CN109861493A - 动磁式磁悬浮永磁同步平面电机 - Google Patents
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Abstract
动磁式磁悬浮永磁同步平面电机，涉及一种多相动磁式磁悬浮永磁同步平面电机，属于电机领域。解决了如何同时兼顾结构简单与高定位精度的问题。本发明包括定子和动子，二者间存在气隙；定子对动子进行磁浮支撑；定子和动子相互作用，将二者间的电磁能直接转换为动子的二维平面运动。本发明主要应用在精密机械加工、半导体电子芯片生产等现代精密、超精密加工装备中。
Description
技术领域
本发明涉及一种多相动磁式磁悬浮永磁同步平面电机，属于电机领域。
背景技术
现代精密、超精密加工装备对高响应、高速度、高精度的二维平面驱动装置有着迫切的需求，如精密机械加工、半导体电子芯片生产、机械装卸、制造自动化仪表甚至机器人驱动等方面。
传统的二维平面驱动装置通常是由两组旋转电机驱动的直线运动转换机构叠加而成的，由于直线运动转换装置(一般为丝杆—螺母机构)结构复杂，传动精度和速度都受到一定的制约，并且存在摩擦、侧隙、变形等一系列问题，使得传统二维平面驱动装置很难满足现代加工装备的需求。
近10年来，随着直线电机技术和产品的迅速发展，直线电机开始在二维平面定位装置中获得应用。由于不存在传统定位装置中存在的摩擦、侧隙、变形等影响运动精度的不利因素，直线电机驱动的平面定位装置的精度有了很大的提高。
但是，这种定位装置仍然未摆脱“低维运动机构叠加成高维运动机构”的模式，对于底层直线电机而言，顶层驱动电机及其相关机械连接件的总质量，仍然是一个很大的“负担”。
因此，如何同时兼顾结构简单与高定位精度的问题亟需解决。
发明内容
本发明是为了解决如何同时兼顾结构简单与高定位精度的问题，本发明提供了动磁式磁悬浮永磁同步平面电机。
动磁式磁悬浮永磁同步平面电机，包括定子和动子，二者间存在气隙；
定子对动子进行磁浮支撑；
定子和动子相互作用，将二者间的电磁能直接转换为动子的二维平面运动。
优选的是，定子包括线圈阵列、线圈骨架阵列和基座；
线圈阵列通过线圈骨架阵列固定在基座的气隙面；
基座内设有冷却水回路，冷却水回路内通入的冷水用于对线圈阵列进行降温。
优选的是，线圈阵列由m×m套同心式线圈构成的同心式绕组阵列，每套同心式线圈通入单相电流进行单独激励，从而在x-y平面内对动子产生推力，以及为动子提供悬浮力；
线圈骨架阵列由m×m个线圈骨架构成；
m×m套同心式线圈与m×m个线圈骨架一一对应，m为大于或等于2的整数。
优选的是，所述动子包括轭板和二维对称分布的Halbach永磁阵列；
Halbach永磁阵列固定在轭板的气隙面。
优选的是，Halbach永磁阵列为由P×P个N-S磁极单元构成的矩形阵列，P为大于或等于2的整数；
每个N-S磁极单元包括2块主永磁体和7块辅助永磁体，2块主永磁体均为正方体结构，7块辅助永磁体均为长方体结构，
2块主永磁体并列设置，每块主永磁体周围设置4块辅助永磁体，且2块主永磁体之间共用一块辅助永磁体；
7块辅助永磁体的充磁方向均为平行于Halbach永磁阵列所在的平面；
2块主永磁体的充磁方向垂直于Halbach永磁阵列所在的平面，且两块主永磁体的充磁方向相反；
每个主永磁体周围的4块辅助永磁体的充磁方向相同，该充磁方向指同时向内或同时向外；
Halbach永磁阵列中充磁方向为上S下N的主永磁体被4块充磁方向为上N下S的的主永磁体包围。
优选的是，每个N-S磁极单元中，充磁方向为上N下S的主永磁体周围的4块辅助永磁体的充磁方向为同时指向该块主永磁体。
优选的是，每套同心式线圈的中心距τc与Halbach永磁阵列中相邻两块主永磁体极距τm满足如下关系：
τc＝(2n+1)τm，n＝0,1,2……。
优选的是，采用双向强制对流的方式向基座内通入冷却水。
原理分析：Halbach永磁阵列和同心式绕组阵列相互作用将电磁能直接转换为空间机械能，动子可在x、y方向实现长行程运动，在z方向实现磁悬浮及微行程调整，同时可以实现绕x、y轴微弧度旋转以及绕z轴较大弧度的旋转，最终实现电机动子在空间内的六维运动。
本发明带来的有益效果是，本发明所述的动磁式磁悬浮永磁同步平面电机由定子和动子构成，电机结构得到极大简化，且定子和动子间采用磁浮支撑方式，消除运动部分的动子和不动部分的定子之间的机械摩擦，从而提高定位精度。
本发明动子部分采用磁浮支撑，适用于真空工作环境，动子的位置、速度检测可采用激光位移传感器实现，为了降低动子的重量，仅激光位移传感器的反射镜300固定在动子上，具体参见图1。
平面电机是一种可以直接将电磁能转换为二维平面运动的电磁装置，该装置具有精度高、损耗低、运动范围大等优点。由于不需要转换装置将旋转运动转换到直线运动再到平面运动，由平面电机驱动的二维运动机构可将控制对象同电机做成一体化结构，具有结构简单、损耗低、精度高、反应快等一系列优点。所以，由平面电机驱动的二维平面运动机构在精密机械加工、半导体电子芯片生产等现代精密、超精密加工装备中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述的动磁式磁悬浮永磁同步平面电机的三维装配分解图；其中，附图标记300表示激光位移传感器的反射镜；
图2为Halbach永磁阵列的三维结构示意图；
图3为N-S磁极单元的三维装配分解图；
图4为N-S磁极单元的结构示意图；
图5为同心式线圈的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的动磁式磁悬浮永磁同步平面电机，包括定子100和动子200，二者间存在气隙；
定子100对动子200进行磁浮支撑；
定子100和动子200相互作用，将二者间的电磁能直接转换为动子200的二维平面运动。
本实施方式中，本发明所述的动磁式磁悬浮永磁同步平面电机由定子100和动子200构成，结构简单，且二者间采用磁浮支撑方式，消除运动部分的动子200和不动部分的定子100之间的机械摩擦，从而提高定位精度。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，定子100包括线圈阵列101、线圈骨架阵列102和基座103；
线圈阵列101通过线圈骨架阵列102固定在基座103的气隙面；
基座103内设有冷却水回路，冷却水回路内通入的冷水用于对线圈阵列101进行降温。本优选实施方式中，作为发热源的线圈阵列101位于定子上，可以更为方便的采取强制水冷冷却方式对线圈阵列101进行降温，有效避免线圈阵列101过热而烧坏电机，提高电机性能及寿命，同时还能有效隔绝因电机发热对环境温度的影响。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，采用双向强制对流的方式向基座103内通入冷却水。
在具体使用过程中，优选采用双向强制对流的方式向基座103内通入冷却水，冷却水沿基座103内的冷却水回路运动，快速带走线圈阵列101产生的热量，能过快递的对作为发热源的线圈阵列101进行有效降温。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，线圈阵列101由m×m套同心式线圈构成的同心式绕组阵列，每套同心式线圈通入单相电流进行单独激励，从而在x-y平面内对动子200产生推力，以及为动子200提供悬浮力；
线圈骨架阵列102由m×m个线圈骨架构成；
m×m套同心式线圈与m×m个线圈骨架一一对应，m为大于或等于2的整数。
具体应用时，m×m套同心式线圈分别通过m×m个线圈骨架固定在基座103的气隙面，且与动子200正相对的同心式线圈通过单相电流进行单独进行激励，同时与动子200不相对的那些同心式线圈，一部分通入单相电流进行单独进行激励，另一部分不通电流，且通入单相电流的那部分同心式线圈为围绕动子200外侧的那一圈同心式线圈，这部分心式线圈紧邻与动子200正相对的同心式线圈。
上述与动子200邻近的那一圈同心式线圈也通入电，这种通电方式，更加有效的对动子200进行磁浮控制，并使动子200周围的推力更加平稳，使其动子200的运动更加的平稳，提高平面电机的定位精度，同时，更加有效的避免了电能的浪费。
本发明所述的动磁式磁悬浮永磁同步平面电机为多相平面电机，具体相数由与动子200相对应的同心式线圈的套数决定，电机工作时，当动子永磁阵列运动到定子平面上方某一位置时，只有处于其正下方的16套同心式线圈及其周围附近的20套同心式线圈供电；当电机动子在x-y平面上运动时，通电线圈将随着动子运动位置的变化而变化，而动子实时对应的16套同心式线圈各自为1相，共16相，此时，动磁式磁悬浮永磁同步平面电机为16相平面电机。
参见图1至图4说明本优选实施方式，本优选实施方式中，所述动子200包括轭板201和二维对称分布的Halbach永磁阵列202；
Halbach永磁阵列202固定在轭板201的气隙面。
本优选实施方式中，采用永磁阵列作为运动部分，动子部件的结构得到极大简化，且动子部分与外界没有电气连接，避免了动圈式SPMPM中存在的线缆扰动及质心偏移等问题，可实现更高的定位精度。
SPMPM的英文全称为Synchronous Permenant Magnet Planar Motor，中文翻译为永磁同步平面电机。
参见图1至图4说明本优选实施方式，本优选实施方式中，Halbach永磁阵列202为由P×P个N-S磁极单元202-1构成的矩形阵列，P为大于或等于2的整数；
每个N-S磁极单元202-1包括2块主永磁体202-1-1和7块辅助永磁体202-1-2，2块主永磁体202-1-1均为正方体结构，7块辅助永磁体202-1-2均为长方体结构，
2块主永磁体202-1-1并列设置，每块主永磁体202-1-1周围设置4块辅助永磁体202-1-2，且2块主永磁体202-1-1之间共用一块辅助永磁体202-1-2；
7块辅助永磁体202-1-2的充磁方向均为平行于Halbach永磁阵列202所在的平面；
2块主永磁体202-1-1的充磁方向垂直于Halbach永磁阵列202所在的平面，且两块主永磁体202-1-1的充磁方向相反；
每个主永磁体202-1-1周围的4块辅助永磁体202-1-2的充磁方向相同，该充磁方向指同时向内或同时向外；
Halbach永磁阵列202中充磁方向为上S下N的主永磁体202-1-1被4块充磁方向为上N下S的的主永磁体202-1-1包围。
本优选实施方式中，Halbach永磁阵列202中相同充磁方向的主永磁体202-1-1位于x轴方向和y轴方向直线上，且给出了每个N-S磁极单元202-1中所有永磁体具体排布及充磁方式，该种方式可使得Halbach永磁阵列202的气隙磁密度正弦度更好，基波占有率更高，有利于提高电机的推力密度，降低推力波动，最终提高平面电机的稳定性和定位精度。
参见图1至图4说明本优选实施方式，本优选实施方式中，每个N-S磁极单元202-1中，充磁方向为上N下S的主永磁体202-1-1周围的4块辅助永磁体202-1-2的充磁方向为同时指向该块主永磁体202-1-1。
本优选实施方式中的充磁方式可以进一步修正Halbach永磁阵列202的气隙磁密度正弦度，进一步提高基波占有率，更有利于提高电机的推力密度，降低推力波动，最终提高平面电机的稳定性和定位精度。
参见图1至图5说明本优选实施方式，本优选实施方式中，每套同心式线圈的中心距τc与Halbach永磁阵列202中相邻两块主永磁体202-1-1极距τm满足如下关系：
τc＝(2n+1)τm，n＝0,1,2……。
本优选实施方式中，每套同心式线圈所缠绕的线圈骨架为矩形结构，每套同心式线圈的中心距τc为最外圈的线圈两个相对边轴线之间的距离，τc与τm之间所满足的关系能够保证电机工作于较高的推力密度。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。
Claims (8)
1.动磁式磁悬浮永磁同步平面电机，其特征在于，包括定子(100)和动子(200)，二者间存在气隙；
定子(100)对动子(200)进行磁浮支撑；
定子(100)和动子(200)相互作用，将二者间的电磁能直接转换为动子(200)的二维平面运动。
2.根据权利要求1所述的动磁式磁悬浮永磁同步平面电机，其特征在于，定子(100)包括线圈阵列(101)、线圈骨架阵列(102)和基座(103)；
线圈阵列(101)通过线圈骨架阵列(102)固定在基座(103)的气隙面；
基座(103)内设有冷却水回路，冷却水回路内通入的冷水用于对线圈阵列(101)进行降温。
3.根据权利要求2所述的动磁式磁悬浮永磁同步平面电机，其特征在于，线圈阵列(101)由m×m套同心式线圈构成的同心式绕组阵列，每套同心式线圈通入单相电流进行单独激励，从而在x-y平面内对动子(200)产生推力，以及为动子(200)提供悬浮力；
线圈骨架阵列(102)由m×m个线圈骨架构成；
m×m套同心式线圈与m×m个线圈骨架一一对应，m为大于或等于2的整数。
4.根据权利要求3所述的动磁式磁悬浮永磁同步平面电机，其特征在于，所述动子(200)包括轭板(201)和二维对称分布的Halbach永磁阵列(202)；
Halbach永磁阵列(202)固定在轭板(201)的气隙面。
5.根据权利要求4所述的动磁式磁悬浮永磁同步平面电机，其特征在于，Halbach永磁阵列(202)为由P×P个N-S磁极单元(202-1)构成的矩形阵列，P为大于或等于2的整数；
每个N-S磁极单元(202-1)包括2块主永磁体(202-1-1)和7块辅助永磁体(202-1-2)，2块主永磁体(202-1-1)均为正方体结构，7块辅助永磁体(202-1-2)均为长方体结构，
2块主永磁体(202-1-1)并列设置，每块主永磁体(202-1-1)周围设置4块辅助永磁体(202-1-2)，且2块主永磁体(202-1-1)之间共用一块辅助永磁体(202-1-2)；
7块辅助永磁体(202-1-2)的充磁方向均为平行于Halbach永磁阵列(202)所在的平面；
2块主永磁体(202-1-1)的充磁方向垂直于Halbach永磁阵列(202)所在的平面，且两块主永磁体(202-1-1)的充磁方向相反；
每个主永磁体(202-1-1)周围的4块辅助永磁体(202-1-2)的充磁方向相同，该充磁方向指同时向内或同时向外；
Halbach永磁阵列(202)中充磁方向为上S下N的主永磁体(202-1-1)被4块充磁方向为上N下S的的主永磁体(202-1-1)包围。
6.根据权利要求5所述的动磁式磁悬浮永磁同步平面电机，其特征在于，每个N-S磁极单元(202-1)中，充磁方向为上N下S的主永磁体(202-1-1)周围的4块辅助永磁体(202-1-2)的充磁方向为同时指向该块主永磁体(202-1-1)。
7.根据权利要求5所述的动磁式磁悬浮永磁同步平面电机，其特征在于，每套同心式线圈的中心距τc与Halbach永磁阵列(202)中相邻两块主永磁体(202-1-1)极距τm满足如下关系：
τc＝(2n+1)τm，n＝0,1,2……。
8.根据权利要求2所述的动磁式磁悬浮永磁同步平面电机，其特征在于，采用双向强制对流的方式向基座(103)内通入冷却水。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190607 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |