CN114825854A - 一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台 - Google Patents

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陈福祥
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Abstract

本发明公开了一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，属于平面电机技术领域，其包括定子和动子，定子中垂向磁化永磁体和水平向磁化永磁体按照Halbach方式排列；动子位于定子上方气隙磁场的加强侧。动子采用不等高的双层线圈绕组，上层第一绕组高度小于下层第二绕组。每层绕组均能产生六个方向的驱动力，实现六自由度驱动。在变速运动阶段，通过下层第二绕组产生较大的驱动力实现高加速度、低精度运动控制；在匀速直线运动阶段，通过上层第一绕组产生精度较高、波动较小的驱动力来实现匀速运动。本发明能够降低运动过程中的出力波动，提高运动精度，工作台平稳性好、跟踪误差小、定位精度高。

Description

一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台
技术领域
本发明属于平面电机技术领域，更具体地，涉及一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台。
背景技术
随着以集成电路、微机电系统、空间光学元件等为代表的纳米精度加工装备技术的发展，对运动平台的行程、加速度、定位精度都提出了更高的要求。光刻机作为IC制造过程中的关键设备，集成了光、电、磁、热等多种前沿技术，其中磁悬浮平面电机作为下一代光刻机的核心部件，可在长行程上实现精密运控控制。
在半导体制造领域，传统的超精密工作台通常使用宏微驱动的方式，传统的多自由度运动平台通常采用多种作动器，例如气浮、滚珠丝杠、直线电机、压电陶瓷和柔性铰链等叠加而成。在加工组装阶段，由于制造公差和装配误差的存在，不可避免的对运动特性造成影响，同时在工作阶段需要通气、存在摩擦阻尼的原因，使用范围受到了极大限制，并且通常存在结构复杂的缺点。例如在专利【一种二自由度高精度大行程气浮工件台，CN103592824B】中虽然实现大行程运动和高精度定位，但是其需要平整度较高大理石作为气浮导轨，直线电机来提供两个自由度的运动。而磁悬浮平面电机利用洛伦兹力即可实现六自由度运动控制目标，其结构简单，集成度较高，具有真空兼容性、摩擦力小、无需润滑和行程大的特点，成为重点研究的方向。
磁悬浮平面电机利用通电导体从磁场中产生的洛伦兹力提供驱动力和驱动力矩，因此为了实现高加速度、高速度的精密运动控制，对其驱动力的波动范围提出了较高的要求。例如专利【一种永磁同步磁悬浮平面电机，CN102097982B】对永磁阵列进行了优化设计，其永磁体有多种形状和不同的磁化方向，但在实际加工过程中异型永磁体的加工难度较大，对粘贴工艺提出了较高要求，不容易产生正弦特性好的磁场分布，且在运动过程中的出力波动大，导致平稳性差、跟踪误差大、定位精度低的问题。
因此，如何降低磁悬浮平面电机运动过程中的出力波动，提高运动控制精度，成为本领域的技术难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其目的在于，通过动子中上下不等高双层绕组及定子中二维排列的永磁阵列设计，降低磁悬浮平面电机运动过程中的出力波动，提高运动精度，由此解决现有磁悬浮平面电机运动过程中出力波动大的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，所述工作台包括定子和动子，
所述定子包括基座，以及按照Halbach排列方式布置在所述基座的凹槽内的多个垂向磁化永磁体和多个水平向磁化永磁体；
所述动子位于所述定子产生的磁场的加强侧；所述动子包括第一绕组和叠放于所述第一绕组上面的第二绕组，所述第一绕组的高度小于所述第二绕组的高度；所述第一绕组和所述第二绕组均包含多个通电后能够产生两个方向驱动力的线圈，以使所述第一绕组和所述第二绕组各自具有六自由度驱动力和驱动力矩；所述动子的四周轮廓形状为正方形或近似正方形。该近似正方形意味着能够容纳动子的四周轮廓的最小长方形的长宽比的范围为[0.9,1.1]。
优选地，所述第一绕组和所述第二绕组的高度比的范围为[0.2,0.6]。
优选地，所述第一绕组包括2行*2列排列的四组第一单相绕组，所述第一单相绕组包括a个等间距平行排列的矩形线圈，每相邻两组第一单相绕组的矩形线圈长边相互垂直；
所述第二绕组与所述第一绕组的结构相同、仅高度不同，所述第一绕组中的矩形线圈与所述第二绕组中的矩形线圈一一对应上下叠放，其中上下矩形线圈的长边对齐、短边对齐，使上下矩形线圈完全对齐。
优选地，所述第一绕组包括三组第二单相绕组，所述第二单相绕组包括b个依次按照阶梯状叠放的矩形线圈，其中一组所述第二单相绕组平放在中部，另两组所述第二单相绕组分别垂直放置于中部第二单相绕组的左上侧和右下侧阶梯处，其与中部第二单相绕组阶梯连接处相互贴合；
所述第二绕组与所述第一绕组的结构相同、高度不同，所述第一绕组绕自身中心逆时针旋转90°即为所述第二绕组的方位。
优选地，所述第一绕组包括c行、每行d个矩形线圈，每一行内相邻矩形线圈短边相接，相邻行左右交错布置；
所述第二绕组与所述第一绕组的结构相同、高度不同，所述第一绕组中矩形线圈长边与所述第二绕组中矩形线圈长边相互垂直。
优选地，所述第一绕组和所述第二绕组中的矩形线圈的长边均与所述垂向磁化永磁体的直角边呈45°±1°角。
优选地，所述第一绕组和所述第二绕组均包括e行*e列个圆形线圈，所述第一绕组和所述第二绕组中的圆形线圈一一对应上下同心圆叠放。
优选地，所述第一单相绕组中，矩形线圈的长边为四倍极距，相邻矩形线圈中心距离为4/3倍极距。
优选地，所述工作台还包括真空罩，所述动子设置于所述真空罩内部。
优选地，所述垂向磁化永磁体为正方形，所述水平向磁化永磁体为长方形。
上述a、b、c、d、e均为大于1的正整数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，定子由多个垂向磁化永磁体和多个水平向磁化永磁体按照Halbach方式排列，构成永磁阵列结构，使得永磁体上方磁场增强，下方磁场衰弱，动子位于定子上方气隙磁场的加强侧。动子采用不等高的双层线圈绕组即第一绕组和第二绕组，第一绕组位于第二绕组上方且高度小于第二绕组。第一绕组和第二绕组均包含多个通电后具有两个方向驱动力的线圈，每个线圈可以产生两个方向的驱动力。第一绕组和第二绕组通电后通过电流解耦后，与定子永磁阵列产生的气隙磁场相互作用，均能各自产生六个方向的驱动力和驱动力矩可进而实现六自由度驱动。在变速运动阶段，下层第二绕组产生较大的驱动力来实现加速、减速运动，实现高加速度、低精度运动控制；在匀速直线运动阶段，上层第一绕组产生精度较高、波动较小的驱动力来实现匀速运动，通过该粗精驱动方案实现高速高精运动控制目标；该双层绕组结构，能够降低运动过程中的出力波动，提高运动精度，工作台平稳性好、跟踪误差小、定位精度高，为半导体加工等超精密制造领域提供了可靠的技术支持。
2、本发明提供的双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，通过采用不等高的双层线圈绕组在不同运动阶段通入不同电流以提供目标的驱动力，能够有效降低线圈散热，避免线圈发热影响结构特性和降低运动精度。
3、本发明提供的双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，设计了双层绕组结构中第一绕组和第二绕组的高度比hration范围在[0.2,0.6]内，当高度比在这一范围内时，上层第一绕组中线圈不至于因为磁场强度过低而被迫需要通入较大的电流来产生期望力和力矩，导致线圈发热过高；同时，相比于下层第二绕组中线圈，上层第一绕组中线圈处磁场强度的高阶谐波含量更低，产生的驱动力和驱动力矩波动更小，有利于实现平稳的运动控制目标。
4、本发明提供的双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，提供了4种第一/第二绕组的线圈拓扑结构，也即提供了磁浮平面电机工作台的4种具体实现方案，结构简单，易于实现及应用。
5、本发明提供的双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，利用通电导体在磁场中产生的洛伦兹力，可以直接用来驱动运动部件运动，无需润滑且无摩擦力，动子外侧加装的真空罩使得工作台具有真空兼容性，同时避免线圈发热带来的影响。
附图说明
图1是本发明实施例1中一种双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台的三维示意图；
图2是本发明实施例1中定子的永磁阵列结构和辅助线俯视图；
图3是本发明实施例1中动子的双层绕组等轴测视图；
图4是本发明实施例2中动子双层绕组俯视图；
图5是本发明实施例3中动子双层绕组俯视图；
图6是本发明实施例4中动子双层绕组俯视图。
图7是本发明较佳实施例中一种半导体加工过程中的路径规划图；
图8是本发明实施例中永磁阵列结构和辅助线侧视图；
图9(a)是本发明较佳实施例中气隙磁场中磁场强度水平分量；
图9(b)是本发明较佳实施例中FFT变换后的磁场强度水平分量频谱图；
图10(a)是本发明较佳实施例中气隙磁场中磁场强度垂直分量；
图10(b)是本发明较佳实施例中FFT变换后的磁场强度垂直分量频谱图；
图11是本发明较佳实施例中一种双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机的侧视图；
图12是本发明较佳实施例中气隙磁场中不同高度处磁场强度的总谐波失真图。
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-垂向磁化永磁体，2-水平向磁化永磁体，3-基座，4-定子，5-真空罩，6-第一绕组，7-第二绕组，8-动子，9-下层单相绕组，9-1-第一线圈，9-2-第二线圈，9-3-第三线圈，10-上层单相绕组，10-1-第四线圈，10-2-第五线圈，10-3-第六线圈，11-辅助线，11-1第一辅助线，11-2第二辅助线，11-3第三辅助线，11-4第四辅助线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供一种具有双层绕组粗精驱动的六自由度磁浮平面电机工作台，是具有粗精驱动功能的双层绕组式平面电机结构，主要应用于半导体制造领域。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的具有双层绕组粗精驱动的六自由度磁浮平面电机工作台，包括定子4和动子8。
定子4包括多个垂向磁化永磁体1、多个水平向磁化永磁体2和基座3，其中多个垂向磁化永磁体1和多个水平向磁化永磁体2按照Halbach方式排列，构成永磁阵列结构，使得永磁体上方磁场增强，下方磁场衰弱，因此动子8布置在永磁阵列的上方。垂向磁化永磁体1和水平向磁化永磁体2的磁化方向如图2中箭头所示。垂向磁化永磁体1和水平向磁化永磁体2譬如采用粘接的方式固定在基座3的凹槽内。
垂向磁化永磁体1优选为正方形，水平向磁化永磁体2优选为长方形。从图2可以看出，正方形垂向磁化永磁体1周围的四个箭头均指向+z轴磁化的垂向磁化永磁体1，而远离-z轴磁化的垂向磁化永磁体1，根据Halbach阵列磁场特性可知，+z轴方向为磁场加强侧，即定子4的上方。动子8位于气隙磁场的加强侧。动子8包括真空罩5、第一绕组6和第二绕组7。其中距离永磁阵列结构较远的为第一绕组，距离永磁阵列较近的为第二绕组，第一绕组6的高度小于第二绕组7的高度。
如图3所示，第二绕组7包括2行*2列排列的四组下层单相绕组9即四组第一单相绕组，每个下层单相绕组9由均为矩形线圈的第一线圈9-1、第二线圈9-2和第三线圈9-3等间距排列组成，每相邻两组下层单相绕组9的线圈长边相互垂直，因此第二绕组7共有12个线圈组成，整体呈“风车型”布置方式。
第一绕组6位于第二绕组7的正上方。第一绕组6与第二绕组7结构相同、仅高度不同。具体地，第一绕组6包括2行*2列排列的四组上层单相绕组10即四组第一单相绕组，每个上层单相绕组10由均为矩形线圈的第四线圈10-1、第五线圈10-2和第六线圈10-3等间距排列组成，每相邻两组上层单相绕组10的线圈长边相互垂直，因此第一绕组6共有12个线圈组成，整体呈“风车型”布置方式。
第一绕组6中的矩形线圈与第二绕组7中的矩形线圈一一对应上下叠放，上下层线圈高度不同，也即第一绕组6与第二绕组7的高度不同。记第一绕组6中各个线圈的高度为h1，第二绕组7中各个线圈的高度为h2，高度比hration的表达式如下：
Figure BDA0003657023520000071
hration的范围优选为[0.2,0.6]。当高度比在这一范围内时，上层第一绕组中线圈不至于因为磁场强度过低而被迫需要通入较大的电流来产生期望力和力矩，导致线圈发热过高；同时，相比于下层第二绕组中线圈，上层第一绕组中线圈处磁场强度的高阶谐波含量更低，产生的驱动力和驱动力矩波动更小，有利于实现平稳的运动控制目标。
第一绕组6与第二绕组7中的矩形线圈的长边均与垂向磁化永磁体1的直角边呈45°±1°角。该45°±1°角设计是为了便于对气隙磁场进行解耦，旋转后气隙磁场沿x轴的磁场强度分量Bx仅与x轴位置相关，沿y轴的磁场强度分量By仅与y轴位置相关，且Bx和Bx的基波分量沿相应轴均为正弦分布。
下层单相绕组9和上层单相绕组10中矩形线圈优选矩形无铁芯线圈。矩形线圈的长边优选为四倍极距，相邻矩形线圈中心距离优选为4/3倍极距，有利于抑制短边产生的驱动力和驱动力矩之间的耦合，便与实现解耦计算。
动子8的四周轮廓形状为正方形或近似正方形。该近似正方形意味着能够容纳动子的四周轮廓的最小长方形的长宽比的范围为[0.9,1.1]，近似旋转对称的结构不容易造成偏转力矩，有利于降低平面电机的方向依赖性。
动子8设置于真空罩5内，使得动子8可以在真空环境中工作，且避免动子线圈向定子永磁阵列结构辐射热量而影响磁场分布。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于动子的第一绕组6与第二绕组7中的矩形线圈的排列方式不同，以及第一绕组6与第二绕组7的相对位置不同，其他结构及连接均与实施例1相同。具体如下：
如图4所示，本实施例中第一绕组6包括三组第二单相绕组，每个第二单相绕组包括4个依次按照阶梯状叠放的矩形线圈，其中一组第二单相绕组平放在中部，另两组第二单相绕组分别垂直放置于中部第二单相绕组的左上侧和右下侧阶梯处，其与中部第二单相绕组阶梯连接处相互贴合。两边第二单相绕组的矩形线圈长边与中间第二单相绕组的矩形线圈长边相互垂直。
第二绕组7与第一绕组6的结构相同、厚度不同，第一绕组6绕自身中心逆时针旋转90°即为所述第二绕组7的方位，动子整体结构类似“鱼骨形”。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于动子的第一绕组6与第二绕组7中的矩形线圈的排列方式不同，以及第一绕组6与第二绕组7的相对位置不同，其他结构及连接均与实施例1相同。具体如下：
如图5所示，本实施例中第一绕组6包括7行、每行2个矩形线圈，每一行内相邻矩形线圈短边相接，一行内一个矩形线圈沿长边方向平移后可以与另一个矩形线圈同心，相邻行左右交错布置。
第二绕组7与第一绕组6的结构相同、厚度不同，第一绕组6中矩形线圈长边与第二绕组7中矩形线圈长边相互垂直，第一绕组6与第二绕组7类似“正交形”布置。
实施例4
本实施例提供的具有双层绕组粗精驱动的六自由度磁浮平面电机工作台，包括定子4和动子8。其中定子4的结构与实施例1-3相同。
动子8位于气隙磁场的加强侧。动子8包括真空罩5、第一绕组6和第二绕组7。第一绕组6位于第二绕组7的正上方。
如图6所示，本实施例中第一绕组6包括4行*4列个圆形线圈，第一绕组6和第二绕组7中的圆形线圈一一对应上下同心圆叠放。
第一绕组6与第二绕组7结构相同、仅高度不同。第一绕组6的高度h1与第二绕组7的高度h2的比hration的范围与实施例1-3相同。
动子8设置于真空罩5内，使得动子8可以在真空环境中工作，且避免动子线圈向定子永磁阵列结构辐射热量而影响磁场分布特性。
本发明实施例1-4提供的具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，定子均由多个垂向磁化永磁体1和多个水平向磁化永磁体2按照Halbach方式排列，构成永磁阵列结构。相比于类似直线电机中的一维排列方式，本发明二维排列方式的永磁阵列结构产生的磁场在x、y方向上均能实现运动，有利于扩展平面电机运动范围。
动子均具有双层绕组，均位于磁场加强一侧，其中距离永磁阵列结构较远的为第一绕组，距离永磁阵列较近的为第二绕组，其中第一绕组的高度小于第二绕组的高度。实施例1-4中一共提供4种第一/第二绕组的线圈拓扑结构。其中实施例1“风车形”线圈拓扑结构的方向依赖性最低，实施例2“鱼骨形”线圈拓扑结构功耗最低，实施例4“同心圆形”线圈拓扑结构的对称性更高。
第一绕组和第二绕组通电后，与定子永磁阵列产生的气隙磁场相互作用，均能产生六个方向的驱动力和驱动力矩。由于永磁阵列上方磁场强度呈周期性分布，根据傅里叶级数法分析可知，可以将磁场看作由基波和谐波组合而成。
随着气隙磁场高度的增加，基波占比越大，谐波占比越小。在电流解耦过程中，为了减少计算时间，提高系统控制频率，通常取磁场强度的基波分量计算驱动力和驱动力拒，进而分配各个线圈需要通入的电流，由于磁场谐波的存在，导致驱动力和驱动力矩的波动，影响系统定位精度和跟踪性能。
因此本发明动子采用双层绕组的布置方式，下层的第二绕组作为“宏动台”，在变速运动阶段，提供较大的驱动力和驱动力矩，使得动子快速运动至目标位置，上层的第一绕组作为“微动台”，在匀速直线阶段，提供波动较小的驱动力和驱动力矩，根据反馈信号来精确地补偿驱动力和驱动力矩，实现高速高精运动控制。
本发明动子采用双层绕组的布置方式，能够降低运动过程中的出力波动，提高运动精度，为半导体加工等超精密制造领域提供了可靠的技术支持。
以下进行实验分析以进一步验证本发明实施例1-4提供的具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台的使用效果。
在半导体加工中，工作台通常按照如图7所示的轨迹进行运动，该路径主要分为匀速的直线运动阶段和加速、减速运动阶段，工作台实际的加工阶段为匀速直线阶段，阶段由于控制精度低，通常不用来进行加工操作。
本发明平面电机的优点在于，在非匀速直线阶段，可以用第二绕组7产生的较大的驱动力/力矩进行加速、减速运动，在匀速直线阶段，采用第一绕组6产生的低纹波驱动力/力矩进行匀速直线运动，用来降低系统温升，同时提高系统定位精度。
同时根据麦克斯韦方程组可知，体积为V、电流密度矢量为
Figure BDA0003657023520000111
的通电导体在磁场强度为
Figure BDA0003657023520000112
的磁场中，产生的洛伦兹力
Figure BDA0003657023520000113
为：
Figure BDA0003657023520000114
绕各轴的驱动力矩可通过驱动力与力臂
Figure BDA0003657023520000115
的乘积得到，即：
Figure BDA0003657023520000116
控制过程中实际需要的驱动力
Figure BDA0003657023520000117
和驱动力矩
Figure BDA0003657023520000118
由上位机进行电流解耦后，控制各个线圈驱动器的输出电流。
磁场强度
Figure BDA0003657023520000119
随通电导体在线圈中的不同位置而变化。
由公式(3)可以看出，只有磁场强度
Figure BDA00036570235200001110
计算准确，才能根据期望力和期望力矩，得到实际需要的电流密度
Figure BDA00036570235200001111
为了实现对洛伦兹力的解析计算，通常利用傅里叶级数法对磁场进行建模。
根据傅里叶级数法可知，磁场强度
Figure BDA00036570235200001112
由基波
Figure BDA00036570235200001113
和各阶谐波
Figure BDA00036570235200001114
相加得到，即：
Figure BDA0003657023520000121
但是在实际控制中由于处理器性能限制，为了提高控制频率，通常采用磁场强度的基波分量
Figure BDA0003657023520000122
来代替磁场强度
Figure BDA0003657023520000123
此时产生的实际驱动力
Figure BDA0003657023520000124
为
Figure BDA0003657023520000125
实际驱动力矩
Figure BDA0003657023520000126
为：
Figure BDA0003657023520000127
实际驱动力
Figure BDA0003657023520000128
与期望驱动力
Figure BDA0003657023520000129
存在差异，导致推力波动。
因此如果降低n大于1时的各阶谐波含量，可以使得理论洛伦兹力
Figure BDA00036570235200001210
和实际洛伦兹力
Figure BDA00036570235200001211
更为接近，能够有效降低驱动力/力矩波动，提高磁浮平面电机的定位精度和运动性能。
为了更好地验证本发明的实施效果，在与x轴平行的方向上布置辅助线11，具体为：等间隔1mm布置四条辅助线11-1、11-2、11-3和11-4，长度均为10倍磁节距τ，第一辅助线11-1距离永磁体上表面1mm，第四辅助线11-4距离永磁体上表面5mm，如图8所示。
此时每条线段上无y向磁场分量，仅有沿x和z向的磁场分量
Figure BDA00036570235200001212
和
Figure BDA00036570235200001213
分别计算各向磁场分量并做FFT变换，如图9(a)、图9(b)、图10(a)和图10(b)所示。可以看出，随着气隙的增加，基波和谐波的幅值均有下降。
为了定量分析不同高度处磁场谐波占比，引入总谐波失真(THD)的概念，如下所示：
Figure BDA00036570235200001214
计算每条线段上各向磁场THD的结果如图11所示，随着气隙高度从1mm增加到4mm，辅助线上
Figure BDA0003657023520000131
和
Figure BDA0003657023520000132
的THD显著降低。
为了更清晰地阐述洛伦兹力的产生方式，图12为磁浮平面电机的侧视图，可以看到上层线圈和下层线圈均位于气隙磁场的加强侧。
第一线圈9-1和第四线圈10-1截面上的面电流密度矢量分别为
Figure BDA0003657023520000133
和
Figure BDA0003657023520000134
大小相等，方向相反，第四线圈10-1截面上的面电流密度矢量分别为
Figure BDA0003657023520000135
和
Figure BDA0003657023520000136
大小相等，方向相反。
根据左手定则可知，第一线圈9-1在磁场中产生的沿x轴的水平力为：
Figure BDA0003657023520000137
沿z轴的垂向力为：
Figure BDA0003657023520000138
第四线圈10-1在磁场中产生的沿x轴的水平力为：
Figure BDA0003657023520000139
沿z轴的垂向力为：
Figure BDA00036570235200001310
其中
Figure BDA00036570235200001311
分别为通电导体
Figure BDA00036570235200001312
处的磁场强度矢量，l为第一线圈9-1和第四线圈10-1长边的等效长度。
忽略线圈短边带来的影响，同时由于第一线圈9-1和第四线圈10-1的电流方向与y轴同向，因此无沿y轴的水平力
Figure BDA00036570235200001313
结合图11可知，本发明平面电机工作台在工作时，下层第二绕组7中线圈厚度较大，在变速运动阶段便于产生较大的驱动力和驱动力矩，实现高速运动，同时随着气隙高度的增加，各向磁场的总谐波失真越来越小，上层第一绕组6中线圈产生的驱动力/力矩的波动较小，有利于在匀速运动阶段实现高精度运动控制目标。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，所述工作台包括定子(4)和动子(8)，其特征在于，
所述定子(4)包括基座(3)，以及按照Halbach排列方式布置在所述基座(3)的凹槽内的多个垂向磁化永磁体(1)和多个水平向磁化永磁体(2)；
所述动子(8)位于所述定子(4)产生的磁场的加强侧；所述动子(8)包括第一绕组(6)和叠放于所述第一绕组(6)上面的第二绕组(7)，所述第一绕组(6)的高度小于所述第二绕组(7)的高度；所述第一绕组(6)和所述第二绕组(7)均包含多个通电后能够产生两个方向驱动力的线圈，以使所述第一绕组(6)和所述第二绕组(7)各自具有六自由度驱动力和驱动力矩；所述动子(8)的四周轮廓形状为正方形或近似正方形。
2.如权利要求1所述的一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其特征在于，所述第一绕组(6)和所述第二绕组(7)的高度比的范围为[0.2,0.6]。
3.如权利要求1或2所述的一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其特征在于，所述第一绕组(6)包括2行*2列排列的四组第一单相绕组，所述第一单相绕组包括a个等间距平行排列的矩形线圈，每相邻两组第一单相绕组的矩形线圈长边相互垂直；
所述第二绕组(7)与所述第一绕组(6)的结构相同、仅高度不同，所述第一绕组(6)中的矩形线圈与所述第二绕组(7)中的矩形线圈一一对应上下叠放。
4.如权利要求1或2所述的一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其特征在于，所述第一绕组(6)包括三组第二单相绕组，所述第二单相绕组包括b个依次按照阶梯状叠放的矩形线圈，其中一组所述第二单相绕组平放在中部，另两组所述第二单相绕组分别垂直放置于中部第二单相绕组的左上侧和右下侧阶梯处，其与中部第二单相绕组阶梯连接处相互贴合；
所述第二绕组(7)与所述第一绕组(6)的结构相同、高度不同，所述第一绕组(6)绕自身中心逆时针旋转90°即为所述第二绕组(7)的方位。
5.如权利要求1或2所述的一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其特征在于，所述第一绕组(6)包括c行、每行d个矩形线圈，每一行内相邻矩形线圈短边相接，相邻行左右交错布置；
所述第二绕组(7)与所述第一绕组(6)的结构相同、高度不同，所述第一绕组(6)中矩形线圈长边与所述第二绕组(7)中矩形线圈长边相互垂直。
6.如权利要求3-5任一项所述的一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其特征在于，所述第一绕组(6)和所述第二绕组(7)中的矩形线圈的长边均与所述垂向磁化永磁体(1)的直角边呈45°±1°角。
7.如权利要求1或2所述的一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其特征在于，所述第一绕组(6)和所述第二绕组(7)均包括e行*e列个圆形线圈，所述第一绕组(6)和所述第二绕组(7)中的圆形线圈一一对应上下同心圆叠放。
8.如权利要求3所述的一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其特征在于，所述第一单相绕组中，矩形线圈的长边为四倍极距，相邻矩形线圈中心距离为4/3倍极距。
9.如权利要求1或2所述的一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其特征在于，所述工作台还包括真空罩，所述动子(8)设置于所述真空罩内部。
10.如权利要求1所述的一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其特征在于，所述垂向磁化永磁体(1)为正方形，所述水平向磁化永磁体(2)为长方形。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3456308B2 (ja) * 1995-06-30 2003-10-14 株式会社ニコン 磁気浮上型ステージ
CN101527484A (zh) * 2009-04-10 2009-09-09 东南大学 水平行程易扩展的气磁混合悬浮平面电机
CN102097982B (zh) * 2011-02-24 2013-06-05 华中科技大学 一种永磁同步磁悬浮平面电机
CN203520012U (zh) * 2013-09-27 2014-04-02 清华大学 一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机
CN204271955U (zh) * 2015-01-06 2015-04-15 杭州汇萃智能科技有限公司 一种线圈层叠式动圈平面电机
CN114825854A (zh) * 2022-05-23 2022-07-29 华中科技大学 一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023226272A1 (zh) * 2022-05-23 2023-11-30 华中科技大学 一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台

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