CN113422539B - 一种磁悬浮旋转运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体集成电路装备技术领域，公开一种磁悬浮旋转运动装置。其中磁悬浮旋转运动装置包括磁悬浮转子机构、磁悬浮定子机构和测量机构，磁悬浮转子机构包括同轴设置的姿态调整转子组件和旋转转子组件；磁悬浮定子机构包括同轴设置的姿态调整定子组件和旋转定子组件，姿态调整定子组件在竖直方向对应于姿态调整转子组件，姿态调整定子组件设置为能够驱动姿态调整转子组件进行悬浮姿态调整；旋转定子组件对应于旋转转子组件，旋转定子组件设置为能够驱动旋转转子组件进行悬浮旋转；测量机构设置为对磁悬浮转子机构进行悬浮状态测量和旋转状态测量。

Description

一种磁悬浮旋转运动装置

技术领域

本发明涉及半导体集成电路装备技术领域，尤其涉及一种磁悬浮旋转运动装置。

背景技术

磁悬浮技术具有非接触、无摩擦、无磨损等特点，在半导体集成电路装备领域内具有广阔的应用前景。在微动运动装置中，根据工艺需求硅片需要进行360°无限制连续旋转运动。目前主流的旋转技术方案主要通过力矩电机配合轴承来实现精密定位，而六自由度磁悬浮运动绝大多数只能实现小角度Rz运动。

例如，在专利CN106936337中，提出了一种磁悬浮平面旋转电机，电机有若干辐射状环形布置的扇形磁体及若干3n个空心扇形线圈组成，相邻3个线圈构成一个发力体，给该发力体通入相位相差pi/2的电流后，发力体输出Z向作用力和转矩。但里面存在一个问题，转矩实际是由X向作用力和Y向作用力构成的，这个自由度会与X、Y方向运动产生干涉，因此并不能完全实现六自由度运动和360°无限制连续旋转运动。

在美国专利US8288906中，也提出了一种磁悬浮旋转电机，电机采用四组电磁铁电机和DDR马达构成，四组电磁铁电机通过电磁吸力来保证动子的磁悬浮姿态，而DDR马达提供动子的无限制连续旋转运动。该专利可以实现完全六自由度运动和360°无限制连续旋转运动。存在的问题就是电磁铁电机控制复杂，具有非常强的迟滞特性。另外，磁悬浮姿态中水平运动和垂向运动存在较强的耦合作用，给控制也带来了较大的麻烦。

专利CN102710181中，提出了一种电磁驱动式磁悬浮旋转平台，外圈是电磁磁悬浮结构，内圈是电磁驱动结构，外圈电磁磁悬浮结构通过楞次定律在动子悬浮板上感应出感生磁场，在感生磁场与激励磁场的相互作用下从而产生悬浮，内圈的电磁驱动结构通过输出三相交流电，从而使动子产生旋转。存在的问题是磁悬浮的可控性较差，不能精密定位。

基于此，亟需一种磁悬浮旋转运动装置，以解决上述存在的问题。

发明内容

基于以上所述，本发明的目的在于提供一种磁悬浮旋转运动装置，既实现了磁悬浮转子机构六自由度磁悬浮运动及精准定位，同时还可以实现磁悬浮转子机构无限制连续旋转运动。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁悬浮旋转运动装置，包括：

磁悬浮转子机构，其包括同轴设置的姿态调整转子组件和旋转转子组件，所述姿态调整转子组件包括多个同轴设置且径向相邻的环形磁钢，所述旋转转子组件包括与所述姿态调整转子组件同轴且内外套设的环形的磁钢阵列；

磁悬浮定子机构，其包括与所述姿态调整转子组件同轴设置的姿态调整定子组件和旋转定子组件，所述姿态调整定子组件在竖直方向对应于所述姿态调整转子组件，所述姿态调整定子组件包括多组调整线圈，多组所述调整线圈设置为能够驱动所述姿态调整转子组件进行悬浮姿态调整；所述旋转定子组件对应于所述旋转转子组件，所述旋转定子组件包括与所述姿态调整定子组件同轴且内外套设的环形的线圈阵列，所述旋转定子组件设置为能够驱动所述旋转转子组件进行悬浮旋转；

测量机构，所述测量机构设置为对所述磁悬浮转子机构进行悬浮状态测量和旋转状态测量。

作为一种磁悬浮旋转运动装置的优选技术方案，所述旋转转子组件的所述磁钢阵列呈水平设置；

所述旋转定子组件的所述线圈阵列呈水平设置；所述旋转定子组件和所述旋转转子组件之间产生转矩和沿竖直方向的第一电磁力。

作为一种磁悬浮旋转运动装置的优选技术方案，所述磁钢阵列包括多个扇形磁钢和多个H磁钢，两两所述扇形磁钢之间设置所述H磁钢，多个所述扇形磁钢和多个所述H磁钢沿圆周方向拼接成所述磁钢阵列；

所述线圈阵列包括多个扇形线圈，多个所述扇形线圈沿圆周方向拼接成所述线圈阵列；

所述扇形磁钢、所述H磁钢和所述扇形线圈均水平设置。

作为一种磁悬浮旋转运动装置的优选技术方案，所述磁钢阵列包括多个竖直设置的动子磁钢，多个所述动子磁钢沿圆周方向间隔设置围成所述环形磁钢阵列；

所述线圈阵列包括多个竖直设置的定子线圈和水平设置的固定环，多个所述定子线圈沿圆周方向间隔设置围成所述线圈阵列，且多个所述定子线圈安装于所述固定环的内侧壁上；

所述线圈阵列沿水平方向环设于所述磁钢阵列的外侧。

作为一种磁悬浮旋转运动装置的优选技术方案，所述磁悬浮转子机构还包括转子承载板，所述转子承载板设置有第一安装部，所述姿态调整转子组件和所述旋转转子组件安装于所述第一安装部；

所述磁悬浮定子机构还包括定子承载板，所述定子承载板设置有第二安装部，所述姿态调整定子组件和旋转定子组件安装于所述第二安装部。

作为一种磁悬浮旋转运动装置的优选技术方案，所述姿态调整定子组件包括水平调整部件和垂向调整部件，所述水平调整部件对所述姿态调整转子组件产生沿水平方向的第二电磁力和沿竖直方向的磁浮力，所述垂向调整部件对所述姿态调整转子组件产生沿竖直方向的第三电磁力，以对所述姿态调整转子组件进行悬浮姿态调整。

作为一种磁悬浮旋转运动装置的优选技术方案，所述姿态调整转子组件包括2N+1个同轴设置且径向相邻的所述环形磁钢；

所述水平调整部件包括N个沿径向相邻设置的水平调整线圈和N个补偿磁钢，一个所述补偿磁钢对应一个所述水平调整线圈，所述补偿磁钢设置于所述水平调整线圈的中空处；N为正整数；

2N+1个所述环形磁钢沿径向从内往外依次分别沿竖直方向对应所述水平调整线圈的一个长边、所述补偿磁钢和所述水平调整线圈的另一个长边，且两两相邻所述水平调整线圈之间的相邻长边沿竖直方向对应于同一个所述环形磁钢；

所述垂向调整部件包括至少一个垂向调整线圈，且所述垂向调整线圈的两条长边沿竖直方向分别对应径向相邻的两个所述补偿磁钢对应的所述环形磁钢。

作为一种磁悬浮旋转运动装置的优选技术方案，N＝2时，所述姿态调整转子组件包括五个同轴设置的所述环形磁钢，且五个所述环形磁钢位于同一水平面上，由外到内分别为第一磁钢、第二磁钢、第三磁钢、第四磁钢和第五磁钢；

所述水平调整部件在竖直方向对应所述姿态调整转子组件，所述水平调整部件包括第一水平调整线圈、第二水平调整线圈和两个所述补偿磁钢，所述第一水平调整线圈和所述第二水平调整线圈沿径向相邻设置，所述第一水平调整线圈和所述第二水平调整线圈中空处均设置一个所述补偿磁钢，所述第一水平调整线圈和所述第二水平调整线圈相邻的长边在竖直方向对应所述第三磁钢，所述第一水平调整线圈和所述第二水平调整线圈相背离的长边分别在竖直方向对应所述第一磁钢和所述第五磁钢，所述第一水平调整线圈内的所述补偿磁钢在竖直方向对应所述第二磁钢，所述第二水平调整线圈内的所述补偿磁钢在竖直方向对应所述第四磁钢；

所述垂向调整部件在竖直方向对应所述姿态调整转子组件，所述垂向调整部件包括垂向调整线圈，所述垂向调整线圈的两个长边分别在竖直方向对应所述第二磁钢和所述第四磁钢。

作为一种磁悬浮旋转运动装置的优选技术方案，所述水平调整部件至少为两组，两组所述水平调整部件设置在同一水平面；

当所述水平调整部件为两组时，两组所述水平调整部件的中心点分别到所述磁悬浮旋转运动装置的中心轴的垂线不在同一直线上；

当所述水平调整部件大于两组时，多组所述水平调整部件环设于所述磁悬浮旋转运动装置的中心轴。

作为一种磁悬浮旋转运动装置的优选技术方案，所述水平调整部件为两组，两组所述水平调整部件的中心点分别到所述磁悬浮旋转运动装置的中心轴的垂线呈90°夹角。

作为一种磁悬浮旋转运动装置的优选技术方案，所述垂向调整部件至少为三组，至少三组所述垂向调整部件环设于所述磁悬浮旋转运动装置的中心轴。

作为一种磁悬浮旋转运动装置的优选技术方案，所述测量机构包括多个水平位移传感器、多个垂向位移传感器和旋转测量传感器；

多个所述水平位移传感器环设于所述定子承载板，所述水平位移传感器设置为能够测量所述磁悬浮转子机构的水平方向位移量；

多个所述垂向位移传感器均布在所述定子承载板的底壁上，所述垂向位移传感器设置为能够测量所述磁悬浮转子机构的垂直方向位移量；

所述旋转测量传感器包括第一测量器和第二测量器，所述第一测量器安装于所述转子承载板上，所述第二测量器安装于所述定子承载板上，所述旋转测量传感器设置为能够测量所述磁悬浮转子机构相对所述磁悬浮定子机构的旋转位置。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种磁悬浮旋转运动装置，工作时，姿态调整定子组件的多组调整线圈驱动姿态调整转子组件的环形磁钢进行悬浮姿态调整，形成磁悬浮姿态调整系统；旋转定子组件的线圈阵列驱动旋转转子组件的磁钢阵列进行旋转，形成磁悬浮旋转系统；测量机构对磁悬浮转子机构进行悬浮状态测量和旋转状态测量，形成测量系统。磁悬浮旋转运动装置的磁悬浮姿态调整系统、磁悬浮旋转系统和测量系统，相互独立，运动互不干扰，且独立可控，控制简单。本发明既实现了磁悬浮转子机构六自由度磁悬浮运动及精准定位，同时还可以实现磁悬浮转子机构无限制连续旋转运动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的磁悬浮旋转运动装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的磁悬浮旋转运动装置的结构爆炸图；

图3是本发明实施例一提供的磁悬浮旋转运动装置的部分结构俯视图；

图4是本发明实施例一提供的磁悬浮旋转运动装置的剖视图；

图5是本发明实施例一提供的磁悬浮旋转运动装置的姿态调整转子组件和水平调整部件的磁钢方向和线圈电流方向示意图；

图6是本发明实施例一提供的磁悬浮旋转运动装置的姿态调整转子组件和垂向调整部件的磁钢方向和线圈电流方向示意图；

图7是本发明实施例一提供的磁悬浮旋转运动装置的磁悬浮定子机构产生的力的示意图；

图8是本发明实施例二提供的磁悬浮旋转运动装置的结构爆炸图。

图中标记如下：

1、磁悬浮转子机构；11、转子承载板；111、第一环形凸台；112、第三环形凸台；12、姿态调整转子组件；121、第一磁钢；122、第二磁钢；123、第三磁钢；124、第四磁钢；125、第五磁钢；13、旋转转子组件；131、扇形磁钢；132、H磁钢；133、动子磁钢；

2、磁悬浮定子机构；21、姿态调整定子组件；211、水平调整部件；2111、第一水平调整线圈；2112、第二水平调整线圈；2113、补偿磁钢；212、垂向调整部件；2121、垂向调整线圈；22、旋转定子组件；221、扇形线圈；222、定子线圈；223、固定环；23、定子承载板；231、第二环形凸台；

3、测量机构；31、水平位移传感器；32、垂向位移传感器；33、旋转测量传感器；331、第一测量器；332、第二测量器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。本文中“X向”、“X方向”、“X轴方向”和“Y向”、“Y方向”、“Y轴方向”表示沿水平方向彼此正交的方向，“Z向”、“Z方向”和“Z轴方向”表示竖直方向。

实施例一

磁悬浮技术具有非接触、无摩擦、无磨损等特点，在半导体集成电路装备领域内具有广阔的应用前景。在微动运动装置中，根据工艺需求硅片需要进行360°无限制连续旋转运动。目前主流的旋转技术方案主要通过力矩电机配合轴承来实现精密定位，而六自由度磁悬浮运动绝大多数只能实现小角度Rz运动。

为解决上述问题，如图1-图7所示，本实施例提供一种磁悬浮旋转运动装置，该磁悬浮旋转运动装置包括磁悬浮转子机构1、磁悬浮定子机构2和测量机构3，磁悬浮转子机构1包括同轴设置的姿态调整转子组件12和旋转转子组件13，磁悬浮定子机构2包括与姿态调整转子组件12同轴设置的姿态调整定子组件21和旋转定子组件22。

具体地，如图1-图3所示，姿态调整转子组件12包括多个同轴设置且径向相邻的环形磁钢，旋转转子组件13包括与姿态调整转子组件12同轴且内外套设的环形的磁钢阵列；姿态调整定子组件21在竖直方向对应于姿态调整转子组件12，形成磁悬浮姿态调整系统，姿态调整定子组件21包括多组调整线圈，多组调整线圈设置为能够驱动姿态调整转子组件12进行悬浮姿态调整，此处的悬浮姿态调整指的是对姿态调整转子组件12的悬浮提供悬浮力，以及对姿态调整转子组件12的X、Y、Z、R_X、R_Y五个自由度调整提供力或者转矩；旋转定子组件22对应于旋转转子组件13，形成磁悬浮旋转系统，旋转定子组件22包括与姿态调整定子组件21同轴且内外套设的环形的线圈阵列，旋转定子组件22设置为能够驱动旋转转子组件13进行悬浮旋转；测量机构3设置为对磁悬浮转子机构1进行悬浮状态测量和旋转状态测量。本实施例中，磁悬浮转子机构1位于磁悬浮定子机构2的上方，即姿态调整转子组件12和旋转转子组件13分别位于姿态调整定子组件21和旋转定子组件22的上方。在其他实施例中，磁悬浮转子机构1也可位于磁悬浮定子机构2的下方。

本实施例中，该磁悬浮旋转运动装置整体呈扁平的圆柱状，外圈为磁悬浮姿态调整系统，内圈为磁悬浮旋转系统，即姿态调整定子组件21和对应的姿态调整转子组件12径向间隔且分别套设在旋转定子组件22和旋转转子组件13外周，从而减小磁悬浮旋转运动装置沿Z向的整体尺寸；当然，在其他实施例中，也可以内圈为磁悬浮姿态调整系统，外圈为磁悬浮旋转系统，相较于该实施方式，本实施例的外圈为磁悬浮姿态调整系统，内圈为磁悬浮旋转系统的设置，有助于提高空间利用率，同时此种布置方式，提高了姿态调整转子组件12和姿态调整定子组件21之间以及旋转转子组件13和旋转定子组件22之间的作用力大小。此外，本实施例的磁悬浮旋转运动装置可以实现悬浮运动，磁悬浮转子机构1和磁悬浮定子机构2之间无线缆连接，二者无接触，可以实现完全的六自由度运动以及360°的旋转运动。

工作时，姿态调整定子组件21的多组线圈驱动姿态调整转子组件12的环形磁钢进行悬浮姿态调整，即姿态调整定子组件21驱动姿态调整转子组件12在悬浮状态下能沿X、Y、Z、R_X、R_Y五个自由度调整，从而带动整个磁悬浮转子机构1在悬浮状态下能沿X、Y、Z、R_X、R_Y五个自由度调整；旋转定子组件22的环形的线圈阵列驱动旋转转子组件13的环形磁钢阵列进行旋转，即旋转定子组件22驱动旋转转子组件13在悬浮状态下的Rz的自由度，从而带动整个磁悬浮转子机构1在悬浮状态下Rz的自由度方向运动，同时，旋转定子组件22还可以对旋转转子组件13的悬浮提供补偿力。测量机构3对磁悬浮转子机构1的悬浮状态测量和旋转状态测量。该磁悬浮旋转运动装置的磁悬浮姿态调整系统、磁悬浮旋转系统和测量系统，相互独立，运动互不干扰，且独立可控，控制简单。本实施例既实现了磁悬浮转子机构1的六自由度磁悬浮运动及精准定位，提高了磁悬浮转子机构1的可控性，同时还可以实现磁悬浮转子机构1无限制连续旋转运动。

具体地，姿态调整定子组件21包括水平调整部件211和垂向调整部件212，水平调整部件211对姿态调整转子组件12产生沿水平方向的第二电磁力和沿竖直方向的磁浮力，垂向调整部件212对姿态调整转子组件12产生沿竖直方向的第三电磁力，以对姿态调整转子组件12进行悬浮姿态调整。

优选地，如图2-图4所示，姿态调整转子组件12包括2N+1个同轴设置的且径向相邻的环形磁钢；水平调整部件211包括N个沿径向相邻设置的水平调整线圈和N个补偿磁钢2113，其中，一个补偿磁钢2113对应一个水平调整线圈，且补偿磁钢2113设置于水平调整线圈的中空处；N为正整数；环形磁钢沿竖直方向依次对应于水平调整线圈的一个长边、磁钢和水平调整线圈的另一个长边，且两两相邻水平调整线圈之间的相邻长边沿竖直方向对应于同一个环形磁钢；垂向调整部件212包括至少一个垂向调整线圈2121，且垂向调整线圈2121的两条长边沿竖直方向分别对应径向相邻的两个补偿磁钢2113对应的环形磁钢。

本实施例中，N＝2，姿态调整转子组件12包括五个同轴设置的环形磁钢，且五个环形磁钢位于同一水平面上，由外到内分别为第一磁钢121、第二磁钢122、第三磁钢123、第四磁钢124和第五磁钢125；水平调整部件211设置于姿态调整转子组件12的下方，水平调整部件211包括第一水平调整线圈2111、第二水平调整线圈2112和补偿磁钢2113，第一水平调整线圈2111和第二水平调整线圈2112沿径向相邻设置，第一水平调整线圈2111和第二水平调整线圈2112的中空处均设置一个补偿磁钢2113，第一水平调整线圈2111和第二水平调整线圈2112相邻的长边在竖直方向对应第三磁钢123，第一水平调整线圈2111和第二水平调整线圈2112相背离的长边分别在竖直方向对应第一磁钢121和第五磁钢125，第一水平调整线圈2111内的补偿磁钢2113沿竖直方向对应第二磁钢122，第二水平调整线圈2112内的补偿磁钢2113沿竖直方向对应第四磁钢124；垂向调整部件212设置于姿态调整转子组件12的下方，垂向调整部件212包括呈跑道型的垂向调整线圈2121，垂向调整线圈2121的两个长边分别在竖直方向对应第二磁钢122和第四磁钢124。本实施例中，第一磁钢121、第二磁钢122、第四磁钢124、第五磁钢125、第一水平调整线圈2111的两个长边、第二水平调整线圈2112的两个长边、垂向调整线圈2121和补偿磁钢2113沿竖直方向的投影宽度均相同，第三磁钢123沿竖直方向的投影宽度等于水平调整线圈的长边沿竖直方向的投影宽度的二倍。

优选地，第一水平调整线圈2111和第二水平调整线圈2112均呈跑道型，外侧的第一水平调整线圈2111比第二水平调整线圈2112的长度增加，以增加第二电磁力的调节范围。本实施例中，补偿磁钢2113设置在第一水平调整线圈2111和第二水平调整线圈2112的跑道型的中空处，减少了水平调整部件211的体积，节省空间。在其他实施例中，补偿磁钢2113不限于设置在第一水平调整线圈2111和第二水平调整线圈2112的跑道型的中空处，也可以设置在第二磁钢122和第四磁钢124上方的任一位置。

其中，如图3-图6所示，第一磁钢121和第三磁钢123的充磁方向相反，第一磁钢121的充磁方向为竖直向上，第二磁钢122和第四磁钢124的充磁方向相反，第四磁钢124的充磁方向为径向向内，第五磁钢125的充磁方向与第一磁钢121的充磁方向相同；第一水平调整线圈2111和第二水平调整线圈2112的相邻长边的电流方向相同，均为垂直于纸面向里，第一水平调整线圈2111和第二水平调整线圈2112的相背离的长边的电流方向相同，均为垂直于纸面向外，第一水平调整线圈2111内的补偿磁钢2113的充磁方向与第二磁钢122的充磁方向相同，第二水平调整线圈2112内的补偿磁钢2113的充磁方向与第四磁钢124的充磁方向相同，垂向调整线圈2121对应第二磁钢122的电流方向为垂直于纸面向外，垂向调整线圈2121对应第四磁钢124的电流方向为垂直于纸面向里。第一磁钢121、第二磁钢122、第三磁钢123、第四磁钢124、第五磁钢125组成的姿态调整转子组件12，构成了磁悬浮姿态调整系统的永磁磁场。需要说明的是，线圈的电流方向以及磁钢和环形磁钢的充磁方向的设置均为本领域技术人员常规技术手段，在其他实施例中，线圈的电流方向以及磁钢和环形磁钢的充磁方向也可根据现场需求进行适应性调整。

需要说明的是，水平调整部件211至少为两组，两组水平调整部件211设置在同一水平面；当水平调整部件211为两组时，两组水平调整部件211的中心点分别到磁悬浮旋转运动装置的中心轴的垂线不在同一直线上，当水平调整部件211大于两组时，多组水平调整部件211环设于磁悬浮旋转运动装置的中心轴。优选地，水平调整部件211为两组时，两组水平调整部件211的中心点分别到磁悬浮旋转运动装置的中心轴的垂线呈90°夹角，有利于水平调整部件211对姿态调整转子组件12进行水平方向的姿态调整。垂向调整部件212至少为三组，至少三组垂向调整部件212环设于磁悬浮旋转运动装置的中心轴。本实施例中，如图3所示，水平调整部件211和垂向调整部件212均为三组，水平调整部件211和垂向调整部件212交错排列，且沿磁悬浮旋转运动装置的中心轴的径向间隔且均匀设置，提高对磁悬浮转子机构1的可控性。

工作时，根据洛伦兹力电机的出力原理，电机的出力点在第一水平调整线圈2111、第二水平调整线圈2112和垂向调整线圈2121上。在磁悬浮姿态调整系统中，在姿态调整转子组件12的下方设置第一水平调整线圈2111和第二水平调整线圈2112，在洛伦兹电磁驱动下，第一水平调整线圈2111和第二水平调整线圈2112与姿态调整转子组件12的永磁磁场相互作用对姿态调整转子组件12产生水平方向的第二电磁力；在姿态调整转子组件12的下方设置补偿磁钢2113，每组水平调整部件211内的补偿磁钢2113与姿态调整转子组件12的永磁磁场相互作用对姿态调整转子组件12产生沿竖直方向的恒定的磁浮力，补偿磁钢2113为磁悬浮转子机构1提供恒定的重力补偿。在姿态调整转子组件12的下方设置垂向调整线圈2121，垂向调整线圈2121与姿态调整转子组件12的永磁磁场相互作用对姿态调整转子组件12产生竖直方向的第三电磁力。

如图3、图5和图7所示，每组水平调整部件211的第一水平调整线圈2111和第二水平调整线圈2112分别串联或并联在一起，出力点在每组水平调整部件211的第一水平调整线圈2111和第二水平调整线圈2112的整体中心点，三组水平调整部件211对姿态调整转子组件12产生沿水平方向的第二电磁力分别为F₁、F₂和F₃。每组垂向调整部件212的垂向调整线圈2121的出力点也在每组垂向调整部件212的垂向调整线圈2121的中心点，三组垂向调整部件212对姿态调整转子组件12产生沿竖直方向的第三电磁力分别为F_z1、F_z2和F_z3。根据六自由度磁悬浮原理，当F₁与F₂和F₃出力方向不同时(如图7所示，此处F₁与F₂和F₃出力方向相同是指F₁与F₂和F₃出力方向均为径向向内或者径向向外，否则，F₁与F₂和F₃出力方向不同)，该磁悬浮旋转运动装置实现X方向运动；当F₂和F₃出力方向不同，F₁不出力时，该磁悬浮旋转运动装置实现Y方向的运动；当F_Z1、F_Z2和F_Z3出力方向相同时(如图7所示，此处F_Z1、F_Z2和F_Z3出力方向相同是指F_Z1、F_Z2和F_Z3出力方向均为竖直向上或竖直向下，否则，F_Z1、F_Z2和F_Z3出力方向不同)，该磁悬浮旋转运动装置实现Z方向运动；当F_Z1和F_Z3出力方向不同，F_Z2不出力时，该磁悬浮旋转运动装置实现Rx方向运动；当F_Z2与F_Z1和F_Z3出力方向不同时，运动装置实现Ry方向运动；由此，F₁、F₂、F₃、F_Z1、F_Z2、F_Z3以及补偿磁钢2113产生的磁浮力共同实现除Rz自由度之外的其他5个自由度的磁悬浮姿态调整系统，以对磁悬浮旋转运动装置进行悬浮姿态调整。

进一步具体地，如图2所示，旋转转子组件13的磁钢阵列呈水平设置；旋转定子组件22的线圈阵列呈水平设置；旋转定子组件22和旋转转子组件13之间产生转矩和沿竖直方向的第一电磁力，转矩实现旋转转子组件13的转动。

本实施例中，磁钢阵列包括多个扇形磁钢131和多个H磁钢132，两两扇形磁钢131之间设置H磁钢132，多个扇形磁钢131和多个H磁钢132沿圆周方向拼接成环形的磁钢阵列。线圈阵列包括多个扇形线圈221，多个扇形线圈221沿圆周方向拼接成环形的线圈阵列；扇形磁钢131、H磁钢132和扇形线圈221均水平设置。线圈阵列沿径向分为至少三个区域，如图1、图3和图7所示，本实施例中将线圈阵列划分为SR1、SR2、SR3和SR4四个区域，每个区域包括三个扇形线圈221，该三个扇形线圈221组成三相线圈，以使每个区域构成一个发力体，每个发力体为磁钢阵列提供转矩和第一电磁力。

SR1、SR2、SR3和SR4四个区域产生的第一电磁力分别为F_Z5、F_Z6、F_Z7、F_Z8，四个第一电磁力可以为磁悬浮转子机构1提供Z向、Rx和Ry方向的控制，第一电磁力、第二电磁力、第三电磁力和磁浮力相互配合，有利于对磁悬浮转子机构1进行悬浮姿态调整，提高了对磁悬浮转子机构1的可控性，实现了磁悬浮转子机构1运动过程中的精密定位，实现了磁悬浮转子机构1磁悬浮六自由度的控制和360°无限制连续旋转运动。

进一步地，磁悬浮转子机构1还包括转子承载板11，本实施例中，转子承载板11为圆盘状，其下表面设有第一安装部，该第一安装部为第一凹槽，姿态调整转子组件12和旋转转子组件13安装于该第一凹槽内。具体地，姿态调整转子组件12和旋转转子组件13同轴设置且位于同一水平面，姿态调整转子组件12的五个同轴设置的环形磁钢环设于旋转转子组件13的环形的磁钢阵列外侧，且姿态调整转子组件12和旋转转子组件13均可通过粘结方式或其他方式安装于第一凹槽内。

如图2和图4所示，本实施例中，磁悬浮定子机构2还包括定子承载板23，定子承载板23设置为与转子承载板11对应的圆盘状，其上表面设有第二安装部，该第二安装部为第二凹槽，姿态调整定子组件21和旋转定子组件22安装于该第二凹槽内。具体地，姿态调整定子组件21和旋转定子组件22同轴设置且位于同一水平面，姿态调整定子组件21的水平调整部件211和垂向调整部件212环设于旋转定子组件22的环形的磁钢阵列外侧，且姿态调整定子组件21和旋转定子组件22均可以通过环氧树脂整体灌封或其他方式安装于第二凹槽内，本实施例实现了减小磁悬浮旋转运动装置沿Z向的整体尺寸。

进一步地，如图2和图4所示，测量机构3包括多个水平位移传感器31、多个垂向位移传感器32和旋转测量传感器33；多个水平位移传感器31环设于定子承载板23的周边，水平位移传感器31设置为能够测量磁悬浮转子机构1的水平方向位移量；多个垂向位移传感器32均布在定子承载板23的底壁(即图2所示的定子承载板23的上表面)上，垂向位移传感器32设置为能够测量磁悬浮转子机构1的垂直方向位移量；旋转测量传感器33包括第一测量器331和第二测量器332，第一测量器331安装于转子承载板11上，第二测量器332安装于定子承载板23上，旋转测量传感器33设置为能够测量磁悬浮转子机构1相对磁悬浮定子机构2的旋转位置。磁悬浮姿态调整系统和磁悬浮旋转系统在测量机构3的反馈下，为磁悬浮旋转运动装置提供高精度的姿态位置保持及高精度的旋转运动定位。

具体地，转子承载板11的第一凹槽内设置有第一环形凸台111，第一测量器331安装于第一环形凸台111上，定子承载板23设置有第二环形凸台231，第二测量器332安装于第二环形凸台231上。水平位移传感器31为四个，测量磁悬浮转子机构1在水平方向的位移。垂向位移传感器32为四个，测量磁悬浮转子机构1在Z方向的位移，另外，通过两两垂向位移传感器32测量的数据可以分析测量磁悬浮转子机构1在Rx、Ry方向的偏转。旋转测量传感器33优选为圆光栅传感器、磁栅传感器等，以提高测量精度。在本实施例中，第一测量器331和第二测量器332均安装于旋转转子组件13和旋转定子组件22的内侧，有效利用了装置内部空间，相较于其他的布置方式，本实施例的布置方式更加紧凑，有助于减小磁悬浮旋转运动装置的直径，且有利于磁悬浮旋转运动装置的扁平化设计。

实施例二

本实施例提供了一种磁悬浮旋转运动装置，包括磁悬浮转子机构1和磁悬浮定子机构2，且本实施例提供的磁悬浮旋转运动装置的结构与实施例一基本相同，仅旋转转子组件13、旋转定子组件22和转子承载板11的结构存在部分差异，本实施例不再对与实施例一相同的结构进行赘述。

本实施例中，如图8所示，旋转转子组件13的磁钢阵列包括多个竖直设置的动子磁钢133，该多个动子磁钢133沿圆周方向间隔设置围成环形的磁钢阵列；旋转定子组件22的线圈阵列包括多个竖直设置的定子线圈222(每三个定子线圈222组成一个三相线圈，其原理与实施例一中的扇形线圈221相同，此处不进行赘述。)和水平设置的固定环223，多个定子线圈222沿圆周方向间隔设置围成环形的线圈阵列，且多个定子线圈222安装于固定环223的内侧壁上，线圈阵列沿水平方向环设于磁钢阵列的外侧。旋转定子组件22和动子磁钢133均设置于姿态调整定子组件21的下方，转子承载板11为圆环状，其下表面设有第一安装部，该第一安装部包括第一安装面和第三环形凸台112，该第三环形凸台112为中空结构，旋转转子组件13的动子磁钢133安装于该第三环形凸台112的侧壁上，姿态调整转子组件12粘结于第一安装面上，旋转定子组件22环设于旋转转子组件13的动子磁钢133的外侧，旋转定子组件22的定子线圈222与旋转转子组件13的动子磁钢133位于同一水平面内，旋转定子组件22为旋转转子组件13提供转矩。需要说明的是。本实施例中，定子承载板(图中未示出)也为圆环状，具有中空结构，定子承载板的上表面设置有环形凹槽，旋转定子组件22和姿态调整定子组件21均通过环氧树脂灌装于环形凹槽内。本实施例中，旋转转子组件13和旋转定子组件22结构简单，磁悬浮旋转系统采用大中空力矩电机形式，内部中空腔室的容积大，满足多种类型待承载物的组装。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种磁悬浮旋转运动装置，其特征在于，包括：

磁悬浮转子机构(1)，其包括同轴设置的姿态调整转子组件(12)和旋转转子组件(13)，所述姿态调整转子组件(12)包括多个同轴设置且径向相邻的环形磁钢，所述旋转转子组件(13)包括与所述姿态调整转子组件(12)同轴且内外套设的环形的磁钢阵列；

磁悬浮定子机构(2)，其包括与所述姿态调整转子组件(12)同轴设置的姿态调整定子组件(21)和旋转定子组件(22)，所述姿态调整定子组件(21)在竖直方向对应于所述姿态调整转子组件(12)，所述姿态调整定子组件(21)包括多组调整线圈，多组所述调整线圈设置为能够驱动所述姿态调整转子组件(12)进行悬浮姿态调整；所述旋转定子组件(22)对应于所述旋转转子组件(13)，所述旋转定子组件(22)包括与所述姿态调整定子组件(21)同轴且内外套设的环形的线圈阵列，所述旋转定子组件(22)设置为能够驱动所述旋转转子组件(13)进行悬浮旋转；

测量机构(3)，所述测量机构(3)设置为对所述磁悬浮转子机构(1)进行悬浮状态测量和旋转状态测量；

所述姿态调整定子组件(21)包括水平调整部件(211)和垂向调整部件(212)，所述水平调整部件(211)对所述姿态调整转子组件(12)产生沿水平方向的第二电磁力和沿竖直方向的磁浮力，所述垂向调整部件(212)对所述姿态调整转子组件(12)产生沿竖直方向的第三电磁力，以对所述姿态调整转子组件(12)进行悬浮姿态调整；

所述水平调整部件(211)包括N个沿径向相邻设置的水平调整线圈和N个补偿磁钢(2113)，一个所述补偿磁钢(2113)对应一个所述水平调整线圈，所述补偿磁钢(2113)设置于所述水平调整线圈的中空处；N为正整数。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮旋转运动装置，其特征在于，所述旋转转子组件(13)的所述磁钢阵列呈水平设置；

所述旋转定子组件(22)的所述线圈阵列呈水平设置；

所述旋转定子组件(22)和所述旋转转子组件(13)之间产生转矩和沿竖直方向的第一电磁力。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮旋转运动装置，其特征在于，所述磁钢阵列包括多个扇形磁钢(131)和多个H磁钢(132)，两两所述扇形磁钢(131)之间设置所述H磁钢(132)，多个所述扇形磁钢(131)和多个所述H磁钢(132)沿圆周方向拼接成所述磁钢阵列；

所述线圈阵列包括多个扇形线圈(221)，多个所述扇形线圈(221)沿圆周方向拼接成所述线圈阵列；

所述扇形磁钢(131)、所述H磁钢(132)和所述扇形线圈(221)均水平设置。

4.根据权利要求2所述的磁悬浮旋转运动装置，其特征在于，所述磁钢阵列包括多个竖直设置的动子磁钢(133)，多个所述动子磁钢(133)沿圆周方向间隔设置围成所述磁钢阵列；

所述线圈阵列包括多个竖直设置的定子线圈(222)和水平设置的固定环(223)，多个所述定子线圈(222)沿圆周方向间隔设置围成所述线圈阵列，且多个所述定子线圈(222)安装于所述固定环(223)的内侧壁上；

所述线圈阵列沿水平方向环设于所述磁钢阵列的外侧。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮旋转运动装置，其特征在于，所述磁悬浮转子机构(1)还包括转子承载板(11)，所述转子承载板(11)设置有第一安装部，所述姿态调整转子组件(12)和所述旋转转子组件(13)安装于所述第一安装部；

所述磁悬浮定子机构(2)还包括定子承载板(23)，所述定子承载板(23)设置有第二安装部，所述姿态调整定子组件(21)和所述旋转定子组件(22)安装于所述第二安装部。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮旋转运动装置，其特征在于，所述姿态调整转子组件(12)包括2N+1个同轴设置且径向相邻的所述环形磁钢；

2N+1个所述环形磁钢沿径向从内往外依次分别沿竖直方向对应所述水平调整线圈的一个长边、所述补偿磁钢(2113)和所述水平调整线圈的另一个长边，且两两相邻所述水平调整线圈之间的相邻长边沿竖直方向对应于同一个所述环形磁钢；

所述垂向调整部件(212)包括至少一个垂向调整线圈(2121)，且所述垂向调整线圈(2121)的两条长边沿竖直方向分别对应径向相邻的两个所述补偿磁钢(2113)对应的所述环形磁钢。

7.根据权利要求6所述的磁悬浮旋转运动装置，其特征在于，N＝2时，所述姿态调整转子组件(12)包括五个同轴设置的所述环形磁钢，且五个所述环形磁钢位于同一水平面上，由外到内分别为第一磁钢(121)、第二磁钢(122)、第三磁钢(123)、第四磁钢(124)和第五磁钢(125)；

所述水平调整部件(211)在竖直方向对应所述姿态调整转子组件(12)，所述水平调整部件(211)包括第一水平调整线圈(2111)、第二水平调整线圈(2112)和两个所述补偿磁钢(2113)，所述第一水平调整线圈(2111)和所述第二水平调整线圈(2112)沿径向相邻设置，所述第一水平调整线圈(2111)和所述第二水平调整线圈(2112)中空处均设置一个所述补偿磁钢(2113)，所述第一水平调整线圈(2111)和所述第二水平调整线圈(2112)相邻的长边在竖直方向对应所述第三磁钢(123)，所述第一水平调整线圈(2111)和所述第二水平调整线圈(2112)相背离的长边分别在竖直方向对应所述第一磁钢(121)和所述第五磁钢(125)，所述第一水平调整线圈(2111)内的所述补偿磁钢(2113)在竖直方向对应所述第二磁钢(122)，所述第二水平调整线圈(2112)内的所述补偿磁钢(2113)在竖直方向对应所述第四磁钢(124)；

所述垂向调整部件(212)在竖直方向对应所述姿态调整转子组件(12)，所述垂向调整部件(212)包括垂向调整线圈(2121)，所述垂向调整线圈(2121)的两个长边分别在竖直方向对应所述第二磁钢(122)和所述第四磁钢(124)。

8.根据权利要求1所述的磁悬浮旋转运动装置，其特征在于，所述水平调整部件(211)至少为两组，两组所述水平调整部件(211)设置在同一水平面；

当所述水平调整部件(211)为两组时，两组所述水平调整部件(211)的中心点分别到所述磁悬浮旋转运动装置的中心轴的垂线不在同一直线上；

当所述水平调整部件(211)大于两组时，多组所述水平调整部件(211)环设于所述磁悬浮旋转运动装置的中心轴。

9.根据权利要求8所述的磁悬浮旋转运动装置，其特征在于，所述水平调整部件(211)为两组，两组所述水平调整部件(211)的中心点分别到所述磁悬浮旋转运动装置的中心轴的垂线呈90°夹角。

10.根据权利要求1所述的磁悬浮旋转运动装置，其特征在于，所述垂向调整部件(212)至少为三组，至少三组所述垂向调整部件(212)环设于所述磁悬浮旋转运动装置的中心轴。

11.根据权利要求5所述的磁悬浮旋转运动装置，其特征在于，所述测量机构(3)包括多个水平位移传感器(31)、多个垂向位移传感器(32)和旋转测量传感器(33)；

多个所述水平位移传感器(31)环设于所述定子承载板(23)，所述水平位移传感器(31)设置为能够测量所述磁悬浮转子机构(1)的水平方向位移量；

多个所述垂向位移传感器(32)均布在所述定子承载板(23)的底壁上，所述垂向位移传感器(32)设置为能够测量所述磁悬浮转子机构(1)的垂直方向位移量；

所述旋转测量传感器(33)包括第一测量器(331)和第二测量器(332)，所述第一测量器(331)安装于所述转子承载板(11)上，所述第二测量器(332)安装于所述定子承载板(23)上，所述旋转测量传感器(33)设置为能够测量所述磁悬浮转子机构(1)相对所述磁悬浮定子机构(2)的旋转位置。

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