一種磁懸浮多自由度永磁同步平面電的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種磁懸浮多自由度永磁同步平面電機。包括永磁勵磁部分和電樞繞組部分，疊加后留有氣隙；永磁勵磁的二維永磁體陣列黏貼于軛部靠近電樞繞組部分的一側(cè)，由結(jié)構(gòu)關(guān)于X軸和Y軸對稱、縱向橫截面為梯形的三個永磁模塊和導(dǎo)磁模塊組合而成；電樞繞組分別沿X方向放置的繞組和Y方向放置的繞組的兩套為空心繞組，兩套繞組之間彼此獨立，沿Z方向呈90度角疊放，繞組采用多相結(jié)構(gòu)，同套繞組中同相繞組相并聯(lián)或串聯(lián)，各相之間采用星形或三角形連接。本實用新型定子和動子之間無接觸，減小遲滯性和累積誤差；彼此獨立的繞組使得磁場和電磁力調(diào)節(jié)方便。永磁體結(jié)構(gòu)提高推力密度和材料利用率。具有重量輕、響應(yīng)速度快、控制簡單和運動范圍廣的優(yōu)點。
【專利說明】—種磁懸浮多自由度永磁同步平面電機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電機，尤其是涉及一種磁懸浮多自由度永磁同步平面電機。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，高速度、高精度成為機械加工的重要發(fā)展方向，在微電子封裝設(shè)備如共晶粘片機、全自動金絲球焊機和IC芯片制作設(shè)備，對驅(qū)動器定位精度、運行速度、驅(qū)動維數(shù)都提出了越來越高的要求。
[0003]平面電機驅(qū)動方法與傳統(tǒng)多維組合式驅(qū)動平臺相比，摒棄了從旋轉(zhuǎn)運動到直線運動再到平面運動的絲杠、螺桿等中間轉(zhuǎn)換裝置，消除了累積誤差的存在；集成式的磁鋼陣列和電樞繞組結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)驅(qū)動范圍更加容易擴展；單一的運動體結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)反應(yīng)更為快捷。尤其是可實現(xiàn)磁懸浮的永磁平面電機降低了運動面約束，消除了摩擦損耗，進(jìn)一步提高了驅(qū)動精度，與感應(yīng)式和磁阻式平面電機相比，更是具有結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點，在光刻機等現(xiàn)代精密、超精密制造裝備領(lǐng)域中表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
[0004]現(xiàn)有的永磁平面電機根據(jù)電樞繞組部分有無齒槽可分為兩大類:第一類帶齒槽結(jié)構(gòu)的永磁平面電機，具有較高的氣隙磁密，較高的推力密度，但齒槽推力的存在限制了驅(qū)動精度的提高；第二類無齒槽式結(jié)構(gòu)又可根據(jù)電樞繞組部分有無鐵心分為兩小類，其中電樞繞組部分無鐵心式永磁平面電機，與其他結(jié)構(gòu)相比，消除了永磁勵磁和繞組部分的相互吸力，免除了推力波動的存在，尤其采用動圈式結(jié)構(gòu)時，具有動子質(zhì)量低，系統(tǒng)響應(yīng)快的優(yōu)點，但同時也存在等效氣隙高，推力密度較低的缺點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了在保持電樞繞組部分無鐵心式永磁平面電機上述優(yōu)點的情況下，進(jìn)一步提高其推力密度，本實用新型的目的在于提供一種磁懸浮多自由度永磁同步平面電機，通過改變永磁模塊形狀及繞組結(jié)構(gòu)以提高推力密度。
[0006]本實用新型采用的技術(shù)方案是:
[0007]本實用新型包括永磁勵磁部分和電樞繞組部分，永磁勵磁部分和電樞繞組部分疊加后留有氣隙。
[0008]所述的永磁勵磁部分，包括二維永磁體陣列和軛部，二維永磁體陣列黏貼于軛部靠近電樞繞組部分的一側(cè)，由結(jié)構(gòu)關(guān)于X軸和Y軸對稱、縱向橫截面為梯形的三個永磁模塊和一個導(dǎo)磁模塊組合而成；
[0009]電樞繞組部分，包括分別沿X方向放置的繞組和Y方向放置的繞組，兩套繞組均為空心的集中式繞組，兩套繞組之間彼此獨立，沿Z方向呈90度角疊放，繞組采用多相結(jié)構(gòu)，同套繞組中同相繞組相并聯(lián)或串聯(lián)，各相之間采用星形或三角形連接。
[0010]所述的三個永磁模塊，第一個永磁模塊為垂直方向充磁的主磁極模塊，為縱向剖面，即Z軸剖面為梯形、水平剖面為正方形的六面體結(jié)構(gòu)，且靠近氣隙側(cè)的表面邊長τ &大于靠近軛部側(cè)的表面邊長τ lc ;第二個永磁模塊為水平方向充磁的邊部輔助磁極模塊，為縱向剖面，即Z軸剖面為梯形、水平剖面為矩形的六面體結(jié)構(gòu)，靠近氣隙側(cè)的表面與靠近軛部側(cè)的表面為長短邊相反的矩形；第三個永磁模塊為呈對角線方向充磁的角部輔助次級模塊，為縱向剖面，即Z軸剖面為梯形、水平剖面為正方形的六面體結(jié)構(gòu)，且靠近氣隙側(cè)的表面邊長T3a小于靠近軛部側(cè)的表面邊長T3。，充磁方向與水平面平行，由水平剖面中正方形的一角指向?qū)?；所述?dǎo)磁模塊結(jié)構(gòu)尺寸與第一個永磁模塊結(jié)構(gòu)尺寸相同。
[0011]所述二維永磁體陣列中，第一個永磁模塊的四個側(cè)面均緊貼放置第二個永磁模塊；第一個永磁模塊的四個角的位置均放置第三個永磁模塊；任兩個相同極性的第一個永磁模塊中心點連線的中間部分均放置模塊；當(dāng)?shù)谝粋€永磁模塊的上下表面?zhèn)冗吪c軛部側(cè)邊平行時，相同行和相同列下對應(yīng)的第一個永磁模塊極性相同；相鄰的兩個極性相反的第一個永磁模塊中心點之間的行和列間距均為一個極距τ ;從繞組側(cè)觀察，若第一個永磁模塊充磁方向垂直向外，即N極，則周圍的第二個永磁模塊和第三個永磁模塊充磁方向指向第一個永磁模塊中心；若第一個永磁模塊充磁方向垂直向內(nèi)，即s極,貝U周圍的第二個永磁模塊和第三個永磁模塊充磁方向背離第一個永磁模塊中心。
[0012]所述電樞繞組部分，采用動圈式結(jié)構(gòu)，永磁勵磁部分為平面電機的定子部分，所述電樞繞組部分為平面電機的動子部分；或采用動磁式結(jié)構(gòu)，電樞繞組為平面電機的定子部分，永磁勵磁部分為平面電機的動子部分。
[0013]包括上下對應(yīng)的兩套永磁勵磁部分和電樞繞組部分；電樞繞組部分夾在上下永磁勵磁部分中間，電樞繞組部分與上下永磁勵磁部分間均存在氣隙；上下兩層二維永磁體陣列中第一個永磁模塊中心相對應(yīng)，且兩者之間極性相反，即N極和S極彼此相對，磁力線經(jīng)兩套永磁體陣列和軛部、兩層氣隙和電樞繞組形成回路；電機采用動圈式結(jié)構(gòu)，所述永磁勵磁部分為平面電機的定子部分，所述電樞繞組為平面電機的動子部分。
[0014]本實用新型具有的有益效果是:
[0015]I)定子和動子之間無接觸，避免了摩擦力的存在，減小了遲滯性和累積誤差。
[0016]2)彼此獨立的繞組結(jié)構(gòu)使得磁場和電磁力調(diào)節(jié)更為靈活方便。
[0017]3)獨特的永磁體結(jié)構(gòu)提高了推力密度和材料利用率。
[0018]4)本實用新型所述的平面電機具有重量輕、響應(yīng)速度快、控制簡單、運動范圍廣等優(yōu)點，可應(yīng)用到需要三維精密驅(qū)動和定位的場合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是實施例1單邊式磁懸浮多自由度永磁同步平面電機結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是本實用新型二維永磁體陣列結(jié)構(gòu)示意圖(繞組側(cè)俯視圖)。
[0021]圖3是本實用新型二維永磁體陣列結(jié)構(gòu)仰視圖。
[0022]圖4是本實用新型電樞繞組結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5是實施例3雙邊式磁懸浮多自由度永磁同步平面電機結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖中:1:永磁勵磁部分；2:電樞繞組部分；1_1: 二維永磁體陣列，1-2:軛部；
2-1:沿X方向放置的繞組；2-2:沿Y方向放置的繞組:第一個永磁模塊；1-1_2:第二個永磁模塊；1-1-3:第三個永磁模塊；1-1-4:導(dǎo)磁模塊。

【具體實施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步的說明。
[0026]實施例1:
[0027]如圖1所示，本實施例所述的的一種單邊式磁懸浮多自由度永磁同步平面電機包括永磁勵磁部分I和電樞繞組2兩大部分，永磁勵磁部分I為定子，電樞繞組2為動子，兩部分均為平板式結(jié)構(gòu)，彼此分離，之間存在氣隙。所述的永磁勵磁部分包括二維永磁體陣列1-1和軛部1-2兩部分，二維永磁體陣列1-1黏貼于軛部1-2靠近繞組的一側(cè)，由結(jié)構(gòu)關(guān)于X軸和Y軸對稱、縱向橫截面為梯形、水平截面為矩形的三個永磁模塊1-1-1、1-1_2、1-1-3和一個導(dǎo)磁模塊1-1-4組合而成，以起到提高電機推力密度的效果。
[0028]如圖2和圖3所示，所述的二維永磁體陣列1-1中三個永磁模塊分別為--第一個永磁模塊1-1-1為垂直方向充磁的主磁極模塊，為縱向剖面(即Z軸剖面)為梯形、水平剖面為正方形的六面體結(jié)構(gòu)，靠近氣隙側(cè)的表面邊長Tla大于靠近軛部側(cè)的表面邊長τι。;第二個永磁模塊1-1-2為水平方向充磁的邊部輔助磁極模塊，為縱向剖面(即Z軸剖面)為梯形、水平剖面為矩形的六面體結(jié)構(gòu)，靠近氣隙側(cè)的表面長為Tla，寬為T3a，靠近軛部側(cè)的表面為長為τ3。，寬為τ1ε，；第三個永磁模塊1-1-3為呈對角線方向充磁的角部輔助次級模塊，為縱向剖面(即Z軸剖面)為梯形、水平剖面為正方形的六面體結(jié)構(gòu)，靠近氣隙側(cè)的表面邊長τ 3a小于靠近軛部側(cè)的表面邊長τ 3。,且滿足關(guān)系τ la+ τ 3a= τ , τ lc+ τ 3c= τ ,充磁方向與水平面平行，由水平剖面中正方形的一角指向?qū)牵粚?dǎo)磁模塊1-1-4結(jié)構(gòu)尺寸與第一個永磁模塊1-1-1相同。所述的三個永磁模塊和一個導(dǎo)磁模塊1-1-4,也可米用由多塊邊長不同的六面體組合而成。所述永磁模塊可選用釹鐵硼材料，所述導(dǎo)磁模塊可采用電工純鐵等導(dǎo)磁材料。據(jù)分析表明當(dāng)?shù)谝粋€永磁模塊1-1-1靠近軛部側(cè)的表面邊長τ lc與靠近氣隙側(cè)的表面邊長τ la的比值τ lc: τ la=0.6時，相同體積的永磁體可產(chǎn)生較高的氣隙磁密。
[0029]所述第一個永磁模塊1-1-1的四個側(cè)面均緊貼放置所述的第二個永磁模塊1-1-2 ;第一個永磁模塊1-1-1的四個角的位置均放置所述第三個永磁體模塊1-1-3 ;任兩個相同極性的第一個永磁模塊1-1-1中心點連線的中間部分均放置所述導(dǎo)磁模塊1-1-4，導(dǎo)磁模塊1-1-4夾在四個第二個永磁模塊1-1-2中間；相同行和相同列下對應(yīng)的第一個永磁模塊1-1-1極性相同；每四個相鄰的同極性的第一個永磁模塊1-1-1中心對應(yīng)的第一個永磁模塊1-1-1極性與之相反；相鄰的兩個極性相反的第一個永磁模塊1-1-1中心點之間的行和列間距均為一個極距τ ;從繞組側(cè)觀察,若第一個永磁模塊1-1-1充磁方向垂直向外(N極),則周圍的第二個永磁模塊1-1-2和第三個永磁模塊1-1-3充磁方向指向第一個永磁模塊1-1-1中心；若第一個永磁模塊1-1-1充磁方向垂直向內(nèi)(S極),則周圍的第二個永磁模塊1-1-2和第三個永磁模塊1-1-3充磁方向背離第一個永磁模塊1-1-1中心。
[0030]參考三相繞組為例的圖1和圖4，所述電樞繞組2包括沿X方向放置的繞組2-1和沿Y方向放置的繞組2-2兩部分，兩套繞組均為空心集中式繞組結(jié)構(gòu)，且兩者之間彼此獨立，沿Z方向正交疊放，彼此成90度；繞組采用多相結(jié)構(gòu)，同套繞組中同相繞組相并聯(lián)或串聯(lián)，各相之間采用星形或三角形連接，繞組跨距和分布與現(xiàn)有永磁電機集中式繞組結(jié)構(gòu)相同?’沿X方向放置的繞組2-1的平均X向長度和沿Y方向放置的繞組2-2的平均Y向長度為2k τ，其中k為自然數(shù)。電機運行時，可通過分別控制Y方向繞組和X方向繞組中的電流及相位實現(xiàn)X方向推力、Y方向推力和Z方向懸浮力的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)三個自由度的精密驅(qū)動和定位。
[0031]本實施例中所述沿X方向放置的繞組2-1和沿Y方向放置的繞組2-2，由于與永磁勵磁部分I的相對高度不同，電磁特性存在差異，為了提高兩者的電磁對稱性，遠(yuǎn)離永磁勵磁部分I的繞組的高度可高于靠近勵磁部分的繞組。實施中也可采用多層繞組結(jié)構(gòu)，例如當(dāng)沿X方向放置的繞組2-1層數(shù)為2，沿Y方向放置的繞組2-2層數(shù)為2時，同套繞組中各層相串聯(lián)或并聯(lián)，且沿Z軸的疊放順序采用X向、Y向、Y向、X向或Y向、X向、X向、Y向的結(jié)構(gòu),也可提高兩套繞組的電磁對稱性。
[0032]所述軛部1-2可由導(dǎo)磁材料鐵塊構(gòu)成，也可以由不導(dǎo)磁材料鋁或者不銹鋼塊構(gòu)成，表面積大于等于永磁陣列總體表面積，制造工藝與普通電機相同。
[0033]實施例2:
[0034]本實施例2與實施例1的差別僅在于:所述的單邊式磁懸浮多自由度永磁同步平面電機永磁勵磁部分I為動子，電樞繞組2為定子，沿X方向放置的繞組2-1的平均X向長度和沿Y方向放置的繞組2-2的平均Y向長度不再有具體數(shù)值限制，大于動子長度即可，由于電樞成本較低，本實施例更容易擴展動子運動范圍。由于永磁體陣列自成磁路，本實施例中軛部材料最好選擇為鋁，此時對磁密影響不大，而且可減輕動子重量。
[0035]實施例3:
[0036]參考圖5所示，本實施例3與實施例1的差別在于:所述的一種雙邊式磁懸浮多自由度永磁同步平面電機，包括上下對應(yīng)的兩套永磁勵磁部分I和一套電樞繞組部分2 ;電樞繞組2夾在上下兩套永磁勵磁部分I中間，形成“三明治”式結(jié)構(gòu)，與上下兩層二維永磁體陣列1_1間均存在氣隙；上下兩層二維永磁體陣列1_1中第一個永磁模塊1-1-1中心相對應(yīng)，且極性相反(N極和S極彼此相對)，磁力線經(jīng)兩套二維永磁體陣列1-1 (和軛部1-2)、兩層氣隙和電樞繞組2形成回路；電機采用動圈式結(jié)構(gòu)，所述永磁勵磁部分為平面電機的定子部分，所述電樞繞組為平面電機的動子部分；由于此結(jié)構(gòu)中電樞繞組部分磁通密度水平分量較低，故運行時主要通過控制電樞繞組中沿Y方向放置的繞組2-2和沿X方向放置的繞組2-1中的電流實現(xiàn)X方向和Y方向推力的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)兩個自由度的精密驅(qū)動和定位。本實施例中當(dāng)電樞繞組2兩側(cè)氣隙高度相同時，沿X方向放置的繞組2-1和沿Y方向放置的繞組2-2產(chǎn)生的電磁力具有良好的對稱性。機械結(jié)構(gòu)中為了保持兩側(cè)氣隙相同，可通過支架和直線導(dǎo)軌相結(jié)合的形式，固定動子的Z軸高度，僅允許X向和Y向兩個自由度。
[0037]本實用新型可利用微型機器人，光刻機或微電子封裝設(shè)備等需要精密驅(qū)動和操作的場合，使用時需將所述的定子固定在加工設(shè)備中的靜止組件上，動子部分用于驅(qū)動加工設(shè)備中的運動部件，可通過平面電機定子和動子間的洛侖茲力實現(xiàn)設(shè)備的精密加工和驅(qū)動。
【權(quán)利要求】
1.一種磁懸浮多自由度永磁同步平面電機，包括永磁勵磁部分(I)和電樞繞組部分(2)，永磁勵磁部分(I)和電樞繞組部分(2)疊加后留有氣隙；其特征在于: 所述的永磁勵磁部分(I)，包括二維永磁體陣列(1-1)和軛部(1-2)，二維永磁體陣列(1-1)黏貼于軛部(1-2)靠近電樞繞組部分(2)的一側(cè)，由結(jié)構(gòu)關(guān)于X軸和Y軸對稱、縱向橫截面為梯形的三個永磁模塊(1-1-1、1-1-2、1-1-3)和一個導(dǎo)磁模塊(1-1-4)組合而成； 電樞繞組部分(2)，包括分別沿X方向放置的繞組(2-1)和Y方向放置的繞組(2-2)，兩套繞組均為空心的集中式繞組,兩套繞組之間彼此獨立，沿Z方向呈90度角疊放，繞組采用多相結(jié)構(gòu)，同套繞組中同相繞組相并聯(lián)或串聯(lián)，各相之間采用星形或三角形連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮多自由度永磁同步平面電機，其特征在于:所述的三個永磁模塊，第一個永磁模塊(1-1-1)為垂直方向充磁的主磁極模塊，為縱向剖面，即Z軸剖面為梯形、水平剖面為正方形的六面體結(jié)構(gòu)，且靠近氣隙側(cè)的表面邊長τ &大于靠近軛部側(cè)的表面邊長τ lc ;第二個永磁模塊(1-1-2)為水平方向充磁的邊部輔助磁極模塊，為縱向剖面，即Z軸剖面為梯形、水平剖面為矩形的六面體結(jié)構(gòu)，靠近氣隙側(cè)的表面與靠近軛部側(cè)的表面為長短邊相反的矩形；第三個永磁模塊(1-1-3)為呈對角線方向充磁的角部輔助次級模塊，為縱向剖面，即Z軸剖面為梯形、水平剖面為正方形的六面體結(jié)構(gòu)，且靠近氣隙側(cè)的表面邊長T3a小于靠近軛部側(cè)的表面邊長τ3。，充磁方向與水平面平行，由水平剖面中正方形的一角指向?qū)?；所述?dǎo)磁模塊(1-1-4)結(jié)構(gòu)尺寸與第一個永磁模塊(1-1-1)結(jié)構(gòu)尺寸相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮多自由度永磁同步平面電機，其特征在于:所述二維永磁體陣列中，第一個永磁模塊(1-1-1)的四個側(cè)面均緊貼放置第二個永磁模塊(1-1-2);第一個永磁模塊(1-1-1)的四個角的位置均放置第三個永磁模塊(1-1-3);任兩個相同極性的第一個永磁模塊(1-1-1)中心點連線的中間部分均放置模塊(1-1-4);當(dāng)?shù)谝粋€永磁模塊(1-1-1)的上下表面?zhèn)冗吪c軛部側(cè)邊平行時，相同行和相同列下對應(yīng)的第一個永磁模塊(1-1-1)極性相同；相鄰的兩個極性相反的第一個永磁模塊(1-1-1)中心點之間的行和列間距均為一個極距τ ;從繞組側(cè)觀察，若第一個永磁模塊(1-1-1)充磁方向垂直向外，即N極，則周圍的第二個永磁模塊(1-1-2)和第三個永磁模塊(1-1-3)充磁方向指向第一個永磁模塊(1-1-1)中心；若第一個永磁模塊(1-1-1)充磁方向垂直向內(nèi)，即S極，則周圍的第二個永磁模塊(1-1-2)和第三個永磁模塊(1-1-3)充磁方向背離第一個永磁模塊(1-1-1)中心。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮多自由度永磁同步平面電機，其特征在于:所述電樞繞組部分(2)，采用動圈式結(jié)構(gòu)，永磁勵磁部分(I)為平面電機的定子部分，所述電樞繞組部分(2)為平面電機的動子部分；或采用動磁式結(jié)構(gòu)，電樞繞組(2)為平面電機的定子部分，永磁勵磁部分(I)為平面電機的動子部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮多自由度永磁同步平面電機，其特征在于:其特征在于:包括上下對應(yīng)的兩套永磁勵磁部分(I)和電樞繞組部分(2); 電樞繞組部分(2)夾在上下永磁勵磁部分(I)中間，電樞繞組部分(2)與上下永磁勵磁部分(I)間均存在氣隙；上下兩層二維永磁體陣列中第一個永磁模塊中心相對應(yīng)，且兩者之間極性相反，即N極和S極彼此相對，磁力線經(jīng)兩套永磁體陣列和軛部、兩層氣隙和電樞繞組形成回路；電機采用動圈式結(jié)構(gòu)，所述永磁勵磁部分為平面電機的定子部分，所述電樞繞組為平面電機的動子部分。
【文檔編號】H02K41/03GK204205909SQ201420563364
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】郭亮, 丁浩 申請人:浙江理工大學(xué)