CN108964404B - 一种永磁平面电机及其解耦算法 - Google Patents

一种永磁平面电机及其解耦算法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电机领域，具体涉及一种新型的永磁平面电机及其解耦算法。包括由上到下排布的永磁阵列、线圈阵列、底板铝板，所述永磁阵列作为动子，其形式为Halbach永磁阵列；线圈阵列由三个x轴向的短线圈和一个y轴向的长线圈组成一个线圈单元，旋转0°的线圈单元和旋转270°的线圈单元相邻设置，构成n×n的结构；永磁阵列平行悬浮于线圈阵列上方，其中永磁体与线圈单元在x轴向呈45°角；底板铝板连接在线圈阵列下方。通过动子采用Halbach永磁阵列，电机定子采用混合式线圈阵列的平面电机，配合提出的解耦方法，实现电机的控制。

Description

一种永磁平面电机及其解耦算法
技术领域
本发明涉及电机领域，具体涉及一种永磁平面电机及其解耦算法。
背景技术
传统平面运动由x与y轴的机械导轨叠加组成。由于其体积大，质量重，而且存在机械摩擦，难以获得高的运动性能。在精密运动系统中，使用气浮方式减少摩擦，提高机构的运动精度和速度。而磁浮平面电机消除了低维运动组合成高维运动的过程，直接实现平面运动，其动子由定子产生的悬浮力支撑，所以不需要机械导轨。运动过程中无接触，不存在摩擦和磨损。同时，电机的结构被极大简化，质量大幅减轻，由此可实现高速、高加速与精密运动。
由于磁浮平面电机采用直接驱动，中间没有传动环节。磁浮平面电机可分为动圈式和动铁式两种。前者动子上带有输电与冷却线缆，难于获得高的运动精度，在光刻机的超精密运动中还只能作为大行程粗动使用，其上还需叠加一套六自由度的精密微动台来实现纳米级超精运动。后者动子不用供电且不产生热量，不需外部供电与冷却线缆，整体仅为一块悬浮磁板，可以实现真正的无接触运动。
电机动子为六自由度悬浮运动，理论上，电机只需六个独立驱动线圈即可实现六自由度悬浮的驱动控制。实际上为使电机具有足够驱动能力，需要多于六个的线圈同时作用产生驱动力，从而产生冗余驱动，并且其电磁耦合复杂。
在平面电机控制中，电机的解耦是建立电机力和力矩与线圈电流之间对应关系的方法，即已知电机的力和力矩，求解线圈电流的过程。动铁式磁浮平面电机因为具有正弦电动势波形，所以可看成是交流永磁同步电机。在旋转电机和直线电机中，通常使用dq变换把三相交流电等效到直轴d和交轴q上。这样就可以只关注直轴和交轴，去除对位置的依赖，实现电机的解耦。但对于动铁式磁浮平面电机，dq变换始终存在与位置相关的力矩分量不能消除，难以实现动铁式磁浮平面电机的解耦。因此，采用了直接解耦方法，直接求解电机工作时的线圈电流，从而实现电机的解耦，不过这种方法需要给每个线圈配置控制器，成本大大增高。且由于冗余驱动，通电线圈的矩阵大大增加计算复杂度和时间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的解耦方法需要给每个线圈配置控制器，成本大大增高；且由于冗余驱动，通电线圈的矩阵大大增加计算复杂度和时间。
为解决上述问题，本发明提供一种永磁平面电机及其解耦算法，其中平面电机的动子采用Halbach永磁阵列，电机定子采用混合式线圈阵列。配合提出的解耦方法，实现电机的控制。
为实现上述目的，具体提供一种永磁平面电机，包括由上到下排布的永磁阵列、线圈阵列、底板铝板，所述永磁阵列作为动子，其形式为Halbach永磁阵列，这类永磁阵列的磁感应强度的表达式如下：
Figure GDA0002417960530000021
其中
Figure GDA0002417960530000022
Figure GDA0002417960530000023
线圈阵列由三个x轴向的短线圈和一个y轴向的长线圈组成一个线圈单元，旋转0°的线圈单元和旋转270°的线圈单元相邻设置，构成n×n的结构；永磁阵列平行悬浮于线圈阵列上方，其中永磁体与线圈单元在x轴向呈45°角；底板铝板连接在线圈阵列下方。
一种上述永磁平面电机的解耦方法，包括以下步骤：
(1)把期望的电机力和力矩分为两部分，利用分配方法将这两部分进行如下分配，
Figure GDA0002417960530000024
(2)其中F1x…T1z为短线圈组分配的力和力矩，使用dq解耦方法，实现力的解耦，剩余力矩部分如下：
T1′＝[0 0 0 T′1x T′1y T′1z]T
(3)继而长线圈组的力和力矩如下，实现力和力矩的解耦：
Figure GDA0002417960530000031
(4)通过上述的解耦方法，确定线圈的电流分配，实现力和力矩的解耦。
进一步的，所述分配方法为最小二乘法或线性划分法。
与现有技术相比，具有以下优点：
(1)提出了一种新的解耦方法，实现电机力和力矩的完全解耦，高效并节约成本；
(2)提出了一种平面电机结构，动子采用Halbach永磁阵列，定子采用混合式线圈阵列。
附图说明
图1是本发明永磁平面电机的结构示意图；
图2是本发明永磁平面电机实施例1所用永磁阵列的示意图；
图3是本发明永磁平面电机实施例2所用永磁阵列的示意图；
图4是本发明永磁平面电机实施例3所用永磁阵列的示意图；
图5是本发明解耦方法的解耦流程图；
图中，永磁阵列1、线圈阵列2、底板铝板3、六边形直棱柱永磁体11、四棱柱导磁体12、四边形直棱柱永磁体13，大梯形四棱柱导磁体14、小梯形四棱柱导磁体15、矩形四棱柱导磁体16。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出以下详细说明，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例1：
如图1所示，一种永磁平面电机，包括由上到下排布的永磁阵列1、线圈阵列2、底板铝板3，所述永磁阵列1作为动子，其形式为Halbach永磁阵列，本实施例所用的永磁阵列为专利201711051752.0中的结构；线圈阵列2由三个x轴向的短线圈和一个y轴向的长线圈组成一个线圈单元，旋转0°的线圈单元和旋转270°的线圈单元相邻设置，构成n×n的结构；永磁阵列1平行悬浮于线圈阵列2上方，其中永磁体与线圈单元在x轴向呈45°角；底板铝板3连接在线圈阵列2下方。
进一步的，所述线圈阵列2的线圈为矩形线圈。
其中，如图2所示，本实施例1所用的永磁阵列具体结构如下：包括六边形直棱柱永磁体11和四棱柱导磁体12，所述六边形直棱柱永磁体紧密排列在四棱柱导磁体12四边构成八边形直棱柱，六边形直棱柱永磁体11的边长和高度与四棱柱导磁体12相等；具体为沿x轴方向第m行是六边形直棱柱永磁体11点接触紧密排列，相邻的六边形直棱柱永磁体11的充磁方向沿y轴相反，第m+1行是六边形直棱柱永磁体11与四棱柱导磁体12线接触紧密排列，四棱柱导磁体12两侧的六边形直棱柱永磁体11的充磁方向沿x轴相反，第m行的六边形直棱柱永磁体11和第m+1行的六边形直棱柱永磁体11线接触紧密排列；沿y轴方向第n列是六边形直棱柱永磁体11点接触紧密排列，相邻的六边形直棱柱永磁体11的充磁方向沿x轴相反，第n+1列是六边形直棱柱永磁体11与四棱柱导磁体12线接触紧密排列，四棱柱导磁体12两侧的六边形直棱柱永磁体11的充磁方向沿y轴相反，第n列的六边形直棱柱永磁体11和第n+1列的六边形直棱柱永磁体11线接触紧密排列；相邻四棱柱导磁体12的磁力线方向相反，当四棱柱导磁体12四边的六边形直棱柱永磁体11的磁化方向均为指向所述四棱柱导磁体12时，四棱柱导磁体12的磁力线方向为沿z轴向内，当四棱柱导磁体12四边的六边形直棱柱永磁体11的磁化方向均为背向所述四棱柱导磁体12时，四棱柱导磁体12的磁力线方向为沿z轴向外。其中，进一步优化，六边形直棱柱永磁体11采用稀土永磁体；四棱柱导磁体12为铁磁材料。
一种上述永磁平面电机的解耦方法，包括以下步骤：
(1)把期望的电机力和力矩分为两部分，利用分配方法将这两部分进行如下分配，
Figure GDA0002417960530000041
其中，所述分配方法为最小二乘法或线性划分法。
(2)其中F1x…T1z为短线圈组分配的力和力矩，使用dq解耦方法，实现力的解耦，剩余力矩部分如下：
T1′＝[0 0 0 T′1x T′1y T′1z]T
(3)继而长线圈组的力和力矩如下，实现力和力矩的解耦：
Figure GDA0002417960530000051
(4)通过上述的解耦方法，确定线圈的电流分配，实现力和力矩的解耦。
实施例2：
一种永磁平面电机，包括由上到下排布的永磁阵列1、线圈阵列2、底板铝板3，所述永磁阵列1作为动子，其形式为Halbach永磁阵列，本实施例所用的永磁阵列为专利201711051752.0中的结构；线圈阵列2由三个x轴向的线圈和一个y轴向的线圈组成一个线圈单元，旋转0°的线圈单元和旋转270°的线圈单元相邻设置，构成n×n的结构；永磁阵列1平行悬浮于线圈阵列2上方，其中永磁体与线圈单元在x轴向呈45°角；底板铝板3连接在线圈阵列2下方。
进一步的，所述线圈阵列2的线圈为矩形线圈。
其中，如图3所示，本实施例2所用的永磁阵列具体结构如下：包括四边形直棱柱永磁体13，大梯形四棱柱导磁体14、其截面为上底与四边形直棱柱永磁体13边长相同、底角为45°的等腰梯形，小梯形四棱柱导磁体15、其截面为下底与四边形直棱柱永磁体13边长相同、底角为45°的等腰梯形，矩形四棱柱导磁体16；大梯形四棱柱导磁体14和小梯形四棱柱导磁体15相邻构成矩形边框，矩形边框内，第m行为四边形直棱柱永磁体13和矩形四棱柱导磁体16相邻设置，第m+1行为矩形四棱柱导磁体16和小梯形四棱柱导磁体组相邻设置，其中，小梯形四棱柱导磁体组为由四个小梯形四棱柱导磁体15下底边作为四边所围成的矩形组；相邻的四边形直棱柱永磁体13磁性相反。进一步优化，四边形直棱柱永磁体13采用稀土永磁体；大梯形四棱柱导磁体14、小梯形四棱柱导磁体15和矩形四棱柱导磁体16为铁磁材料。
一种上述永磁平面电机的解耦方法，包括以下步骤：
(1)把期望的电机力和力矩分为两部分，利用分配方法将这两部分进行如下分配，
Figure GDA0002417960530000061
其中，所述分配方法为最小二乘法或线性划分法。
(2)其中F1x…T1z为短线圈组分配的力和力矩，使用dq解耦方法，实现力的解耦，剩余力矩部分如下：
T1′＝[0 0 0 T′1x T′1y T′1z]T
(3)继而长线圈组的力和力矩如下，实现力和力矩的解耦：
Figure GDA0002417960530000062
(4)通过上述的解耦方法，确定线圈的电流分配，实现力和力矩的解耦。
实施例3：
一种永磁平面电机，包括由上到下排布的永磁阵列1、线圈阵列2、底板铝板3，所述永磁阵列1作为动子，其形式为Halbach永磁阵列，本实施例所用的永磁阵列为专利201711051752.0中的结构；线圈阵列2由三个x轴向的线圈和一个y轴向的线圈组成一个线圈单元，旋转0°的线圈单元和旋转270°的线圈单元相邻设置，构成n×n的结构；永磁阵列1平行悬浮于线圈阵列2上方，其中永磁体与线圈单元在x轴向呈45°角；底板铝板3连接在线圈阵列2下方。
进一步的，所述线圈阵列2的线圈为矩形线圈。
其中，如图4所示，本实施例3所用的永磁阵列具体结构如下：包括四边形直棱柱永磁体13、矩形四棱柱导磁体16，四边形直棱柱永磁体13的四边与矩形四棱柱导磁体16相贴合；相邻的四边形直棱柱永磁体13磁性相反。进一步优化，四边形直棱柱永磁体13采用稀土永磁体；矩形四棱柱导磁体16为铁磁材料。
一种上述永磁平面电机的解耦方法，包括以下步骤：
(1)把期望的电机力和力矩分为两部分，利用分配方法将这两部分进行如下分配，
Figure GDA0002417960530000071
其中，所述分配方法为最小二乘法或线性划分法。
(2)其中F1x…T1z为短线圈组分配的力和力矩，使用dq解耦方法，实现力的解耦，剩余力矩部分如下：
T1′＝[0 0 0 T′1x T′1y T′1z]T
(3)继而长线圈组的力和力矩如下，实现力和力矩的解耦：
Figure GDA0002417960530000072
(4)通过上述的解耦方法，确定线圈的电流分配，实现力和力矩的解耦。

Claims (4)

1.一种永磁平面电机，其特征在于：包括由上到下排布的永磁阵列、线圈阵列、底板铝板，所述永磁阵列作为动子，其形式为Halbach永磁阵列；线圈阵列由三个x轴向的短线圈和一个y轴向的长线圈组成一个线圈单元，旋转0°的线圈单元和旋转270°的线圈单元相邻设置，构成n×n的结构；永磁阵列平行悬浮于线圈阵列上方，其中永磁体与线圈单元在x轴向呈45°角；底板铝板连接在线圈阵列下方；
永磁阵列包括六边形直棱柱永磁体和四棱柱导磁体，所述六边形直棱柱永磁体紧密排列在四棱柱导磁体四边构成八边形直棱柱，六边形直棱柱永磁体的边长和高度与四棱柱导磁体相等；具体为沿x轴方向第m行是六边形直棱柱永磁体点接触紧密排列，相邻的六边形直棱柱永磁体的充磁方向沿y轴相反，第m+1行是六边形直棱柱永磁体与四棱柱导磁体线接触紧密排列，四棱柱导磁体两侧的六边形直棱柱永磁体的充磁方向沿x轴相反，第m行的六边形直棱柱永磁体和第m+1行的六边形直棱柱永磁体线接触紧密排列；沿y轴方向第n列是六边形直棱柱永磁体点接触紧密排列，相邻的六边形直棱柱永磁体的充磁方向沿x轴相反，第n+1列是六边形直棱柱永磁体与四棱柱导磁体线接触紧密排列，四棱柱导磁体两侧的六边形直棱柱永磁体的充磁方向沿y轴相反，第n列的六边形直棱柱永磁体和第n+1列的六边形直棱柱永磁体线接触紧密排列；相邻四棱柱导磁体的磁力线方向相反，当四棱柱导磁体四边的六边形直棱柱永磁体的磁化方向均为指向所述四棱柱导磁体时，四棱柱导磁体的磁力线方向为沿z轴向内，当四棱柱导磁体四边的六边形直棱柱永磁体的磁化方向均为背向所述四棱柱导磁体时，四棱柱导磁体的磁力线方向为沿z轴向外。
2.如权利要求1所述的永磁平面电机，其特征在于：所述线圈阵列的线圈为矩形线圈。
3.一种权利要求1中所述的永磁平面电机的解耦方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)把期望的电机力和力矩分为两部分，利用分配方法将这两部分进行如下分配，
Figure FDA0002417960520000011
(2)其中F1x…T1z为短线圈组分配的力和力矩，使用dq解耦方法，实现力的解耦，剩余力矩部分如下：
T1′＝[0 0 0 T′1x T′1y T′1z]T
(3)继而长线圈组的力和力矩如下，实现力和力矩的解耦：
Figure FDA0002417960520000021
(4)通过上述的解耦方法，确定线圈的电流分配，实现力和力矩的解耦。
4.如权利要求3所述的永磁平面电机的解耦方法，其特征在于：所述分配方法为最小二乘法或线性划分法。
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