CN102270908A - 一种双轴解耦结构的平面电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轴解耦结构的平面电机，包括基座和位于其上方的工作平台，所述基座上设有第一驱动线圈、第二驱动线圈、气动悬浮体、间隙传感器和位置传感器，第一和第二驱动线圈在同一平面相垂直摆放；所述工作平台上设有同一平面相垂直摆放的第一永磁体和第二永磁体，其中第一永磁体与第一驱动线圈相垂直，第二永磁体与第二驱动线圈相垂直，另有控制器分别连接两驱动线圈、两传感器和气动悬浮体。本发明双轴共面解耦结构实现同一平面上双轴驱动的二维运动,简化了结构，增大了系统可靠性。

Description

一种双轴解耦结构的平面电机

技术领域

本发明涉及一种平面电机，应用于高档数控机床及光刻机等先进制造装备。

背景技术

平面电机可实现二维平面运动与定位，工业需求广泛。在现代精密、超精密制造业如机械制造、微电子技术、仪器仪表等行业，也都需要用到高响应、高速度、高精度的二维平面运动装置(见付春楠[D].基于压电驱动的摩擦式微位移工作台的研究，大连理工大学，2010：9)。

传统的二维平面运动装置，是通过两个可实现一维运动的独立机构在空间上呈正交叠加布置，来实现二维运动，这种用低维运动机构叠加形成高维运动机构的实施方式，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，会产生两层机构之间平行度、平面度、间隙等诸多影响最终定位精度与稳定性的误差因素，使得机构的传动精度、运动精度、响应速度等受到限制(见马春燕[J]，开关磁阻平面电机运动机理及其结构设计，电机与控制学报，2008，1(12)：1)。因此，引发了对直驱式平面电机的研究。

现有的直驱式平面电机，如开关磁阻平面电机，其定子由硅钢片叠装而成，形成网状结构。硅钢片的叠加厚度与齿宽相同，在X和Y方向上形成多条相同的磁路通道，定子的叠片形状及形成的网状结构。动子采用宽齿结构，铁心上安装有励磁绕组(见李更新，Maxwell 3D在开关磁阻平面电机结构设计中的应用[J]，微特电机，2009，3：2)。这样使得结构比较复杂，且由于电磁干扰等因素存在，增大了系统的不稳定性。

发明内容

本发明提供了一种双轴解耦结构的平面电机装置，由双轴共面解耦结构实现同一平面上双轴驱动的二维运动，简化了结构，增大了系统可靠性。

本发明提供的双轴共面解耦结构的特点是：先使工作台与基座分离，避免机械接触，再利用磁交互作用力作为驱动力。两轴驱动线圈呈共面布置，两轴动子永磁体也呈共面布置。当工作台沿任一方向运动时，由于工作台和基座非机械接触，所以其另一方向上的驱动线圈和运动永磁体之间没有阻力存在，仍可由工作台带动作相对滑移。这样就实现了两个正交方向运动的解耦。本结构的实施装置实现XY方向运动部件共面布置，无需叠加即可实现二维平面运动，简化了系统结构，提高了系统可靠性和定位精度，减轻了装置重量，整体结构简单，操作方便。

附图说明

图1双轴解耦结构的平面电机整体平面结构图；

图2双轴解耦结构的平面电机各部件高度关系图；

图3工作台平面结构图；

图4工作台平面结构图高度位置图；

图5工作台平面位置波动控制流程图；

图6工作台与基座相对悬浮间隙控制流程图；

图7双轴解耦结构的平面电机位置示意图——初始平衡位置；

图8双轴解耦结构的平面电机位置示意图——X轴正极限状态；

图9双轴解耦结构的平面电机位置示意图——X轴负极限状态；

图10双轴解耦结构的平面电机位置示意图——Y轴正极限状态；

图11双轴解耦结构的平面电机位置示意图——Y轴负极限状态；

图12双轴解耦结构的平面电机位置示意图——X、Y轴皆正极限状态；

图13双轴解耦结构的平面电机位置示意图——X、Y轴皆负极限状态。

图14为本发明立体结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

图14为本发明立体结构图，图1为本发明的双轴解耦结构的平面电机整体平面结构图，本发明的具有双轴解耦结构的平面电机装置具体由两大部分构成，即工作台和基座体。所述的工作台由工作平台7和平台上相垂直摆放的永磁体1和5组成，所述的基座体包含有基座10和设在其上的驱动线圈2和4、气悬浮体6、传感器8、静态支撑9、线圈定位器3等组成。驱动线圈2和4在基座上相垂直摆放，采用线圈定位器3固定，其中驱动线圈2与永磁体1垂直，驱动线圈4与永磁体2垂直。工作平台7与基座10面积相等，呈正方形设计，边长为A。传感器8包括位置传感器和间隙传感器。控制器输出驱动信号至功率放大器，再输出至驱动线圈2和4，驱动线圈获得电流，产生交变磁场，与永磁体1和5的磁力相互作用，驱动工作台7移动。

下面以实例形式简单介绍该装置的具体实现：当一个轴向(例如X向)的驱动线圈4驱动对应的永磁体5运动时，带动工作台7沿着此方向运动，而另一个方向(Y向)的永磁体1作X向移动，其在Y向不产生交互磁作用力。同样，当Y向驱动线圈2通电时，驱动其对应的永磁体1沿Y向移动，工作台7发生沿Y向的移动，而X向的永磁体5则作Y向移动，其在X向不产生交互磁作用力。这样，就实现了双轴平面运动的解耦，不会产生双轴共面的情况下，一轴移动，通过工作台7带动另一轴移动而引发的干涉碰撞。突破了传统的依靠低维运动机构叠加形成高维运动机构的模式。

图2为双轴解耦结构的平面电机各部件高度关系图，为避免失电时，工作台7与气动悬浮体6发生碰撞，设置静态支撑体9略高于气动悬浮体6等零件，使得驱动线圈2和4与永磁体1和5之间保留有安全间隙。本实例静态支撑体9采用立柱固定于基座上，呈对角布置，其上表面与工作台底面保持有1mm左右的间隙。

图3为工作台平面结构图，图4为工作台高度位置图；永磁体1和5呈正交布置，固定于工作平台7的背面，且需保证如下关系：2*L₁＝2*L₅＝A，其中L₁，L₅为永磁体的长度，A为工作平台的边长。这样可实现最优行程，工作平台7的运动行程范围才能最大化。

如果工作台受到外力干扰会产生位置波动图5为工作台平面位置波动控制流程图，控制器发出驱动信号，经过功率放大器放大，输出至驱动线圈，产生交变磁场，使得工作台移动；位置传感器测得工作台位置w，与两者的预期相对位置值v相比较，得偏移量p＝w-v，将偏移量p与系统的分辨率值q相比较；如果p＜q，则不动作；若p≥q，则运动控制卡发出调节脉冲，使得平台向相反位置移动，以抵消干扰引起的位置偏差。

图6为工作台与基座相对悬浮间隙控制流程图，间隙传感器测得工作台的悬浮间隙，经过信号放大、滤波、数模转换输入计算机，经计算，若此间隙过大或过小，则计算机给出偏差量，再经过模数转换，信号放大，驱动气动悬浮体产生相应支撑力，调整间隙。

图7～图13为本发明的双轴解耦结构的平面电机，工作台(永磁体表示)相对于基座的位置运动极限示意图。图7为初始平衡位置图。图8为系统运行到X轴正向极限的状态图，此时已经到达驱动线圈4的X正向极限位置，再往右，驱动线圈4已无驱动磁场产生，永磁体5没有驱动源。所以永磁体5及工作台7不会越出此极限位置。因此，本发明无需象传统的结构那样在轴端设置限位装置来保证工作台越位，在本发明中，驱动系统的自身原理即保证了系统的极限位置。这较大程度地简化了系统的结构，提高了系统的可靠性。

本发明不仅仅局限于上述具体的实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种双轴解耦结构的平面电机，包括基座和位于其上方的工作平台，所述基座上设有第一驱动线圈、第二驱动线圈、气动悬浮体、间隙传感器和位置传感器，第一和第二驱动线圈在同一平面相垂直摆放；所述工作平台上设有同一平面相垂直摆放的第一永磁体和第二永磁体，其中第一永磁体与第一驱动线圈相垂直，第二永磁体与第二驱动线圈相垂直，另有控制器分别连接两驱动线圈、两传感器和气动悬浮体。

2.根据权利要求1所述的平面电机，其特征在于，在所述基座上还设有在失电时保证工作台与基座持有安全间隙的静态支撑体。

3.根据权利要求1所述的平面电机，其特征在于，所述工作台和基座为边长相等的正方形，两驱动线圈和两永磁体的长度相等，所述正方形的边长等于驱动线圈长度的两倍。

4.根据权利要求1所述的平面电机，其特征在于，所述控制器与两驱动线圈之间还接有功率放大器，控制器与气动悬浮体之间接有AD转换器、滤波器和放大器。

Images