CN1599213A - 永磁同步平面电动机 - Google Patents

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Abstract

永磁同步平面电动机，属于电动机技术领域。为了提供一种具有高推力密度、低推力脉动和具有磁导向功能的永磁同步平面电动机，本发明公开了一种永磁同步平面电动机，在其动子底面的不同区域布置有推力绕组和磁导向绕组；所述推力绕组包括X向推力绕组和Y向推力绕组，它们在动子底面的竖直方向上相互重叠，且所述X向推力绕组的任一有效边与所述Y向推力绕组的任一有效边之间相互垂直；所述磁导向绕组包括第一磁导向绕组和第二磁导向绕组，它们分别对称布置于动子质心的两侧，并且磁导向绕组有效边与X向推力绕组的有效边或Y向推力绕组的有效边平行。由于采用了上述技术措施，所提出的永磁同步平面电动机具有高推力密度、低推力脉动和磁导向功能。

Description

永磁同步平面电动机
技术领域
本发明涉及一种平面电动机，特别是一种永磁同步平面电动机。
背景技术
传统的X-Y工作台在X、Y两个方向的运动分别由两个旋转电动机驱动，由于工作台的运动为二维的直线运动，而旋转电动机的运动为旋转运动，因此，在工作台与任一旋转电动机之间必须设置一套旋转运动到直线运动的转换机构(一般使用丝杆-螺母机构实现)。这种结构的X-Y工作台具有成本低廉、驱动力大等优点，但是，工作台中包含的运动转换机构存在摩擦、侧隙、滞后等不利因素，使工作台的性能(如精度)等指标难以进一步提高。随着直线电动机技术的发展，直线电动机在X-Y工作台中逐步得到应用。其应用方式之一为：分别采用两套直线电动机取代传统X-Y工作台中的两套“旋转电动机+运动转换”的机构。由于直线电动机驱动的X-Y工作台避免了传统X-Y工作台中存在的摩擦、侧隙、滞后等不利因素，X-Y工作台在精度等性能指标更容易提高，使得它在光刻机等超精密设备中得到越来越广泛的应用。但是，直线电动机直接驱动的X-Y工作台仍然存在某些不足之处，如直线电动机直接驱动的X-Y工作台仍然未摆脱“运动叠加”的模式，对于底层直线电动机而言，顶层直线电动机与工作台的总质量是一个很大的“负担”，这一特点限制了工作台响应速度的提高。近年来，出现了一种能够直接将二维驱动力(两驱动力相互垂直)直接施加于工作台上的一种平面电动机，它由呈平板状的一对定子和动子组成。当往定子和动子上的电磁结构施加电能时，动子不仅受到X向电磁推力和Y向电磁推力的作用，产生二维平面运动，而且，还能受到绕Z轴的电磁转矩的作用，限制动子绕Z轴旋转的自由度，产生磁导向功能。若将上述平面电动机运用到X-Y工作台中，则X-Y工作台不仅具有直接驱动的特点，而且减小了运动部件的惯量，从而为进一步提高工作台的性能创造了条件。
目前，平面电动机可以划分为三类，即磁阻型平面电动机、永磁同步型平面电动机和感应型平面电动机，其中，永磁同步型平面电动机具有较好的综合性能，受到人们的广泛关注。
永磁同步平面电动机一般由动子和定子两大部分构成，在动子的底面或定子的顶面上布置有永磁阵列或线圈阵列。目前，国际上已经有多项与永磁同步平面电动机相关的专利获得保护，但是，它们在推力密度、推力脉动和电磁力耦合等方面，均存在不同程度的局限性。
在美国专利US6097114(申请日1998年8月17日)中，产生两垂直方向推力的两组线圈阵列或绕组阵列分别布置于定子底面的不同区域，两线圈阵列只能分别占据定子底部的较小部分，从而减小了平面电动机的推力密度；美国专利US6097114(申请日1998年8月17日)和US6144119(申请日1999年6月18日)公开的永磁同步平面电动机，线圈阵列由一系列方形或圆形线圈构成，具有这种特点的线圈阵列无法产生连续变化的磁场，而只能产生脉动磁场，于是，使平面电动机的推力脉动增大。
目前，为了避免采用笨重的二维直线导轨来限制动子绕Z轴方向的自由度，几乎所有的平面电动机在产生推力的同时，还能够产生绕定子质心的电磁转矩，以使电动机动子在控制系统和检测系统的共同作用下，绕Z轴转动方向的自由度受到限制，可称之为磁导向功能。但是，仔细研究目前的技术可以发现，几乎所有的包括永磁同步平面电动机在内的具有磁导向功能的平面电动机(如美国专利US6097114，申请日1998年8月17日)，均利用产生推力的线圈阵列来同时产生绕动子质心的电磁转矩。这种方法使得作用于动子上的推力和电磁转矩存在很强的耦合，给平面电动机的控制带来很大的困难，如图1所示。在图中显示的动子基板11上，X向电磁推力(标记13表示)由图中的X1绕组或永磁和X2绕组或永磁共同产生，但是，这两套绕组或永磁同时还承担着产生X方向驱动力的任务，因此，X方向电磁推力与绕质心O的电磁转矩之间存在很强的耦合。两Y绕组或永磁产生的沿Y轴方向的电磁推力(标记12表示)，它们始终保持大小相等，方向相同，沿Y轴的两分量之和共同构成作用于动子上的沿Y轴方向的总推力。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高推力密度、低推力脉动和具有磁导向功能的永磁同步平面电动机。
本发明的技术方案如下：永磁同步平面电动机，包括动子和定子，所述动子和定子上安装有永磁阵列或线圈阵列，其特征在于：在永磁同步平面电动机的动子底面的不同区域布置有推力绕组和磁导向绕组；
所述推力绕组包括X向推力绕组和Y向推力绕组，它们在动子底面的竖直方向上相互重叠，且所述X向推力绕组的任一有效边与所述Y向推力绕组的任一有效边之间相互垂直；
所述磁导向绕组包括第一磁导向绕组和第二磁导向绕组，它们分别对称布置于动子质心的两侧，并且磁导向绕组有效边与所述X向推力绕组的有效边或所述Y向推力绕组的有效边平行。
为了提高永磁同步平面电动机的推力密度，将所述X向推力绕组与所述Y向推力绕组重叠布置；所述X向推力绕组与所述Y向推力绕组的有效边分别镶嵌于软磁材料制成的推力绕组骨架的X线槽和Y线槽中，所述X线槽与所述Y线槽分别沿相互垂直的X方向和Y方向布置。
为了降低推力脉动，本发明采用使绕组产生连续变化磁场的思路，具体方法是：将所述X向推力绕组和Y相推力绕组分别连接成三相或多相结构，所述X向推力绕组和Y相推力绕组的极距与定子上的永磁阵列的极距相等，所述X向推力绕组和Y相推力绕组中分别通入相差为120°的三相正弦交流电。
为了产生磁导向功能，同时，消除电磁转矩与电磁推力之间的耦合，本发明采用设立单独磁导向绕组的方案。具体方法是：所述磁导向绕组对称布置于定子底面的两侧，且不与推力绕组重叠；所述磁导向绕组的有效边与X向推力绕组的有效边或Y向推力绕组的有效边平行；所述的磁导向绕组缠绕于一非铁磁材料制成的具有方形截面的骨架体上。
上述技术措施保证了所提出的平面电动机具有高推力密度、低推力脉动特点，并且具有磁导向功能。
附图说明
图1是现有技术中电磁推力与电磁转矩产生示意图。
图2是本发明所述永磁同步平面电动机的结构简图。
图3是本发明所述永磁同步平面电动机动子的结构简图。
图4是本发明所述永磁同步平面电动机推力部件的结构简图。
图5是本发明所述永磁同步平面电动机动子及永磁阵列的一种形式。
图6是本发明所述永磁同步平面电动机推力绕组的连接方法。
图7是本发明所述永磁同步平面电动机导向部件的结构简图。
图8是本发明所述永磁同步平面电动机磁导向绕组的连接方法。
图9是本发明所述永磁同步平面电动机推力绕组的另外一种连接方法。
具体实施方式
图2描述了一种大推力密度，具有连续变化磁场和磁导向功能的永磁同步平面电动机。图中永磁同步电动机由动子31和定子32两部分构成，动子31的底面与定子32的顶面相互平行，且它们之间存在一气隙。
图3为图2中永磁同步平面电动机动子31的结构图，由图可知，动子包括：动子基体45、X向推力绕组44、Y向推力绕组43、推力绕组骨架42，以及两套磁导向绕组46和导向绕组骨架47。其中，动子基体45作为直接或间接安装其他零部件的共同基座，X向推力绕组44、Y向推力绕组43和推力绕组骨架42共同构成推力部件48，推力部件48通过连接件41与定子基体45相连，而两套磁导向绕组46与导向绕组骨架47分别构成第一导向部件49和第二导向部件50，第一导向部件49和第二导向部件50可通过定位销和螺钉等定位连接方式与动子基体45相连。
图4为推力部件48的结构简图。在推力部件的推力绕组骨架42的底面上，沿X轴方向和沿Y轴方向，分别加工有一系列相互平行的X线槽51和一系列相互平行的Y线槽52，以分别镶嵌Y向推力绕组43和X向推力绕组44。由于X向推力绕组44布置于Y向推力绕组43的上方，所以X线槽51比Y线槽52更深(若X向推力绕组44布置于Y向推力绕组43的下方，则，Y线槽52比X线槽51更深)。推力部件48中的推力绕组骨架42以软磁材料(如硅钢等)制成，其目的是增加X向推力绕组44和Y向推力绕组43绕组通电后在气隙中产生的气隙磁通密度。将上述Y向推力绕组43和X向推力绕组44重叠布置有利于提高永磁同步平面电动机的推力密度。
如图3所示，第一导向部件49和第二导向部件50对称安装于推力部件48的两侧，它们相对于动子轴线对称。第一导向部件49和第二导向部件50中的导向绕组骨架47所用材料为非铁磁材料(如铝等)。
图5为图2中永磁同步平面电动机定子的结构图，由图5可知，本发明所述永磁同步平面电动机的定子包括：定子基体62和永磁阵列61，其中，永磁阵列61由一系列的具有边长为p的正方形截面的永磁体排列而成，所有永磁体通过粘结剂(如环氧树脂等)固定在定子基体62上。永磁阵列61中，各永磁体的排列特点为：沿X轴或沿Y轴的每一行中的各永磁体具有相同的磁化方向，且各永磁体之间留有宽度为p的间隔空间，同时，沿X轴或沿Y轴的任意相邻两行中心线之间的间隔为p。可见，所述永磁阵列61的极距为2×p。
上述镶嵌于推力绕组骨架42上的Y向推力绕组43的连接方法如图6所示，图中有效边A1、A2、A3、A4连接成A相绕组，有效边B1、B2、B3、B4连接成B相绕组，有效边C1、C2、C3、C4连接成C相绕组，任意两相邻有效边中心距为p/3，当A相绕组通入如图6所示的相电流时，动、定子之间将产生相应的磁场，磁场分布的情况如磁力线72所示。显然图6所示的绕组结构为三相式，当平面电动机正常工作时，在X向推力绕组44的A、B、C三相中和Y向推力绕组43的A、B、C三相绕组中分别通入两组三相正弦交流电，三相交流电之间的相差为120°，以在气隙中产生正弦连续变化的磁场，从而有利于降低平面电动机的推力脉动。图6中的标记71表示永磁体的磁化方向。上述推力绕组为整数槽形式，且与每磁极对应的有效边数为1，实际上，与每磁极对应的有效边数也可大于1，图9描述了一种与每磁极对应的有效边数为2的一种整数槽绕组，此时，每相邻有效边中心距变为p/6，图中A11、A12、A21、A22、A31、A32连接成A相绕组。图6和图9中的Y向推力绕组43的极距均为2×p，同理，X向推力绕组44的极距也为2×p，它们与永磁阵列61的极距相等，此外，推力绕组的形式还可以是分数槽形式，其具体形式与旋转同步电动机的分数槽绕组的形式类似。
图7为动子上第一导向部件49和第二导向部件50的结构图，一系列导向线圈81逐个安装于骨架体82上，线圈81的宽度为p/3。当所有的导向线圈81套于骨架体82上后，紧固件83将所有线圈压紧，所述骨架体82具有方形截面。上述磁导向绕组46的连接规律如图8所示，图中线圈A1、A2、A3、A4连接构成A相绕组，线圈B1、B2、B3、B4连接构成B相绕组，线圈C1、C2、C3、C4连接构成C相绕组。当控制A、B、C三相绕组的电流大小和方向时，即可控制磁导向绕组46所产生的电磁力。图2中位于动子底面两侧的第一导向部件49和第二导向部件50，在绕组电流与永磁磁场相互作用下，将分别产生大小相等、方向相反的电磁力F和-F。由于第一导向部件49和第二导向部件50相对与动子质心对称分布，所以，动子受到相对于质心、且大小和方向可调的力耦的作用。在该受控力耦的作用下，动子绕Z轴的转角变动将限制在一个微小的范围内变动，从而达到限制动子绕Z轴转动自由度，产生磁导向功能的目的。

Claims (4)

1.永磁同步平面电动机，包括动子和定子，所述动子和定子上安装有永磁阵列或线圈阵列，其特征在于：在永磁同步平面电动机的动子底面的不同区域布置有推力绕组和磁导向绕组；
所述推力绕组包括X向推力绕组和Y向推力绕组，它们在动子底面的竖直方向上相互重叠，且所述X向推力绕组的任一有效边与所述Y向推力绕组的任一有效边之间相互垂直；
所述磁导向绕组包括第一磁导向绕组和第二磁导向绕组，它们分别对称布置于动子质心的两侧，并且磁导向绕组有效边与所述X向推力绕组的有效边或所述Y向推力绕组的有效边平行。
2.根据权利要求1所述的永磁同步平面电动机，其特征在于：所述X向推力绕组与所述Y向推力绕组的有效边分别镶嵌于软磁材料制成的推力绕组骨架的X线槽和Y线槽中，所述X线槽与所述Y线槽分别沿相互垂直的X方向和Y方向布置。
3.根据权利要求1所述永磁同步平面电动机，其特征在于：所述的X向推力绕组和Y相推力绕组分别连接成三相绕组结构，所述X向推力绕组和Y相推力绕组的极距与定子上的永磁阵列的极距相等，所述X向推力绕组和Y相推力绕组中分别通入相差为120°的三相正弦交流电。
4.根据权利要求1所述的永磁同步平面电动机，其特征在于：所述的磁导向绕组缠绕于一非铁磁材料制成的具有方形截面的骨架体上。
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