CN105990998A - 一种超导音圈电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超导音圈电机，该音圈电机包括：线圈单元和超导平面体，该线圈单元通入电流，产生主动磁场；该超导平面体位于该主动磁场影响范围内，该超导平面体因受主动磁场影响而产生感应电流，该感应电流会产生被动磁场：当该线圈单元中通入电流由小变大时，该被动磁场会与该主动磁场方向向反，该主、被动磁场间产生斥力；当该线圈单元中通入电流由大变小时，该被动磁场会与该主动磁场方向向同，该主、被动磁场间产生吸力。

Description

一种超导音圈电机

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种超导音圈电机。

背景技术

所谓超导是指某些材料在其温度低于某一临界温度时会表现出零电阻的状态，这些材料被称为超导体。零电阻意味着零损耗，这一点在发电、储能、电力传输、电能转换等领域具有重大意义。1911年，海克•卡末林•昂内斯（Heike Onnes）发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失！这是首次发现超导体和超导现象。但这么低的转变温度要用到昂贵的液氦冷却和低温设备，实用价值不高。但近年来，随着高温超导材料的不断发现，已经将超导临界温度提高并超过-196℃，即在液氮的气化温度以上，而氮气的冷却成本相对较低，因此超导体研究与应用才得以深入展开。目前实验室应用较多的是以铜合金氧化物为代表的超导系列材料。

第一代超导线材—铋氧化物线材已达到商业化水平。东京电力公司试制成功长 100 米、3相、66 千伏的超导电缆，美国也已成功完成了 100 米超导电缆的安装试验。另外，日本也在加紧研究开发高性能的超导变压器、超导限流器、超导蓄电装置、超导磁悬浮列车等超导体应用项目。

基于安培力原理制造的平板型音圈电机结构简单、维护方便、可靠性高、能量转换效率高，具有固定行程和直接驱动特性、平滑输出、线性控制等特点，而且电气与机械时间常数低，推力/质量比高，无齿槽效应，不需要换相，理论上有无限的位置灵敏度，无嵌齿、无滞后响应，使音圈电机可以很好地应用在需要高速、高加速度、高响应速度的伺服控制系统中，基于上述特性，音圈电机十分适用于要求快速、高精度定位的光刻机短行程精密定位单元。

图1是传统平板音圈电机三维电磁结构(图中省略了线圈框架及固定两背铁的支承件)。电磁结构包含三个部分，固定磁铁阵列的背铁(101)、磁铁阵列(102)、漆包线绕制的线圈(103)。

图2是传统平板音圈电机二维截面图，其出力方向平行于X轴。图中201是磁铁N，充磁方向垂直于出力方向向上，202是磁铁S，其充磁方向垂直于出力方向向下。203是磁铁H1，充磁方向水平向右。204是磁铁H2，充磁方向水平向左。磁铁H1和H2的作用是增强线圈所在位置的垂向磁密，以增加电机推力。205是漆包线绕制的线圈，图中的⊙代表电流流向垂直纸面向外， 表示电流流向垂直纸面向里，当线圈通入图中所示的电流时，线圈会受到X正向的力；当线圈通入与图中所示电流方向相反的电流时，线圈会受到X负向的力。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超导音圈电机，可以有效提高电机的出力体积比。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种音圈电机，其特征在于，该音圈电机包括：线圈单元和超导平面体，根据楞次定律：该线圈单元通入电流，产生主动磁场；该超导平面体位于该主动磁场影响范围内，该超导平面体因受主动磁场影响而产生感应电流，该感应电流会产生被动磁场：当该线圈单元中通入电流由小变大时，该被动磁场会与该主动磁场方向向反，该主、被动磁场间产生斥力；当该线圈单元中通入电流由大变小时，该被动磁场会与该主动磁场方向向同，该主、被动磁场间产生吸力。

更进一步地，该线圈单元内包括有铁芯，该铁芯用于增强该主动磁场。

更进一步地，该超导平面体所在的平面与该线圈单元所在的平面平行。

更进一步地，该被动磁场与该主动磁场位于同一轴心。

更进一步地，该铁芯呈片状的导磁材料堆叠而成，用于减少该线圈单元中电流变化时所产生的涡电流。

更进一步地，还包括冷却装置，该冷却装置包括2块固定板和上、下侧外壳，该固定板上有供冷却液流通的通道，该固定板位于该上、下侧外壳所形成的空腔内，该上、下侧外壳上有供该冷却液进出的端口，该冷却装置包括超导体冷却装置和线圈冷却装置。

更进一步地，该超导体冷却装置内的2块固定板用于固定该超导平面体。

更进一步地，该线圈冷却装置内的2块固定板用于固定该线圈单元。

更进一步地，该上、下侧外壳均由绝热绝缘的非导磁材料制成，该固定板由导热绝缘的非导磁材料制成。

更进一步地，该线圈单元与该超导平面体的横截面形状为中心对称图形或者轴对称图形。

更进一步地，该中心对称图形为圆形、六角形、八角形、十角形、方形，平行四边形、六边形、八边形或者十边形。

更进一步地，该轴对称图形为三角形、五角形、七角形、五边形或者七边形。

更进一步地，该超导平面体的水平方向截面与该铁芯截面的面积比为0.5~4。

与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案将超导体应用于音圈电机中，由于超导体本身的特性，其能够承载的电流密度非常大，因此超导体内由线圈磁场变化引起的感应电流可以非常大，所以其出力体积比相对于传统音圈电机也要大很多。另外，超导音圈电机没有磁铁及粘接磁铁的背铁，简化了电磁结构，因此其装配更加容易。没有磁铁，也就不存在退磁风险，因此电机使用寿命更长，电磁可靠性更高。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是现有技术中常用的平板音圈电机的结构示意图；

图2是现有技术中常用的平板音圈电机的截面图；

图3是本发明所提供的超导音圈电机的结构示意图；

图4是本发明所提供的超导音圈电机的结构展开图；

图5是本发明所提供的超导音圈电机的截面图；

图6是本发明所提供的超导音圈电机的线圈602、铁芯603、超导体601位置关系示意图；

图7是本发明所提供的超导音圈电机的通电后二维磁场分布示意图（超导音圈电机工作原理图）；

图8是本发明所提供的超导音圈电机的超导体固定板示意图；

图9是本发明所提供的超导音圈电机的超导体盖板示意图；

图10是本发明所提供的冷却超导体的冷却流体流向示意图；

图11是本发明所提供的超导音圈电机的超导音圈电机线圈及铁芯固定板示意图；

图12是本发明所提供的超导音圈电机的超导音圈电机线圈及铁芯盖板示意图；

图13是本发明所提供的超导音圈电机线圈冷却流体流向示意图；

图14是本发明所提供的超导体冷却结构的第二实施例的示意图；

图15是本发明所提供的超导体冷却结构的第二实施例的展开示意图；

图16是本发明所提供的超导体上侧外壳的第二实施例的结构示意图；

图17是本发明所提供的超导体下侧外壳的第二实施例的结构示意图；

图18是本发明所提供的无铁芯超导音圈电机线圈与超导体位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

本发明的目的在于提供一种含超导材料的音圈电机，利用超导体零电阻特性，提高电机出力体积比，并简化平板音圈电磁结构。

图3是超导音圈电机三维结构示意图，主要分为两个部分，301代表超导体、超导体固定板及其外壳， 302代表线圈固定板及其外壳。303是超导体冷却流体的进出孔接头，304是线圈出线孔，305是线圈冷却流体的进出孔接头。

图4是超导音圈电机的展开图，图中401是用于连接超导体上下两侧外壳的螺钉，402是超导体上侧外壳，由绝热、绝缘、非导磁材料构成；403a、403b是超导体固定板，由导热、绝缘、非导磁材料构成；404是呈方形片状的超导体，被固定在两个固定板之间。405是超导体下侧外壳，由绝热、绝缘、非导磁材料构成。405是线圈下侧外壳，407是用于连接线圈上下两侧外壳的螺钉。408a、408b是线圈及铁芯固定板；409是电机线圈；410是铁芯，铁芯由呈片状的导磁材料堆叠而成，片状叠堆的目的是为了减小线圈电流变化时，在410铁芯内产生的涡电流；411是线圈下侧外壳。

403a和403b两个固定板上有凸台，403a与402、403b与405紧密贴合后，在凸台与凸台之间形成超导体的冷却流道。同样，对于408a和408b上的凸台与凸台之间，也形成了线圈的冷却流道。在超导体及线圈外表面做固定板的目的，一方面是为了形成冷却流道，另一方面，因为电机的驱动力方向为Z方向，为了使409线圈和404超导体能够承受Z方向的力，必须强化其Z方向的受力支承。已经被发现的超导材料的超导临界温度范围基本上在-160℃左右，因此404超导体的冷却需要用到液氮或气氮，因此对于绝热材料的耐低温性能、绝热性能要求较高，否则的话，空气中的水蒸气会在电机表面结冰，并在电机周边环境中形成水蒸气。而对于409线圈的冷却，用室温的冷却水即可满足，对外壳的绝热性能要求也不高。

图5是超导音圈电机的二维截面图，图中501是绝热的超导体上侧外壳；502是用于固定超导体并形成流道的固定板；503是超导体；504是超导体冷却流道，超导体通过导热固定板502把其热量传导给冷却流体。505是超导体固定板下侧的外壳；506是线圈固定板上侧外壳；507是线圈及铁芯固定板；508是线圈固定板下侧外壳；509是线圈；510是由呈片状的导磁材料堆叠而成的铁芯；511是由固定板上的凸台形成的冷却流道。

图6是超导音圈电机线圈、铁芯、和超导体位置关系示意图，图中隐藏了所有固定板及外壳。图中601是超导体；602是线圈；603是铁芯。铁芯与线圈处在同一平面内，且置于线圈内部，601超导体位于603铁芯和602线圈正上方。

图7是超导音圈电机线圈通电后二维磁场分布示意图，图中701超导体位于铁芯704正上方；密集排列的箭头702代表磁场分布及方向；703是线圈；704是铁芯。图中的⊙代表电流流向垂直纸面向外， 表示电流流向垂直纸面向里，当线圈通入如图所示的电流时，会形成702所示的磁场分布，超导体处在该磁场之中。线圈中加入铁芯704的目的是为了增强线圈通电后所产生的磁场。

当增大电流时，701超导体所在位置的Z向磁场强度会增加，即701超导体的Z向磁通会增加。根据楞次定律：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，即当由Z轴正向看向原点时，701超导体内部会感应出顺时针方向的感应电流，此感应电流所产生的磁场与线圈所产生的磁场是相斥的，所以702线圈与701超导体会表现为斥力，即二者会产生Z方向相对远离的运动。二者距离越远，超导体内的Z向磁通量越少，没有外力的情况下，二者的距离会增加到超导体内部的Z向磁通等于电流增加前的磁通。当电流增加并有外力施加并使二者之间的距离不变时，因为超导体701的电阻为零，所以感应电流不会消失，会一直存在，所以斥力也会一直存在。

反之，线圈702内电流减小时，超导体701和线圈702之间会表现为吸力，即二者在Z方向上会有相对靠近的趋势。总之，电流的增加或减小会引起线圈702和超导体701之间的斥力或吸力，此力即为超导音圈电机的驱动力。当线圈通入与图中所示的方向相反的电流时，电流的增大同样会引起超导体701和线圈702之间的Z向斥力，电流减小也会引起二者之间的Z向吸力。即电机的行程总是沿Z轴方向。

由于超导体本身的特性，其能够承载的电流密度非常大，因此超导体内由线圈磁场变化引起的感应电流可以非常大，所以其出力体积比相对于传统音圈电机也要大很多。另外，超导音圈电机没有磁铁及粘接磁铁的背铁，简化了电磁结构，因此其装配更加容易。没有磁铁，也就不存在退磁风险，因此电机使用寿命更长，电磁可靠性更高。

超导体的水平方向截面的与铁芯截面的面积比，最优的取值范围是0.5~4。线圈与超导体的截面形状不限于方形，可以是圆形，也可以是多边形等轴对称图形，最好为中心对称图形。

需要强调的是，当超导体或者线圈呈非中心对称时，或者二者均呈中心对称，但不同轴心时，电机会存在较大的推力干扰和转矩干扰，而且电机出力会比较小。

图8是超导体固定板示意图。图中801是用于形成冷却流道的沟槽。

图9示意了超导体固定板的另一面。图中901是用于固定超导体的槽。

图10是冷却超导体的冷却流体流向示意图。图中的箭头1001代表流体流向。图中仅示意了上侧固定板位置的流道，在下侧固定板处也有同样的流道存在。

图11是超导音圈电机线圈及铁芯固定板示意图。图中1101是用于形成冷却流道的沟槽。

图12示意了线圈及铁芯固定板的另一面。图中1201是用于固定线圈及铁芯的槽。

图13是超导音圈电机线圈冷却流体流向示意图。图中的箭头1301代表流体流向。与超导体的冷却流道不同，线圈的固定板不仅上、下表面有冷却流道，在其侧面也有流道。

图14是另一种超导体冷却结构的外观，与图3中超导体冷却结构不同的是，图14的冷却液体的进出孔在两侧，而不是同一侧。其中，1401是超导体上侧外壳，1402是超导体下侧外壳，1403、1404分别是冷却流体的进出口的接口。图15是图14的展开图，图中1501是超导体，1502是用于固定超导体并形成流道的凸台，凸台与凸台之间即是流道。与图4不同之处在于，图15中没有超导体的固定板403a和403b，而是直接用上下两侧外壳形成流道并固定超导体，冷却流体是和超导体直接接触的，因此其冷却效果更好。图16是超导体上侧外壳的外观。图17是下侧外壳的外观，图中黑色箭头1701示意了流体的流向，图中横在流体进出口的凸台1702是为了减小6条冷却流道的流阻差异，使得各个流道的流体流速相近。

图18是本发明所提供的超导音圈电机的第二实施方式。与第一实施方式相比较，除了线圈内无铁芯之外，其余结构相同。图中1801是超导体，1802是电机线圈。由于线圈内无铁芯，该实施方式的超导音圈电机的出力体积比较小。

本说明书中该的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (13)

1.一种音圈电机，其特征在于，所述音圈电机包括：线圈单元和超导平面体，所述线圈单元通入电流，产生主动磁场；所述超导平面体位于所述主动磁场影响范围内，所述超导平面体因受主动磁场影响而产生感应电流，所述感应电流会产生被动磁场：当所述线圈单元中通入电流由小变大时，所述被动磁场会与所述主动磁场方向向反，所述主、被动磁场间产生斥力；当所述线圈单元中通入电流由大变小时，所述被动磁场会与所述主动磁场方向向同，所述主、被动磁场间产生吸力。

2.如权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，所述线圈单元内包括有铁芯，所述铁芯用于增强所述主动磁场。

3.如权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，所述超导平面体所在的平面与所述线圈单元所在的平面平行。

4.如权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，所述被动磁场与所述主动磁场位于同一轴心。

5.如权利要求2所述的音圈电机，其特征在于，所述铁芯呈片状的导磁材料堆叠而成，用于减少所述线圈单元中电流变化时所产生的涡电流。

6.如权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，还包括冷却装置，所述冷却装置包括2块固定板和上、下侧外壳，所述固定板上有供冷却液流通的通道，所述固定板位于所述上、下侧外壳所形成的空腔内，所述上、下侧外壳上有供所述冷却液进出的端口，所述冷却装置包括超导体冷却装置和线圈冷却装置。

7.如权利要求6所述的音圈电机，其特征在于，所述超导体冷却装置内的2块固定板用于固定所述超导平面体。

8.如权利要求6所述的音圈电机，其特征在于，所述线圈冷却装置内的2块固定板用于固定所述线圈单元。

9.如权利要求6所述的音圈电机，其特征在于，所述上、下侧外壳均由绝热绝缘的非导磁材料制成，所述固定板由导热绝缘的非导磁材料制成。

10.如权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，所述线圈单元与所述超导平面体的横截面形状为中心对称图形或者轴对称图形。

11.如权利要求10所述的音圈电机，其特征在于，所述中心对称图形为圆形、六角形、八角形、十角形、方形，平行四边形、六边形、八边形或者十边形。

12.如权利要求10所述的音圈电机，其特征在于，所述轴对称图形为三角形、五角形、七角形、五边形或者七边形。

13.如权利要求2所述的音圈电机，其特征在于，所述超导平面体的水平方向截面与所述铁芯截面的面积比为0.5~4。