CN100592610C - 动磁型同步表面电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动磁型同步表面电机，属于二维平面驱动装置，包括定子和动子，定子包括定子铁心和推力绕组，铁心上表面光滑无槽，并布置有两个X向推力绕组和两个Y向推力绕组，它们放置在定子铁心上表面，且X向推力绕组的任一有效边与Y向推力绕组的任一有效边之间相互垂直。动子平台的下表面布置有四个完全相同的由铷铁硼(NdFeB)永磁体组成的Halbach磁阵，X向推力绕组和Y向推力绕组均采用三相绕组结构，并且分别通入相差为120度的三相正弦交流电。由于采用了上述技术措施，所提出的动磁型同步表面电机具有结构简单、响应速度快、推力大和定位精度高的特点。

Description

动磁型同步表面电机

技术领域

本发明涉及一种用于芯片光刻定位的高速、高精度表面电机，特别涉及一种动磁型同步表面电机。

背景技术

随着微米、纳米技术的不断发展，在微型机械的制造和装配、精密测量、超精密加工、集成电路芯片光刻和扫描隧道显微镜等领域越来越需要高效率和高精度的平面驱动装置。传统的平面驱动装置由两组旋转电机驱动的直线运动转换机构叠加而成。由于直线运动转换机构存在摩擦、侧隙、变形等一系列问题，使得传统平面驱动装置的定位精度和效率难以达到较高的水平。另外，传统的平面驱动装置多采用层叠式的导轨结构，即在一个方向进给轴上搭乘另一个方向的进给轴，这种层叠式的结构使得平面驱动装置的推重比较大，也使得上下进给轴的惯性负载大小不一致，由此使驱动装置存在固有频率低下，响应速度难以进一步提高等问题。正因为存在上述缺点，使得传统的二维平面驱动装置在光刻机等精密、超精密加工设备中的应用受到了限制。为使上述问题得到彻底解决，最有效的方法就是采用表面电机实现二维平面驱动。

表面电机克服传统平面驱动装置层叠式的结构弱点，采用直接驱动的方式实现驱动装置在任意平面方向上的运动，它的特点是在平面方向上没有导轨，靠电磁推力的直接作用产生平面运动。

目前，世界上关于表面电机的研究正被一些发达国家所关注，并称之为下一代半导体芯片光刻印刷制造装置的核心技术。表面电机按照结构形式可以分为四类：步进型表面电机、感应型表面电机、线性直流型表面电机和同步永磁型表面电机。每种表面电机电磁推力的产生原理分别与同类型的旋转电机的电磁转矩产生原理相似，它们的提出与同类型的旋转电机有着密不可分的关系。其中，同步永磁型表面电机具有结构简单、推力大、效率高、损耗低和响应速度快等良好的综合性能，在光刻机等现代精密、超精密制造装备中具有巨大的应用潜力。

国际上已经有多项与同步永磁表面电机相关的专利获得保护，但是它们在推力密度、推力波动和定位精度等方面仍然存在着局限性。在美国专利US20030102721中，产生电磁推力的线圈阵列布置于动子平台下表面的不同区域，而永磁阵列布置于定子铁心上表面的不同区域，由于动子线圈电缆的干扰作用，这种类型的同步永磁表面电机在运动中，会严重影响其定位性能，降低其定位精度。日本学者Fujii.N等公开的同步永磁表面电机，其定子铁心使用了非磁性材料，并且在铁心上开有用于固定线圈的齿槽。这种类型的同步永磁表面电机的磁路是开路磁场，从而引起了空气隙磁通量密度的大幅下降。另外，由于齿槽的存在会产生较大的推力波动，降低了其伺服运行特性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高速、高精度的二维动磁型同步表面电机。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括机架以及设置在机架上的定子铁心和浮于定子铁心上且与定子铁心相平行的动子平台，其特点是，在定子铁心的上表面设置有X向推力绕组和Y向推力绕组，且X向推力绕组的任一有效边与Y向推力绕组的任一有效边之间相互垂直，在动子平台下方还设置有四个Halbach永磁阵列，且第一个Halbach永磁阵列的波长方向与所在动子平台的X轴平行，以后的每个永磁阵列相互垂直排列，X向推力绕组和Y向推力绕组分别由扁平空心的圆角矩形螺线管型A、B、C和A’、B’、C’三相3个线圈构成，且A、B、C和A’、B’、C’三相分别连续排列于Halbach磁阵下方。

本发明的每个Halbach永磁阵列具有两个波长，每个波长的永磁阵列由四个相同的永磁块组成，其中第一个永磁块的磁化方向从左到右，第二个永磁块的磁化方向从上到下，第三个永磁块的磁化方向从右到左，第四个永磁块的磁化方向从下到上；动子平台采用铝板制成；X向推力绕组和Y向推力绕组分别连接成三相绕组结构，且X向推力绕组与Y向推力绕组分别通入每相相差为120度的三相正弦交流电；定子铁心的上表面光滑无槽。

本发明将永磁阵列和推力绕组阵列产生的电磁推力直接施加于动子上，并通过调整推力绕组电流的大小控制电磁力大小和方向，从而控制动子的运动方向，实现动子在平面上任意方向的矢量运动。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明动子平台7的结构示意图；

图3是本发明一个波长Halbach磁阵的磁体排列图；

图4是本发明X(Y)方向推力绕组与Halbach磁阵位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细的说明。

参见图1，2，本发明包括机架1以及设置在机架1上的表面光滑无槽的定子铁心2和浮于定子铁心2上的动子平台7，其中，机架1作为安装定子铁心2的基座，定子铁心2的上表面与动子平台7的下表面相互平行，且它们之间存在一层很薄的空气隙，在定子铁心2上分别设置有X向的推力绕组3、4和Y向推力绕组5、6，且X向推力绕组的任一有效边与Y向推力绕组的任一有效边之间相互垂直，在动子平台7的下表面还设置有四个Halbach永磁阵列8，永磁阵列8用于提供表面电机驱动时所需的磁源；由于Halbach永磁阵列具有自屏蔽功能，因此动子平台7使用质量较小的铝板作材料，以减小动子平台的质量，提高表面电机的运动速度。

参见图2，本发明的永磁阵列8具有两个波长，每波长的磁体排列方式参见图3为：第一个永磁块9的磁化方向从左到右，第二个永磁块10的磁化方向从上到下，第三个永磁块11的磁化方向从右到左，第四个永磁块12的磁化方向从下到上。

参见图4，当设置在定子铁心2上的推力绕组的某一相或几相通电时，该电流与动子平台7上的永磁阵列8所产生的磁场相互作用而产生电磁推力，从而驱动动子平台7作平面运动。当动磁型同步表面电机正常工作时，在X向推力绕组3的A、B、C三相绕组中和Y向推力绕组5的A`、B`、C`三相绕组中，分别有两相绕组同时通入三相正弦交流电，三相交流电之间的相差为120°电角度，每隔120°电角度换相一次，每次换相一个绕组，在Halbach磁阵列8的磁场和推力绕组电流共同作用下，动子平台7将沿X方向或Y方向运动。通过调整两组推力绕组中电流的大小和方向，就可以实现动子在平面内的精确定位。

Claims (5)

1、一种动磁型同步表面电机，包括机架(1)以及设置在机架(1)上的定子铁心(2)和浮于定子铁心(2)上且与定子铁心(2)相平行的动子平台(7)，其特征在于：在定子铁心(2)的上表面设置有X向推力绕组(3、4)和Y向推力绕组(5、6)，且X向推力绕组的任一有效边与Y向推力绕组的任一有效边之间相互垂直，在动子平台(7)下方还设置有四个Halbach永磁阵列(8)，且第一个Halbach永磁阵列(8)的波长方向与所在动子平台(7)的X轴平行，以后的每个永磁阵列相互垂直排列，X向推力绕组和Y向推力绕组分别由扁平空心的圆角矩形螺线管型A、B、C和A’、B’、C’三相3个线圈构成，且A、B、C和A’、B’、C’三相分别连续排列于Halbach磁阵下方。

2、根据权利要求1所述的动磁型同步表面电机，其特征在于：所述的每个Halbach永磁阵列(8)具有两个波长，每个波长的永磁阵列由四个相同的永磁块组成，其中第一个永磁块(9)的磁化方向从左到右，第二个永磁块(10)的磁化方向从上到下，第三个永磁块(11)的磁化方向从右到左，第四个永磁块(12)的磁化方向从下到上。

3、根据权利要求1所述的动磁型同步表面电机，其特征在于：所述的动子平台(7)采用铝板制成。

4、根据权利要求1所述的动磁型同步表面电机，其特征在于：所述的X向推力绕组(3、4)和Y向推力绕组(5、6)分别连接成三相绕组结构，且X向推力绕组(3、4)与Y向推力绕组(5、6)分别通入每相相差为120度的三相正弦交流电。

5、根据权利要求1所述的动磁型同步表面电机，其特征在于：所述的定子铁心(2)的上表面光滑无槽。

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