CN117277723B - 二维弧形阵列六自由度磁浮微动台及器件转移装置 - Google Patents

二维弧形阵列六自由度磁浮微动台及器件转移装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种二维弧形阵列六自由度磁浮微动台及器件转移装置，涉及磁悬浮技术领域，其中，二维弧形阵列六自由度磁浮微动台包括：定子，定子为平面结构；动子，动子为平面结构，且动子与定子平行设置；磁铁阵列，磁铁阵列包括若干辐射状环形布置的扇形磁体，扇形磁体设置在动子上；至少三个第一绕组，三个第一绕组设置在定子上；至少三个第二绕组，三个第二绕组设置在定子上。本申请提供的上述方案，由于动子和定子均为平面结构，且动子和定子平行设置，磁铁阵列设置在动子上，第一绕组和第二绕组均设置在定子上，这样可以使得整体微动台重心更低，适合高速运动，而且整体微动台空间利用率高，有效保证了推力密度。

Description

二维弧形阵列六自由度磁浮微动台及器件转移装置
技术领域
本发明涉及磁悬浮技术领域，特别涉及一种二维弧形阵列六自由度磁浮微动台及器件转移装置。
背景技术
多自由度微动系统在高精密设备中应用非常广泛，其行程通常为微米到毫米级别，精度最高可达纳米级。常见的多自由度磁浮微动系统通常由多个音圈电机（或称洛伦兹电机）组合而成，每个音圈电机负责一个自由度控制。
目前，同类多自由度磁浮微动通常为直线音圈电机的组合结构。
然而，该结构设计时需采用大气隙设计，避免多自由度运动时，定子与动子发生碰撞；而大气隙设计必然造成直线音圈电机的推力减小，无法满足高负载和高运动速度需求。
发明内容
本申请的主要目的是提供一种二维弧形阵列六自由度磁浮微动台，不但能实现六自由度控制，而且能满足高负载和高运动速度的需求。
为实现上述目的，本申请提出了一种二维弧形阵列六自由度磁浮微动台，包括：
定子，所述定子为平面结构；
动子，所述动子为平面结构，且所述动子与所述定子平行设置；
磁铁阵列，所述磁铁阵列包括若干辐射状环形布置的扇形磁体，所述扇形磁体设置在所述动子上；
至少三个第一绕组，三个所述第一绕组设置在所述定子上，用于驱动微动台在Z、Rx和Ry向的运动；
至少三个第二绕组，三个所述第二绕组设置在所述定子上，用于驱动微动台在X、Y和Rz向的运动。
在其中一个实施例中，所述扇形磁体包括沿圆周方向依次设置的第一径向阵列、第一周向阵列、第二径向阵列以及第二周向阵列；
所述第一径向阵列和所述第二径向阵列的充磁方向均为径向，且所述第一径向阵列和所述第二径向阵列的充磁方向相反；
所述第一周向阵列和所述第二周向阵列的充磁方向均为周向，且所述第一周向阵列和所述第二周向阵列的充磁方向相反。
在其中一个实施例中，所述第一径向阵列、所述第一周向阵列、所述第二径向阵列以及所述第二周向阵列沿圆周方向角度均相同。
在其中一个实施例中，所述第一径向阵列包括依次设置的第一永磁铁、第二永磁铁、第三永磁铁、第四永磁铁、第五永磁铁以及第六永磁铁；
所述第一永磁铁、所述第三永磁铁以及所述第五永磁铁的磁化方向均为轴向，且所述第一永磁铁、所述第三永磁铁以及所述第五永磁铁的磁化方向依次相反；
所述第二永磁铁、所述第四永磁铁以及所述第六永磁铁的磁化方向均为径向，且所述第二永磁铁、所述第四永磁铁以及所述第六永磁铁的磁化方向依次相反。
在其中一个实施例中，所述第一永磁铁、所述第二永磁铁、所述第三永磁铁、所述第四永磁铁、所述第五永磁铁以及所述第六永磁铁沿圆周方向角度均相同。
在其中一个实施例中，所述第二周向阵列包括第十三永磁铁、第十四永磁铁以及第十五永磁铁；
所述第十三永磁铁与所述第一永磁铁位于同一圆周，所述第十四永磁铁与所述第三永磁铁位于同一圆周，所述第十五永磁铁与所述第五永磁铁位于同一圆周；
所述第十三永磁铁、所述第十四永磁铁以及所述第十五永磁铁的磁化方向均为周向，且所述第十三永磁铁、所述第十四永磁铁以及所述第十五永磁铁的磁化方向依次相反。
在其中一个实施例中，所述第十三永磁铁、所述第十四永磁铁以及所述第十五永磁铁沿圆周方向角度均相同。
在其中一个实施例中，所述扇形磁体沿圆周方向的角度可调。
在其中一个实施例中，还包括转矩绕组，所述转矩绕组设置在所述定子上。
本申请还提供了一种器件转移装置，包括如本申请实施例中任意一项所述的二维弧形阵列六自由度磁浮微动台，且所述第一绕组和所述第二绕组均为圆弧形平面结构。
本申请提供的二维弧形阵列六自由度磁浮微动台，由于动子和定子均为平面结构，且动子和定子平行设置，磁铁阵列设置在动子上，第一绕组和第二绕组均设置在定子上，这样可以使得整体微动台重心更低，适合高速运动，而且整体微动台空间利用率高，有效保证了推力密度。同时，该微动台不但能实现Z、Rx和Ry自由度的控制，而且能实现X、Y和Rz自由度的控制，给高精密大型设备的使用带来了方便。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的二维弧形阵列六自由度磁浮微动台的结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的二维弧形阵列六自由度磁浮微动台的结构示意图；
图3为图1中的磁铁阵列示意图；
图4为图3的受力示意图；
图5为图3又一受力示意图；
图6为图5中A处截面示意图；
图7为图5中B处截面示意图；
图8为图5中C处截面示意图；
图9为本申请一实施例提供的另一二维弧形阵列六自由度磁浮微动台的结构示意图；
图10为图9中的磁铁阵列示意图；
图11为图10的受力示意图；
图12为图11中A处截面示意图；
图13为图11中B处截面示意图；
图14为图11中C处截面示意图。
附图标号说明：
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
本申请提出一种二维弧形阵列六自由度磁浮微动台。
参考图1至图5，图1为本申请提供的二维弧形阵列六自由度磁浮微动台的结构示意图；图2为本申请一实施例提供的二维弧形阵列六自由度磁浮微动台的结构示意图；图3为图1中的磁钢阵列示意图；图4为图3的受力示意图；图5为图3的又一受力示意图；图6为图5中A处的截面示意图；图7为图5中的B处的截面示意图；图8为图5中的C处截面示意图。
在本申请实施例中，如图1并结合图2所示，该二维弧形阵列六自由度磁浮微动台包括：定子11、动子12、磁铁阵列30、至少三个第一绕组10以及至少三个第二绕组20，其中，定子11和动子12均为平面结构，且动子12与定子11平行设置，磁铁阵列30包括若干辐射状环形布置的扇形磁体，扇形磁体设置在动子12上，三个第一绕组10设置在定子11上，用于驱动微动台在Z、Rx和Ry向的运动，三个第二绕组20设置在定子11上，用于驱动微动台在X、Y和Rz向的运动。
本申请中的第一绕组10的数量可以为三个、四个或者六个等等，第二绕组20的数量可以为三个、五个或者六个等等。本申请对第一绕组10和第二绕组20的数量不做限制，具体可以根据实际需要进行设计。下面以三个第一绕组10和三个第二绕组20为例进行说明。
示例性的，如图1所示，本申请中的三个第一绕组10和三个第二绕组20沿周向依次间隔设计。其中，三个第一绕组10首尾连接后呈三角形结构。三个第一绕组10通电后都会产生沿Z轴方向的洛伦茨力，参考图1所示，设定沿顺时针方向的三个第一绕组10分别产生的力为FZ1、FZ2和FZ3。根据六自由度磁悬浮原理，当FZ1、FZ2和FZ3的出力方向相同时(此处FZ1、FZ2和FZ3出力方向相同是指FZ1、FZ2和FZ3出力方向均为竖直向上或竖直向下，否则，FZ1、FZ2和FZ3出力方向不同)，就会产生Z轴方向的推力，从而实现微动台在Z向运动。当FZ1和FZ3出力方向不同，而FZ2不出力时，就会产生绕X轴的力矩，从而实现微动台绕X轴转动，即实现微动台在Rx向的运动。当FZ2与FZ1和FZ3出力方向不同时，就会产生绕Y轴的力矩，从而实现微动台绕Y轴转动，即实现微动台在Ry向的运动。
同时，三个第二绕组20首尾连接后也呈三角形结构，三个第二绕组20通电后都会产生径向力Fr，参考图1所示，设定沿顺时针方向的三个第二绕组20分别产生的力为Fr1、Fr2和Fr3。当其中一个第二绕组20设置在如图4上的转矩绕组40上的位置时，参考图4和图5所示，在磁力作用下，此时就能够产生旋转方向的力，从而就能够实现微动台绕Z轴的转动，即实现微动台在Rz向的运动。当Fr1和Fr3出力方向不同，Fr2不出力时，就会产生X轴方向的推力，从而实现微动台在X向的运动。当Fr2和Fr3出力方向不同，Fr1不出力时，就会产生Y轴方向的推力，从而实现微动台在Y向的运动。
采用上述技术方案，由于动子12和定子11均为平面结构，且动子12和定子11平行设置，磁铁阵列30设置在动子12上，第一绕组10和第二绕组20均设置在定子11上，这样可以使得整体微动台重心更低，适合高速运动，而且整体微动台空间利用率高，有效保证了推力密度。同时，该微动台不但能实现Z、Rx和Ry自由度的控制，而且能实现X、Y和Rz自由度的控制，给高精密大型设备的使用带来了方便。
在一些实施例中，如图3并结合和图4所示，本申请中的扇形磁体包括沿圆周方向依次设置的第一径向阵列301、第一周向阵列302、第二径向阵列303以及第二周向阵列304；其中，第一径向阵列301和第二径向阵列303的充磁方向均为径向，且第一径向阵列301和第二径向阵列303的充磁方向相反；第一周向阵列302和第二周向阵列304的充磁方向均为周向，且第一周向阵列302和第二周向阵列304的充磁方向相反。
示例性的，本申请中包括六个扇形磁体，每个扇形磁体沿圆周方向的角度均为60°，磁铁阵列30整体由六个扇形磁体依次围绕形成。每个磁铁阵列30均包括沿圆周方向依次设置的第一径向阵列301、第一周向阵列302、第二径向阵列303以及第二周向阵列304。参考图4所示，第一径向阵列301和第二径向阵列303结构相同，第一周向阵列302和第二周向阵列304的结构相同。需要说明的是，本申请对扇形磁体的数量和角度不做限制，具体可以根据实际需要进行设计。
在使用时，当第一绕组10按照如图4的位置设置时，即第一绕组10设置在第二周向阵列304、第一径向阵列301以及第一周向阵列302的指定位置，第一绕组10的四个拐角处没有磁场，第一绕组10其他部位的电流与对应在XY平面内的磁场垂直，此时，第一绕组10就会受到Z轴方向的力。当第二绕组20按照如图4的位置设置时，即第二绕组20设置在另一个扇形磁体上的第一周向阵列302、第二径向阵列303以及第二周向阵列304上的指定位置，根据左手定则，第二绕组20就会受到Fr方向的力。当转矩绕组40按照如图4的位置设置时，参考图7所示，转矩绕组40在第九永磁铁3033、第十四永磁铁3042以及第三永磁铁3013的作用下，根据左手定则，在第十四永磁铁3042的作用力下，转矩绕组40就会受到旋转方向的力。
在一些实施例中，本申请中第一径向阵列301、第一周向阵列302、第二径向阵列303以及第二周向阵列304沿圆周方向角度均相同。
示例性的，本申请中第一径向阵列301、第一周向阵列302、第二径向阵列303以及第二周向阵列304沿圆周方向角度均为15°。由于第一径向阵列301、第一周向阵列302、第二径向阵列303以及第二周向阵列304沿圆周方向角度均相同，这样有利于第一径向阵列301、第一周向阵列302、第二径向阵列303以及第二周向阵列304的排布。
在一些实施例中，如图5并结合图6所示，其中，代表电流流向垂直纸面向外，代表电流流向垂直纸面向里。本申请中的第一径向阵列301包括依次设置的第一永磁铁3011、第二永磁铁3012、第三永磁铁3013、第四永磁铁3014、第五永磁铁3015以及第六永磁铁3016；其中，第一永磁铁3011、第三永磁铁3013以及第五永磁铁3015的磁化方向均为轴向，且第一永磁铁3011、第三永磁铁3013以及第五永磁铁3015的磁化方向依次相反；且第二永磁铁3012、第四永磁铁3014以及第六永磁铁3016的磁化方向均为径向，且第二永磁铁3012、第四永磁铁3014以及第六永磁铁3016的磁化方向依次相反。
示例性的，上述第一永磁铁3011、第二永磁铁3012、第三永磁铁3013、第四永磁铁3014、第五永磁铁3015以及第六永磁铁3016沿径向依次从外到内依次设置。
如图4并结合图5、图8所示，本申请中第二径向阵列303包括沿径向依次从外到内设置的第七永磁铁3031、第八永磁铁3032、第九永磁铁3033、第十永磁铁3034、第十一永磁铁3035以及第十二永磁铁3036。
其中，第七永磁铁3031、第九永磁铁3033以及第十一永磁铁3035的磁化方向均为轴向，且第七永磁铁3031、第九永磁铁3033以及第十一永磁铁3035的磁化方向依次相反。第八永磁铁3032、第十永磁铁3034以及第十二永磁铁3036的磁化方向均为径向，且第八永磁铁3032、第十永磁铁3034以及第十二永磁铁3036的磁化方向依次相反。
同时，本申请中的第一永磁铁3011和第七永磁铁3031的磁化方向相反，第二永磁铁3012和第八永磁铁3032的磁化方向相反，第三永磁铁3013和第九永磁铁3033的磁化方向相反，第四永磁铁3014和第十永磁铁3034的磁化方向相反，第五永磁铁3015和第十一永磁铁3035的磁化方向相反，第六永磁铁3016和第十二永磁铁3036的磁化方向相反。
在一些实施例中，本申请中第一永磁铁3011、第二永磁铁3012、第三永磁铁3013、第四永磁铁3014、第五永磁铁3015以及第六永磁铁3016沿圆周方向角度均相同。
由于第一永磁铁3011、第二永磁铁3012、第三永磁铁3013、第四永磁铁3014、第五永磁铁3015以及第六永磁铁3016沿圆周方向角度均相同，这样不但能保证各个永磁铁排布在一起时，沿周向的相对两侧齐平，而且可以确保各个永磁铁排布在一起时，沿径向紧密贴合。
在一些实施例中，如图4并结合图5所示，本申请中的第二周向阵列304包括第十三永磁铁3041、第十四永磁铁3042以及第十五永磁铁3043，其中，第十三永磁铁3041与第一永磁铁3011位于同一圆周，第十四永磁铁3042与第三永磁铁3013位于同一圆周，第十五永磁铁3043与第五永磁铁3015位于同一圆周；且第十三永磁铁3041、第十四永磁铁3042以及第十五永磁铁3043的磁化方向均为周向，且第十三永磁铁3041、第十四永磁铁3042以及第十五永磁铁3043的磁化方向依次相反。
本申请第十三永磁铁3041和第十四永磁铁3042之间为中空结构，第十四永磁铁3042和第十五永磁铁3043为中空结构。第一周向阵列302的结构和第二周向阵列304相同，此处不再累述。
如图5所示，将第一绕组10沿径向中心放置在第二永磁铁3012和第四永磁铁3014上，此时，第一绕组10的右侧位于第一周向阵列302上的中间位置上的永磁铁上，第一绕组10的左侧位于另一个扇形磁体上的第二周向阵列304上的第十四永磁铁3042上，此时，参考图6所示，根据洛伦兹力定律，第一绕组10在通电情况下就会受到FZ方向的作用力。
将第二绕组20沿径向中心放置在绕顺时针方向的第二个扇形磁体上的第九永磁铁3033和第十一永磁铁3035上，第二绕组20的右侧位于第二周向阵列304上的第十四永磁铁3042和第十五永磁铁3043上，第二绕组20的左侧位于第一周向阵列302上对应的永磁铁上，此时，参考图8所示，根据洛伦兹力定律，第二绕组20在通电情况下就会受到Fr方向的作用力。
当转矩绕组40按照如图4的位置设置时，参考图7所示，转矩绕组40在第九永磁铁3033、第十四永磁铁3042以及第三永磁铁3013的作用下，根据左手定则，在第十四永磁铁3042的作用力下，转矩绕组40就会受到旋转方向的力。
在一些实施例中，本申请中第十三永磁铁3041、第十四永磁铁3042以及第十五永磁铁3043沿圆周方向角度均相同。
由于第十三永磁铁3041、第十四永磁铁3042以及第十五永磁铁3043沿圆周方向角度均相同，这样方便第十三永磁铁3041、第十四永磁铁3042以及第十五永磁铁3043的排布，而且排布后的第二周向阵列304沿周向的相对两侧齐平。
在一些实施例中，本申请中扇形磁体沿圆周方向的角度可调。本申请中每个扇形磁体沿圆周方向的角度可以为60°或如图9-图11所示的，每个扇形磁体沿圆周方向的角度为40°。其中，图12为图11中A处截面示意图，图13为图11中B处截面示意图，图14为图11中C处截面示意图。本申请中图9-图14的结构原理和上述中图1到图8的结构原理相同，此处不再累述。
本申请中由于扇形磁体沿圆周方向的角度可调，这样可以将扇形磁体阵列分的更细，对应扇形磁体上的绕组更多，从而能够更加灵活的配置不同推力组合。
在一些实施例中，本申请中还包括转矩绕组40，该转矩绕组40设置在定子11上。
示例性的，本申请中的转矩绕组40可以按照如图4的位置设置，参考图5中转矩绕组40对应的各个永磁铁的受力方向，以及图7中转矩绕组40在B处的截面示意图，转矩绕组40在第九永磁铁3033、第十四永磁铁3042以及第三永磁铁3013的作用下，根据左手定则，在第十四永磁铁3042的作用力下，转矩绕组40就会受到旋转方向的力，即转矩绕组40在通电的情况下会产生圆周运动。
本申请中的转矩绕组40还可以替代第一绕组10或第二绕组20，这样可以避免第一绕组10或第二绕组20在出现故障时，整体微动台的正常运行。
本申请还提供了一种器件转移装置，包括如本申请实施例中任意一项的二维弧形阵列六自由度磁浮微动台，且第一绕组10和第二绕组20均为圆弧形平面结构。由于该器件转移装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是在本申请的申请构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种二维弧形阵列六自由度磁浮微动台，其特征在于，包括：
定子（11），所述定子（11）为平面结构；
动子（12），所述动子（12）为平面结构，且所述动子（12）与所述定子（11）平行设置；
磁铁阵列（30），所述磁铁阵列（30）包括若干辐射状环形布置的扇形磁体，所述扇形磁体设置在所述动子（12）上；
至少三个第一绕组（10），三个所述第一绕组（10）设置在所述定子（11）上，用于驱动微动台在Z、Rx和Ry向的运动；
至少三个第二绕组（20），三个所述第二绕组（20）设置在所述定子（11）上，用于驱动微动台在X、Y和Rz向的运动；
所述扇形磁体包括沿圆周方向依次设置的第一径向阵列（301）、第一周向阵列（302）、第二径向阵列（303）以及第二周向阵列（304）；
所述第一径向阵列（301）和所述第二径向阵列（303）的充磁方向均为径向，且所述第一径向阵列（301）和所述第二径向阵列（303）的充磁方向相反；
所述第一周向阵列（302）和所述第二周向阵列（304）的充磁方向均为周向，且所述第一周向阵列（302）和所述第二周向阵列（304）的充磁方向相反；
所述第一径向阵列（301）、所述第一周向阵列（302）、所述第二径向阵列（303）以及所述第二周向阵列（304）沿圆周方向角度均相同；
所述第一径向阵列（301）包括依次设置的第一永磁铁（3011）、第二永磁铁（3012）、第三永磁铁（3013）、第四永磁铁（3014）、第五永磁铁（3015）以及第六永磁铁（3016）；
所述第一永磁铁（3011）、所述第三永磁铁（3013）以及所述第五永磁铁（3015）的磁化方向均为轴向，且所述第一永磁铁（3011）、所述第三永磁铁（3013）以及所述第五永磁铁（3015）的磁化方向依次相反；
所述第二永磁铁（3012）、所述第四永磁铁（3014）以及所述第六永磁铁（3016）的磁化方向均为径向，且所述第二永磁铁（3012）、所述第四永磁铁（3014）以及所述第六永磁铁（3016）的磁化方向依次相反；
所述第二周向阵列（304）包括第十三永磁铁（3041）、第十四永磁铁（3042）以及第十五永磁铁（3043）；
所述第十三永磁铁（3041）与所述第一永磁铁（3011）位于同一圆周，所述第十四永磁铁（3042）与所述第三永磁铁（3013）位于同一圆周，所述第十五永磁铁（3043）与所述第五永磁铁（3015）位于同一圆周；
所述第十三永磁铁（3041）、所述第十四永磁铁（3042）以及所述第十五永磁铁（3043）的磁化方向均为周向，且所述第十三永磁铁（3041）、所述第十四永磁铁（3042）以及所述第十五永磁铁（3043）的磁化方向依次相反。
2.如权利要求1所述的二维弧形阵列六自由度磁浮微动台，其特征在于，所述第一永磁铁（3011）、所述第二永磁铁（3012）、所述第三永磁铁（3013）、所述第四永磁铁（3014）、所述第五永磁铁（3015）以及所述第六永磁铁（3016）沿圆周方向角度均相同。
3.如权利要求1所述的二维弧形阵列六自由度磁浮微动台，其特征在于，所述第十三永磁铁（3041）、所述第十四永磁铁（3042）以及所述第十五永磁铁（3043）沿圆周方向角度均相同。
4.如权利要求1-3任意一项所述的二维弧形阵列六自由度磁浮微动台，其特征在于，所述扇形磁体沿圆周方向的角度可调。
5.如权利要求1所述的二维弧形阵列六自由度磁浮微动台，其特征在于，还包括转矩绕组（40），所述转矩绕组（40）设置在所述定子（11）上。
6.一种器件转移装置，其特征在于，包括如权利要求1-5任意一项所述的二维弧形阵列六自由度磁浮微动台，且所述第一绕组（10）和所述第二绕组（20）均为圆弧形平面结构。
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