CN101087114A - 永磁悬浮平面电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁悬浮平面电动机，它包括定子和动子，定子包括定子平台和安装于其上的螺线管线圈阵列，螺线管线圈内设有磁化方向相同的永磁体。动子包括动子平台和附着在其下表面的永磁体阵列，动子平台下表面的永磁体阵列由相同数量且磁化方向相反的永磁体阵列I和永磁体阵列II组成，两永磁体阵列彼此交叉布置。本发明具有结构简单、响应速度快、稳定性高和定位精确的特点，适合于微电子封装及光刻设备等需要真空、超洁净环境的需求。

Description

永磁悬浮平面电动机

技术领域

本发明涉及一种平面电动机，特别涉及一种具有高速、高精密定位功能的永磁悬浮平面电动机。

背景技术

随着微米、纳米技术的不断发展，在集成电路芯片光刻、微型机械制造、精密测量和超精密加工等领域越来越需要高精度的定位工作台，并且希望它能在超洁净环境中工作。

传统的定位工作台采用滚珠丝杠加滚动导轨的驱动方式，这种结构的优点是推力大，成本低，且抗干扰能力强。但是工作台中包含的运动转换机构之间存在摩擦、侧隙、滞后等不利因素，限制了工作台性能的进一步提高。近年来，随着直线电机技术的发展，定位工作台基本上采用了直线电机加空气轴承的方式来实现高速、高精密定位，这种直接驱动方式与前述旋转电机加滚珠丝杠、滚动导轨的方式相比，克服了诸多的问题，无论在定位速度和定位精度上都有了显著的提高。但是，这种直线电机驱动的工作台仍然存在不足之处，如它在结构上仍然是层叠式的，因此相对于底层直线电机而言，顶层直线电机仍然是一个很大的载荷，从而限制了工作台速度的提高。另外，相对运动中产生的摩擦、磨粒等污染了工作环境，因此，它已经不能适应高速、高精度定位和超洁净工作环境的需求。

为使上述问题得到彻底解决，近年来，出现了一种能够直接将驱动力施加于工作台的平面定位装置——平面电动机。它克服了传统工作台层叠式的结构弱点，将电磁推力直接施加于工作台，实现了直接驱动，为进一步提高工作台的性能创造了条件。

根据平面电动机的支撑形式，可以将它分为两类，即气悬浮型和磁悬浮型。气悬浮型表面电机虽然除去了摩擦、磨损和润滑油污染，并且结构简单。但是气悬浮机构释放的高压气体对悬浮对象产生了高频振动，对运动控制的精度造成了无法克服的影响，因此不适宜应用在真空中。另外，空气悬浮定位方式，虽然消除了摩擦，但支撑刚度小，承载能力和抗冲击能力低，这些也限制了定位精度的提高。相比而言，磁悬浮技术具有无接触、无润滑、无磨损、运行费用和维修费用低，工作寿命长等优点，适合于微电子封装及光刻设备等需要真空、超洁净环境的需求。

平面电动机一般由动子和定子两大部分构成，而现有的平面电动机在动子的底面布置线圈阵列，定子的顶面上布置永磁阵列，如图1所示，X向电磁推力由图中的X1绕组和永磁以及X2绕组和永磁共同产生，Y向电磁推力由图中的Y1绕组和永磁以及Y2绕组和永磁共同产生，这样，产生平面运动的线圈阵列只能分别占据动子表面的50％，限制了电磁推力的提高。另外，由于线圈阵列布置在动子下表面，因此，在表面电机运动时，动子线圈的电缆会因为动子的运动而产生干扰作用，从而影响定位性能，降低定位精度。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种可适用于超洁净和真空环境的具有高速、高精密定位功能的永磁悬浮平面电动机。

本发明的技术方案是这样实现的：永磁悬浮平面电动机，它包括定子和动子，所述定子包括定子平台和安装于其上的螺线管线圈阵列，螺线管线圈内设有磁化方向相同的永磁体；动子包括动子平台和附着在其下表面的永磁体阵列，动子平台下表面的永磁体阵列由相同数量且交叉布置的永磁体阵列I和永磁体阵列II组成，永磁体阵列I中所有永磁体的磁化方向与螺线管线圈内的永磁体磁化方向相反，永磁体阵列II中所有永磁体的磁化方向与螺线管线圈内的永磁体磁化方向相同，永磁体阵列II中相邻两永磁体之间的间距小于永磁体阵列I中相邻两永磁体之间的间距。

进一步地，所述永磁体阵列I至少为三个，其阵列结构为“n×k”，其中n＞2，k＞2。永磁体阵列II由数量为4n+1个永磁体组成“十”字结构阵列，n为自然数，其横向和竖向的永磁体数量一致并且上下、左右对称。

特别地，所述永磁体阵列I为四个布置在动子平台下表面的四角，永磁体阵列II为四个布置在四个永磁体阵列I之间。

相比现有技术，本发明具有结构简单、响应速度快、稳定性高和定位精确的特点，适合于微电子封装及光刻设备等需要真空、超洁净的环境。

附图说明

图1-现有技术电磁推力产生示意图；

图2-本发明结构示意图；

图3-本发明定子结构示意图；

图4-螺线管线圈结构示意图；

图5-本发明动子结构示意图(仰视图)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图2，从图上可以看出，本发明包括定子1和动子2。

定子结构见图3、图4，它包括定子平台3，定子平台3作为安装定子1的基座，在其上固定有圆筒状骨架9，骨架9上绕制有螺线管线圈5，每一个螺线管线圈5内均设有永磁体4，所有螺线管线圈5以阵列方式排列形成螺线管线圈阵列，其阵列结构为“n×k”，其中n≥9，k≥9，图中所示n和k均为9。所有永磁体4的磁化方向相同。

动子2的下表面与定子线圈阵列5的上表面相互平行。动子结构见图5，动子2包括动子平台6和附着在其下表面的永磁体阵列，动子平台6下表面的永磁体阵列由永磁体阵列组I和永磁体阵列组II组成，永磁体阵列组I由至少三个相同的永磁体阵列I7组成，其阵列结构为“n×k”，其中n＞2，k＞2，也就是说，永磁体阵列I7可以是3×3、3×4、4×4、4×5或5×5...等阵列结构。永磁体阵列组II由若干相同的永磁体阵列II8组成，永磁体阵列II8由数量为4n+1个永磁体组成“十”字结构阵列，n为自然数，其横向和竖向的永磁体数量一致并且上下、左右对称。永磁体阵列I7和永磁体阵列II8的数量相等，两永磁体阵列组中的永磁体阵列即永磁体阵列I7和永磁体阵列II8彼此交叉布置。从图5可以看出，永磁体阵列I7为四个布置在动子平台下表面的四角，该图中阵列结构为3×3；永磁体阵列II为四个布置在四个永磁体阵列I之间，其阵列结构为五个永磁体形成的“十”字结构，横向和竖向各三个，中间一个交叉共用。当然，永磁体阵列II8的阵列结构也可以由九个、十三个、十七个永磁体形成“十”字结构。

永磁体阵列I7中所有永磁体的磁化方向与螺线管线圈内的永磁体4磁化方向相反，用于实现动子3的稳定悬浮，永磁体阵列II8中所有永磁体的磁化方向与螺线管线圈内的永磁体4磁化方向相同，因此永磁体阵列I7和永磁体阵列II8的极性相反，且永磁体阵列II8中相邻两永磁体之间的间距小于永磁体阵列I7中相邻两永磁体之间的间距，因此，在螺线管线圈5与动子平台6下表面的永磁体阵列II8之间产生吸引力，用于提供动子3水平运动的电磁推力。

当螺线管线圈5通电时，在螺线管线圈5与动子平台6下表面的永磁体阵列I7之间产生排斥力，通过调整螺线管线圈阵列5的电流大小，便可将动子悬浮起来。而永磁体阵列II8的相邻两永磁体之间的间距小于永磁体阵列I7的相邻两永磁体之间的间距，因此，在螺线管线圈5与动子平台6下表面的永磁体阵列II8之间产生吸引力，该吸引力可以推动动子2在平面上做无接触的自由运动。通过调整螺线管线圈5中电流的大小，便可控制永磁体阵列II8与定子1之间的吸引力(推力)，实现动子2在平面上的精确定位，达到在超洁净工作环境中高速、高精度定位的需求。由于各线圈的电流是单独调整的，故能将悬浮力和吸引力分别调整到位。

Claims (5)

1、永磁悬浮平面电动机，它包括定子(1)和动子(2)，其特征在于：所述定子(1)包括定子平台(3)和安装于其上的螺线管线圈阵列，螺线管线圈(5)内设有磁化方向相同的永磁体(4)；动子(2)包括动子平台(6)和附着在其下表面的永磁体阵列，动子平台下表面的永磁体阵列由相同数量且交叉布置的永磁体阵列I(7)和永磁体阵列II(8)组成，永磁体阵列I(7)中所有永磁体的磁化方向与螺线管线圈内的永磁体(4)磁化方向相反，永磁体阵列II(8)中所有永磁体的磁化方向与螺线管线圈内的永磁体(4)磁化方向相同，永磁体阵列II(8)中相邻两永磁体之间的间距小于永磁体阵列I(7)中相邻两永磁体之间的间距。

2、根据权利要求1所述的永磁悬浮平面电动机，其特征在于：所述永磁体阵列I(7)至少为三个，其阵列结构为“n×k”，其中n＞2，k＞2；永磁体阵列II(8)由数量为4n+1个永磁体组成“十”字结构阵列，n为自然数。

3、根据权利要求2所述的永磁悬浮平面电动机，其特征在于：所述永磁体阵列I(7)为四个布置在动子平台(6)下表面的四角，永磁体阵列II(8)为四个布置在四个永磁体阵列I(7)之间。

4、根据权利要求2或3所述的永磁悬浮平面电动机，其特征在于：所述永磁体阵列II(8)其横向和竖向的永磁体数量一致并且上下、左右对称。

5、根据权利要求1或2或3所述的永磁悬浮平面电动机，其特征在于：所述螺线管线圈阵列的阵列结构为“n×k”，其中n≥9，k≥9。

Images