CN204271955U - 一种线圈层叠式动圈平面电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种线圈层叠式动圈平面电机，包含动子和定子，所述的定子包括海尔贝克磁钢阵列，所述的动子包括若干线圈绕组组成的线圈阵列，所述的线圈绕组包括上层线圈组和下层线圈组，相互层叠的上层线圈组和下层线圈组相互垂直。本实用新型提供一种动子重量及体积不变情况下，控制时拥有高冗余度，提升电机驱动效率，从而提高平面电机的能效比的一种线圈层叠式动圈平面电机。

Description

一种线圈层叠式动圈平面电机

技术领域

本实用新型涉及电机领域，尤其涉及一种线圈层叠式动圈平面电机。

背景技术

高速、精密运动是高端装备基础。平面运动是装备基础运动。目前平面运动使用XY伺服电机与导轨叠加组成，其运动体积大、运动质量重，且由于机械摩擦，难以获得高的运动性能；对于精密运动，则使用气浮减少摩擦爬行。相形比较，磁浮平面电机通过控制线圈阵列电流，动子台体悬浮于磁场，直接实现平面驱动。由于悬浮运动无接触，无摩擦与无磨损，无需机械导轨支承，极大简化运动机构与减轻运动质量，利于实现高速、高加速和精密运动。如ASML最新型的Twinscan NXT 1950I双工作台光刻机，采用该革新性的磁浮平面电机，去除了复杂庞大的H桥式气浮导轨，电机动子即为运动台体，不仅使原为难题的纳米级双工作台交换问题得以简化，且由于运动质量大幅减轻，使运动性能获得飞跃性的提高。

磁浮平面电机原型由美国MIT提出，但该结构行程不能扩展、效率低。对此，M.I.T的David L. Trumpert团队进一步提出二维Halbach永磁阵列结构，使运动行程可按需要方便扩展，由此为大行程磁浮平面运动提供了基础；为了改善驱动效率，如图1所示，Ir.J.C.Compter提出了由线圈（1’）相对磁钢阵列(2’)成45°的阵列结构，使大部分线圈(1’)可以发挥驱动作用，从而有效提高驱动效率。上述两者构成了磁浮平面电机的电磁结构基础。在此基础上，埃因霍温理的J.W. Jansen等研究了动铁式磁浮平面电机，动铁式电机动子运动时不需通电与冷却，无外部线缆干扰，是精密运动的理想结构。但动铁式磁浮平面电机其动子边缘磁场非线性严重，且在动子边缘处定子上许多线圈只是部分处于有效磁场，因而难于精确求解，因此，提高控制精度方面存在困难。因此，目前技术较为成为的是动圈式磁浮平面电机。由Ir.J.C.Compter提出的动圈式磁浮平面电机，已成功应用于ASML公司的新一代高精度Twinscan NXT1950i光刻机中，其硅片台为革新性的磁浮平台，行程估计达1米，并获得难以置信的运动性能：扫描工作时，其掩模台加速度达15G、速度3.2m/s，两台同步精度1.5nm（硅片台速度为掩模台1/4）。

理论上，悬浮动子6个自由度可由 6个驱动线圈或6个线圈绕组进行控制。但仅靠6个线圈难以获得足够驱动力，需要十多个以至数十个线圈同时工作，由各线圈的电磁力与力矩合成进行驱动；此外，由于磁场阵列的复杂性，其电磁转矩不能完全解耦，不能像旋转电机和直线电机那样使用d-q变换对线圈绕组进行精确解耦，只能将每个线圈看成独立驱动单元，对所有工作线圈进行整体解耦。由于线圈数量存在冗余过约束，存在有无穷多组解。为避免整体解耦困难，早期文献亦有采用d-q变换近似解耦，但其力矩波动难以控制，存在较大误差。因此，需对复杂线圈阵列进行冗余过约束的优化解耦，保证各线圈驱动力的正确分配，同时保持驱动电流连续平滑，不产生冲击与过载，且功耗优化，并可在控制处理器中实时实现。目前文献中，虽然介绍了基于功率优化的电流解耦，但对驱动器过载冲击未作良好处理，这将影响控制过程的稳定性。增加线圈在增加电机控制冗余性的同时，也增加了动子的体积与重量，导致电机行程受到约束。

实用新型内容

本实用新型针对上述现有产品存在的问题，提供一种动子重量及体积不变情况下，控制时拥有高冗余度，提升电机驱动效率，从而提高平面电机的能效比的一种线圈层叠式动圈平面电机。

本实用新型一种线圈层叠式动圈平面电机，包含动子和定子，所述的定子包括海尔贝克磁钢阵列，所述的动子包括若干线圈绕组组成的线圈阵列，所述的线圈绕组包括上层线圈组和下层线圈组，相互层叠的上层线圈组和下层线圈组相互垂直。

采用以上结构后，本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

本实用新型一种线圈层叠式动圈平面电机，包括由海尔贝克磁钢阵列及层叠线圈绕组组成，所述的线圈绕组包括上层线圈组和下层线圈组。磁钢阵列固定，线圈作悬浮运动。线圈相对磁钢阵列成45°的阵列结构，使大部分线圈可以发挥驱动作用，从而有效提高驱动效率。在磁浮平面电机运动控制中电流分配中通常采用wrench-current直接解耦法。wrench-current直接解耦法不以线圈组整体作为参考对象，每个线圈被独立的电流驱动器进行驱动，为此在磁浮平面电机动子运动过程中每个线圈中电流都将被独立进行控制。理论上，6自由度悬浮的动子可在 6个线圈驱动下达到可控制要求。但6个线圈产生的悬浮力及驱动力有限，如要达到预想的运动目标需通以强电流对线圈进行驱动，造成整机能耗过大，故在平面电机设计宗旨为在不增加动子体积及重量的情况下增加冗余线圈数量。本实用新型为一种线圈层叠式的动圈平面电机，驱动线圈数量增加一倍，在增加控制冗余性的同时，不增加动子的体积与重量前提下，提升电机控制性能与能耗性。

作为改进，相邻的线圈绕组之间垂直排布。

作为改进，所述的上层线圈组包括若干并排平行排列的单个矩形无铁芯洛伦兹线圈。

作为改进，所述的下层线圈组包括若干并排平行排列的单个矩形无铁芯洛伦兹线圈。

附图说明

图1是现有技术中平面电机的结构示意图。

图2是本实用新型的结构示意图。

图3是本实用新型相互叠加的两个单个线圈的结构示意图。

图4是本实用新型线圈绕组的结构示意图。

图5是本实用新型动子的俯视图。

图中所示   1、动子，101、线圈绕组，2、定子，3、上层线圈组，4、下层线圈组，1’、线圈，2’、磁钢阵列。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图2-5所示，本实用新型一种线圈层叠式动圈平面电机，包含动子1和定子2，所述的定子2包括海尔贝克磁钢阵列，所述的动子1包括若干线圈绕组101组成的线圈阵列，所述的线圈绕组101包括上层线圈组3和下层线圈组4，相互层叠的上层线圈组3和下层线圈组4相互垂直。相邻的线圈绕组101之间垂直排布。所述的下层线圈组4包括若干并排平行排列的单个矩形无铁芯洛伦兹线圈。

图2是本实用新型所述采用层叠式线圈的动圈平面电机的三维视图，由图可知本实用新型所述采用层叠式线圈的动圈平面电机包括定子2和动子1，定子2采用海尔贝克永磁阵列排布；如图3所示，所述动子1中，将原高度为的线圈绕组101分成上层线圈组3和下层线圈组4，上层线圈组3高度为，下层线圈组4高度为，上层线圈组3和下层线圈组4相互垂直。

以下就本实用新型的一种实施方式加以说明，但并不局限于这种形式。如图4所示，所述的任一线圈绕组101的上层线圈组3或上层线圈组3中单个线圈的数量分别为3个，但不仅限于3个。如图5所示，所述的动子1包括4个线圈绕组101，但不仅限于4个。此时单个线圈的数量为24个，每个线圈由单独驱动器控制。可知在动子1质量和体积不变的情况下，增加了控制解耦的冗余度，大大提高了平面电机的能耗性。

以上仅就本实用新型的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本实用新型不仅限于以上实施例，其具体结构允许有变化，凡在本实用新型独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种线圈层叠式动圈平面电机，包含动子（1）和定子（2），所述的定子（2）包括海尔贝克磁钢阵列，所述的动子（1）包括若干线圈绕组（101）组成的线圈阵列，其特征在于：所述的线圈绕组（101）包括上层线圈组（3）和下层线圈组（4），相互层叠的上层线圈组（3）和下层线圈组（4）相互垂直。

2.根据权利要求1所述的一种线圈层叠式动圈平面电机，其特征在于：相邻的线圈绕组（101）之间垂直排布。

3.根据权利要求1所述的一种线圈层叠式动圈平面电机，其特征在于：所述的上层线圈组（3）包括若干并排平行排列的单个矩形无铁芯洛伦兹线圈。

4.根据权利要求1所述的一种线圈层叠式动圈平面电机，其特征在于：所述的下层线圈组（4）包括若干并排平行排列的单个矩形无铁芯洛伦兹线圈。