CN102594220A - 超导体励磁结构磁悬浮平面电机 - Google Patents

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Abstract

超导体励磁结构磁悬浮平面电机，属于电机技术领域。本发明解决了现有永磁同步平面电机存在的结构复杂、平面运动范围大、绕组利用效率低、推理密度小和系统效率低的问题。本发明中的初级基板为平板形，电枢绕组固定在初级基板的气隙侧；次级中的次级基板被均匀分成2h×2h个磁体单元格，2h2个超导磁体分别固定在次级基板上的对角相邻的超导磁体单元格中，并且超导磁体平行和垂直均不相邻，所述超导磁体为平行充磁，充磁方向垂直于次级基板气隙侧的表面，位于同一行或列的超导磁体的充磁方向相同，位于相邻行或列的超导磁体的充磁方向相反；冷却容器罩在所有超导磁体的外面。本发明实现初级悬浮运动，且悬浮高度大、承载能力强，可应用于真空环境。

Description

超导体励磁结构磁悬浮平面电机
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮平面电机，属于电机领域。
背景技术
现代精密、超精密加工装备对高响应、高速度、高精度的平面驱动装置有着迫切的需求，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。
最初的平面驱动装置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。
根据平面电机电磁推力的产生原理，可以将平面电机分为变磁阻型、同步型和感应型。其中，同步型平面电机具有结构简单、推力大、效率高和响应速度快等良好的综合性能，在二维平面驱动装置、特别是精密二维平面驱动装置中具有广阔的应用前景。
图7和8所示为现有的一种永磁同步平面电机结构。该电机中包括定子和动子两大部件，它的工作原理类似于三相旋转永磁同步电机，定子包含铁心和4个相互垂直放置的推力绕组，每个绕组有独立的3个相，X向推力绕组用于驱动动子沿X方向运动，Y向推力绕组用于驱动动子沿Y方向运动。动子包含动子平台和4个永磁体阵列，永磁体阵列排列在动子平台的下表面，通过控制相应的三相绕组电流，动子平台就可以在平面上做定位运动。
但是，该永磁同步平面电机存在电机结构复杂、平面运动的范围小、绕组的利用率低、推力密度小、系统效率低等问题。
发明内容
为了解决现有永磁同步平面电机存在的结构复杂、平面运动范围大、绕组利用效率低、推理密度小和系统效率低的问题，本发明提出一种超导体励磁结构磁悬浮平面电机。
超导体励磁结构磁悬浮平面电机包括初级和次级，所述初级和次级之间为气隙，初级包括初级基板和电枢绕组，所述初级基板为平板形，电枢绕组固定在初级基板的气隙侧；次级包括冷却容器、2h2个超导磁体和次级基板，将次级基板均匀分成2h×2h个磁体单元格，其中h为自然数，所述磁体单元格的边长为磁体阵列极距τp，所述2h2个超导磁体分别固定在次级基板上的对角相邻的超导磁体单元格中，并且所述超导磁体平行和垂直均不相邻，所述超导磁体为平行充磁，所述充磁方向垂直于次级基板气隙侧的表面，位于同一行或列的超导磁体的充磁方向相同，位于相邻行或列的超导磁体的充磁方向相反；冷却容器罩在所有超导磁体的外面。
本发明中，所述超导磁体采用超导块材实现，所述超导块材为圆盘形、圆环形或圆台形。
本发明中，所述超导磁体采用超导线圈实现，所述超导线圈为圆环形。
本发明中，每个超导线圈均缠绕在由高导磁材料构成的心柱外，所述心柱与次级基板固定连接。
本发明中，所述初级基板由非磁性材料构成。
本发明中，所述初级基板的上侧贴有电磁屏蔽板，所述上侧是指与气隙侧相对的另一侧。
本发明中，所述初级采用液体冷却结构，在初级基板上布置有冷却液体管道。
本发明中，所述初级还包括偏摆控制绕组，所述偏摆控制绕组由X向偏摆控制绕组和Y向偏摆控制绕组组成，组成X向偏摆控制绕组的2m个线圈均匀分成两组线圈，所述两组线圈对称分布并固定在初级基板上电枢绕组的X向两侧，组成Y向偏摆控制绕组的2m个线圈均匀分成两组线圈，所述两组线圈对称分布并固定在初级基板上电枢绕组的Y向两侧，所述m为自然数。
本发明中，所述磁悬浮平面电机为动初级结构。
本发明所述的平面电机中的次级采用超导磁体励磁，大大提高了气隙磁通密度，因此，所构成的平面电机中的电枢绕组采用无铁心结构，初级与次级之间不存在磁吸力，从而能够实现初级的悬浮运动，且电机输出推力大、推力密度高、动态特性好、悬浮高度大、承载能力强，热变形小、定位精度高，可应用于真空环境。
附图说明
图1是当超导块材为圆盘形时实施方式二所述的次级结构示意图。图2是当超导块材为圆环形或圆台形时，次级的结构示意图。图3是当超导块材为圆环形时，图2的A-A剖视图。图4是当超导块材为圆台形时，图2的A-A剖视图。图5是本发明所述的初级结构示意图。图6是实施方式九所述的一种超导体励磁结构磁悬浮平面电机的初级结构示意图。图7和图8所示是现有一种永磁同步平面电机结构。
具体实施方式
实施方式一：本实施方式所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机包括初级和次级，所述初级和次级之间为气隙，初级包括初级基板和电枢绕组，所述初级基板为平板形，电枢绕组固定在初级基板的气隙侧；次级包括次级基板1、冷却容器和2h2个超导磁体2，将次级基板1均匀分成2h×2h个磁体单元格，其中h为自然数，所述磁体单元格的边长为磁体阵列极距τp，所述2h2个超导磁体2分别固定在次级基板1上的对角相邻的超导磁体2单元格中，并且所述超导磁体2平行和垂直均不相邻，所述超导磁体2为平行充磁，所述充磁方向垂直于次级基板1气隙侧的表面，位于同一行或列的超导磁体2的充磁方向相同，位于相邻行或列的超导磁体2的充磁方向相反；冷却容器罩在所有超导磁体2的外面。
本实施方式所述的初级中的初级基板为平板形，参见图5所示，电枢绕组为无铁心结构，初级与次级之间不存在磁吸力，进而实现初级的悬浮运动。
实施方式二：本实施方式与实施方式一所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机的区别在于，超导磁体2采用超导块材实现，所述超导块材为圆盘形或圆环形。
参见图1所示，是本实施方式所述的一种超导体励磁结构磁悬浮平面电机的结构，该结构中，h＝2，次级基板分成4×4个单元格，次级中共有8个超导磁体2，所述8个超体磁体2的分布参见图1所示。
图2是上述结构当超导块材为圆环形时的结构示意图。
实施方式三：本实施方式与实施方式一所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机的区别在于，超导磁体2采用超导块材实现，所述超导块材为圆台形，该圆台中直径较大的底面与次级基板固定连接。
参见图2和4所示，是本实施方式所述的一种超导体励磁结构磁悬浮平面电机的结构，该结构中，h＝2，次级基板1分成4×4个单元格，次级中共有8个超导磁体2，所述8个超体磁体2的分布参见图1所示。
实施方式四：本实施方式与实施方式一所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机的区别在于，超导磁体2采用超导线圈实现，所述超导线圈为圆环形。
实施方式五：本实施方式与实施方式四所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机的区别在于，每个超导线圈均缠绕在由高导磁材料构成的心柱外，所述心柱与次级基板固定连接。
所述心柱采用导磁材料制作，增加心柱之后，能够改善超导线圈产生的磁场的波形，使该波形的正弦度更好，并且能够有效提高气隙磁幂。
实施方式六：本实施方式与实施方式一所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机的区别在于，所述初级基板由非磁性材料构成。
实施方式七：本实施方式与上述各实施方式所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机的区别在于，所述初级基板的上侧贴有电磁屏蔽板，所述上侧是指与气隙侧相对的另一侧。
实施方式八：本实施方式与上述各实施方式所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机的区别在于，所述初级采用液体冷却结构，在初级基板上布置有冷却液体管道。
实施方式九：本实施方式与上述各实施方式所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机的区别在于，所述初级还包括偏摆控制绕组3，所述偏摆控制绕组3由X向偏摆控制绕组3和Y向偏摆控制绕组3组成，组成X向偏摆控制绕组3的2m个线圈均匀分成两组线圈，所述两组线圈对称分布并固定在初级基板上电枢绕组的X向两侧，组成Y向偏摆控制绕组3的2m个线圈均匀分成两组线圈，所述两组线圈对称分布并固定在初级基板上电枢绕组的Y向两侧，所述m为大于1的自然数。
本实施方式所述的初级结构参见图6所示。
实施方式十：本实施方式与上述各实施方式所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机的区别在于，所述磁悬浮平面电机为动初级结构。

Claims (10)

1.超导体励磁结构磁悬浮平面电机，该平面电机包括初级和次级，所述初级和次级之间为气隙，初级包括初级基板和电枢绕组，所述初级基板为平板形，电枢绕组固定在初级基板的气隙侧；其特征在于，次级包括次级基板(1)、冷却容器和2h2个超导磁体(2)，将次级基板(1)均匀分成2h×2h个磁体单元格，其中h为自然数，所述磁体单元格的边长为磁体阵列极距τp，所述2h2个超导磁体(2)分别固定在次级基板(1)上的对角相邻的超导磁体(2)单元格中，并且所述超导磁体(2)平行和垂直均不相邻，所述超导磁体(2)为平行充磁，所述充磁方向垂直于次级基板(1)气隙侧的表面，位于同一行或列的超导磁体(2)的充磁方向相同，位于相邻行或列的超导磁体(2)的充磁方向相反；冷却容器罩在所有超导磁体(2)的外面。
2.根据权利要求1所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机，其特征在于，超导磁体(2)采用超导块材实现，所述超导块材为圆盘形或圆环形。
3.根据权利要求1所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机，其特征在于，超导磁体(2)采用超导块材实现，所述超导块材为圆台形，该圆台中直径较大的底面与次级基板(1)固定连接。
4.根据权利要求1所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机，其特征在于，超导磁体(2)采用超导线圈实现，所述超导线圈为圆环形。
5.根据权利要求4所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机，其特征在于，每个超导线圈均缠绕在由高导磁材料构成的心柱外，所述心柱与次级基板(1)固定连接。
6.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机，其特征在于，所述初级基板由非磁性材料构成。
7.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机，其特征在于，所述初级基板的上侧贴有电磁屏蔽板，所述上侧是指与气隙侧相对的另一侧。
8.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机，其特征在于，所述初级采用液体冷却结构，在初级基板上布置有冷却液体管道。
9.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机，其特征在于，所述初级还包括偏摆控制绕组(3)，所述偏摆控制绕组(3)由X向偏摆控制绕组(3)和Y向偏摆控制绕组(3)组成，组成X向偏摆控制绕组(3)的2m个线圈均匀分成两组线圈，所述两组线圈对称分布并固定在初级基板上电枢绕组的X向两侧，组成Y向偏摆控制绕组(3)的2m个线圈均匀分成两组线圈，所述两组线圈对称分布并固定在初级基板上电枢绕组的Y向两侧，所述m为自然数。
10.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的超导体励磁结构磁悬浮平面电机，其特征在于，所述磁悬浮平面电机为动初级结构。
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