CN101741290A - 六自由度磁悬浮微动平台 - Google Patents
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Abstract
六自由度磁悬浮微动平台，属于电机领域，它解决了现有六自由度磁悬浮微动平台存在的线圈的发热量高、损耗大，同时，音圈电机的结构相对复杂、推力密度低，平台的刚度低、热变形大，系统的动态特性差、定位精度低的问题。所述微动平台中的m个磁悬浮水平支撑机构和m个磁悬浮垂直支撑机构相间分布分别固定在平台底座顶面周边、并组成对称结构的2m边形，支撑平台4与每一个磁悬浮水平支撑机构的动子和磁悬浮垂直支撑机构的动子固定连接，所述磁悬浮垂直支撑机构与磁悬浮水平支撑机构的结构相同，所述磁悬浮垂直支撑机构的动子的运动方向为垂直方向，所述磁悬浮水平支撑机构的动子的运动方向为水平方向，m为自然数。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，具体涉及一种六自由度磁悬浮微动平台。
背景技术
现代精密、超精密加工装备对高响应、高速度、高精度的多自由度工作台有着迫切的需求，如机械加工、电子产品生产、机械装卸、制造自动化仪表设备甚至机器人驱动等。通常这些装置由旋转式电动机产生动力驱动，再由皮带、滚珠丝杆等机械装置，转换为直线运动。由于机械装置复杂，传动精度和速度都受到限制，且需经常调校，造成成本高、可靠性差、体积较大。最初的多自由度工作台是由两台直接驱动的直线电机来实现的，采用层叠式驱动结构，这种结构增加了传动系统的复杂性，从本质上没有摆脱低维运动机构叠加形成高维运动机构的模式。对于底层的直线电机，要承载上层直线电机及其相关机械部件的总质量，从而严重影响了定位和控制精确度。而直接利用电磁能产生平面运动的多自由度平面电机，具有出力密度高、低热耗、高速度、高精度和高可靠性的特点，因省去了从旋转运动到直线运动再到平面运动的中间转换装置，可把控制对象同电机做成一体化结构，具有反应快、灵敏度高、随动性好及结构简单等优点。
图9所示为六自由度磁悬浮微动平台的一种构成方式，图10是所述微动平台的内部结构示意图。该六自由度磁悬浮微动平台由八边形平板、固定基板、四组水平非接触电磁驱动机构与四组磁悬浮垂直支撑机构构成。水平非接触电磁驱动机构与磁悬浮垂直支撑机构均采用音圈电机结构，音圈电机的初级固定，次级运动。八边形平板的其中呈90°对称分布的四条边与水平非接触电磁驱动机构的动子相连；八边形平板的呈90°对称分布的另外四条边与磁悬浮垂直支撑机构的动子相连。水平非接触电磁驱动机构的定子以及磁悬浮垂直支撑机构的定子固定在固定基板上。通过控制水平配置音圈电机初级绕组电流的大小与方向，可控制作用在动子上X方向、Y方向电磁力的大小与方向以及绕Z轴偏转电磁转矩的大小与方向；同时，通过控制垂直配置音圈电机初级绕组电流的大小与方向，即可控制作用在动子上Z方向电磁力的大小与方向以及绕X轴、绕Y轴偏转电磁转矩的大小与方向，从而实现微动平台的6自由度运动控制。
但是，该六自由度磁悬浮微动平台存在如下问题：垂直配置音圈电机需要始终通电，以产生垂直方向的电磁力、抵消平台动子的自重。因此，线圈的发热量高、损耗大。同时，音圈电机的结构相对复杂、推力密度低，平台的刚度低、热变形大，系统的动态特性差、定位精度低。
发明内容
为了解决现有六自由度磁悬浮微动平台存在的线圈的发热量高、损耗大，同时，音圈电机的结构相对复杂、推力密度低，平台的刚度低、热变形大，系统的动态特性差、定位精度低等问题，本发明提出一种六自由度磁悬浮微动平台。
一种六自由度磁悬浮微动平台，它包括平台底座、支撑平台4、m个磁悬浮水平支撑机构和m个磁悬浮垂直支撑机构，m个磁悬浮水平支撑机构和m个磁悬浮垂直支撑机构相间分布分别固定在平台底座顶面周边、并组成对称结构的2m边形，支撑平台与每一个磁悬浮水平支撑机构的动子和m个磁悬浮垂直支撑机构2的动子固定连接，所述磁悬浮垂直支撑机构与磁悬浮水平支撑机构的结构相同，所述磁悬浮垂直支撑机构的动子的运动方向为垂直方向，所述磁悬浮水平支撑机构的动子的运动方向为水平方向，m为自然数。
本发明通过控制水平非接触电磁驱动机构各个线圈电流的大小与方向，即可控制作用在动子上X方向、Y方向电磁力的大小与方向以及绕Z轴旋转电磁转矩的大小与方向；同时，通过控制磁悬浮垂直支撑机构控制线圈中电流的大小与方向，即可控制作用在动子上Z方向电磁力的大小与方向以及绕X轴、绕Y轴旋转电磁转矩的大小与方向，从而实现微动平台的6自由度运动控制。本发明六自由度磁悬浮微动平台的损耗低、结构简单、控制容易、定位精度高。
附图说明
图1是m为3时，本发明的六自由度磁悬浮微动平台中的磁悬浮水平支撑机构和磁悬浮垂直支撑机构分布情况示意图。图2是m为3时，本发明的六自由度磁悬浮微动平台中的结构示意图。图3和4是具体实施方式五所述的磁悬浮垂直支撑机构的结构示意图。图5、6是具体实施方式六所述的磁悬浮垂直支撑机构的结构示意图。图7是具体实施方式二所述的磁悬浮水平支撑机构的结构示意图。图8是具体实施方式三所述的磁悬浮水平支撑机构的结构示意图。图9、10是现有一种六自由度磁悬浮微动平台的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的六自由度磁悬浮微动平台，它包括平台底座、支撑平台4、m个磁悬浮水平支撑机构1和m个磁悬浮垂直支撑机构2，m个磁悬浮水平支撑机构1和m个磁悬浮垂直支撑机构2相间分布分别固定在平台底座顶面周边、并组成对称结构的2m边形，支撑平台4与每一个磁悬浮水平支撑机构1的动子11和m个磁悬浮垂直支撑机构2的动子21固定连接，所述磁悬浮垂直支撑机构2与磁悬浮水平支撑机构1的结构相同，所述磁悬浮垂直支撑机构2的动子21的运动方向为垂直方向，所述磁悬浮水平支撑机构1的动子11的运动方向为水平方向。
本实施方式中的m取值为3时，参见图1所示，3个磁悬浮水平支撑机构1和3个磁悬浮垂直支撑机构2组成一个对称结构的六边形，此时本实施方式的六自由度磁悬浮微动平台的结构参见图2所示，支撑平台4也为对称结构的六边形，所述支撑平台4的每条边通过固定件5与每一个磁悬浮水平支撑机构1和3个磁悬浮垂直支撑机构2的动子固定连接。
本实施方式中的m取值为4时，4个磁悬浮水平支撑机构1和4个磁悬浮垂直支撑机构2组成一个对称结构的八边形，以此类推。
具体实施方式二：参见图7说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一所述的六自由度磁悬浮微动平台的区别在于，所述磁悬浮水平支撑机构1由定子和动子11构成，定子包括左轭板101、左轭板永磁体组103、左控制线圈组102、两个支撑边12、右轭板111、右轭板永磁体组113、右控制线圈组112，左轭板101和右轭板111相互平行布置，左轭板101和右轭板111与两个支撑边12组成矩形框，左轭板永磁体组103固定在左轭板101的右表面，右轭板永磁体组113固定在右轭板111的左表面，所述左轭板永磁体组103和右轭板永磁体组113分别包括两块永磁体，每块个永磁体的外侧缠绕有水平方向的线圈，缠绕在左轭板永磁体组103中的两个永磁体外侧的两个线圈组成左控制线圈组102，缠绕在右轭板永磁体组113中的两个永磁体外侧的两个线圈组成右控制线圈组112，动子11由两块永磁体和一块连结板组成，所述连结板位于两块永磁体之间，动子11位于左轭板永磁体组103和右轭板永磁体组113之间，并且所述左轭板永磁体组103、右轭板永磁体组113和动子中的两个永磁体位于同一平面内。
具体实施方式三：参见图8说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一所述的六自由度磁悬浮微动平台的区别在于，所述磁悬浮水平支撑机构1由定子和动子11构成，定子包括左轭板101、左轭板永磁体组103、左控制线圈组102、两个支撑边12、右轭板111、右轭板永磁体组113、右控制线圈组112，左轭板101和右轭板111相互平行布置，左轭板101和右轭板111与两个支撑边12组成矩形框，左轭板永磁体组103固定在左轭板101的右表面，右轭板永磁体组113固定在右轭板111的左表面，所述左轭板永磁体组103和右轭板永磁体组113分别包括两块永磁体，左控制线圈组102缠绕在左轭板101上，并且位于左轭板永磁体组103中的两个永磁体之间，右控制线圈组112缠绕在右轭板111上，并且位于右轭板永磁体组113中的两个永磁体之间，动子11由两块永磁体和一块连结板组成，所述连结板位于两块永磁体之间，动子11位于左轭板永磁体组103和右轭板永磁体组113之间，并且所述左轭板永磁体组103、右轭板永磁体组113和动子中的两个永磁体位于同一平面内。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三所述的六自由度磁悬浮微动平台的区别在于，左轭板永磁体组103中的两块永磁体的充磁方向相反，右轭板永磁体组113中的两块永磁体的充磁方向相反，动子11的两块永磁体的充磁方向相反，并且水平相邻的左轭板永磁体组103中的永磁体与动子11中的永磁体的充磁方向相反，水平相邻的右轭板永磁体组113中的永磁体与动子11中的永磁体的充磁方向亦相反。
具体实施方式五：参见图3、4说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一所述的六自由度磁悬浮微动平台的区别在于，所述磁悬浮垂直支撑机构2由定子和动子21构成，定子包括上轭板201、上轭板永磁体组203、上控制线圈组202、两个支撑边22、下轭板211、下轭板永磁体组213、下控制线圈组212，上轭板201和下轭板211相互平行布置，上轭板201和下轭板211与两个支撑边22组成矩形框，上轭板永磁体组203固定在上轭板201的下表面，下轭板永磁体组213固定在下轭板211的上表面，所述上轭板永磁体组203和下轭板永磁体组213分别包括两块永磁体，每块永磁体的外侧缠绕有水平方向的线圈，缠绕在上轭板永磁体组203中的两个永磁体外侧的两个线圈组成上控制线圈组202，缠绕在下轭板永磁体组213中的两个永磁体外侧的两个线圈组成下控制线圈组212，动子11由两块永磁体和一块连结板组成，所述连结板位于两块永磁体之间，动子11位于上轭板永磁体组203和下轭板永磁体组213之间，并且所述上轭板永磁体组203、下轭板永磁体组213和动子中的两个永磁体位于同一平面内。
具体实施方式六：参见图5、6说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一所述的六自由度磁悬浮微动平台的区别在于，所述磁悬浮垂直支撑机构2由定子和动子21构成，定子包括上轭板201、上轭板永磁体组203、上控制线圈组202、两个支撑边22、下轭板211、下轭板永磁体组213、下控制线圈组212，上轭板201和下轭板211相互平行布置，上轭板201和下轭板211与两个支撑边22组成矩形框，上轭板永磁体组203固定在上轭板201的右表面，下轭板永磁体组213固定在下轭板211的左表面，所述上轭板永磁体组203和下轭板永磁体组213分别包括两块永磁体，上控制线圈组202缠绕在上轭板201上，并且位于上轭板永磁体组203中的两个永磁体之间，下控制线圈组212缠绕在下轭板211上，并且位于下轭板永磁体组213中的两个永磁体之间，动子21由两块永磁体和一块连结板组成，所述连结板位于两块永磁体之间，动子21位于上轭板永磁体组203和下轭板永磁体组213之间，并且所述上轭板永磁体组203、下轭板永磁体组213和动子中的两个永磁体位于同一平面内。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六所述的六自由度磁悬浮微动平台的区别在于，上轭板永磁体组203中的两块永磁体的充磁方向相反，下轭板永磁体组213中的两块永磁体的充磁方向相反，动子21的两块永磁体的充磁方向相反，并且垂直相邻的下轭板永磁体组213中的永磁体与动子21中的永磁体的充磁方向相反。
本实施方式中的垂直相邻的上轭板永磁体组203中的永磁体与动子21中的永磁体的充磁方向相同或者相反。
Claims (9)
1.六自由度磁悬浮微动平台，其特征在于它包括平台底座、支撑平台4、m个磁悬浮水平支撑机构(1)和m个磁悬浮垂直支撑机构(2)，m个磁悬浮水平支撑机构(1)和m个磁悬浮垂直支撑机构(2)相间分布分别固定在平台底座顶面周边、并组成对称结构的2m边形，支撑平台(4)与每一个磁悬浮水平支撑机构(1)的动子(11)和磁悬浮垂直支撑机构(2)的动子(21)固定连接，所述磁悬浮垂直支撑机构(2)与磁悬浮水平支撑机构(1)的结构相同，所述磁悬浮垂直支撑机构(2)的动子(21)的运动方向为垂直方向，所述磁悬浮水平支撑机构(1)的动子(11)的运动方向为水平方向，m为自然数。
2.根据权利要求1所述的六自由度磁悬浮微动平台，其特征在于，m取值为3，3个磁悬浮水平支撑机构(1)和3个磁悬浮垂直支撑机构(2)组成一个对称结构的六边形。
3.根据权利要求1所述的六自由度磁悬浮微动平台，其特征在于，m取值为4时，4个磁悬浮水平支撑机构(1)和4个磁悬浮垂直支撑机构(2)组成一个对称结构的八边形。
4.根据权利要求1所述的六自由度磁悬浮微动平台，其特征在于，所述磁悬浮水平支撑机构(1)由定子和动子(11)构成，定子包括左轭板(101)、左轭板永磁体组(103)、左控制线圈组(102)、两个支撑边(12)、右轭板(111)、右轭板永磁体组(113)、右控制线圈组(112)，左轭板(101)和右轭板(111)相互平行布置，左轭板(101)和右轭板(111)与两个支撑边(12)组成矩形框，左轭板永磁体组(103)固定在左轭板(101)的右表面，右轭板永磁体组(113)固定在右轭板(111)的左表面，所述左轭板永磁体组(103)和右轭板永磁体组(113)分别包括两块永磁体，每块永磁体的外侧缠绕有水平方向的线圈，缠绕在左轭板永磁体组(103)中的两个永磁体外侧的两个线圈组成左控制线圈组(102)，缠绕在右轭板永磁体组(113)中的两个永磁体外侧的两个线圈组成右控制线圈组(112)，动子(11)由两块永磁体和一块连结板组成，所述连结板位于两块永磁体之间，动子(11)位于左轭板永磁体组(103)和右轭板永磁体组(113)之间，并且所述左轭板永磁体组(103)、右轭板永磁体组(113)和动子中的两个永磁体位于同一平面内。
5.根据权利要求1所述的六自由度磁悬浮微动平台，其特征在于，所述磁悬浮水平支撑机构(1)由定子和动子(11)构成，定子包括左轭板(101)、左轭板永磁体组(103)、左控制线圈组(102)、两个支撑边(12)、右轭板(111)、右轭板永磁体组(113)、右控制线圈组(112)，左轭板(101)和右轭板(111)相互平行布置，左轭板(101)和右轭板(111)与两个支撑边(12)组成矩形框，左轭板永磁体组(103)固定在左轭板(101)的右表面，右轭板永磁体组(113)固定在右轭板(111)的左表面，所述左轭板永磁体组(103)和右轭板永磁体组(113)分别包括两块永磁体，左控制线圈组(102)缠绕在左轭板(101)上，并且位于左轭板永磁体组(103)中的两个永磁体之间，右控制线圈组(112)缠绕在右轭板(111)上，并且位于右轭板永磁体组(113)中的两个永磁体之间，动子(11)由两块永磁体和一块连结板组成，所述连结板位于两块永磁体之间，动子(11)位于左轭板永磁体组(103)和右轭板永磁体组(113)之间，并且所述左轭板永磁体组(103)、右轭板永磁体组(113)和动子中的两个永磁体位于同一平面内。
6.根据权利要求4或5所述的六自由度磁悬浮微动平台，其特征在于，左轭板永磁体组(103)中的两块永磁体的充磁方向相反，右轭板永磁体组(113)中的两块永磁体的充磁方向相反，动子(11)的两块永磁体的充磁方向相反，并且水平相邻的左轭板永磁体组(103)中的永磁体与动子(11)中的永磁体的充磁方向相反，水平相邻的右轭板永磁体组(113)中的永磁体与动子(11)中的永磁体的充磁方向亦相反。
7.根据权利要求1所述的六自由度磁悬浮微动平台，其特征在于，所述磁悬浮垂直支撑机构(2)由定子和动子(21)构成，定子包括上轭板(201)、上轭板永磁体组(203)、上控制线圈组(202)、两个支撑边(22)、下轭板(211)、下轭板永磁体组(213)、下控制线圈组(212)，上轭板(201)和下轭板(211)相互平行布置，上轭板(201)和下轭板(211)与两个支撑边(22)组成矩形框，上轭板永磁体组(203)固定在上轭板(201)的下表面，下轭板永磁体组(213)固定在下轭板(211)的上表面，所述上轭板永磁体组(203)和下轭板永磁体组(213)分别包括两块永磁体，每块永磁体的外侧缠绕有水平方向的线圈，缠绕在上轭板永磁体组(203)中的两个永磁体外侧的两个线圈组成上控制线圈组(202)，缠绕在下轭板永磁体组(213)中的两个永磁体外侧的两个线圈组成下控制线圈组(212)，动子(11)由两块永磁体和一块连结板组成，所述连结板位于两块永磁体之间，动子(11)位于上轭板永磁体组(203)和下轭板永磁体组(213)之间，并且所述上轭板永磁体组(203)、下轭板永磁体组(213)和动子中的两个永磁体位于同一平面内。
8.根据权利要求1所述的六自由度磁悬浮微动平台，其特征在于，所述磁悬浮垂直支撑机构(2)由定子和动子(21)构成，定子包括上轭板(201)、上轭板永磁体组(203)、上控制线圈组(202)、两个支撑边(22)、下轭板(211)、下轭板永磁体组(213)、下控制线圈组(212)，上轭板(201)和下轭板(211)相互平行布置，上轭板(201)和下轭板(211)与两个支撑边(22)组成矩形框，上轭板永磁体组(203)固定在上轭板(201)的右表面，下轭板永磁体组(213)固定在下轭板(211)的左表面，所述上轭板永磁体组(203)和下轭板永磁体组(213)分别包括两块永磁体，上控制线圈组(202)缠绕在上轭板(201)上，并且位于上轭板永磁体组(203)中的两个永磁体之间，下控制线圈组(212)缠绕在下轭板(211)上，并且位于下轭板永磁体组(213)中的两个永磁体之间，动子(21)由两块永磁体和一块连结板组成，所述连结板位于两块永磁体之间，动子(21)位于上轭板永磁体组(203)和下轭板永磁体组(213)之间，并且所述上轭板永磁体组(203)、下轭板永磁体组(213)和动子中的两个永磁体位于同一平面内。
9.根据权利要求7或8所述的六自由度磁悬浮微动平台，其特征在于，上轭板永磁体组(203)中的两块永磁体的充磁方向相反，下轭板永磁体组(213)中的两块永磁体的充磁方向相反，动子(21)的两块永磁体的充磁方向相反，并且垂直相邻的下轭板永磁体组(213)中的永磁体与动子(21)中的永磁体的充磁方向相反。
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