CN100566121C - 定子内嵌式电磁悬浮转子微马达 - Google Patents

Abstract

一种定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，属于微机电系统技术领域。本发明中，上定子和下定子都设在中间基体上，和中间基体形成固定联结，盒形微转子呈中空的圆形盒子形状，盒形微转子在上定子和下定子的电磁力作用下稳定悬浮在中间基体的外缘，中间基体上分布有八块旋转线圈，它们分成两组四相线圈，当在旋转线圈内通过高频交变电流，相邻线圈的电流相位差90度，这样，在盒形微转子所在空间内形成旋转磁场，盒形微转子在旋转磁场的作用下，产生旋转扭矩，使它高速旋转。本发明采用了盒形微转子和定子内嵌式结构，可增加悬浮微转子的悬浮刚度和侧向稳定刚度，同时中间基体在盒形微转子不工作的时候起到对微转子限位的作用。

Description

定子内嵌式电磁悬浮转子微马达

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微马达，具体是一种定子内嵌式电磁悬浮转子微马达。

背景技术

采用悬浮技术可避免由于接触带来的磨擦和磨损，从而得到高的移动速度或转速，同时还能避免由于接触而造成对材料的污染，因此悬浮技术在生产或生活中应用得较多，如磁浮列车、静电悬浮轴承、电磁悬浮冶炼技术、静电陀螺等。电磁悬浮完全是一种无源悬浮技术，即它不需要外加反馈控制电路而实现自主悬浮，同时电磁悬浮对电极间的间隙没有严格要求，与静电悬浮相比，电磁悬浮装置结构简单，控制电路不复杂，对结构尺寸精度要求不高。

国内外应用硅的表面微细加工技术或者体微细加工技术加工出了多种结构的微振动陀螺，但由于种种原因微振动陀螺很难达到传统陀螺的高精度。上世纪90年代，Shearwood等人提出了一种电磁悬浮微转动陀螺，电磁悬浮微转动陀螺是由平面线圈、感应电极和微转子等主要部分组成的，其中平面线圈根据其功能不同又分成悬浮线圈、旋转线圈和稳定线圈三种。电磁悬浮微转动陀螺是依靠电磁感应原理和电磁力理论得以悬浮和旋转的，平面线圈上方放有微转子，悬浮线圈位于最靠近中心的位置，紧靠悬浮线圈的是旋转线圈，旋转线圈可分为多相，微转子处于旋转磁场中，处于定子线圈最外围的是稳定线圈，定子线圈之间还分布着有传感电容电极。电磁悬浮微转动陀螺的核心部件是电磁悬浮微马达结构。在这种微马达中，采用平面线圈来微转子稳定悬浮和旋转驱动，使悬浮起来的微转子作高速转动。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利号为：5955800，名称为：悬浮系统(Leivitation Systems)。该系统是以下几个部分组成的：a)最大直径为1500μm的高导电率体；b)悬浮力产生装置；c)使转子旋转的微型装置。这种电磁悬浮转子微马达中，悬浮线圈、旋转线圈、稳定线圈是串联在一起的，悬浮线圈在最内侧，旋转线圈处于中间部位，稳定线圈位于最外侧。它利用稳定线圈在微转子外侧的电磁场边缘效应，产生稳定悬浮。平面线圈串联式电磁悬浮微转动陀螺存在以下的不足：1.在串联式线圈中需要通过两种不同频率的高频电流，这增加了控制电路的复杂性；2.稳定悬浮驱动电磁场和旋转驱动电磁场在空间上重叠在一起，因此增加了它们之间的相互干扰；3.旋转电磁场在整个半径长度方向上都有分布，但半径较大处的旋转电磁场起到绝大部分的作用；4.由于只能单边悬浮驱动，因此整个装置的悬浮稳定性不好，稳定悬浮抗干扰性差；5.随着稳定悬浮线圈中电流的增大，微转子悬浮高度增大，因此悬浮体侧向刚度可调性不好。这种系统针对直径为520微米，厚度为12微米的转子，得到的最大转速为1000转每分。该转速远远达不到高精度微陀螺的要求。为了得到高精度的陀螺，需要有新型定子线圈的结构，从而进一步提高微转子的悬浮稳定性和旋转转速。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种定子内嵌式电磁悬浮转子微马达。使其采用了盒形微转子和定子内嵌式结构，可增加悬浮微转子的悬浮刚度和侧向稳定刚度，同时中间基体在盒形微转子不工作的时候起到对微转子限位的作用，能大大提高微转子的转速和悬浮稳定性，并更适合在微陀螺、微惯性测量单元等MEMS器件领域中的应用，解决了背景技术的不足。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：盒形微转子、上定子、下定子、下基体、中间基体、引线、中间柱，其中上定子和下定子都是由稳定悬浮线圈内圈、稳定悬浮线圈外圈、连接线、旋转线圈组成，稳定悬浮线圈外圈、传感电极、基体、旋转线圈、稳定悬浮线圈内圈、连接线。连接关系为：上定子和下定子都制作在中间基体上，和中间基体形成固定连接，稳定悬浮线圈内圈和稳定悬浮线圈外圈通过连接线进行连接，中间基体和下基体通过中间柱形成固定连接，引线分布于中间柱的外缘，和中间柱形成固定连接。盒形微转子在上定子和下定子电磁力的作用下，稳定悬浮在中间基体的外侧，盒形微转子和中间基体之间存在固定的间隙。

本发明中，采用线圈分离式结构，通过稳定悬浮线圈内圈电流的感应电磁力侧向分力，为微转子提供侧向稳定性，上定子和下定子上分别有四个稳定悬浮线圈内圈，这八个稳定悬浮线圈在盒形微转子上产生的电磁力就如同存在八个无形的支撑，将盒形微转子稳定地固定在中间基体的外围，随着稳定悬浮线圈中电流的增大，盒形微转子和中间基体之间的间隙没有明显的变化，但盒形微转子上的感应电磁力侧向分量在增加，因此，采用这种结构能大大增加电磁悬浮体的自稳稳定性。采用线圈分离式结构，稳定悬浮线圈和旋转线圈是各自分开的，这种结构不仅减弱了两种线圈电磁场之间的干扰，而且两个线圈中的电流可以单独控制，这降低了控制电路的设计难度。在本发明结构中，微转子是一种上下表面为圆环形结构的盒式体，将悬浮稳定线圈放置在最内侧，利用环形转子表面内侧电磁场的边缘效应，来获得微转子的稳定悬浮，这种结构为旋转线圈在定子的外侧腾出空间，从而将旋转线圈、传感电极放置在微转子的外侧，增大了旋转电磁场的作用面积，同时也增加了旋转电磁力的作用半径，从而增大旋转扭力矩，进而可增加微转子的转速。采用盒式环形微转子，可以增加转子外缘侧面面积，从而进一步的利用侧面检测和驱动成为可能。

本发明提出的定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，由于采用了电磁悬浮技术，克服了由于接触带来的磨擦和磨损，可以大大提高微转子的转速；采用了盒形微转子和定子内嵌式结构，可增加悬浮微转子的悬浮刚度和侧向稳定刚度，同时中间基体在盒形微转子不工作的时候起到对微转子限位的作用；可以应用于微惯性测量单元，MEMS器件旋转驱动装置等领域。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2是本发明微马达总体结构的三维视图；

图3是本发明微马达的上定子或下定子线圈的俯视图；

图4是本发明微马达盒形微转子的空间剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例包括：盒形微转子1、上定子2、中间基体3、下定子4、引线5、中间柱6、下基体7。

如图3所示，上定子2和下定子4完全相同，由旋转线圈8、稳定悬浮线圈外圈9、稳定悬浮线圈内圈11、连接线10三部分组成。连接关系为：上定子2和下定子4都设在中间基体3上，和中间基体3形成固定联结，盒形微转子1在上定子2和下定子4的电磁力作用下稳定悬浮在中间基体3的外缘，稳定悬浮线圈外圈9和稳定悬浮线圈内圈11通过连接线10连接。

如图3所示，在中间基体3上由外而内分布有旋转线圈8、稳定悬浮线圈外圈9、连接线10和稳定悬浮线圈内圈11，稳定悬浮线圈外圈9、连接线10和稳定悬浮线圈内圈11三者形成一个封闭的多圈稳定悬浮线圈，共4个，在圆周方向上呈轴对称分布。旋转线圈8、稳定悬浮线圈外圈9和稳定悬浮线圈内圈11的引线5采用埋层技术以及其它微加工方法制作在上定子2、下定子4的底部以及中间柱6和下基体7上，从下基体7上引出，引线5位于中间柱6的外缘，和中间柱6形成固定连接，引线5从下基体7上引出。稳定悬浮线圈外圈9和稳定悬浮线圈内圈11的尺寸由盒形微转子1的尺寸共同决定，稳定悬浮线圈外圈9直径要比盒形微转子1的内径大，稳定悬浮线圈内圈11直径比盒形微转子1内径小。当在稳定悬浮线圈外圈9和稳定悬浮线圈内圈11内通过高频电流时，根据电磁场理论，处于中间基体3外侧的盒形微转子1就会受到感应电磁力的作用。稳定悬浮线圈内圈11电磁场在盒形微转子1上感应出的电磁力分布于盒形微转子1的内侧边缘，且倾斜向外。稳定悬浮线圈外圈9磁场产生的电磁力位于盒形微转子1内部，且接近为轴对称分布。稳定悬浮线圈外圈9产生的分布电磁力的合力方向向上，使得盒形微转子1得以悬浮。当盒形微转子1的中心处于中间基体3的中心位置时，分布电磁力的侧向分力相互抵消，合力为竖直向上。当盒形微转子1相对中间基体3中心存在偏心时，电磁力的侧向分力不再抵消，产生的侧向力方向指向盒形微转子1中心，使得盒形微转子1不被抛出，最终得到稳定的悬浮。

如图3所示，中间基体3上分布有八块旋转线圈8，它们可以分成两组四相线圈，当在旋转线圈8内通过高频交变电流，相邻线圈的电流相位差90度，这样，在盒形微转子1所在空间内形成旋转磁场，盒形微转子1在旋转磁场的作用下，产生旋转扭矩，使它高速旋转。每个旋转线圈8的引线也是采用埋层技术制作在线圈的下层，从中间柱6引出。

如图4所示，盒形微转子1呈中空的圆形盒子形状，盒形微转子1的内径是由稳定悬浮线圈内圈11和稳定悬浮线圈外圈9两者的尺寸决定，它比稳定悬浮线圈内圈11的直径要大，比稳定悬浮线圈外圈9的直径要小。盒形微转子1采用导电性能较好的金属材料制作而成。盒形微转子1的外径从几百微米到几千微米不等，厚度可为几十微米。

稳定悬浮线圈外圈9、连接线10、稳定悬浮线圈内圈11、旋转线圈8都是平面结构，材料一般采用导电性能较好的铜，采用光刻电镀微细加工方法制造。为了减小电磁能量的耗散，中间基体3材料采用导磁性能较好的铁氧体。盒形微转子1的材料是导电性能较好的铜或铝，可以光刻成模电镀和牺牲层微细加工工艺来制造。为了提供盒形微转子1和中间基体3上导体间的绝缘，线圈上有一层绝缘材料起绝缘作用。

本实施例具有以下特点：采用线圈分离式结构，将稳定悬浮线圈放置在定子靠近中央的位置上，利用稳定线圈电磁场在环形转子内侧的边缘效应，产生稳定悬浮，将旋转线圈放置在定子的最外侧，这样增加了旋转线圈电磁场的空间占有体积和电磁力作用力矩，从而增大微转子的旋转扭力矩；采用盒形转子，从而，定子就可以制作在盒形转子的内腔中，另外，这种结构在没有显著增加转子体积的前提下，大大增加了微转子侧壁的厚度，为通过侧壁进行驱动或检测提供可能；采用双定子结构，增加了微转子受到的电磁力，从而增大悬浮刚度和稳定刚度；通过利用定子内嵌技术，在不需要上基体的情况下，实现了双定子结构；在定子内嵌式电磁悬浮转子微马达中，微转子的悬浮高度是不变的，这种结构可以增加微转子的悬浮刚度，并且微转子的侧向刚度可调；采用定子内嵌式结构，可以将传感电极布置在上下基体材料上，这可以大大增加传感电极的面积，从而增大检测灵敏度；采用定子内嵌式结构，中间基体在不工作时起着对盒形微转子限位的作用，使得微转子在不工作的时候停留在工作点附近，便于下一次重新启动。因此，能大大提高微转子的转速和悬浮稳定性，并更适合在微陀螺、微惯性测量单元等MEMS器件领域中的应用。

Claims (8)

1、一种定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，包括：盒形微转子(1)、上定子(2)、中间基体(3)、下定子(4)、引线(5)、中间柱(6)、下基体(7)；上定子(2)和下定子(4)完全相同，由旋转线圈(8)、稳定悬浮线圈外圈(9)、稳定悬浮线圈内圈(11)、连接线(10)组成，其特征在于，上定子(2)和下定子(4)都设在中间基体(3)上，和中间基体(3)形成固定联结，盒形微转子(1)在上定子(2)和下定子(4)的电磁力作用下稳定悬浮在中间基体(3)的外缘，稳定悬浮线圈外圈(9)和稳定悬浮线圈内圈(11)通过连接线(10)连接，旋转线圈(8)、稳定悬浮线圈外圈(9)和稳定悬浮线圈内圈(11)的引线(5)设置在上定子(2)、下定子(4)的底部以及中间柱(6)和下基体(7)上，引线(5)位于中间柱(6)的外缘，和中间柱(6)形成固定连接，引线(5)从下基体(7)上引出，中间柱(6)和下基体(7)、中间基体(3)形成固定连接，盒形微转子(1)材料为金属材料。

2、根据权利要求1所述的定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，其特征是，所述旋转线圈(8)、稳定悬浮线圈外圈(9)、连接线(10)和稳定悬浮线圈内圈(11)由外而内分布在所述中间基体(3)上，稳定悬浮线圈外圈(9)、连接线(10)和稳定悬浮线圈内圈(11)三者形成一个封闭的多圈稳定悬浮线圈，稳定悬浮线圈共4个，在圆周方向上呈轴对称分布。

3、根据权利要求1或2所述的定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，其特征是，所述稳定悬浮线圈外圈(9)和稳定悬浮线圈内圈(11)的尺寸由盒形微转子(1)的尺寸共同决定，稳定悬浮线圈外圈(9)直径比盒形微转子(1)的内径大，稳定悬浮线圈内圈(11)直径比盒形微转子(1)内径小。

4、根据权利要求1或者2所述的定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，其特征是，所述稳定悬浮线圈外圈(9)和稳定悬浮线圈内圈(11)内通过高频电流时，处于线圈外侧的盒形微转子(1)就会受到感应电磁力的作用，稳定悬浮线圈内圈(11)电磁场在盒形微转子(1)上感应出的电磁力分布于盒形微转子(1)的内侧边缘，且倾斜向外，稳定悬浮线圈外圈(9)磁场产生的电磁力位于盒形微转子(1)内部，且接近为轴对称分布，稳定悬浮线圈外圈(9)产生的分布电磁力的合力方向向上，使得盒形微转子(1)得以悬浮，当盒形微转子(1)的中心处于中间基体(3)的中心位置时，分布电磁力的侧向分力相互抵消，合力为竖直向上，当盒形微转子(1)相对中间基体(3)中心存在偏心时，电磁力的侧向分力不再抵消，产生的侧向力方向指向盒形微转子(1)中心，使得盒形微转子(1)不被抛出，最终得到稳定的悬浮。

5、根据权利要求1或者2所述的定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，其特征是，所述中间基体(3)上分布有八块旋转线圈(8)，它们分成两组四相线圈，当在旋转线圈(8)内通过高频交变电流，相邻线圈的电流相位差90度，这样，在盒形微转子(1)所在空间内形成旋转磁场，盒形微转子(1)在旋转磁场的作用下，产生旋转扭矩，使它高速旋转。

6、根据权利要求1或者2所述的定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，其特征是，所述盒形微转子(1)呈中空的圆形盒子形状，盒形微转子(1)的内径是由稳定悬浮线圈内圈(11)和稳定悬浮线圈外圈(9)两者的尺寸决定，它比稳定悬浮线圈内圈(11)的直径大，比稳定悬浮线圈外圈(9)的直径小。

7、根据权利要求1或者2所述的定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，其特征是，所述盒形微转子(1)的外径从几百微米到几千微米，厚度为几十微米。

8、根据权利要求1或者2所述的定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，其特征是，所述盒形微转子(1)材料为金属材料。

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