CN107786058A

CN107786058A - 直线电机

Info

Publication number: CN107786058A
Application number: CN201610766341.9A
Authority: CN
Inventors: 胡兵; 杨晓峰; 陈庆生
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2018-03-09
Anticipated expiration: 2036-08-30
Also published as: CN107786058B

Abstract

本发明提供了一种直线电机，包括第一磁铁组、第二磁铁组、第三磁铁组以及线圈组，所述第二磁铁组具有第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁相连共同构成V型，所述第一磁铁组和所述第三磁铁组分别位于所述第一侧壁的外侧和所述第二侧壁的外侧；所述线圈组包括若干线圈，每个线圈的一端均容置于所述第一磁铁组和所述第一侧壁之间，每个线圈的另一端均容置于所述第三磁铁组和所述第二侧壁之间。相比传统直线电机，多了一个自由度，且驱动方向电机性能并不降低，将传统直线电机中存在的另一个方向磁场利用上，实现二个方向的推力。

Description

直线电机

技术领域

本发明涉及电机领域，特别涉及一种直线电机。

背景技术

直线电机又被称为线性马达、推杆马达，其原理可以看作将旋转电机沿径向切开，取其定子作为初级，动子作为次级，当绕组通入三相电流后，由原来的旋转运动变成了直线运动。由于直线电机相对于传统旋转电机与工件台之间无机械传动环节，困此具有高速、高精度、零传动和无污染的特点，广泛应用于光刻机、IC封装设备等多种加工设备中，而且单台设备往往需要多台直线电机，从而实现设备的多自由度运动，传统的直线电机只有一个自由度，即只在一个方向有推力。

图1是传统直线电机三维结构图，图2是传统直线电机的府视图，图中隐藏了一组磁铁组及一个背铁。主要包括三个部分：两个背铁1，两组磁铁组2，一组线圈组3，以及U型连接块4。线圈通入三相电后，线圈组3与磁铁组2之间会产生一个沿X方向的相互作用力，使二者能够产生沿X方向的相对运动。

以上所述的传统直线电机，无论以何种方式通电，仅能出沿X方向的力。

另外，还有一种直线电机，其结构如图3所示，其特点是线圈组3中的线圈一端完全置于磁铁组2之外，另一端置于磁铁组2之内。在磁场内的线圈组3的一端(图中椭圆31)出Y向力，处在磁场之内的线圈组3的其余部分(图中方框32)仍可以出X向力。但这种直线电机的Y向推力常数较小，在一定程度上限制了直线电机的自由度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二自由度直线电机，以使直线电机具备两个方向的出力，且可以增大其出力大小。

为解决上述技术问题，本发明提供一种直线电机，包括第一磁铁组、第二磁铁组、第三磁铁组以及线圈组，所述第二磁铁组具有第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁相连共同构成V型，所述第一磁铁组和所述第三磁铁组分别位于所述第一侧壁的外侧和所述第二侧壁的外侧；

所述线圈组包括若干线圈，每个线圈的一端均容置于所述第一磁铁组和所述第一侧壁之间，每个线圈的另一端均容置于所述第三磁铁组和所述第二侧壁之间。

在上述方案中，所述第一磁铁组和所述第三磁铁组均包括若干沿第一方向顺次分布的长方体磁铁；所述第二磁铁组包括若干沿所述第一方向顺次分布的V型磁铁。

在上述方案中，所述第一磁铁组和所述第三磁铁组中的若干长方体磁铁均按海尔贝克阵列放置；所述第二磁铁组中的若干V型磁铁均按海尔贝克阵列放置。

在上述方案中，所述第一磁铁组、第二磁铁组以及第三磁铁组中，相邻的所述磁铁间的间距相等；所述线圈组包括三个所述线圈，且相邻所述线圈的间距相等。

在上述方案中，相邻所述磁铁间的间距与相邻所述线圈的间距满足一下关系：

或者

式中，W_coil为相邻所述线圈间的间距；τ为相邻所述磁铁间的间距。

在上述方案中，所述线圈组通电形成电流；所述电流包括第一电流分量，用于控制沿所述第一方向的力；以及第二电流分量，用于控制沿第二方向的力；所述第一方向垂直于所述第二方向。

在上述方案中，三个所述线圈内的电流分量满足以下关系：

式中，分别是三个线圈内所通入的电流，分别是在三个线圈中的所述第一电流分量，分别是在三个线圈中的所述第二电流分量。

在上述方案中，当满足式(1)时，所述线圈组通入的三相电在三个线圈中的电流方向相同，所述三相电初始相位关系需要满足：

式中，n为整数，分别是的初始相位；分别是的初始相位。

在上述方案中，当满足式(2)时，所述线圈组通入的三相电在三个线圈中相邻线圈的电流方向相反，所述三相电初始相位关系需要满足：

式中，n为整数，分别是的初始相位；分别是的初始相位。

在上述方案中，还包括四块背铁，所述四块背铁分别贴附于所述第一磁铁组、第二磁铁组、以及第三磁铁组的一侧。

在上述方案中，其特征在于，所述第一侧壁与所述第二侧壁构成的夹角范围为大于等于0°小于180度。

在本发明提供的二自由度直线电机中，相比传统直线电机，多了一个自由度，且驱动方向电机性能并不降低，将传统直线电机中存在的另一个方向磁场利用上，实现二个方向的出力。这样改变的好处是同时利用了一个线圈的两个圆弧处出垂向的力，且可以通过控制线圈的折弯角度控制出力大小。

附图说明

图1是现有技术一直线电机示意图；

图2是现有技术一直线电机俯视图(隐藏了上面一组磁铁组和一个背铁)；

图3是现有技术二直线电机示意图(隐藏了上面一组磁铁组和一个背铁)；

图4是本发明实施例一中的直线电机示意图；

图5是本发明实施例一中的直线电机端面图；

图6是本发明实施例一中的直线电机磁铁结构图；

图7是本发明实施例一中的直线电机线圈组结构；

图8是本发明实施例二中的直线电机示意图；

图9是本发明实施例二中的直线电机磁铁结构图；

图10是本发明实施例二中的直线电机示意图；

图中，

现有技术：1-背铁；2-磁铁组；3-线圈组；4-U型连接块

本申请：41-背铁；42-线圈组；431-第一磁铁组、432、433、434-第二磁铁组；435-第三磁铁组。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的二自由度直线电机作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常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。

实施例一

图4是本实施例一直线电机结构示意图，电磁结构主要由三部分组成，包括四块背铁41、磁铁组(第一磁铁组431，第二磁铁组432、433、434，第三磁铁组435)以及线圈组42。第二磁铁组433连接第二磁铁组432和第二磁铁组434，共同形成一个具有一定角度的V型结构。所成角度的范围为0°≤α<180°其中α为第二磁铁组432和第二磁铁组434所成的夹角。第一磁铁组431平行于第二磁铁组432，第三磁铁组435平行于第二磁铁组434，并且第一磁铁组431和第三磁铁组435分别位于V型结构的外侧。

可选的，所述第一磁铁组431和所述第三磁铁组435均包括若干沿第一方向顺次分布的长方体磁铁；所述第二磁铁组432、433、434包括若干沿所述第一方向顺次分布的V型磁铁，第二磁铁组433呈扇形结构。

可选的，所述磁铁组均按海尔贝克阵列放置。

可选的，磁铁组中相邻的所述磁铁间的间距相等；所述线圈组包括三个所述线圈，且相邻所述线圈的间距相等。若想更改直线电机的出力大小可以适当的增加或减小线圈的数量来实现，增加线圈的数量可增大其出力大小，减少则反。图5为本实施例直线电机结构的端面图，由图可看出，线圈组42进行了折弯，其折弯角度等于α。

图6是二自由度直线电机电磁结构图。该电机磁场主要由第一磁铁组431,第二磁铁组432,第二磁铁组433,第二磁铁组434,第三磁铁组435共同形成，且每组磁铁组的极距相等，都是由海伦贝克磁铁组组成，都包括N磁体、S磁体及在N磁体和S磁体中间的H磁体组成，H磁体主要用于增强电机磁场。

在本实施例中，第一磁铁组431和第二磁铁组432之间形成磁场a，第三磁铁组435和第二磁铁组434之间形成磁场c，第三磁铁组433独自形成成磁场b，箭头表示充磁方向，N、S表示图示可见磁铁面的磁性。每个磁场都能出两个方向的出力，同时，在一组线圈组42中，在3个磁场产生的出力并不相互干扰，经受力分析可知，在Y方向的出力是完全叠加的效果，而在垂直方向Z向的出力为部分叠加，其大小主要受线圈的折弯形成的夹角α的影响，α越大其沿Z向的出力大小越小。若线圈折弯至0°，则电机在垂直方向Z向的出力也是完全叠加的。另外，该电机在两个方向的出力并不存在耦合关系，是完全解耦的，每个方向都能单独控制并出力，不影响另一个方向的出力，所以直线电机可以更灵活的控制。

在本实施例中，将并且所述线圈组42中的每一个线圈的两端完全设置于磁铁组的磁场内部；其中线圈的两端共同可以产生沿Z向的力，线圈的其余部分可以产生沿Y向的出力。所以，线圈组42通入三相交流电后，线圈组42与磁铁组之间会产生Y向和Z向相互作用力，使二者能够同时做Y向和Z向的相对运动。

下面对本实施例的直线电机受力分析：电机线圈在磁场阵列a中会产生2个方向的出力，分别定义为Fay(方向如图5中Y向)和Fa2(方向与磁场a中线圈平行，如图5所示Z1向)，在磁场阵列b中也会产生两个方向出力，分别定义为Fby(方向如图5中Y向)和Fbz(方向如图5中Z向)，在磁场阵列c中同样会产生两个方向的出力，分别定义为Fcy(方向如图5中Y向)和Fc2(方向与磁场c中线圈平行，如图3所示Z2向)，由于磁场阵列a和磁场阵列c是对称布置，因此在数值上会有如下关系：Fay＝Fcy：Fa2＝Fc2，且与α夹角无关，但当α角不同时，根据几何关系得，二自由度直线电机的出力会产生变化，电机的整个出力有如下关系：

当α＝0时，电机的出力为：

式中，Fx：X方向力；Fy：Y方向力；Fz：Z方向力。

图6中，N磁铁和S磁铁中心线位置Y向间距为电磁极距，定义为τ，图7为电机线圈组结构图，每个线圈中心线位置Y向间距定义为Wcoil，二者之间有如下关系：

或者

二自由度直线电机有两个出力方向，线圈内所通的电流就对应两个电流分量，定义为和前者用于控制电机Y向出力，后者用于控制电机Z向出力。对应于三个线圈的分别是和三个线圈内所通入的电流分别是上述各电流分量有如下关系：

的初始相位定义为的初始相位定义为如果线圈宽度W_coil和极距τ之间满足式(1)之关系，则线圈所通入的三相电流初始相位关系需要满足：

上式中，n＝0,±1,±2,±3,±4(整数)。

当线圈与磁铁尺寸关系满足式(1)，且电流关系满足式(3)，电流相位关系满足式(4)时，线圈组42中的三个线圈所通入电流流向一致。

如果线圈宽度W_coil和极距τ之间满足式(2)之关系，则线圈所通入的三相电流初始相位关系需要满足：

上式中，n＝0,±1,±2,±3,±4(整数)。

当线圈与磁铁尺寸关系满足式(2)，且电流关系满足式(3)，电流相位关系满足式(5)时，线圈组42中相邻线圈的电流方向相反。

本实施例中将直线电机的线圈组42的两端完全设置于所述磁铁组组内部，使直线电机可以产生Y向和Z向的力，并且，使Z向的出力更大，进一步可以通过控制线圈组42的折弯角度控制Z向出力的大小，增大了其通用性。

实施例二

图8是本申请的实施例2的二自由度直线电机结构图，主要包括背铁41，磁铁组及呈U型的线圈组42，该结构是将线圈组42折弯了180°，至线圈组42两个圆弧过渡处完全平行。同时，电机的磁铁组也发生了改变，本实例中将扇形磁铁变为了普通的矩形磁铁，制造简单，便于生产。

图9为本实施例二自由度直线电机的电磁结构图，电机主要由第一磁铁组431,第二磁铁组432,第三磁铁组433,第四磁铁组434,第五磁铁组435组成，且每组磁铁组的极距相等，都是由海伦贝克磁铁组组成，图示中N、S表示图示可见磁铁面的磁性，需要提到一点，第二磁铁组433中的磁铁长度等于第二磁铁组432的厚度加第二磁铁组434的厚度加背铁41的厚度之和。这样的结构可以增大Z方向的出力。

可选的，为了增大Y方向出力，图10是提供了另外一种二自由度直线电机结构图，与图8不同的是第二磁铁组433中的磁铁长度缩短了，而第二磁铁组422和第二磁铁组424的磁铁长度增加了。该结构可以增大Y方向出力。

综上，两个实施例中提供的直线电机，其目的是使直线电机具备两个方向的出力，且使每个方向的出力足够大。也就是说，相比传统直线电机，多了一个自由度，且驱动方向电机性能并不降低，将传统直线电机中存在的另一个方向磁场利用上，实现两个方向的出力。这样改变的好处是同时利用了一个线圈的两个圆弧处出垂向的力，且可以通过控制线圈的折弯角度控制出力大小。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种直线电机，其特征在于，包括第一磁铁组、第二磁铁组、第三磁铁组以及线圈组，所述第二磁铁组具有第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁相连共同构成V型，所述第一磁铁组和所述第三磁铁组分别位于所述第一侧壁的外侧和所述第二侧壁的外侧；

2.如权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述第一磁铁组和所述第三磁铁组均包括若干沿第一方向顺次分布的长方体磁铁；所述第二磁铁组包括若干沿所述第一方向顺次分布的V型磁铁。

3.如权利要求2所述的直线电机，其特征在于，所述第一磁铁组和所述第三磁铁组中的若干长方体磁铁均按海尔贝克阵列放置；所述第二磁铁组中的若干V型磁铁均按海尔贝克阵列放置。

4.如权利要求3所述的直线电机，其特征在于，所述第一磁铁组、第二磁铁组以及第三磁铁组中，相邻的所述磁铁间的间距相等；所述线圈组包括三个所述线圈，且相邻所述线圈的间距相等。

5.如权利要求4所述的直线电机，其特征在于，相邻所述磁铁间的间距与相邻所述线圈的间距满足一下关系：

或者

6.如权利要求4所述的直线电机，其特征在于，所述线圈组通电形成电流；所述电流包括第一电流分量，用于控制沿所述第一方向的力；以及第二电流分量，用于控制沿第二方向的力；所述第一方向垂直于所述第二方向。

7.如权利要求6所述的直线电机，其特征在于，三个所述线圈内的电流分量满足以下关系：

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8.如权利要求6所述的直线电机，其特征在于，当满足式(1)时，所述线圈组通入的三相电在三个线圈中的电流方向相同，所述三相电初始相位关系需要满足：

式中，n为整数，分别是的初始相位；分别是的初始相位。

9.如权利要求6所述的直线电机，其特征在于，当满足式(2)时，所述线圈组通入的三相电在三个线圈中相邻线圈的电流方向相反，所述三相电初始相位关系需要满足：

式中，n为整数，分别是的初始相位；分别是的初始相位。

10.如权利要求1所述的直线电机，其特征在于，还包括四块背铁，所述四块背铁分别贴附于所述第一磁铁组、第二磁铁组、以及第三磁铁组的一侧。

11.如权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述第一侧壁与所述第二侧壁构成的夹角范围为大于等于0°小于180°。