CN112398304B - 一种磁悬浮平面电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁悬浮平面电机，包括磁钢阵列、线圈模块阵列、冷却管网等。线圈模块阵列呈V形阵列排布，每一列的线圈基座第一流体接口和第二流体接口分别形成一列流体接口，且相邻列的流体接口靠近布置作为一列流体接口，奇数列流体接口都与冷却液输入管连通，偶数列的流体接口的都与冷却液输出管连通。该装置通过设置线圈V形密集排布，具有优秀的电流推力转化效率，精度高；该装置通过设置了线圈的模块化，使得V形密集排列的线圈阵列具有易扩展特点；通过冷却管网与流体接口的紧凑配合，结合了人形排列线圈的特性实现了并联式冷却，具有优秀的冷却性能，相比于传统平面电机的冷却方式，增强了冷却效率，提高了线圈的承载能力。

Description

一种磁悬浮平面电机

技术领域

本发明属于磁悬浮平面电机领域，特别涉及一种磁悬浮平面电机的结构设计。

背景技术

磁悬浮永磁平面电机利用电磁力直接驱动动子移动自实现六自由度精密运动，具有结构简单、行程和驱动能力便于扩展的优势。IC产业对芯片的最小线宽的要求极为苛刻，高分辨率的光刻机成为必然的发展趋势，利用磁浮平面电机成为新一代光刻机工件台驱动部件的最佳选择。

埃因霍恩理工大学的J.W.Jansen等人在文献(Jansen,J.W.,et al.,Magnetically Levitated Planar Actuator With Moving Magnets,IEEE Transactionson Industry Applications,vol.44,no.4,2008,pp.1108–1115.)中介绍了一种动磁式磁悬浮平面电机，实现了大行程磁悬浮六自由度控制。该平面电机动子部分为Halbach磁钢阵列，定子部分为V形排列的方形线圈，能够实现大行程高精度的运动要求。然而其制造方式是采用将所有线圈铸造进入基座，不足之处在于：难以扩展，极大限制应用范围；当单一线圈出现故障时，维修和维护成本高昂。

专利CN 106787343 B中提出了一种用于平面电机的具有散热结构的模块化线圈模块阵列，包括线圈、温度传感器、散热罩、散热底座、定位销、电气插接组件、冷却液流道接口、固定底座、连接器和中间连接器等,实现线圈模块阵列的快速、高效装配。其不足之处在于：还包括连接器和中间连接器等，装配复杂，不利于高密度阵列排布的线圈的模块化，例如V形排列的方形线圈；该装置的冷却方式为串联方式，即冷却液冷却第一线圈后再冷却下一线圈，存在冷却效率低的问题，并且当某一线圈的流体通道出现故障时，串联下游的线圈模块极易发生过热风险。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种并联式液冷模块化V形排列磁悬浮平面电机。该装置具有易维护、易扩展、易装配和冷却效率高的优势。

本发明的一种磁悬浮平面电机，包括：

磁钢阵列，

冷却液输入管，

冷却液输出管，

线圈模块阵列，包括M×N个线圈模块，呈M列N行布置，M，N为大于2的整数，且相邻两列构成朝向相反的V形阵列排布，每个线圈模块包括：

线圈基座，线圈基座包括流体通道以及在所述流体通道两端的第一流体接口、第二流体接口；

线圈，安装在所述线圈基座上，

其中，每一列的线圈基座第一流体接口和第二流体接口分别形成一列流体阵列接口，且相邻列的流体阵列接口靠近布置作为一列流体阵列接口，

奇数列流体阵列接口都与冷却液输入管连通，偶数列的流体阵列接口的都与冷却液输出管连通。

可选地，线圈模块阵列、冷却液输入管和冷却液输出管设置在机架上，所述机架与线圈模块阵列连接的表面设有流体接口孔，

所述冷却液输入管包括至少

列管道，包括至少M×N个流体接口，所述奇数列流体阵列接口分别通过机架的对应的流体接口孔与冷却液输入管的冷却液输入接口连通；

所述冷却液输出管包括至少

列管道，包括至少M×N个流体接口，所述偶数列的流体阵列接口分别通过机架的对应的流体接口孔与冷却液输出管的冷却液输出接口连通，

其中

和

分别是向上取整和向下取整。

可选地，所述磁钢阵列为Halbach磁钢阵列。

可选地，所述线圈基座的侧面设置有定位销、定位槽，每一列相邻的线圈基座的定位销、定位槽配合连接。

可选地，所述线圈与对应的线圈基座的上表面固接，还包括盖板，所述盖板与机架固接，设置在线圈模块阵列和磁钢阵列之间，所述盖板包括流体空腔以及与所述流体空腔连通的流体输入口和流体输出口，所述流体空腔呈网状位于盖板内部。

可选地，所述线圈基座设置为基座上部和基座下部，基座上部和基座下部通过密封的方式固接后共同形成所述流体通道，并且，所述基座上部采用具有导热性的材料。

可选地，所述流体通道呈圆形、矩形、一字形或日字形。

可选地，还包括温度传感器，所述温度传感器与线圈固接，温度传感器的引出线和线圈的引出线通过线圈基座的引线通道、接线端子的引线入口、接线端子的引线出口引出与电源连接。可选地，所述线圈为方形线圈。

可选地，一个或多个所述线圈模块含有K×L个线圈，一个线圈基座，所述K×L个线圈呈K列L行，其中K、L均为正整数，K、L不同时为1，且相邻两列构成朝向相反的V形阵列排布。

本发明利用线圈模块阵列、磁钢阵列、冷却液输入管和冷却液输出管组成的冷却管网综合实现了并联式冷却的模块化磁悬浮平面驱动。该装置设置方形线圈和V形密集排布，具有优秀的电流推力转化效率，精度高；该装置通过设置了方形线圈的模块化，使得V形密集排列的方形线圈模块阵列具有易扩展特点；通过冷却管网与流体接口的紧凑配合，结合了V形排列线圈的特性实现了并联式冷却，具有优秀的冷却性能，相比于传统平面电机的冷却方式，增强了冷却效率，提高了线圈的承载能力；线圈模块中含有温度传感器，有利于散热效果的检测；模块中将接线端子与流体接口标准化，易于装配。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是本发明实施例的磁悬浮平面电机的立体视图；

图2是图1所示实施例的主体结构的爆炸视图；

图3是图1所示实施例的盖板内部冷却网的一种示意。

图4是图1所实施实例的线圈模块的立体视图；

图5是图1所示实施例的线圈模块的底部视图；

图6是图1所实施实例的线圈模块的爆炸视图；

图7是图1所示实施例的线圈的立体视图；

图8是图1所示实施例的线圈基座的底部视图；

图9是图1所示实施例的线圈基座的正视图；

图10是图9的A-A剖视图；

图11是图10的B-B剖视图；

图12是图1所示实施例的两列线圈模块的安装示意；

图13是图1所示实施例的线圈模块阵列的底部视图；

图14是图13的局部放大视图；

图15是图1所示实施例的机架底板示意图；

图16是图15的局部放大图；

图17是图1所示实施例的冷却液排布示意；

图18是图1所示实施例的冷却液管道示意；

图19是图1所示实施例的冷却液流向在冷却液管道和线圈模块间的流动示意。

在图1至图19中：

1-隔振基座，2-机架，21-机架调整座，22-引线孔，23-流体接口孔，31-冷却液输入管，32-冷却液输出管，311-冷却液输入接口，321-冷却液输出接口，4-盖板，41-盖板内部冷却网，42-盖板冷却液输入口，43-盖板冷却液输出口，5-线圈模块，51-线圈基座，511-定位销，512-定位槽，513-第一流体接口，514-第二流体接口，515-流体通道，516-接线端子安装孔，517-引线通道，518-定位孔，52-线圈，521-线圈引线，53-接线端子，531-接线端子的引线入口，532-接线端子的引线出口，54-液动接头，55-温度传感器，551-温度传感器引线，6-磁钢阵列，62-磁钢背板，7-工件台。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

本发明实施例设计的磁悬浮平面电机如图1至图19所示，如图1、图2、图17所示，磁悬浮平面电机包括磁钢阵列6、线圈模块5阵列和机架2、冷却液输入管31、冷却液输出管32(见图17)，其中，所述磁钢阵列6可以为Halbach磁钢阵列。

M×N个线圈模块组成线圈模块阵列，线圈模块阵列呈M列N行，且同一行相邻两列构成朝向相反的V形阵列排布，其中M，N为大于2的整数。其安装形式如图12至14所示，图12示出了两列线圈模块的安装示意。图13是图1所示实施例的线圈模块阵列的底部视图；图14是图13的局部放大视图。

下面结合图4至图11来说明线圈模块的结构。每个所述线圈模块5包括线圈基座51、线圈52、接线端子53和温度传感器55，所述线圈基座51包括定位销511、定位槽512、第一流体接口513、第二流体接口514、流体通道515和引线通道517。所述定位销511和定位槽512分别位于线圈基座51的相对的两个侧面，每一列线圈模块5中相邻的线圈基座51的定位销和定位槽配合。具体说，一个线圈模块5的定位销与其同列一侧的线圈基座51的定位槽配合，其定位槽与该线圈模块5的另一侧的线圈基座51的定位销51配合。在所述线圈基座51的下表面设置有凹槽，所述接线端子53通过接线端子安装孔516固定在凹槽内，从而与线圈基座51固接。所述温度传感器55与线圈52固接，所述接线端子53包括接线端子的引线入口531，接线端子的引线出口532。温度传感器55的温度传感器引出线551和线圈52的线圈引线521通过线圈基座51的引线通道517穿入接线端子的引线入口531，并经接线端子的引线出口532以及所述机架上的引线孔22引出，与外部电源连接。

如图11所示，所述线圈基座51的引线通道贯穿线圈基座的上表面和下表面，且引线通道517与流体通道515不交叉。

所述线圈52与对应的线圈基座51的上表面固接。所述线圈52可以是正方形，也可以是矩形，当然，本发明不排除线圈还可以是其他形状。其中，每一列的线圈基座51第一流体接口和第二流体接口分别形成一列流体阵列接口，且相邻列的流体接口靠近布置作为一列流体阵列接口，由此所述线圈模块阵列含有M+1列流体阵列接口。所述线圈基座的流体通道位于线圈基座51的内部，且流体通道靠近线圈基座51的上表面，流体通道分别与第一流体接口和第二流体接口相通，用以使冷却液通过线圈基座51。

下面说明冷却系统，所述冷却系统包括冷却液输入管31、冷却液输出管32。所述机架与线圈模块阵列固接的表面设有M×N个引线孔和2×M×N个流体接口孔23；所述冷却液输入管包括

列管道，冷却液输入管包括M×N个冷却液输入接口311，所述冷却液输出管包括

列管道，冷却液输出管包括M×N个冷却液输出接口321，其中

和

分别是向上取整和向下取整。

图17是图1所示实施例的冷却液排布示意；图18是图1所示实施例的冷却液管道示意。如图17、18所示，所述冷却液输入管31和冷却液输出管32固接在机架2内，冷却液输入管31和冷却液输出管32相互独立，线圈模块阵列形成的奇数列的流体阵列接口分别通过机架的对应的流体接口孔23与冷却液输入管的冷却液输入接口311连接，线圈模块阵列形成的偶数列的流体阵列接口分别通过机架的对应的流体接口孔23与冷却液的输出管道的冷却液输出接口321连接，冷却液输入管31和冷却液输出管32通过所有线圈基座51的流体通道并联式连通。如图17所示，冷却液输入管31和冷却液输出管32都是通过一根管道分支出多根管道与线圈模块阵列的流体接口孔连通的。

下面以一个更具体的实例来说明，取M＝7，N＝12，包括磁钢阵列6、线圈模块5和机架2，所述磁钢阵列6为Halbach磁钢阵列；所述线圈模块阵列与基座固接，线圈模块阵列包括84个线圈模块5，所有线圈模块5呈7列12行的V形阵列排布。

每个所述线圈模块5包括线圈基座51、线圈52、接线端子53和温度传感器55，所述线圈基座51包括定位销511、定位槽512、第一流体接口513、第二流体接口514、流体通道515和引线通道517，每一列线圈模块5中相邻的线圈基座51的定位销511和定位槽512配合。所述线圈52与对应的线圈基座51的上表面固接。

每一行线圈模块5中相邻的线圈基座51的第一流体接口513和第二流体接口514相邻，相邻的流体接口组成一列流体阵列接口，所述线圈模块阵列含有8列流体阵列接口。

所述线圈基座51的流体通道515位于线圈基座51内部，如图10所示，流体通道515为环形，在其两端是第一流体接口513和第二流体接口514。流体通道515靠近线圈基座51上表面，流体通道515分别与第一流体接口513和第二流体接口514相通。所述机架2与线圈模块阵列固接的表面设有168个流体接口孔。所述冷却液输入管31包括4列管道，冷却液输入管31包括84个冷却液输入接口311，所述冷却液输出管32包括4列管道，冷却液输出管32包括84个冷却液输出接口321。所述冷却液输入管31和冷却液输出管32固接在机架2内，冷却液输入管31和冷却液输出管32相互独立。

线圈模块阵列形成的奇数列流体阵列接口分别通过机架2的对应的流体接口孔与冷却液输入管31的冷却液输入接口311连接，所述偶数列的流体阵列接口分别通过机架2的对应的流体接口孔与冷却液输出管的冷却液输出接口321连接，从而使得冷却液输入管31和冷却液输出管32通过所有线圈基座51的流体通道515并联式连通。

所述机架2与线圈模块阵列固接的表面设有84个引线孔22，所述线圈基座51的引线通道517贯穿线圈基座51的上表面和下表面，引线通道517与流体通道515不交叉。所述接线端子53与线圈基座51固接，所述温度传感器55与线圈52固接，温度传感器55的引出线和线圈52的引出线通过线圈基座51的引线通道517，穿入接线端子的引线入口531，并经接线端子的引线出口532以及所述机架上的引线孔22引出，与外部电源连接。

本实施例中，冷却系统还包括1个盖板4，所述盖板4与机架2固接，设置在线圈模块阵列和磁钢阵列6之间；如图3所示，所述盖板4包括流体空腔，与所述流体空腔连通的，盖板冷却液输入口42，盖板冷却液输出口43，所述流体空腔位于盖板4内部，呈网状，称为盖板内部冷却网41，通过盖板冷却液输入口42，盖板冷却液输出口43与外部相连，冷却盖板4实现了线圈52上部的散热功能。

本发明的另一种实施例中，所述线圈基座51设置为基座上部和基座下部；所述基座上部和基座下部将流体通道515分开，基座上部和基座下部通过密封的方式连接，共同形成流体通道515；所述基座上部采用导热性强的材料，如银、铜、铁或铝。

本实施例中，所有流体通道515呈环状矩形。

如图1所示，本实施例中，还包括隔振基座1、机架调整座21，所述机架2的下端连接有机架调整座21，所述机架2通过机架调整座21安装在隔振基座1上端。进一步地，还包括工件台7，所述工件台7设置在磁钢阵列6的上端。

本实施例中，所述磁钢阵列6的上方还设置有磁钢背板62，用于连接磁钢阵列6和工件台7。

本实施例的安装和工作原理，结合附图，叙述如下。

在线圈模块5安装时，通过如图6所示的方式安装，其中各液动接头54的一端与线圈基座51的第一流体接口513和第二流体接口514通过螺纹连接，液动接头54的另一端与冷却液输入管31和冷却液输出管32连接。

在不同线圈模块5安装时，通过如图12所示的方式安装在基座上，并且其中每一列中的第一个和最后一个线圈模块5通过连接件经定位孔518与机架2定位固接。

平面电机动子(磁钢阵列)的六自由度运动的驱动控制方式通过洛伦兹力原理实现驱动。在平面电机工作时，冷却液的流向如图19所示，实现了所有线圈52的并联冷却。其中实线为冷却液在管道内流动，虚线为冷却液在线圈模块中流动。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种磁悬浮平面电机，其特征在于，包括：

磁钢阵列，

冷却液输入管，

冷却液输出管，

线圈模块阵列，包括M×N个线圈模块，呈M列N行布置，M，N为大于2的整数，且相邻两列构成朝向相反的V形阵列排布，每个线圈模块包括：

线圈基座，线圈基座包括流体通道以及在所述流体通道两端的第一流体接口、第二流体接口；

线圈，安装在所述线圈基座上，

其中，每一列的线圈基座第一流体接口和第二流体接口分别形成一列流体阵列接口，且相邻列的流体阵列接口靠近布置作为一列流体阵列接口，

奇数列流体阵列接口都与冷却液输入管连通，偶数列的流体阵列接口的都与冷却液输出管连通，

其中，线圈模块阵列、冷却液输入管和冷却液输出管设置在机架上，所述机架与线圈模块阵列连接的表面设有流体接口孔，

所述冷却液输入管包括至少

列管道，包括至少M×N个流体接口，所述奇数列流体阵列接口分别通过机架的对应的流体接口孔与冷却液输入管的冷却液输入接口连通；

所述冷却液输出管包括至少

列管道，包括至少M×N个流体接口，所述偶数列的流体阵列接口分别通过机架的对应的流体接口孔与冷却液输出管的冷却液输出接口连通，

其中

和

分别是向上取整和向下取整。

2.如权利要求1所述的磁悬浮平面电机，其特征在于，

所述磁钢阵列为Halbach磁钢阵列。

3.如权利要求1所述的磁悬浮平面电机，其特征在于，所述线圈基座的侧面设置有定位销、定位槽，每一列相邻的线圈基座的定位销、定位槽配合连接。

4.如权利要求1所述的磁悬浮平面电机，其特征在于，还包括盖板，所述盖板与机架固接，设置在线圈模块阵列和磁钢阵列之间，所述盖板包括流体空腔以及与所述流体空腔连通的流体输入口和流体输出口，所述流体空腔呈网状位于盖板内部。

5.如权利要求1所述的磁悬浮平面电机，其特征在于，

所述线圈基座设置为基座上部和基座下部，基座上部和基座下部通过密封的方式固接后共同形成所述流体通道，并且，所述基座上部采用具有导热性的材料。

6.如权利要求1所述的磁悬浮平面电机，其特征在于，所述流体通道呈圆形、矩形、一字形或日字形。

7.如权利要求1所述的磁悬浮平面电机，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器与线圈固接，温度传感器的引出线和线圈的引出线通过线圈基座的引线通道、接线端子的引线入口、接线端子的引线出口引出与电源连接。

8.如权利要求1所述的磁悬浮平面电机，其特征在于，所述线圈为方形线圈。

9.如权利要求1所述的磁悬浮平面电机，其特征在于，一个或多个所述线圈模块含有K×L个线圈，一个线圈基座，所述K×L个线圈呈K列L行，其中K、L均为正整数，K、L不同时为1，且相邻两列构成朝向相反的V形阵列排布。

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