的綜合性能，在光刻機等現代精密、超精密製造裝備中具有巨大的應用潛力。
國際上已經有多項與同步永磁表面電機相關的專利獲得保護，但是它們在推力密度、推力波動和定位精度等方面仍然存在著局限性。在美國專利US20030102721中，產生電磁推力的線圈陣列布置於動子平臺下表面的不同區域，而永磁陣列布置於定子鐵心上表面的不同區域，由於動子線圈電纜的幹擾作用，這種類型的同步永磁表面電機在運動中，會嚴重影響其定位性能，降低其定位精度。日本學者Fujii.N等公開的同步永磁表面電機，其定子鐵心使用了非磁性材料，並且在鐵心上開有用於固定線圈的齒槽。這種類型的同步永磁表面電機的磁路是開路磁場，從而引起了空氣隙磁通量密度的大幅下降。另外，由於齒槽的存在會產生較大的推力波動，降低了其伺服運行特性。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種高速、高精度的二維動磁型同步表面電機。
為了達到上述目的，本發明採用的技術方案是包括機架以及設置在機架上的定子鐵心和浮於定子鐵心上且與定子鐵心相平行的動子平臺，其特點是，在定子鐵心的上表面設置有X向推力繞組和Y向推力繞組，且X向推力繞組的任一有效邊與Y向推力繞組的任一有效邊之間相互垂直，在動子平臺上還設置有四個Halbach永磁陳列，且第一個Halbach永磁陣列的波長方向與所在動子平臺的X軸平行，以後的每個永磁陣列相互垂直排列。
本發明的每個Halbach永磁陣列具有兩個波長，每個波長的永磁陣列由四個相同的永磁塊組成，其中第一個永磁塊的磁化方向從左到右，第二個永磁塊的磁化方向從上到下，第三個永磁塊的磁化方向從右到左，第四個永磁塊的磁化方向從下到上；動子平臺採用鋁板製成；X向推力繞組和Y向推力繞組分別連接成三相繞組結構，且X向推力繞組與Y向推力繞組分別通入相差為120度的三相正弦交流電；定子鐵心的上表面光滑無槽。
本發明將永磁陣列和推力繞組陣列產生的電磁推力直接施加於動子上，並通過調整推力繞組電流的大小控制電磁力大小和方向，從而控制動子的運動方向，實現動子在平面上任意方向的矢量運動。
圖1是本發明的整體結構示意圖；圖2是本發明動子平臺7的結構示意圖；圖3是本發明一個波長Halbach磁陣的磁體排列圖；圖4是本發明X方向推力繞組與Halbach磁陣位置關係圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作進一步詳細的說明。
參見圖1，2，本發明包括機架1以及設置在機架1上的表面光滑無槽的定子鐵心2和浮於定子鐵心2上的動子平臺7，其中，機架1作為安裝定子鐵心2的基座，定子鐵心2的上表面與動子平臺7的下表面相互平行，且它們之間存在一層很薄的空氣隙，在定子鐵心2上分別設置有X向的推力繞組3、4和Y向推力繞組5、6，且X向推力繞組的任一有效邊與Y向推力繞組的任一有效邊之間相互垂直，在動子平臺7的下表面還設置有四個Halbach永磁陣列8，永磁陣列8用於提供表面電機驅動時所需的磁源；由於Halbach永磁陳列具有自屏蔽功能，因此動子平臺7使用質量較小的鋁板作材料，以減小動子平臺的質量，提高表面電機的運動速度。
參見圖2，本發明的永磁陳列8具有兩個波長，每波長的磁體排列方式參見圖3為第一個永磁塊9的磁化方向從左到右，第二個永磁塊10的磁化方向從上到下，第三個永磁塊11的磁化方向從右到左，第四個永磁塊12的磁化方向從下到上。
參見圖4，當設置在定子鐵心2上的推力繞組的某一相或幾相通電時，該電流與動子平臺7上的永磁陣列8所產生的磁場相互作用而產生電磁推力，從而驅動動子平臺7作平面運動。當動磁型同步表面電機正常工作時，在X向推力繞組3的A、B、C三相繞組中和Y向推力繞組5的A`、B`、C`三相繞組中，分別有兩相繞組同時通入三相正弦交流電，三相交流電之間的相差為120°電角度，每隔60°電角度換相一次，每次換相一個繞組，在Halbach磁陣列8的磁場和推力繞組電流共同作用下，動子平臺7將沿X方向或Y方向運動。通過調整兩組推力繞組中電流的大小和方向，就可以實現動子在平面內的精確定位。
權利要求
1.一種動磁型同步表面電機，包括機架[1]以及設置在機架[1]上的定子鐵心[2]和浮於定子鐵心[2]上且與定子鐵心[2]相平行的動子平臺[7]，其特徵在於在定子鐵心[2]的上表面設置有X向推力繞組[3、4]和Y向推力繞組[5、6]，且X向推力繞組的任一有效邊與Y向推力繞組的任一有效邊之間相互垂直，在動子平臺[7]上還設置有四個Halbach永磁陳列[8]，且第一個Halbach永磁陣列[8]的波長方向與所在動子平臺[7]的X軸平行，以後的每個永磁陣列相互垂直排列。
2.根據權利要求1所述的動磁型同步表面電機，其特徵在於所述的每個Halbach永磁陣列[8]具有兩個波長，每個波長的永磁陣列由四個相同的永磁塊組成，其中第一個永磁塊[9]的磁化方向從左到右，第二個永磁塊[10]的磁化方向從上到下，第三個永磁塊[11]的磁化方向從右到左，第四個永磁塊[12]的磁化方向從下到上。
3.根據權利要求1所述的動磁型同步表面電機，其特徵在於所述的動子平臺[7]採用鋁板製成。
4.根據權利要求1所述的動磁型同步表面電機，其特徵在於所述的X向推力繞組[3、4]和Y向推力繞組[5、6]分別連接成三相繞組結構，且X向推力繞組[3、4]與Y向推力繞組[5、6]分別通入相差為120度的三相正弦交流電。
5.根據權利要求1所述的動磁型同步表面電機，其特徵在於所述的定子鐵心[2]的上表面光滑無槽。
全文摘要
本發明公開了一種動磁型同步表面電機，屬於二維平面驅動裝置，包括定子和動子，定子包括定子鐵心和推力繞組，鐵心上表面光滑無槽，並布置有兩個X向推力繞組和兩個Y向推力繞組，它們放置在定子鐵心上表面，且X向推力繞組的任一有效邊與Y向推力繞組的任一有效邊之間相互垂直。動子平臺的下表面布置有四個完全相同的由銣鐵硼(NdFeB)永磁體組成的Halbach磁陣，X向推力繞組和Y向推力繞組均採用三相繞組結構，並且分別通入相差為120度的三相正弦交流電。由於採用了上述技術措施，所提出的動磁型同步表面電機具有結構簡單、響應速度快、推力大和定位精度高的特點。
文檔編號H02K41/03GK1758512SQ20051009624
公開日2006年4月12日 申請日期2005年10月27日 優先權日2005年10月27日
發明者梅雪松, 郝曉紅, 姜歌東, 張東升, 陶濤, 孫挪剛 申請人:西安交通大學