CN104753306A - 磁钢阵列以及磁浮平面电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁钢阵列和磁浮平面电机，该磁钢阵列包括：一维海尔贝克磁钢阵列和二维海尔贝克磁钢阵列，所述一维海尔贝克磁钢阵列和二维海尔贝克磁钢阵列共同构成方形的磁钢阵列，所述二维海尔贝克磁钢阵列分设于该方形磁钢阵列一条对角线的两端位置处。本发明的磁钢阵列采用了二维海尔贝克磁钢阵列与一维海尔贝克磁钢阵列相结合的方式，与同样尺寸的纯一维磁钢阵列相比，增大了磁浮平面电机的推力常数。

Description

磁钢阵列以及磁浮平面电机

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种磁钢阵列以及磁浮平面电机。

背景技术

在光刻装置领域，运动台的运动需要多自由度运动装置驱动，磁浮平面运动装置可以实现六个自由度的解耦运动，且这种运动装置可以节省中间传动环节，结构紧凑，有利于提高运动台的运动效率，可以实现更高的定位精度与运动加速度。

驱动磁浮平面运动装置动作的是六自由度磁浮平面电机，分动线圈式和动磁铁式。其中，动磁铁式磁浮平面电机因其动子减少了线缆约束，因此在光刻装置运动台的应用上有着更好的应用前景。目前存在一种以PCB电路板作为定子的动磁铁式磁浮平面电机，其结构形式如图1所示，磁浮平面电机1包括定子线圈11和磁钢阵列12。其中，定子线圈11分为第一、第二、第三、第四区域11A、11B、11C、11D四个区域；如图2所示，所述磁钢阵列12包括第一、第二、第三、第四磁钢阵列12A、12B、12C、12D。磁浮平面电机1工作时，第一、第二区域11A、11B的线圈通电可以激励第一磁钢阵列12A和第二磁钢阵列12B产生Z向和X向出力；第三、第四区域11C、11D的线圈通电可以激励第三磁钢阵列12C和第四磁钢阵列12D产生Z向和Y向出力。所述四个磁钢阵列也称为四个发力体，因其各自可以产生垂向和水平向的推力，因此可以驱动整个磁浮平面电机的动子部分做六自由度运动。各磁钢阵列的充磁方向如图3所示，单个发力体是不同极性磁铁拼接长度为4τ的一维海尔贝克（Halbach）磁钢阵列。

采用一维海尔贝克磁钢阵列的磁浮平面电机存在电机推力较小的问题。

发明内容

本发明提供一种磁钢阵列以及磁浮平面电机，以解决现有技术中磁浮平面电机推力较小的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁钢阵列，应用于磁浮平面电机中，包括：一维海尔贝克磁钢阵列和二维海尔贝克磁钢阵列，所述一维海尔贝克磁钢阵列和二维海尔贝克磁钢阵列共同构成方形的磁钢阵列，所述二维海尔贝克磁钢阵列分设于磁钢阵列一条对角线的两端位置处。

作为优选，所述二维海尔贝克磁钢阵列包括：N磁铁、围设在N磁铁周围的S磁铁以及H磁铁，所述H磁铁的充磁方向指向S磁铁。

作为优选，所述N磁铁和S磁铁为正方形，二维海尔贝克磁钢阵列的最外围设置有三角形的N磁铁或S磁铁。

作为优选，所述N磁铁和S磁铁为八边形，二维海尔贝克磁钢阵列的最外围设置有1/2八边形或1/4八边形的N磁铁或S磁铁。

作为优选，所述N磁铁和S磁铁紧密排列，所述H磁铁位于N磁铁和S磁铁排列后形成的空隙中。

作为优选，所述H磁铁设置于所述N磁铁和S磁铁之间，同时填充在N磁铁和S磁铁排列后形成的空隙中。

作为优选，位于N磁铁和S磁铁排列后形成的空隙中的H磁铁的充磁方向指向S磁铁，并与水平方向呈45度角。

作为优选，所述一维海尔贝克磁钢阵列包括第一磁钢阵列和第二磁钢阵列，其中，第二磁钢阵列中的磁铁长于所述第一磁钢阵列中磁铁的长度。

作为优选，在XY平面上，位于所述二维海尔贝克磁钢阵列中心的磁铁与位于所述第一、第二磁钢阵列中心的磁铁为同极性磁铁。

作为优选，所述第一磁钢阵列和第二磁钢阵列均由长方形的N磁铁、S磁铁以及设置于N磁铁和S磁铁之间的H磁铁。

作为优选，所述一维海尔贝克磁钢阵列的数目与所述二维海尔贝克磁钢阵列的数目相同，所述一维海尔贝克磁钢阵列和二维海尔贝克磁钢阵列拼接形成方形磁钢阵列。

本发明还提供了一种磁浮平面电机，包括电机动子和电机定子，其中，所述电机动子包括磁钢阵列和设置在所述磁钢阵列上的背铁；所述电机定子包括用于X向出力的第一线圈、用于Y向出力的第二线圈，所述第一、第二线圈相互正交并层叠布置。

作为优选，所述X、Y向线圈之间设置有绝缘体。

作为优选，所述电机定子采用相间跨距为4τ/3的接线方式，其中，τ为磁钢阵列中N磁铁与S磁铁之间的极矩。

本发明还提供了一种磁浮平面电机，包括电机动子和电机定子，所述电机动子包括磁钢阵列和设在所述磁钢阵列上的背铁；所述电机定子包括用于X向出力的第一线圈、用于Y向出力的第二线圈，所述第一、第二线圈相互正交并层叠布置，且所述电机定子采用相间跨距为5τ/3的接线方式。

作为优选，所述电机定子包括四个一维海尔贝克磁钢阵列。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的磁钢阵列采用了二维海尔贝克磁钢阵列与一维海尔贝克磁钢阵列相结合的方式，与同样尺寸的纯一维磁钢阵列相比，增大了电机推力常数。

附图说明

图1为现有技术磁浮平面电机俯视图；

图2为现有技术磁浮平面电机中磁钢阵列布局示意图；

图3为现有技术中磁钢阵列充磁示意图；

图4为本发明实施例1中磁浮平面电机侧视图；

图5为本发明实施例1中磁浮平面电机中磁浮阵列布局示意图；

图6～8分别为本发明实施例1中磁钢阵列中的二维海尔贝克磁钢阵列的布局示意图（第一磁钢阵列为方形）；

图9为本发明实施例1中磁钢阵列中的一维海尔贝克磁钢阵列的布局示意图（第一磁钢阵列）；

图10为本发明实施例1中磁钢阵列中的一维海尔贝克磁钢阵列的布局示意图（第二磁钢阵列）；

图11为本发明实施例1中磁浮平面电机线圈接线方式示意图；

图12为本发明实施例1中磁浮平面电机工作机理示意图；

图13为本发明实施例1中Y向磁钢阵列拼接方式示意图；

图14为本发明实施例1中X向磁钢阵列拼接方式示意图；

图15为本发明实施例1中磁钢阵列中的二维海尔贝克磁钢阵列的布局示意图（第一磁钢阵列为长方形）；

图16为本发明实施例2中磁钢阵列布局示意图；

图17为本发明实施例2中磁浮平面电机工作原理图；

图18为本发明实施例2中磁钢阵列的拓展示意图；

图19为本发明实施例3中磁钢阵列的布局示意图；

图20为本发明实施例3中磁钢阵列中一维海尔贝克磁钢阵列布局示意图；

图21为本发明实施例3中磁浮平面电机线圈接线方式示意图。

图1～3中：1-磁浮平面电机、11-电机定子、11A-第一区域、11B-第二区域、11C-第三区域、11D-第四区域，12-磁钢阵列、12A-第一磁钢阵列、12B-第二磁钢阵列、12C-第三磁钢阵列、12D-第四磁钢阵列。

图4～15中：100-磁钢阵列、110-二维海尔贝克磁钢阵列、111-N磁铁、112-S磁铁、113-H磁铁、120-第一磁钢阵列、130-第二磁钢阵列；200-电机定子、210-第一线圈、220-第二线圈、230-绝缘体；300-背铁。

图16～18中：100’-磁钢阵列、110’-二维海尔贝克磁钢阵列、110A-第一二维海尔贝克磁钢阵列、110B-第二二维海尔贝克磁钢阵列、120’-一维海尔贝克磁钢阵列、120A-第一一维海尔贝克磁钢阵列、120B-第二一维海尔贝克磁钢阵列；

210’A、210’B-第一线圈，220’A、220’B-第二线圈。

图19～图21中：100”-磁钢阵列、110”-一维海尔贝克磁钢阵列。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

请参照图4，本实施例中，磁浮平面电机包括：电机动子和电机定子200，所述电机动子包括：磁钢阵列100和设置在磁钢阵列100上的背铁300；所述电机定子200采用PCB印刷电路板制成，包括：用于产生X向出力的第一线圈210和用于产生Y向出力的第二线圈220，第一线圈210和第二线圈220互相正交并层叠布置，且线圈之间设置有绝缘体230。

请重点参照图5，所述磁钢阵列100由一维海尔贝克磁钢阵列与二维海尔贝克磁钢阵列110共同组成。其中，所述二维海尔贝克磁钢阵列110有两组；所述一维海尔贝克磁钢阵列包括：第一磁钢阵列120和第二磁钢阵列130，其中，第二磁钢阵列130与所述第一磁钢阵列120相比，只是延伸了同极性磁铁的长度。

请重点参照图6～8，本实施例中，所述二维海尔贝克磁钢阵列110，由三种充磁方向的磁铁拼接而成。所述三种磁铁分别为：垂直纸面向外充磁的N磁铁111，垂直纸面向里充磁的S磁铁112以及水平向充磁的H磁铁113，其充磁方向始终指向S磁铁112。所述二维海尔贝克磁钢阵列110在X和Y方向的N-S极距都为τ，是一个边长为4τ的正方形阵列。

具体地，所述二维海尔贝克磁钢阵列110中三种充磁方向的磁铁有多种拼接方式：

第一种如图6所示，所述N磁铁111和S磁铁112为正方形，位于二维海尔贝克磁钢阵列110最外围，（亦可为S磁铁）为三角形，N磁铁111和S磁铁112之间为H磁铁113。在本发明的其他实施方式中，所述二维海尔贝克磁钢阵列的最外围亦可不设置三角形磁铁，均由正方形的N磁铁111和S磁铁112在两个方向间隔H磁铁113进行排部形成。

第二种如图7所示，所述N磁铁111和S磁铁112为八边形，位于二维海尔贝克磁钢阵列110最外围位置处的N磁铁（亦可为S磁铁）为1/2八边形（位于二维海尔贝克磁钢阵列110边缘位置）或者1/4八边形（位于二维海尔贝克磁钢阵列110的顶角位置处）；且N磁铁111和S磁铁112紧密排列，所述H磁铁113位于N磁铁111和S磁铁112排列后形成的空隙中，其充磁方向指向S磁铁112，并与水平方向呈45度角。在本发明的其他实施方式中，所述二维海尔贝克磁钢阵列的最外围亦可不设置1/2八边形或1/4八边形的磁铁，均由八边形的N磁铁111和S磁铁112在两个方向间隔H磁铁113进行排部形成。

第三种如图8所示，所述N磁铁111和S磁铁112同样为八边形，H磁铁113设置于所述N磁铁111和S磁铁112之间，同时填充在N磁铁111和S磁铁112排列后形成的空隙中。位于空隙中的H磁铁113的充磁方向指向S磁铁112且与水平方向呈45度角，而其他位置处的H磁铁113的方向指向S磁铁112。

请重点参照图9～10，所述一维海尔贝克磁钢阵列中，第一、第二磁钢阵列120、130均是由充磁方向由纸面向外的N磁铁、充磁方向由纸面向里的S磁铁和充磁方向指向S磁铁的H磁铁拼接而成。

请重点参照图5，设定磁钢阵列100中N磁铁111和S磁铁112间极距为τ，两二维海尔贝克磁钢阵列110在X和Y方向上都相距Df，所述第一磁钢阵列120在X向相距Df，所述两第二磁钢阵列130在Y向相距Df，其中，Df满足关系式Df＝(N+0.5)τ，其中N为大于等于0的整数。

所述磁浮平面电机中，电机动子200的线圈接线方式如图11所示，其采用相间跨距为4τ/3的接线方式。

请重点参照图12，所述磁浮平面电机工作方式与线圈通电关系如下：

第一线圈210通电时，激励二维海尔贝克磁钢阵列110和第一磁钢阵列120产生X向和Z向出力；

第二线圈220通电时，从而激励二维海尔贝克磁钢阵列110和第二磁钢阵列130产生Y向和Z向出力。因此，由于第一线圈210和第二线圈220分别有两组，因此分别控制各线圈的通电，可以实现电机动子的六自由度运动。

进一步的，如图13所示，在Y方向，所述二维海尔贝克磁钢阵列110与第一磁钢阵列120之间满足：二维海尔贝克磁钢阵列110在XY平面几何中心所在磁铁及第一磁钢阵列120在XY平面几何中心所在磁铁为同极性磁铁，且两者XY平面的几何中心在同一YZ平面上。由于二维海尔贝克磁钢阵列110与第一磁钢阵列120的N-S极距都是τ、拼接边边长都是4τ，因此可以满足图12中第一线圈210通电，二维海尔贝克磁钢阵列110与第一磁钢阵列120产生相同方向的X向及/或Z向出力。

相应的，如图14所示，在X方向，二维海尔贝克磁钢阵列110与第二磁钢阵列130拼接布局满足：二维海尔贝克磁钢阵列110在XY平面几何中心所在磁铁及第二磁钢阵列130在XY平面几何中心所在磁铁为同极性磁铁，且两者XY平面的几何中心在同一XZ平面上，由于二维海尔贝克磁钢阵列110与第二磁钢阵列130的N-S极距都是τ、拼接边边长都是4τ，因此可以满足图12中，第二线圈220通电时，二维海尔贝克磁钢阵列110与第二磁钢阵列130产生相同方向的Y向和/或Z向出力。

需要说明的是，所述第一磁钢阵列120可以为图5所示的方形，也可以为图15所示的长方形，本实施例对所述第一磁钢阵列120和第二磁钢阵列130的长、宽不予限定。

实施例2

本实施例与实施例1的区别点在于磁钢阵列的布局不同。

具体如图16所示，磁钢阵列100’由两块二维海尔贝克磁钢阵列110’以及两块一维海尔贝克磁钢阵列120’拼接而成。二维海尔贝克磁钢阵列110’包括第一、第二二维海尔贝克磁钢阵列110A和110B。一维海尔贝克磁钢阵列120’包括第一、第二一维海尔贝克磁钢阵列120A和120B。

磁钢阵列100’工作方式与线圈通电关系如图17所示。

第一线圈210’B通电，从而激励第一二维海尔贝克磁钢阵列110A和第一一维海尔贝克磁钢阵列120A产生X向和Z向出力，第二线圈220’B通电，从而激励第二二维海尔贝克磁钢阵列110B产生Y向和Z向出力，以保持电机动子的Z、Rx、Ry和Rz向运动。

第二线圈220’A通电，从而激励第一二维海尔贝克磁钢阵列110A和第二一维海尔贝克磁钢阵列120B产生Y向和Z向出力；第一线圈210’A通电，从而激励第二二维海尔贝克磁钢阵列110B产生X向出力和Z向出力，以保持电机的Z、Rx、Ry、Rz向运动。

本实施例的磁钢阵列100’采用了紧凑布局形式，使得整个电机动子均有磁铁覆盖，提高了空间利用率。进一步地，磁钢阵列100’可以作为模块方便地进行拼接扩展，从而形成如图18所示的尺寸更大的磁钢阵列100’。

实施例3

本实施例与实施例1和实施例2的区别点在于，电机定子中，线圈的接线方式不同。

如图19所示，本实施例中，磁钢阵列100”由四个一维海尔贝克磁钢阵列110”组成。单个磁钢阵列110”如图20所示，由N磁铁、S磁铁和H磁铁拼接而成，磁钢中N-S极距为τ，不同极性磁铁拼接总长为5τ。所述平行设置的两一维海尔贝克磁钢阵列110”在X向/Y向相距Df，Df满足关系式Df＝(N+0.5)τ，其中N为大于等于0的整数。

相应的，与所述磁钢阵列100”对应，电机定子的线圈的接线方式如图21所示，其采用相间跨距为5τ/3的接线方式，提高了空间利用率。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (24)

1.一种磁钢阵列，包括：一维海尔贝克（Halbach）磁钢阵列和二维海尔贝克磁钢阵列，所述一维海尔贝克磁钢阵列和二维海尔贝克磁钢阵列共同构成方形的磁钢阵列，所述二维海尔贝克磁钢阵列分设于方形磁钢阵列一条对角线的两端位置处。 

2.如权利要求1所述的磁钢阵列，其特征在于，所述二维海尔贝克磁钢阵列包括：N磁铁、围设在N磁铁周围的S磁铁以及H磁铁。 

3.如权利要求2所述的磁钢阵列，其特征在于，所述N磁铁和S磁铁为正方形，所述H磁铁的充磁方向指向S磁铁。 

4.如权利要求3所述的磁钢阵列，其特征在于，所述二维海尔贝克磁钢阵列的最外围还设置有三角形的N磁铁或S磁铁。 

5.如权利要求2所述的磁钢阵列，其特征在于，所述N磁铁和S磁铁为八边形。 

6.如权利要求5所述的磁钢阵列，其特征在于，所述二维海尔贝克磁钢阵列的最外围还设置有1/2八边形或1/4八边形的N磁铁或S磁铁。 

7.如权利要求5所述的磁钢阵列，其特征在于，所述N磁铁和S磁铁紧密排列，所述H磁铁位于N磁铁和S磁铁排列后形成的空隙中。 

8.如权利要求5所述的磁钢阵列，其特征在于，所述H磁铁设置于所述N磁铁和S磁铁之间，同时填充在N磁铁和S磁铁排列后形成的空隙中。 

9.如权利要求7或8所述的磁钢阵列，其特征在于，位于N磁铁和S磁铁之间的H磁铁的充磁方向指向S磁铁，位于N磁铁和S磁铁排列后形成的空隙中的H磁铁的充磁方向指向S磁铁，并与水平方向呈45度角。 

10.如权利要求1所述的磁钢阵列，其特征在于，所述一维海尔贝克磁钢阵列包括第一磁钢阵列和第二磁钢阵列，其中，第二磁钢阵列中的磁铁长于所述第一磁钢阵列中磁铁的长度。 

11.如权利要求10所述的磁钢阵列，其特征在于，在XY平面上，位于所述二维海尔贝克磁钢阵列中心的磁铁与位于所述第一、第二磁钢阵列中心的磁铁为同极性磁铁。 

12.如权利要求10所述的磁钢阵列，其特征在于，所述第一磁钢阵列和 第二磁钢阵列均由长方形的N磁铁、S磁铁以及设置于N磁铁和S磁铁之间的H磁铁组成。 

13.如权利要求1所述的磁钢阵列，其特征在于，所述一维海尔贝克磁钢阵列的数目与所述二维海尔贝克磁钢阵列的数目相同，所述一维海尔贝克磁钢阵列和二维海尔贝克磁钢阵列拼接形成方形磁钢阵列。 

14.一种磁钢阵列，是采用权利要求1所述的磁钢阵列沿第一方向及第二方向布局形成的方形磁钢阵列。 

15.一种磁浮平面电机，包括如权利要求1或14所述的磁钢阵列，以及线圈阵列。 

16.如权利要求15所述的磁浮平面电机，其特征在，还包括设置在所述磁钢阵列上的背铁。 

17.如权利要求15所述的磁浮平面电机，其特征在于，所述线圈阵列包括用于X向出力的第一线圈、用于Y向出力的第二线圈，所述第一、第二线圈布线方向相互交叉并层叠布置。 

18.如权利要求15所述的磁浮平面电机，其特征在于，所述线圈阵列为PCB线圈阵列。 

19.如权利要求17所述的磁浮平面电机，其特征在于，所述第一、第二线圈之间设置有绝缘体。 

20.如权利要求15所述的磁浮平面电机，其特征在于，所述磁钢阵列作为动子，线圈阵列为定子，所述定子采用相间跨距为4τ/3的接线方式，其中，τ为磁钢阵列中N磁铁与S磁铁之间的极矩。 

21.一种磁浮平面电机，包括电机动子和电机定子，其特征在于，所述电机动子包括磁钢阵列，所述电机定子包括用于X向出力的第一线圈、用于Y向出力的第二线圈，所述第一、第二线圈布线方向相互正交并层叠布置。 

22.如权利要求21所述的磁浮平面电机，其特征在于，所述电机定子采用相间跨距为5τ/3的接线方式。 

23.如权利要求21所述的磁浮平面电机，其特征在于，所述电机动子包括四个一维海尔贝克磁钢阵列，所述四个一维海尔贝克磁钢阵列形成方形磁钢阵列。 

24.如权利要求21所述的磁浮平面电机，其特征在于，所述电机动子采用如权利要求1或14所述的磁钢阵列。