CN104218771A - 磁悬浮多自由度永磁同步平面电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁悬浮多自由度永磁同步平面电机。包括永磁励磁部分和电枢绕组部分，叠加后留有气隙；永磁励磁的二维永磁体阵列黏贴于轭部靠近电枢绕组部分的一侧，由结构关于X轴和Y轴对称、纵向横截面为梯形的三个永磁模块和导磁模块组合而成；电枢绕组分别沿X方向放置的绕组和Y方向放置的绕组的两套为空心绕组，两套绕组之间彼此独立，沿Z方向呈90度角叠放，绕组采用多相结构，同套绕组中同相绕组相并联或串联，各相之间采用星形或三角形连接。本发明定子和动子之间无接触，减小迟滞性和累积误差；彼此独立的绕组使得磁场和电磁力调节方便。永磁体结构提高推力密度和材料利用率。具有重量轻、响应速度快、控制简单和运动范围广的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电机，尤其是涉及一种磁悬浮多自由度永磁同步平面电机。
背景技术
随着科学技术进步，高速度、高精度成为机械加工的重要发展方向，在微电子封装设备如共晶粘片机、全自动金丝球焊机和IC芯片制作设备，对驱动器定位精度、运行速度、驱动维数都提出了越来越高的要求。
平面电机驱动方法与传统多维组合式驱动平台相比，摒弃了从旋转运动到直线运动再到平面运动的丝杠、螺杆等中间转换装置，消除了累积误差的存在；集成式的磁钢阵列和电枢绕组结构使得系统驱动范围更加容易扩展；单一的运动体结构使系统反应更为快捷。尤其是可实现磁悬浮的永磁平面电机降低了运动面约束，消除了摩擦损耗，进一步提高了驱动精度，与感应式和磁阻式平面电机相比，更是具有结构简单、定位精度高、系统效率高等优点，在光刻机等现代精密、超精密制造装备领域中表现出良好的应用前景。
现有的永磁平面电机根据电枢绕组部分有无齿槽可分为两大类：第一类带齿槽结构的永磁平面电机，具有较高的气隙磁密，较高的推力密度，但齿槽推力的存在限制了驱动精度的提高；第二类无齿槽式结构又可根据电枢绕组部分有无铁心分为两小类，其中电枢绕组部分无铁心式永磁平面电机，与其他结构相比，消除了永磁励磁和绕组部分的相互吸力，免除了推力波动的存在，尤其采用动圈式结构时，具有动子质量低，系统响应快的优点，但同时也存在等效气隙高，推力密度较低的缺点。
发明内容
为了在保持电枢绕组部分无铁心式永磁平面电机上述优点的情况下，进一步提高其推力密度，本发明的目的在于提供一种磁悬浮多自由度永磁同步平面电机，通过改变永磁模块形状及绕组结构以提高推力密度。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括永磁励磁部分和电枢绕组部分，永磁励磁部分和电枢绕组部分叠加后留有气隙。
所述的永磁励磁部分，包括二维永磁体阵列和轭部，二维永磁体阵列黏贴于轭部靠近电枢绕组部分的一侧，由结构关于X轴和Y轴对称、纵向横截面为梯形三个永磁模块和一个导磁模块组合而成；
电枢绕组部分，包括分别沿X方向放置的绕组和Y方向放置的绕组，两套绕组均为空心的集中式绕组，两套绕组之间彼此独立 ，沿Z方向呈90度角叠放，绕组采用多相结构，同套绕组中同相绕组相并联或串联，各相之间采用星形或三角形连接。
所述的三个永磁模块，第一个永磁模块为垂直方向充磁的主磁极模块，为纵向剖面，即Z轴剖面为梯形、水平剖面为正方形的六面体结构，且靠近气隙侧的表面边长τ1a大于靠近轭部侧的表面边长τ1c；第二个永磁模块为水平方向充磁的边部辅助磁极模块，为纵向剖面，即Z轴剖面为梯形、水平剖面为矩形的六面体结构，靠近气隙侧的表面与靠近轭部侧的表面为长短边相反的矩形；第三个永磁模块为呈对角线方向充磁的角部辅助次级模块，为纵向剖面，即Z轴剖面为梯形、水平剖面为正方形的六面体结构，且靠近气隙侧的表面边长τ3a小于靠近轭部侧的表面边长τ3c，充磁方向与水平面平行，由水平剖面中正方形的一角指向对角；所述导磁模块结构尺寸与第一个永磁模块结构尺寸相同。
所述二维永磁体阵列中，第一个永磁模块的四个侧面均紧贴放置第二个永磁模块；第一个永磁模块的四个角的位置均放置第三个永磁模块；任两个相同极性的第一个永磁模块中心点连线的中间部分均放置模块；当第一个永磁模块的上下表面侧边与轭部侧边平行时，相同行和相同列下对应的第一个永磁模块极性相同；相邻的两个极性相反的第一个永磁模块中心点之间的行和列间距均为一个极距τ；从绕组侧观察，若第一个永磁模块充磁方向垂直向外，即N极，则周围的第二个永磁模块和第三个永磁模块充磁方向指向第一个永磁模块中心；所若第一个永磁模块充磁方向垂直向内，即S极，则周围的第二个永磁模块和第三个永磁模块充磁方向背离第一个永磁模块中心。
所述电枢绕组部分，采用动圈式结构，永磁励磁部分为平面电机的定子部分，所述电枢绕组部分为平面电机的动子部分；或采用动磁式结构，电枢绕组为平面电机的定子部分，永磁励磁部分为平面电机的动子部分。
包括上下对应的两套永磁励磁部分和电枢绕组部分；电枢绕组部分夹在上下永磁励磁部分中间，电枢绕组部分与上下永磁励磁部分间均存在气隙；上下两层二维永磁体阵列中第一个永磁模块中心相对应，且两者之间极性相反，即N极和S极彼此相对，磁力线经两套永磁体阵列和轭部、两层气隙和电枢绕组形成回路；电机采用动圈式结构，所述永磁励磁部分为平面电机的定子部分，所述电枢绕组为平面电机的动子部分。
本发明具有的有益效果是：
1)定子和动子之间无接触，避免了摩擦力的存在，减小了迟滞性和累积误差。
2)彼此独立的绕组结构使得磁场和电磁力调节更为灵活方便。
3)独特的永磁体结构提高了推力密度和材料利用率。
4)本发明所述的平面电机具有重量轻、响应速度快、控制简单、运动范围广等优点，可应用到需要三维精密驱动和定位的场合。
附图说明
图1是实施例1单边式磁悬浮多自由度永磁同步平面电机结构示意图。
图2是本发明二维永磁体阵列结构示意图（绕组侧俯视图）。
图3是本发明二维永磁体阵列结构仰视图。
图4是本发明电枢绕组结构示意图。
图5是实施例3双边式磁悬浮多自由度永磁同步平面电机结构示意图。
图中：1：永磁励磁部分；2：电枢绕组部分；1-1：二维永磁体阵列，1-2：轭部； 2-1：沿X方向放置的绕组；2-2：沿Y方向放置的绕组；1-1-1：第一个永磁模块；1-1-2：第二个永磁模块；1-1-3：第三个永磁模块；1-1-4：导磁模块。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例所述的的一种单边式磁悬浮多自由度永磁同步平面电机包括永磁励磁部分1和电枢绕组2两大部分，永磁励磁部分1为定子，电枢绕组2为动子，两部分均为平板式结构，彼此分离，之间存在气隙。所述的永磁励磁部分包括二维永磁体阵列1-1和轭部1-2两部分，二维永磁体阵列1-1黏贴于轭部1-2靠近绕组的一侧，由结构关于X轴和Y轴对称、纵向横截面为梯形、水平截面为矩形的三个永磁模块1-1-1、1-1-2、1-1-3和一个导磁模块1-1-4组合而成，以起到提高电机推力密度的效果。
如图2和图3所示，所述的二维永磁体阵列1-1中三个永磁模块分别为：第一个永磁模块1-1-1为垂直方向充磁的主磁极模块，为纵向剖面（即Z轴剖面）为梯形、水平剖面为正方形的六面体结构，靠近气隙侧的表面边长τ1a大于靠近轭部侧的表面边长τ1c；第二个永磁模块1-1-2为水平方向充磁的边部辅助磁极模块，为纵向剖面（即Z轴剖面）为梯形、水平剖面为矩形的六面体结构，靠近气隙侧的表面长为τ1a，宽为τ3a，靠近轭部侧的表面为长为τ3c，宽为τ1c，；第三个永磁模块1-1-3为呈对角线方向充磁的角部辅助次级模块，为纵向剖面（即Z轴剖面）为梯形、水平剖面为正方形的六面体结构，靠近气隙侧的表面边长τ3a小于靠近轭部侧的表面边长τ3c，且满足关系τ1a+τ3a=τ，τ1c+τ3c=τ，充磁方向与水平面平行，由水平剖面中正方形的一角指向对角；导磁模块1-1-4结构尺寸与第一个永磁模块1-1-1相同。所述的三个永磁模块和一个导磁模块1-1-4，也可采用由多块边长不同的六面体组合而成。所述永磁模块可选用钕铁硼材料，所述导磁模块可采用电工纯铁等导磁材料。据分析表明当第一个永磁模块1-1-1靠近轭部侧的表面边长τ1c与靠近气隙侧的表面边长τ1a的比值 τ1c:τ1a=0.6时，相同体积的永磁体可产生较高的气隙磁密。
所述第一个永磁模块1-1-1的四个侧面均紧贴放置所述的第二个永磁模块1-1-2；第一个永磁模块1-1-1的四个角的位置均放置所述第三个永磁体模块1-1-3；任两个相同极性的第一个永磁模块1-1-1中心点连线的中间部分均放置所述导磁模块1-1-4，导磁模块1-1-4夹在四个第二个永磁模块1-1-2中间；相同行和相同列下对应的第一个永磁模块1-1-1极性相同；每四个相邻的同极性的第一个永磁模块1-1-1中心对应的第一个永磁模块1-1-1极性与之相反；相邻的两个极性相反的第一个永磁模块1-1-1中心点之间的行和列间距均为一个极距τ；从绕组侧观察，若第一个永磁模块1-1-1充磁方向垂直向外（N极），则周围的第二个永磁模块1-1-2和第三个永磁模块1-1-3充磁方向指向第一个永磁模块1-1-1中心；所若第一个永磁模块1-1-1充磁方向垂直向内（S极），则周围的第二个永磁模块1-1-2和第三个永磁模块1-1-3充磁方向背离第一个永磁模块1-1-1中心。
参考三相绕组为例的图1和图4，所述电枢绕组2包括沿X方向放置的绕组2-1和沿Y方向放置的绕组2-2两部分，两套绕组均为空心集中式绕组结构，且两者之间彼此独立，沿Z方向正交叠放，彼此成90度；绕组采用多相结构，同套绕组中同相绕组相并联或串联，各相之间采用星形或三角形连接，绕组跨距和分布与现有永磁电机集中式绕组结构相同；沿X方向放置的绕组2-1的平均X向长度和沿Y方向放置的绕组2-2的平均Y向长度为2kτ，其中k为自然数。电机运行时，可通过分别控制Y方向绕组和X方向绕组中的电流及相位实现X方向推力、Y方向推力和Z方向悬浮力的调节，实现三个自由度的精密驱动和定位。
本实施例中所述沿X方向放置的绕组2-1和沿Y方向放置的绕组2-2，由于与永磁励磁部分1的相对高度不同，电磁特性存在差异，为了提高两者的电磁对称性，远离永磁励磁部分1的绕组的高度可高于靠近励磁部分的绕组。实施中也可采用多层绕组结构，例如当沿X方向放置的绕组2-1层数为2，沿Y方向放置的绕组2-2层数为2时，同套绕组中各层相串联或并联，且沿Z轴的叠放顺序采用X向、Y向、Y向、X向或Y向、X向、X向、Y向的结构，也可提高两套绕组的电磁对称性。
所述轭部1-2可由导磁材料铁块构成，也可以由不导磁材料铝或者不锈钢块构成，表面积大于等于永磁阵列总体表面积，制造工艺与普通电机相同。
实施例2：
本实施例2与实施例1的差别仅在于：所述的单边式磁悬浮多自由度永磁同步平面电机永磁励磁部分1为动子，电枢绕组2为定子，沿X方向放置的绕组2-1的平均X向长度和沿Y方向放置的绕组2-2的平均Y向长度不再有具体数值限制，大于动子长度即可，由于电枢成本较低，本实施例更容易扩展动子运动范围。由于永磁体阵列自成磁路，本实施例中轭部材料最好选择为铝，此时对磁密影响不大，而且可减轻动子重量。
实施例3：
参考图5所示，本实施例3与实施例1的差别在于：所述的一种双边式磁悬浮多自由度永磁同步平面电机，包括上下对应的两套永磁励磁部分1和一套电枢绕组部分2；电枢绕组2夹在上下两套永磁励磁部分1中间，形成“三明治”式结构，与上下两层二维永磁体阵列1-1间均存在气隙；上下两层二维永磁体阵列1-1中第一个永磁模块1-1-1中心相对应，且极性相反（N极和S极彼此相对），磁力线经两套二维永磁体阵列1-1（和轭部1-2）、两层气隙和电枢绕组2形成回路；电机采用动圈式结构，所述永磁励磁部分为平面电机的定子部分，所述电枢绕组为平面电机的动子部分；由于此结构中电枢绕组部分磁通密度水平分量较低，故运行时主要通过控制电枢绕组中沿Y方向放置的绕组2-2和沿X方向放置的绕组2-1中的电流实现X方向和Y方向推力的调节，实现两个自由度的精密驱动和定位。本实施例中当电枢绕组2两侧气隙高度相同时，沿X方向放置的绕组2-1和沿Y方向放置的绕组2-2产生的电磁力具有良好的对称性。机械结构中为了保持两侧气隙相同，可通过支架和直线导轨相结合的形式，固定动子的Z轴高度，仅允许X向和Y向两个自由度。
本发明可利用微型机器人，光刻机或微电子封装设备等需要精密驱动和操作的场合，使用时需将所述的定子固定在加工设备中的静止组件上，动子部分用于驱动加工设备中的运动部件，可通过平面电机定子和动子间的洛仑兹力实现设备的精密加工和驱动。
Claims (5)
1.一种磁悬浮多自由度永磁同步平面电机，包括永磁励磁部分(1)和电枢绕组部分(2)，永磁励磁部分(1)和电枢绕组部分(2)叠加后留有气隙；其特征在于：
所述的永磁励磁部分(1)，包括二维永磁体阵列(1-1)和轭部(1-2)，二维永磁体阵列(1-1)黏贴于轭部(1-2)靠近电枢绕组部分(2)的一侧，由结构关于X轴和Y轴对称、纵向横截面为梯形三个永磁模块(1-1-1、1-1-2、1-1-3)和一个导磁模块(1-1-4)组合而成；
电枢绕组部分(2)，包括分别沿X方向放置的绕组(2-1)和Y方向放置的绕组(2-2)，两套绕组均为空心的集中式绕组，两套绕组之间彼此独立 ，沿Z方向呈90度角叠放，绕组采用多相结构，同套绕组中同相绕组相并联或串联，各相之间采用星形或三角形连接。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮多自由度永磁同步平面电机，其特征在于：所述的三个永磁模块，第一个永磁模块(1-1-1)为垂直方向充磁的主磁极模块，为纵向剖面，即Z轴剖面为梯形、水平剖面为正方形的六面体结构，且靠近气隙侧的表面边长τ1a大于靠近轭部侧的表面边长τ1c；第二个永磁模块(1-1-2)为水平方向充磁的边部辅助磁极模块，为纵向剖面，即Z轴剖面为梯形、水平剖面为矩形的六面体结构，靠近气隙侧的表面与靠近轭部侧的表面为长短边相反的矩形；第三个永磁模块(1-1-3)为呈对角线方向充磁的角部辅助次级模块，为纵向剖面，即Z轴剖面为梯形、水平剖面为正方形的六面体结构，且靠近气隙侧的表面边长τ3a小于靠近轭部侧的表面边长τ3c，充磁方向与水平面平行，由水平剖面中正方形的一角指向对角；所述导磁模块(1-1-4)结构尺寸与第一个永磁模块(1-1-1)结构尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮多自由度永磁同步平面电机，其特征在于：所述二维永磁体阵列中，第一个永磁模块(1-1-1)的四个侧面均紧贴放置第二个永磁模块(1-1-2)；第一个永磁模块(1-1-1)的四个角的位置均放置第三个永磁模块(1-1-3)；任两个相同极性的第一个永磁模块(1-1-1)中心点连线的中间部分均放置模块(1-1-4)；当第一个永磁模块(1-1-1)的上下表面侧边与轭部侧边平行时，相同行和相同列下对应的第一个永磁模块(1-1-1)极性相同；相邻的两个极性相反的第一个永磁模块(1-1-1)中心点之间的行和列间距均为一个极距τ；从绕组侧观察，若第一个永磁模块(1-1-1)充磁方向垂直向外，即N极，则周围的第二个永磁模块(1-1-2)和第三个永磁模块(1-1-3)充磁方向指向第一个永磁模块(1-1-1)中心；所若第一个永磁模块(1-1-1)充磁方向垂直向内，即S极，则周围的第二个永磁模块(1-1-2)和第三个永磁模块(1-1-3)充磁方向背离第一个永磁模块(1-1-1)中心。
4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮多自由度永磁同步平面电机，其特征在于：所述电枢绕组部分(2)，采用动圈式结构，永磁励磁部分(1)为平面电机的定子部分，所述电枢绕组部分(2)为平面电机的动子部分；或采用动磁式结构，电枢绕组(2)为平面电机的定子部分，永磁励磁部分(1)为平面电机的动子部分。
5.根据权利要求1所述的一种磁悬浮多自由度永磁同步平面电机，其特征在于：其特征在于：包括上下对应的两套永磁励磁部分(1)和电枢绕组部分(2)；
电枢绕组部分(2)夹在上下永磁励磁部分(1)中间，电枢绕组部分(2)与上下永磁励磁部分(1)间均存在气隙；上下两层二维永磁体阵列中第一个永磁模块中心相对应，且两者之间极性相反，即N极和S极彼此相对，磁力线经两套永磁体阵列和轭部、两层气隙和电枢绕组形成回路；电机采用动圈式结构，所述永磁励磁部分为平面电机的定子部分，所述电枢绕组为平面电机的动子部分。
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