CN101834550A - 基于磁悬浮平面电机的定位装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁悬浮平面电机的定位装置，包括定子部分，定子部分包括定子盖板及上面设置的多个蹄形线圈，盖板下面设置有多个水平传感器，在盖板的蹄形线圈中间位置开有工作台孔，孔周围均布多个竖直传感器；平衡座上设有钢块，钢块上面镶嵌有永磁铁阵列，钢块两长边对应位置的平衡座上固联有推进装置；在永磁铁阵列与定子部分之间设置有水平X、Y方向，垂直Z方向自由运动的动子部分，包括动子支架，动子支架上表面设置有多个衔铁分别与相应蹄形线圈相对，动子支架上表面中心凸起一工作台穿出盖板的工作台孔，动子支架内安装有与衔铁数量相等的多个驱动线圈。

Description

基于磁悬浮平面电机的定位装置
技术领域
本发明涉及一种基于磁悬浮平面电机的定位装置。
背景技术
在IC(集成电路)制造、超精密加工和纳米技术等领域都需要大行程纳米级的定位，而高性能的超精密定位工作台是这些领域的支撑技术，其定位精度的高低成为制约这些当今前沿科学发展的关键因素。
随着IC集成度越来越高，要求刻线越来越细，IC装备光刻机的定位工作台就需要有快速运动和精确定位的要求；除了IC外，惯导系统、武器系统以及光学非球面零件加工等领域都需要大行程超精密加工，经常要求其定位精度达到纳米级。
传统机械定位装置通常采用丝杠系统实现定位，其所存在的问题是精度低，不能满足超精密定位的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适于高速准确定位的定位装置，该装置是基于磁悬浮平面电机的原理制造的，可克服传统丝杠定位精度低的缺点，亦可克服压电驱动运动范围小，不适合大行程场合的不足。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：一种基于磁悬浮平面电机的定位装置，其特征在于，包括由立柱支撑在平衡座上的定子部分，定子部分包括定子盖板，其上面设置有多个蹄形线圈，盖板下面设置有包围在动子部分四周的多个水平传感器，另外在盖板的蹄形线圈中间位置开有工作台孔，孔周围均布有多个竖直传感器；所述平衡座上设有水平方向被限位的钢块，该钢块上面镶嵌有永磁铁阵列，钢块两长边对应位置的平衡座上固联有推进装置用于调节钢块垂直移动的距离；在永磁铁阵列与定子部分之间设置有水平X、Y方向，垂直Z方向自由运动的动子部分，动子部分包括动子支架，动子支架上表面设置有多个衔铁分别与所述多个蹄形线圈相对，动子支架上表面中心凸起一工作台穿出盖板的工作台孔，动子支架内安装有与蹄形线圈数量相等的多个驱动线圈，动子部分的初始位置由设置在钢块上的卡块限定。
上述方案中，所述多个蹄形线圈为四个，组成矩形吸引式悬浮结构，提供动子部分的悬浮力，动子支架上表面相应设置四个衔铁分别与四个蹄形线圈相对；动子支架内的多个驱动线圈也为四个。该四个驱动线圈，按两两相互垂直的排列方式布置。所述蹄形线圈末端开有窄槽，由卡板插入窄槽中将其卡在定子盖板上。每两个蹄形线圈外面可设有一个保护罩。
所述盖板下面设置的多个水平传感器可为六个电涡流传感器，用于测量动子的水平位移；均布在工作台孔周围多个竖直传感器可为三个电涡流传感器，用于测量动子的悬浮姿态。
所述永磁铁阵列中，永磁铁块长宽相等，为5mm，高度为20mm，沿X向和Y向等间距分布，间距0.1mm，并且每个永磁铁块极性方向一致，以产生均匀磁场。
所述固联在平衡座上的推进装置为四个，每个推进装置包括固定在平衡座上的两个固定挡板，固定挡板之间设有螺母与一个连接推进挡板的螺栓螺纹连接，推进挡板前端设置带有斜面的推进块，通过旋转螺母带动螺栓使推进块前进或后退，从而调节钢块的垂直位移。
本发明的定位装置基于磁悬浮平面电机的原理设计，动子是核心，自由放置在定子下面，动子以动子支架为主体，支架上面固连多块衔铁与定子上相应数量的蹄形线圈相对，二者共同完成悬浮动作。动子支架内安装对应衔铁数量的驱动线圈，两相邻线圈垂直放置，成交错对称排布。动子下面放置镶嵌在钢块内的永磁铁阵列，为保证永磁铁阵列的水平，在永磁阵列四周设置推进装置以调平。
本发明的定位装置可使动子稳定悬浮并完成水平面内X、Y两个方向的运动，和绕竖直方向Z的转动，因为运动过程中无摩擦力，故运动精度较机械式大大提高。
附图说明
图1为本发明基于磁悬浮平面电机的定位装置整体结构图。
图2为图1中的定子部分结构示意图。
图3为图1中的动子部分结构示意图。
图4为图1中的永磁铁阵列排布结构图。
图5为图1中的推进装置的结构图。
图1至图5中：1、定子盖板；2、蹄形线圈；3、工作台；4、竖直传感器；5、保护罩；6、动子支架；7、传感器支座；8、有机玻璃板；9、立柱；10、平衡座；11、推进装置；12、钢块；13、永磁铁阵列；14、卡块；15、驱动线圈；16、限位块；17、玻璃板卡块；18、水平传感器；19、衔铁；20、推进块；21、推进挡板；22、螺栓；23-24、固定挡板；25、螺母；26、斜面。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
参照图1至图3，本发明基于磁悬浮平面电机的定位装置包括由四根立柱9支撑在平衡座10上的定子部分，立柱9之间安装有机玻璃板8，有机玻璃板通过卡块17固定在立柱9之间。定子部分包括定子盖板1，其上面设置有四个蹄形线圈2，盖板下面设置有包围在动子部分四周的六个水平传感器18，另外在盖板的蹄形线圈中间开有工作台孔，孔周围均布有三个竖直传感器4；平衡座上设有水平方向被限位块16限制的钢块12，该钢块上面镶嵌有永磁铁阵列13，钢块两长边对应位置的平衡座上固联有四个推进装置11用于调节钢块垂直移动的距离；在永磁铁阵列13与定子部分之间设置有水平X、Y方向，垂直Z方向自由运动的动子部分，动子部分包括动子支架6，动子支架上表面设置有四个衔铁19分别与四个蹄形线圈2相对，动子支架上表面中心凸起一工作台3穿出盖板的工作台孔，动子支架内安装有四个驱动线圈15，动子部分的初始位置由设置在钢块12上的卡块14限定。
以上装置的工作原理如下：首先，计算机对蹄形线圈2供电，经过竖直传感器4的位置反馈，使定子悬浮起来，并处于稳定状态；然后，对动子中的驱动线圈15供电，并通过水平传感器18的反馈，使动子运动到指定水平位置。
按照定位装置的功能，本发明整体上分为悬浮部分和水平驱动部分：悬浮部分：本发明装置采用吸引式悬浮结构，动子的悬浮动作是通过蹄形线圈2和衔铁19完成的，蹄形线圈安装在定子盖板1上面固定不动，衔铁19固连在动子支架6上表面与蹄形线圈相对，线圈2通电后产生电磁力，吸引衔铁，动子向上运动，三个竖直传感器4将动子的位置反馈回控制器，控制器根据反馈信号调节蹄形线圈的输入电压，最终使定子稳定悬浮。
水平驱动部分：动子的驱动通过永磁铁阵列13和动子中的驱动线圈相互作用产生的。动子悬浮稳定后，对驱动线圈15供电使其产生磁场，与永磁铁阵列的磁场产生力作用而运动，水平传感器18将动子的位置反馈回控制器，控制器根据反馈信息调节输出电压，使动子运动到预定的位置。
参照图2：本发明所采用的传感器4、18均为电涡流位移传感器。盖板工作台孔周围的三个传感器4是测量动子在竖直方向的位移，相邻两个传感器间相隔120度，可以检测动子与水平面的平行性，完全掌握动子的悬浮姿态。考虑到电涡流传感器量程较小，而动子在水平方向上的位移又较大，所以用六个水平传感器18对称排布，形成传感器接力形式，测量动子在水平方向上的位移。
参照图3：动子中的四个驱动线圈15在动子支架6上呈交错对称排布，每相邻两线圈垂直放置，在X、Y方向上各有两个线圈，这样的布置形式，既可以产生水平驱动力使动子水平运动，又可以产生绕竖直方向的力矩，使动子转过一定角度。
参照图4：镶嵌在钢块12中的永磁铁阵列13中的磁体块长宽相等，为5mm，高度为20mm，沿X和Y方向紧密排布，间隔0.1mm。并且各个磁体块的磁极方向完全一致。为了避免磁场越过线圈交界处产生磁通波动，采用大磁阵小绕组结构，即永磁铁阵列的面积要大于驱动线圈15的运动范围。
参照图5：每个推进装置11包括固定在平衡座10上的两个固定挡板23、24，固定挡板之间设有螺母25与一个连接推进挡板21的螺栓22螺纹连接，推进挡板21前端设置带有斜面26的推进块20，通过旋转螺母带动螺栓使推进块前进或后退，从而调节钢块的垂直位移和控制永磁铁阵列的水平。

Claims (8)

1.一种基于磁悬浮平面电机的定位装置，其特征在于，包括由立柱支撑在平衡座上的定子部分，定子部分包括定子盖板，其上面设置有多个蹄形线圈，盖板下面设置有包围在动子部分四周的多个水平传感器，另外在盖板的蹄形线圈中间位置开有工作台孔，孔周围均布有多个竖直传感器；所述平衡座上设有水平方向被限位的钢块，该钢块上面镶嵌有永磁铁阵列，钢块两长边对应位置的平衡座上固联有推进装置用于调节钢块垂直移动的距离；在永磁铁阵列与定子部分之间设置有水平X、Y方向，垂直Z方向自由运动的动子部分，动子部分包括动子支架，动子支架上表面设置有多个衔铁分别与所述多个蹄形线圈相对，动子支架上表面中心凸起一工作台穿出盖板的工作台孔，动子支架内安装有与蹄形线圈数量相等的多个驱动线圈，动子部分的初始位置由设置在钢块上的卡块限定。
2.如权利要求1所述的基于磁悬浮平面电机的定位装置，其特征在于，所述多个蹄形线圈为四个，组成矩形吸引式悬浮结构，提供动子部分的悬浮力，动子支架上表面相应设置四个衔铁分别与四个蹄形线圈相对；动子支架内的多个驱动线圈也为四个。
3.如权利要求2所述的基于磁悬浮平面电机的定位装置，其特征在于，所述蹄形线圈末端开有窄槽，由卡板插入窄槽中将其卡在定子盖板上。
4.如权利要求2或3所述的基于磁悬浮平面电机的定位装置，其特征在于，每两个蹄形线圈外面设有一个保护罩。
5.如权利要求1所述的基于磁悬浮平面电机的定位装置，其特征在于，所述盖板下面设置的多个水平传感器为六个电涡流传感器，用于测量动子的水平位移；均布在工作台孔周围多个竖直传感器为三个电涡流传感器，用于测量动子的悬浮姿态。
6.如权利要求2所述的基于磁悬浮平面电机的定位装置，其特征在于，所述动子支架内的四个驱动线圈，按两两相互垂直的排列方式布置。
7.如权利要求2所述的基于磁悬浮平面电机的定位装置，其特征在于，所述永磁铁阵列中，永磁铁块长宽相等，为5mm，高度为20mm，沿X向和Y向等间距分布，间距0.1mm，并且每个永磁铁块极性方向一致，以产生均匀磁场。
8.如权利要求1所述的基于磁悬浮平面电机的定位装置，其特征在于，所述固联在平衡座上的推进装置为四个，每个推进装置包括固定在平衡座上的两个固定挡板，固定挡板之间设有螺母与一个连接推进挡板的螺栓螺纹连接，推进挡板前端设置带有斜面的推进块，通过旋转螺母带动螺栓使推进块前进或后退，从而调节钢块的垂直位移。
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