CN117477892A - 一种基于pcb线圈的大行程平面电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及平面电机技术领域，尤其涉及一种基于PCB线圈的大行程平面电机，包括平面电机基座、平面电机动子和平面电机定子，平面电机定子由多层绕组层叠交错放置构成，绕组层采用PCB线圈阵列，绕组层分为两组，两组绕组层相互垂直布置；平面电机动子包括若干动子磁体，动子磁体布置为永磁阵列，动子磁体的磁极方向与两组绕组层所在的方向倾斜一定角度布置，永磁阵列的宽度和与绕组层PCB线圈的极距相等，平面电机动子位于平面电机定子上方或下方。具有更加简单的平面电机结构，不需要复杂的机械结构设置，具有更高的磁场利用率和更好的能量利用率，能够更好的适用于工业应用，并且可以优化气隙磁场，并进一步优化电机性能。

Description

一种基于PCB线圈的大行程平面电机
【技术领域】
本发明涉及平面电机技术领域，尤其涉及一种基于PCB线圈的大行程平面电机。
【背景技术】
为了符合实际的产品生产需求，有大量的机械设备需要能够实现部件在平面上的多方向运动，例如贴片机、纺织装备的提花机和电脑横机等，该类机械设备通常需要与多组电机进行配合，而由于电机尺寸规格等原因，其移动范围非常容易受到限制。
动圈式平面电机是一种常用在上述场景的电动机，可实现动子在平面上的运动，但是也由于动子需要连接线缆，会造成移动范围受限。对此现有技术中还有一种动磁式磁悬浮平面电机，动子运动不需要连接线缆，具有更大的运动范围，但是对于传统的动磁式悬浮平面电机，首先由于气隙磁场存在端部效应，端部效应会引起非线性的扰动，造成电机出现伺服精度下降，损害增加和效率降低等问题；另外，传统中的动磁式悬浮平面电机一般受力均来源于与其耦合的线圈产生的电磁效应，这需要昂贵的激光位置传感器参与工作，整体电机侧生产加工成本过高；第三，对于传统的动磁式悬浮平面电机，由于其磁场采用二维海尔贝克(Halbach)阵列，为完成X-Y的解耦控制，需要预留空间，不能充分利用磁场空间，存在磁场利用率低的问题；最后，传统的动磁式悬浮平面电机复杂，需要的驱动执行器数量众多，不能很好的适用于工业现场。
【发明内容】
为了解决上述问题，本发明提供一种基于PCB线圈的大行程平面电机。
本发明是通过以下技术方案实现的，提供的一种基于PCB线圈的大行程平面电机，技术方案为：
一种基于PCB线圈的大行程平面电机，包括平面电机基座、平面电机动子和平面电机定子，平面电机定子由多层绕组层叠交错放置构成，绕组层采用PCB线圈阵列，绕组层分为两组，两组绕组层相互垂直布置，PCB线圈采用三相结构；平面电机动子包括若干动子磁体，动子磁体布置为永磁阵列，动子磁体的磁极方向与两组绕组层所在的方向倾斜一定角度布置，永磁阵列的宽度和与绕组层PCB线圈的极距相等，平面电机动子位于平面电机定子上方或下方，平面电机还包括控制系统、传感器系统和驱动电路，控制系统、传感器系统和驱动电路集成在PCB线圈内部；相互垂直布置的绕组层中的绕组采用分段结构实现大位移，平面电机动子的自由度限制于相互垂直的绕组层的角线所在的平面内。
进一步地，相互垂直布置的绕组层中的绕组采用分段结构并与永磁阵列相对应。
进一步地，动子磁体磁极方向与两组绕组层所在的方向倾斜45°布置。
进一步地，动子磁体排布为二维海尔贝克永磁阵列。
进一步地，平面电机动子位于平面电机定子上方。
进一步地，控制系统、传感器系统和驱动电路采用分立式器件埋入方法集成在PCB线圈内部，并通过激光钻孔的方式进行连接。
进一步地，平面电机还包括位置检测系统，位置检测系统包括位置传感器和压力表，压力表用于辅助进行方向识别。
进一步地，位置检测系统为多霍尔插补绝对位置传感系统，用于实时监控平面电机动子的精确位置，位置传感器为霍尔传感器，霍尔传感器上设有两种规格不同的磁钢；霍尔传感器共设有三个，三个霍尔传感器等间距布置。
进一步地，平面电机的控制系统为解耦控制系统，采用三个PID分别控制X、Y、用于控制运动器在平面上的任意曲线和平移运动。
进一步地，所述位置检测系统安装在所述平面电机基座表面，并采用插补方式完成系统运行。
有益效果是：
(1)平面电机定子采用多层PCB实现传统的绕线线圈结构。PCB线圈制作简单，空间利用率高，散热效果好，可以削弱磁场中的奇次谐波，避免其对平面电机控制产生干扰，达到优化气隙磁场，优化电机性能的目的。
(2)相互垂直布置绕组层的结构优势使得平面电机动子受力可以解除耦合，可实现平面电机动子受力快速分配，从而实现平面电机动子快速步进，可驱动平面电机的动子向平面的任意曲线运动，不会受到机械机构的限制。另外，相互垂直布置绕组层结构，还可以使平面电机通过插补原理直接产生绕组层所在方向的力，在驱动电机运转时，具有更高的能量利用率和电流利用率高。
(3)通过平面电机动子的动子磁体设置与排布，使平面电机动子布满动子磁体，没有空余，同时通电区域是位于平面电机动子永磁阵列正下方的分段绕组，采用高级算法可以消除磁场端部畸变效应的影响，且利用几乎所有不为零的磁场区域，整体的磁场利用率更高。
(4)绕组设计成三相PCB线圈叠绕组形式，提高了电机的槽满率，磁场和电流利用率都有所提升，电机的噪声也大大降低，因此可实现较高的推力—质量比。
(5)平面电机定子为多层PCB线圈阵列，易于组合和拆解，结构拓展方便，应用范围更广。
【附图说明】
图1为本发明的平面电机结构图；
图2为本发明的平面电机工作原理示意图；
图3为本发明的动子磁体和定子绕组层布置结构示意图；
图4为本发明的动子磁体的阵列结构示意图；
图5为本发明动子磁体的二维海尔贝克(Halbach)磁场示意图；
图6为本发明的平面电机动子受力方向示意图；
图7为本发明的PCB线圈结构示意图；
图8为本发明的位置传感器与磁体设置示意图；
图9为本发明的霍尔传感器和动子磁体在距离不同时的磁场仿真示意图；
图10为本发明的位置传感器的波形处理过程图；
图11为本发明的解耦控制系统原理图示意图；
1、平面电机定子；2、平面电机动子；3、平面电机基座。
【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，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的一种基于PCB线圈的大行程平面电机的具体实施例1：
本实施例所提供的一种基于PCB线圈的大行程平面电机，如图1，包括平面电机基座、平面电机动子和平面电机定子，平面电机动子位于平面电机定子上方，而永磁阵列安装在动子上。平面电机定子由多层绕组层叠交错放置构成，绕组层为短距式无铁芯PCB线圈阵列，由印制线路板制成，绕组层分为两组，两组绕组层相互垂直布置，PCB线圈采用三相结构，两组绕组层所在的方向分别为x坐标方向和y坐标方向，如图2。平面电机定子上方还装配有霍尔位置传感器。
平面电机动子包括若干动子磁体，动子磁体布置为永磁阵列，如图2、图3、图4所示，并且永磁阵列采用二维海尔贝克永磁阵列，横向和纵向的动子磁体磁极方向分别为u坐标方向和v坐标方向，动子磁体方向与绕组方向成45°夹角装配，即动子坐标u-v与定子坐标x-y相比倾斜45°，并且永磁阵列的宽度在x方向和y方向与绕组层PCB线圈的极距λ相等，实现了平面电机动子与平面电机定子之间无机械连接，使平面电机动子的运动不再受到机械结构的限制，从而有效避免了机械结构或线路等对平面电机动子运动范围和精度的限制。此外，在本平面电机的平面运动中，为了仿真旋转，加装了导杆。
本平面电机的动子磁体排布如图2，即动子磁体排布为二维海尔贝克永磁阵列，并且平面电机定子具有不带铁芯的电枢导体。若电枢结构采用6层印刷电路板，永磁体阵列放置在平面电机定子结构的上方或下方，在x-y平面上的倾斜角度为45°，即，动子坐标u-v与定子坐标x-y相比倾斜45°，假定永磁体为无限长的周期性永磁体结构，永磁体上方的磁通密度Bz(u,v)为正弦分布，平面电机的推力和扭矩的近似特性分析如下：
其中，Bz0是磁通密度的振幅。当包含有永磁阵列的动子上的u-v坐标从定子上固定的x-y坐标顺时针旋转45°时，上式变为：
在x-y坐标中：
因此，图1所示的平面电机结构在x-y坐标方向上等同于两个直线同步电机，这样布置可以避免出现空间的浪费和空余，从而使电机内部空间得到最大限度利用。
图5显示了气隙长度为g的下方平面上Z方向通量密度Bz的有限元分析结果，分析结果还表明，磁通密度Bx、By分别与x轴和y轴上的间距Z几乎呈正弦关系。
平面机构的电磁力是由线圈电流和磁场之间的相互作用产生的。由于本实施例中的PCB线圈是无铁芯结构，电枢导体产生的磁通密度远小于永久磁铁，因此电枢反作用力可以忽略不计。
Fx＝KFx(φ)Idx
Fy＝KFy(φ)Idy
Tz＝KTx(φ)Iqx+KTy(φ)Iqy
Idj＝Ijsinθdj
Iqj＝Ijcosθdj
图6为力与转矩的关系示意图，从图中可以看出，当相位差为+-90°时，转矩几乎为零，而x方向和y方向的推力达到最大值。
如图8，本发明中的平面电机还包括位置检测系统，位置检测系统包括位置传感器，本实施例中的位置检测系统为多霍尔插补绝对位置传感系统，用于实时检测动子的精确位置，达到准确控制的目的。位置传感器为霍尔传感器，霍尔传感器上设有两种磁钢，一种磁钢的规格为5mm*8mm*3mm，间隙0.5mm，另一种规格为9mm*8mm*3mm，间隙1mm，材料均为铷铁硼(N38H)，本实施例中，霍尔传感器选用Honeywell生产的SS141A单极性霍尔传感器，共设有三个，从左至右分别为第一传感器、第二传感器和第三传感器，三个霍尔传感器等间距布置，间距是15mm，精度可以达到产0.1mm。当霍尔传感器和动子磁体距离不同时，对应感应出的电压曲线的正弦性也不同，通过磁场分析可求得霍尔传感器即位置检测系统和动子磁体之间的合理安装距离，图9是霍尔传感器和动子磁体在距离不同时的磁场仿真示意图，霍尔传感器和动子磁体的距离在3-9mm之间进行调整。本实施例中，位置检测系统还包括小型的压力表PM，通过多霍尔插补绝对位置传感系统产生两个具有90°相移的正弦信号，再利用小的辅助PM来识别方向，以保证正弦波时谐波少或者只产生固定频率的谐波。本实施例中选择位置检测系统和动子磁体的距离为4mm，在实际安装中还需要留有2mm的可调节距离。
图10为本发明中位置检测系统的位置传感器的波形处理过程图，现在取彼此相邻的3个传感器的波形，其关键是第一传感器和第二传感器组成的相差90度的波形组转为第二传感器和第三传感器组成的波形组。从图10中可以看出，位置的线性度和信号切换满足设计要求。
本发明中的平面电机还包括控制系统、传感器系统和驱动电路，控制系统、传感器系统和驱动电路采用分立式器件埋入方法集成在PCB线圈内部，并通过激光钻孔的方式进行连接，确保分立器件在埋入后与线路正常导通。
本发明中的控制系统为解耦控制系统，如图11，解耦控制系统用于控制平面电机动子在平面上的任意曲线和平移运动，即控制平面电机动子的位置，本实施例中采用三个PID参数x、y和θ实现对平面电机动子的控制，其中，通过控制参数x，y实现平面电机动子的水平移动，通过控制位姿参数θ，能够有效地提高其移动平稳性。

Claims (10)

1.一种基于PCB线圈的大行程平面电机，其特征是，包括平面电机基座、平面电机动子和平面电机定子，所述平面电机定子由多层绕组层叠交错放置构成，所述绕组层采用PCB线圈阵列，所述绕组层分为两组，两组绕组层相互垂直布置，所述PCB线圈采用三相结构；所述平面电机动子包括若干动子磁体，所述动子磁体布置为永磁阵列，所述动子磁体的磁极方向与两组所述绕组层所在的方向倾斜一定角度布置，所述永磁阵列的宽度和与所述绕组层PCB线圈的极距相等，所述平面电机动子位于所述平面电机定子上方或下方，所述平面电机还包括控制系统、传感器系统和驱动电路，所述控制系统、所述传感器系统和所述驱动电路集成在所述PCB线圈内部；相互垂直布置的绕组层中的绕组采用分段结构实现大位移，平面电机动子的自由度限制于相互垂直的绕组层的角线所在的平面内。
2.根据权利要求1所述的基于PCB线圈的大行程平面电机，其特征是，相互垂直布置的所述绕组层中的绕组采用分段结构并与所述永磁阵列相对应。
3.根据权利要求2所述的基于PCB线圈的大行程平面电机，其特征是，所述动子磁体磁极方向与两组所述绕组层所在的方向倾斜45°布置。
4.根据权利要求3所述的基于PCB线圈的大行程平面电机，其特征是，所述动子磁体排布为二维海尔贝克永磁阵列。
5.根据权利要求4所述的基于PCB线圈的大行程平面电机，其特征是，所述平面电机动子位于所述平面电机定子上方。
6.根据权利要求5所述的基于PCB线圈的大行程平面电机，其特征是，所述控制系统、所述传感器系统和所述驱动电路采用分立式器件埋入方法集成在PCB线圈内部，并通过激光钻孔的方式进行连接。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于PCB线圈的大行程平面电机，其特征是，所述平面电机还包括位置检测系统，所述位置检测系统包括位置传感器和压力表，所述压力表用于辅助进行方向识别。
8.根据权利要求7所述的基于PCB线圈的大行程平面电机，其特征是，所述位置检测系统为多霍尔插补绝对位置传感系统，用于实时监控平面电机动子的精确位置，所述位置传感器为霍尔传感器，所述霍尔传感器上设有两种规格不同的磁钢；所述霍尔传感器共设有三个，三个霍尔传感器等间距布置。
9.根据权利要求8所述的基于PCB线圈的大行程平面电机，其特征是，所述平面电机的控制系统为解耦控制系统，采用三个PID分别控制X、Y、θ用于控制运动器在平面上的任意曲线和平移运动。
10.根据权利要求9所述的基于PCB线圈的大行程平面电机，其特征是，所述位置检测系统安装在所述平面电机基座表面，并采用插补方式完成系统运行。
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