專利名稱：水平行程易擴(kuò)展的氣磁混合懸浮平面電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
水平行程易擴(kuò)展的氣磁混合懸浮平面電機(jī)
一、 技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型涉及一種可用于半導(dǎo)體加工產(chǎn)業(yè)、高精度繪圖儀等領(lǐng)域的平面 電機(jī)，特別涉及一種水平行程易擴(kuò)展的單動(dòng)子結(jié)構(gòu)的氣磁混合懸浮平面電機(jī)。
二、 背景技術(shù)
隨著先進(jìn)制造業(yè)的快速發(fā)展，高精度定位平臺(tái)技術(shù)得到了深入的研究和發(fā) 展，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、微立體光刻、納米工作臺(tái)、高精度繪圖儀等領(lǐng)域具有廣闊 的應(yīng)用前景，其中最重要的應(yīng)用是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的高精度光刻定位平臺(tái)。光刻 定位平臺(tái)需在一個(gè)近似平面的空間范圍內(nèi)進(jìn)行精密運(yùn)動(dòng)控制(故被稱為平面電
機(jī))，包括在水平X軸、Y軸方向?qū)崿F(xiàn)大行程運(yùn)動(dòng)(用于實(shí)現(xiàn)晶圓的快速步
進(jìn)和精密掃描)，在垂直Z軸方向?qū)崿F(xiàn)微小運(yùn)動(dòng)及繞X軸、Y軸、Z軸實(shí)現(xiàn)微 小轉(zhuǎn)動(dòng)(用于實(shí)現(xiàn)調(diào)平調(diào)焦)。
高精度平面電機(jī)的第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是平面電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平面電機(jī)的結(jié)
構(gòu)可劃分為多動(dòng)子結(jié)構(gòu)和單動(dòng)子結(jié)構(gòu)兩大類，其中多動(dòng)子結(jié)構(gòu)平面電機(jī)的動(dòng)
子平臺(tái)常采用粗動(dòng)臺(tái)和精動(dòng)臺(tái)層疊的雙層結(jié)構(gòu)，粗動(dòng)臺(tái)由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精動(dòng) 臺(tái)由音圈電機(jī)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、電磁鐵驅(qū)動(dòng)，用來校正粗動(dòng)臺(tái)的定位誤差和
扭擺誤差；單動(dòng)子結(jié)構(gòu)平面電機(jī)的動(dòng)子平臺(tái)采用單層結(jié)構(gòu)， 一般由若干組永磁 同步直線電機(jī)和電磁鐵驅(qū)動(dòng)。早期的平面電機(jī)研究集中在多動(dòng)子結(jié)構(gòu)上，曰本 曰立公司、荷蘭ASML公司、美國(guó)ISI公司已經(jīng)研制出了用于光刻的多動(dòng)子結(jié) 構(gòu)平面電機(jī)產(chǎn)品，并申請(qǐng)了相關(guān)專利。多動(dòng)子結(jié)構(gòu)平面電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和動(dòng)力 學(xué)特性較復(fù)雜，電磁執(zhí)行器數(shù)量較多，控制難度大；雙層結(jié)構(gòu)的動(dòng)子平臺(tái)總體 質(zhì)量較大，且精動(dòng)臺(tái)需在粗動(dòng)臺(tái)粗定位之后再進(jìn)行精定位，造成系統(tǒng)定位緩慢， 加工效率低。單動(dòng)子結(jié)構(gòu)平面電機(jī)則可以克服多動(dòng)子結(jié)構(gòu)平面電機(jī)的以上缺點(diǎn)， 成為目前的研究熱點(diǎn)。
高精度平面電機(jī)的第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是平面電機(jī)動(dòng)子平臺(tái)的軸承支撐方式， 為實(shí)現(xiàn)高精度平面電機(jī)的快速準(zhǔn)確定位，必須實(shí)現(xiàn)動(dòng)子平臺(tái)的無摩擦懸浮支撐。 目前可供選擇的懸浮技術(shù)主要有以下四種電動(dòng)懸浮、超導(dǎo)懸浮、氣體懸浮、
磁懸浮，其中利用渦流現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)懸浮會(huì)因散熱過大而影響平面電機(jī)的定位精度；超導(dǎo)懸浮在目前的技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)起來昂貴而且復(fù)雜；氣體懸浮實(shí) 現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，剛度也較理想，但氣體懸浮的工作原理決定其只能用于設(shè)置標(biāo)稱 懸浮位置，目前還沒有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)氣浮氣隙大小的技術(shù)；磁懸浮軸承的定位精度 主要由氣隙傳感器的精度決定，對(duì)軸承表面的精度要求較低，且能夠?qū)崿F(xiàn)懸浮 氣隙的快速調(diào)節(jié)，但一般需要添加若干組電磁鐵用作磁懸浮電磁執(zhí)行器。
高精度平面電機(jī)的第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是電磁執(zhí)行器設(shè)計(jì)，其中水平大行程 電磁執(zhí)行器一般采用永磁同步直線電機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小齒槽力和脈動(dòng)力； 小行程和旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器多由電磁鐵實(shí)現(xiàn)。普通永磁同步直線電機(jī)采用單自由度永 磁陣列，單自由度永磁陣列的磁場(chǎng)沿單方向呈周期變化，只能產(chǎn)生該方向的單 邊力；動(dòng)磁式(單自由度永磁陣列安裝在動(dòng)子上)普通永磁同步直線電機(jī)運(yùn)行 時(shí)，永磁陣列不能超出與其配套的推力繞組的邊界，否則電磁力將不可控；動(dòng) 圈式(推力繞組安裝在動(dòng)子上)普通永磁同步直線電機(jī)運(yùn)行時(shí)，推力繞組不能 超出與其配套的單自由度永磁陣列的邊界，否則電磁力將不可控。早期的單動(dòng) 子結(jié)構(gòu)平面電機(jī)多采用三組以上普通永磁同步直線電機(jī)(由呈一定角度安裝在 動(dòng)子下表面的單自由度永磁陣列和安裝在定子上表面的配套推力繞組構(gòu)成，或 由呈一定角度安裝在定子上表面的單自由度永磁陣列和安裝在動(dòng)子下表面的配 套推力繞組構(gòu)成)來驅(qū)動(dòng)水平大行程運(yùn)動(dòng)，其水平行程的擴(kuò)展將以動(dòng)子平臺(tái)尺 寸的增加為代價(jià)，以一種基于4組動(dòng)磁式普通永磁同步直線電機(jī)的平面電機(jī)(見 美國(guó)MIT博士畢業(yè)論文《High-precision planar magnetic levitaion》)為例來說明 該問題該平面電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖la所示，4個(gè)邊長(zhǎng)為100mm的小正方形虛線 框代表動(dòng)子平臺(tái)下表面安裝的4組單自由度永磁陣列(相鄰的單自由度永磁陣 列的波長(zhǎng)方向正交，用來產(chǎn)生正交的水平電磁力)，4個(gè)邊長(zhǎng)為150mm的大正 方形虛線框代表4組推力繞組(波長(zhǎng)方向和位于其正上方的配套單自由度永磁 陣列的波長(zhǎng)方向相同)，平面電機(jī)運(yùn)行時(shí)，單自由度永磁陣列不能超出位于其正 下方的配套推力繞組的邊界，所以X軸行程Sx、 Y軸行程SY約為50mm，動(dòng) 子平臺(tái)尺寸約為300mmX300mm;參見圖lb，設(shè)永磁陣列尺寸不變，如需將水 平行程擴(kuò)展為300mmX300mm，推力繞組的尺寸將增至400mmX400mm，動(dòng) 子平臺(tái)的尺寸增至約550mmX550mm。
三、實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型提供一種基于四組高力能密度、低脈動(dòng)力、零齒槽力的兩自由 度Halbach永磁陣列型直線電機(jī)的水平行程易擴(kuò)展的高速高精度氣磁混合懸浮
5平面電機(jī)。
為達(dá)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案有-
一種水平行程易擴(kuò)展的氣磁混合懸浮平面電機(jī)，采用單動(dòng)子結(jié)構(gòu)，包括沿 水平XY平面安放的定子基體以及浮于定子基體上且與定子基體平行的動(dòng)子基 體，其特征在于定子基體上表面嵌有波長(zhǎng)方向沿著X軸和Y軸兩個(gè)方向的兩
自由度Halbach永磁陣列；動(dòng)子基體的下表面四角分別設(shè)有第一推力繞組、第
二推力繞組、第三推力繞組、第四推力繞組，其中，第一推力繞組和第三推力
繞組的波長(zhǎng)方向與X軸同向，第二推力繞組和第四推力繞組的波長(zhǎng)方向與Y軸 同向；動(dòng)子基體的下表面四邊分別設(shè)有第一氣體靜壓軸承氣墊、第二氣體靜壓 軸承氣墊、第三氣體靜壓軸承氣墊、第四氣體靜壓軸承氣墊。本實(shí)用新型的定 子基體采用非導(dǎo)磁不銹鋼制成，兩自由度Halbach永磁陣列被嵌在定子基體上 表面的凹槽中，永磁陣列上表面和定子基體上表面持平，定子基體和永磁陣列 上表面覆有一層厚度為0.5mm且平面度為00級(jí)的環(huán)氧樹脂(在定子基體和永 磁陣列上表面涂抹一層厚度約lmm的環(huán)氧樹脂，待環(huán)氧樹脂層干燥后將其車平 至0.5mm厚)，環(huán)氧樹脂層的上表面安裝有厚度為lmm的表面拋光鋁薄板用作 氣體靜壓軸承氣墊的工作面(環(huán)氧樹脂層表面存在微小孔洞，無法直接用作氣 體靜壓軸承氣墊的工作面)。動(dòng)子基體采用高強(qiáng)度低密度的聚甲醛樹酯制成。
本實(shí)用新型的電磁執(zhí)行器采用4組兩自由度Halbach永磁陣列型直線電機(jī)， 分別是兩自由度Halbach永磁陣列和第一推力繞組構(gòu)成的第一兩自由度Halbach 永磁陣列型直線電機(jī)、兩自由度Halbach永磁陣列和第二推力繞組構(gòu)成的第二 兩自由度Halbach永磁陣列型直線電機(jī)、兩自由度Halbach永磁陣列和第三推 力繞組構(gòu)成的第三兩自由度Halbach永磁陣列型直線電機(jī)、兩自由度Halbach 永磁陣列和第四推力繞組構(gòu)成的第四兩自由度Halbach永磁陣列型直線電機(jī)。 兩自由度Halbach永磁陣列由沿X軸和Y軸方向按照陣列分布的若干對(duì)磁極構(gòu) 成，每對(duì)磁極由尺寸相同的立方體形狀的第一 第十六永磁體按4X4永磁體矩 陣排列而成(由正交的四段式單自由度Halbach永磁陣列融合而成)，其中第 一永磁體位于永磁體矩陣的第1行第1列，磁化強(qiáng)度矢量為MoZ-MW (設(shè)XYZ 坐標(biāo)系的單位向量為/、 _/ 、 t Mo為磁化強(qiáng)度大小)，第二永磁體位于永磁體矩 陣的第1行第2列，磁化強(qiáng)度矢量為0，第三永磁體位于永磁體矩陣的第1行 第3列，磁化強(qiáng)度矢量為-^1()/-1^。^第四永磁體位于永磁體矩陣的第1行第4 列，磁化強(qiáng)度矢量為-2M^，第五永磁體位于永磁體矩陣的第2行第1歹ij，磁化 強(qiáng)度矢量為Mq/-Mq/，第六永磁體位于永磁體矩陣的第2行第2列，磁化強(qiáng)度矢200920041086
量為-1^0/+^4(^,第七永磁體位于永磁體矩陣的第2行第3列，磁化強(qiáng)度矢量為 -M0/-Mq/，第八永磁體位于永磁體矩陣的第2行第4歹l」，磁化強(qiáng)度矢量為 -MqZ-MqA，第九永磁體位于永磁體矩陣的第3行第1列，磁化強(qiáng)度矢量為 M0/+MQA，第十永磁體位于永磁體矩陣的第3行第2列，磁化強(qiáng)度矢量為2M0A， 第十一永磁體位于永磁體矩陣的第3行第3歹i」，磁化強(qiáng)度矢量為-^1()/+1;1(^，第 十二永磁體位于永磁體矩陣的第3行第4歹U，磁化強(qiáng)度矢量為0，第十三永磁 體位于永磁體矩陣的第4行第1列，磁化強(qiáng)度矢量為M(^+Mq/',第十四永磁體 位于永磁體矩陣的第4行第2列，磁化強(qiáng)度矢量為Mo/'+Moft，第十五永磁體位 于永磁體矩陣的第4行第3列，磁化強(qiáng)度矢量為-M()/+MQ/，第十六永磁體位于 永磁體矩陣的第4行第4列，磁化強(qiáng)度矢量為Mq/'-MoA;每個(gè)推力繞組采用無 槽無鐵芯的環(huán)型線圈表面纏繞結(jié)構(gòu)，由2對(duì)極構(gòu)成，每對(duì)極由6匝環(huán)型線圈構(gòu) 成三相繞組，其中第一匝環(huán)型線圈的下層邊構(gòu)成第一相繞組的第一有效邊、第 四匝環(huán)型線圈的下層邊構(gòu)成第一相繞組的第二有效邊，第二匝環(huán)型線圈的下層 邊構(gòu)成第二相繞組的第一有效邊，第五匝環(huán)型線圈的下層邊構(gòu)成第二相繞組的 第二有效邊，第三匝環(huán)型線圈的下層邊構(gòu)成第三相繞組的第一有效邊，第六匝 環(huán)型線圈的下層邊構(gòu)成第三相繞組的第二有效邊。
本實(shí)用新型采用氣磁混合懸浮型軸承實(shí)現(xiàn)平面電機(jī)動(dòng)子平臺(tái)的無摩擦支 撐，利用4組氣體靜壓軸承設(shè)置動(dòng)子平臺(tái)的標(biāo)稱懸浮位置(氣體懸浮軸承部分)， 利用4組直線電機(jī)執(zhí)行器提供的垂直電磁力實(shí)現(xiàn)動(dòng)子平臺(tái)在標(biāo)稱懸浮位置附近 的微小運(yùn)動(dòng)(磁懸浮軸承部分)。
本實(shí)用新型將4組直線電機(jī)執(zhí)行器產(chǎn)生的4組垂直電磁力和4組水平電磁 力施加到動(dòng)子平臺(tái)上，進(jìn)而控制動(dòng)子平臺(tái)進(jìn)行六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)
本實(shí)用新型采用單動(dòng)子結(jié)構(gòu)，與層疊式的多動(dòng)子結(jié)構(gòu)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
動(dòng)子平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，加工難度較低；動(dòng)力學(xué)模型較簡(jiǎn)單，控制難度較 低；僅采用4組直線電機(jī)作為電磁執(zhí)行器，控制難度較低；動(dòng)子基體采用高強(qiáng)
度低密度的聚甲醛樹酯材料制成，質(zhì)量得以減小，可提高動(dòng)子平臺(tái)的定位速度;
多動(dòng)子結(jié)構(gòu)平面電機(jī)的定位過程分為粗定位和精定位兩步，本實(shí)用新型則驅(qū)動(dòng) 單層結(jié)構(gòu)的動(dòng)子平臺(tái)直接定位到目標(biāo)位置，可提高定位速度。
本實(shí)用新型的電磁執(zhí)行器為4組兩自由度Halbach永磁陣列型直線電機(jī)， 永磁陣列采用兩自由度Halbach永磁陣列，推力繞組采用無槽無鐵芯的環(huán)型線 圈表面纏繞結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的執(zhí)行器具有如下優(yōu)點(diǎn)推力繞組采用無槽結(jié)構(gòu)，不存在齒槽力，與存在鐵芯和繞組齒槽結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)相比較，出力較穩(wěn)定， 更適合高精度定位應(yīng)用領(lǐng)域；推力繞組的槽面積比率達(dá)100%，提高了執(zhí)行器的 出力能力，另外經(jīng)過計(jì)算可知，繞組電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)只包含5、 7、 11、 13等 次諧波，不包含3次諧波，可降低電磁脈動(dòng)力，使執(zhí)行器出力較穩(wěn)定；經(jīng)過計(jì) 算可知，兩自由度Halbach永磁陣列一側(cè)磁場(chǎng)增強(qiáng)(稱為強(qiáng)側(cè)，推力繞組分布 在強(qiáng)側(cè)氣隙)， 一側(cè)磁場(chǎng)減弱(稱為弱側(cè))，強(qiáng)側(cè)Z軸方向磁場(chǎng)沿X軸和Y軸方 向都呈周期變化(可分解為波長(zhǎng)方向沿X軸和波長(zhǎng)方向沿Y軸的兩個(gè)分量，這 兩個(gè)分量都只含有5次、9次等高次諧波)，X軸方向磁場(chǎng)沿X軸方向呈周期變 化(只含有5次、9次等高次諧波)，Y軸方向磁場(chǎng)沿Y軸方向呈周期變化(只 含有5次、9次等高次諧波)，兩自由度徑向永磁陣列(即Asakawa永磁陣列) 的磁場(chǎng)兩側(cè)對(duì)稱，且包含3次、5次、7次等所有奇數(shù)次高次諧波，兩自由度 Halbach永磁陣列的強(qiáng)側(cè)磁場(chǎng)較Asakawa永磁陣列的磁場(chǎng)具有更好的正弦性， 可降低電磁脈動(dòng)力，使執(zhí)行器出力較穩(wěn)定；通過計(jì)算可知，氣隙為lmm時(shí)，相 同體積的兩自由度Halbach永磁陣列的強(qiáng)側(cè)磁場(chǎng)幅值為Asakawa永磁陣列的1.6 倍左右，在無背鐵引導(dǎo)磁路的情況下，兩自由度Halbach永磁陣列也能在強(qiáng)側(cè) 形成較強(qiáng)的磁場(chǎng)，同樣體積的兩自由度Halbach永磁陣列型直線電機(jī)的出力能 力可達(dá)Asakawa永磁陣列型直線電機(jī)的1.4倍左右，力能密度得以提升；本實(shí) 用新型的直線電機(jī)執(zhí)行器為兩自由度執(zhí)行器，既可提供單邊力用于驅(qū)動(dòng)，又可 提供垂直力用于磁懸浮控制；基于普通永磁同步直線電機(jī)執(zhí)行器的平面電機(jī)的 水平行程擴(kuò)展將以動(dòng)子平臺(tái)尺寸的增加為代價(jià)，而過大的尺寸將大幅增加動(dòng)子 平臺(tái)的加工難度和質(zhì)量，本實(shí)用新型的4組推力繞組共用1組兩自由度Halbach 永磁陣列構(gòu)成4組兩自由度Halbach永磁陣列型直線電機(jī)，運(yùn)行時(shí)要求4組推 力繞組不要超出兩自由度Habach永磁陣列的邊界，水平行程的擴(kuò)展只需增加 兩自由度Halbach永磁陣列的極對(duì)數(shù)，動(dòng)子平臺(tái)無需做任何改變，極大降低了 水平行程擴(kuò)展的難度。
本實(shí)用新型采用的氣磁混合懸浮型軸承，和單一的氣浮軸承、磁浮軸承比 較，具有如下明顯優(yōu)點(diǎn)利用4組氣體靜壓軸承設(shè)置動(dòng)子平臺(tái)的標(biāo)稱懸浮位置， 發(fā)揮了氣浮軸承實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，剛度理想的優(yōu)點(diǎn)，利用4組直線電機(jī)提供的垂 直電磁力實(shí)現(xiàn)動(dòng)子平臺(tái)在標(biāo)稱懸浮位置附近的微小運(yùn)動(dòng)，又克服了氣浮軸承無 法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)氣浮氣隙大小的缺點(diǎn)。另外，本實(shí)用新型直接利用4組直線電機(jī)提 供的垂直電磁力做磁懸浮控制，無需再添加電磁鐵用作磁懸浮執(zhí)行器，大大減 少了系統(tǒng)電磁執(zhí)行器的數(shù)量，降低了系統(tǒng)的控制難度。四
圖1是一種平面電機(jī)的水平行程擴(kuò)展分析原理圖。
圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖3是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本實(shí)用新型的兩自由度Halbach永磁陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是本實(shí)用新型的兩自由度Halbach永磁陣列的磁感應(yīng)強(qiáng)度空間分布示 意圖。
圖6是本實(shí)用新型的推力繞組的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本實(shí)用新型的用于六自由度運(yùn)動(dòng)控制的電磁力配置示意圖。
附圖中的主要標(biāo)號(hào)有
1 定子基體
11 兩自由度Halbach永磁陣列
2 動(dòng)子基體
21 24 第一 第四推力繞組
25 28 第一 第四氣體靜壓軸承氣墊
M1 M16 構(gòu)成兩自由度Halbach永磁陣列一對(duì)磁體的第——第十六永磁體
Ll 環(huán)型線圈的下層邊
L2、 L4 環(huán)型線圈的垂直邊
L3 環(huán)型線圈的上層邊
W1 W6 構(gòu)成推力繞組一對(duì)極的第一匝 第六匝環(huán)型線圈
A、 A' 三相推力繞組的第一相繞組的第一、第二有效邊
B、 B' 三相推力繞組的第二相繞組的第一、第二有效邊
C、 C' 三相推力繞組的第三相繞組的第一、第二有效邊 力x、/3x 第一、第三直線電機(jī)執(zhí)行器產(chǎn)生的X軸方向的單邊力 /2y、 /4y 第二、第四直線電機(jī)執(zhí)行器產(chǎn)生的Y軸方向的單邊力 /1Z /4Z 第一 第四直線電機(jī)執(zhí)行器產(chǎn)生的Z軸方向的垂直力 tx、 ty、 tz 平面電機(jī)動(dòng)子平臺(tái)受到的沿X軸、Y軸、Z軸的轉(zhuǎn)矩
五具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作詳細(xì)說明。參見圖2、圖3，本實(shí)用新型采用動(dòng)子平臺(tái)為單層結(jié)構(gòu)的單動(dòng)子結(jié)構(gòu)，包括 沿水平XY平面安放的定子基體1以及浮于定子基體1上且與定子基體1平行
的動(dòng)子基體2;定子基體1上表面嵌有波長(zhǎng)方向沿著X軸和Y軸兩個(gè)方向的兩
自由度Halbach永磁陣列11;動(dòng)子基體2的下表面四角分別設(shè)有第一推力繞組 21、第二推力繞組22、第三推力繞組23、第四推力繞組24，其中，第一推力 繞組21和第三推力繞組23的波長(zhǎng)方向與X軸同向，第二推力繞組22和第四 推力繞組24的波長(zhǎng)方向與Y軸同向；兩自由度Halbach永磁陣列11和第一推 力繞組21構(gòu)成第一兩自由度Halbach永磁陣列型直線電機(jī)，兩自由度Halbach 永磁陣列11和第二推力繞組22構(gòu)成第二兩自由度Halbach永磁陣列型直線電 機(jī)，兩自由度Halbach永磁陣列11和第三推力繞組23構(gòu)成第三兩自由度Halbach 永磁陣列型直線電機(jī)，兩自由度Halbach永磁陣列11和第四推力繞組24構(gòu)成 第四兩自由度Halbach永磁陣列型直線電機(jī)；動(dòng)子基體2的下表面四邊分別設(shè) 有第一氣體靜壓軸承氣墊25、第二氣體靜壓軸承氣墊26、第三氣體靜壓軸承氣 墊27、第四氣體靜壓軸承氣墊28;定子基體1采用非導(dǎo)磁不銹鋼制成，兩自由 度Halbach永磁陣列11被嵌在定子基體1上表面的凹槽中，永磁陣列11上表 面和定子基體1上表面持平，定子基體1和永磁陣列11上表面覆有一層厚度為 0.5mm且平面度為00級(jí)的環(huán)氧樹脂(在定子基體1和永磁陣列11上表面涂抹 一層厚度約lmm的環(huán)氧樹脂，待環(huán)氧樹脂層干燥后將其車平至0.5mm厚)，環(huán) 氧樹脂層的上表面安裝有厚度為lmm的表面拋光鋁薄板用作氣體靜壓軸承氣 墊25、 26、 27、 28的工作面(環(huán)氧樹脂層表面存在微小孔洞，無法直接用作氣 體靜壓軸承氣墊25、 26、 27、 28的工作面)；動(dòng)子基體2采用高強(qiáng)度低密度的 聚甲醛樹酯制成，用以減輕動(dòng)子平臺(tái)的總體質(zhì)量。
參見圖4，本實(shí)用新型的兩自由度Halbach永磁陣列11由沿X軸和Y軸方 向按照陣列分布的若干對(duì)磁極構(gòu)成，一對(duì)磁極沿X軸和Y軸方向的長(zhǎng)度都為t， 每對(duì)磁極由邊長(zhǎng)為0.25t的立方體形狀的第一 第十六永磁體M1 M16按4X 4永磁體矩陣排列而成，其中:第一永磁體Ml位于永磁體矩陣的第1行第1 列，磁化強(qiáng)度矢量為M^'-MW (設(shè)XYZ坐標(biāo)系的單位向量為/、 _/'、 A， Mo為磁 化強(qiáng)度大小)，第二永磁體M2位于永磁體矩陣的第1行第2列，磁化強(qiáng)度矢量 為0，第三永磁體M3位于永磁體矩陣的第1行第3列，磁化強(qiáng)度矢量為 -MOI'-Moft，第四永磁體M4位于永磁體矩陣的第1行第4歹ij，磁化強(qiáng)度矢量為 -2MQA，第五永磁體M5位于永磁體矩陣的第2行第1歹U，磁化強(qiáng)度矢量為 MoZ-Mq/'，第六永磁體M6位于永磁體矩陣的第2行第2列，磁化強(qiáng)度矢量為-Mq/'+MW,第七永磁體M7位于永磁體矩陣的第2行第3列，磁化強(qiáng)度矢量為 -M0z'-Mq/，第八永磁體M8位于永磁體矩陣的第2行第4歹i」，磁化強(qiáng)度矢量為 -Mq/-MgA，第九永磁體m9位于永磁體矩陣的第3行第1列，磁化強(qiáng)度矢量為 M0/+M(^，第十永磁體M10位于永磁體矩陣的第3行第2列，磁化強(qiáng)度矢量為 2MW，第十一永磁體Mil位于永磁體矩陣的第3行第3歹U，磁化強(qiáng)度矢量為 -M0/+MCA，第十二永磁體M12位于永磁體矩陣的第3行第4列，磁化強(qiáng)度矢量 為0，第十三永磁體M13位于永磁體矩陣的第4行第1歹U，磁化強(qiáng)度矢量為 M0/+Mq/，第十四永磁體M14位于永磁體矩陣的第4行第2列，磁化強(qiáng)度矢量 為Mo/'+M(^，第十五永磁體M15位于永磁體矩陣的第4行第3列，磁化強(qiáng)度矢 量為-M()/+MQ/，第十六永磁體M16位于永磁體矩陣的第4行第4列，磁化強(qiáng)度 矢量為Mq/'-MoA。
設(shè)MQ為795775 A/m，經(jīng)過計(jì)算可知兩自由度Halbach永磁陣列11 一側(cè) 磁場(chǎng)增強(qiáng)，稱為強(qiáng)側(cè)(兩自由度Halbach永磁陣列11的上表面為強(qiáng)側(cè))， 一側(cè) 磁場(chǎng)減弱，稱為弱側(cè)；在強(qiáng)側(cè)氣隙lmm處，Z軸方向磁感應(yīng)強(qiáng)度5Z沿水平XY 平面的分布如圖5a所示，仏沿X軸和Y軸都呈周期變化，可分解為波長(zhǎng)方向 沿X軸和波長(zhǎng)方向沿Y軸的兩個(gè)分量，且這兩個(gè)分量都只含有5次、9次等高 次諧波；X軸方向磁感應(yīng)強(qiáng)度Sx沿水平XY平面的分布如圖5b所示，只含有 5次、9次等高次諧波；Y軸方向磁感應(yīng)強(qiáng)度^y沿水平XY平面的分布如圖5c 所示，只含有5次、9次等高次諧波。
參見圖6a，本實(shí)用新型的推力繞組2K 22、 23、 24采用無槽無鐵芯的環(huán)型 線圈表面纏繞結(jié)構(gòu)，環(huán)型線圈由下層邊L1、垂直邊L2和L4、上層邊L3構(gòu)成。 參見圖6b，推力繞組由2對(duì)極構(gòu)成，每對(duì)極由6匝環(huán)型線圈構(gòu)成三相繞組，其 中第一匝環(huán)型線圈Wl的下層邊構(gòu)成第一相繞組的第一有效邊A、第四匝環(huán)型 線圈W4的下層邊構(gòu)成第一相繞組的第二有效邊A'，第二匝環(huán)型線圈W2的下 層邊構(gòu)成第二相繞組的第一有效邊B，第五匝環(huán)型線圈W5的下層邊構(gòu)成第二 相繞組的第二有效邊B'，第三匪環(huán)型線圈W3的下層邊構(gòu)成第三相繞組的第一 有效邊C，第六匝環(huán)型線圈W6的下層邊構(gòu)成第三相繞組的第二有效邊C'。經(jīng) 過計(jì)算可知推力繞組的垂直邊L2和L4所受的電磁合力為0;上層邊L3位置 處磁場(chǎng)己經(jīng)基本衰減為0，認(rèn)為上層邊L3所受的電磁合力為0;推力繞組21 的下層邊Ll產(chǎn)生沿X軸方向的單邊力力x和Z軸方向的垂直力力z，推力繞組 23的下層邊L1產(chǎn)生沿X軸方向的單邊力/3x和Z軸方向的垂直力/3z，推力繞 組22的下層邊Ll產(chǎn)生沿Y軸方向的單邊力力y和Z軸方向的垂直力/2z，推力
11繞組24的下層邊Ll產(chǎn)生沿Y軸方向的單邊力/4Y和Z軸方向的垂直力/4Z (電 磁力分析方法可采用《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》2009年第2期中文章《基于模式力的平 面電機(jī)控制方法》所公開的基于直軸交軸分解的電磁力解耦分析方法)。
圖7給出了實(shí)現(xiàn)動(dòng)子平臺(tái)六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)控制的一種電磁力配置方式，其 中參見圖7a，控制X軸方向的單邊力力x和/3x可控制平面電機(jī)沿X軸方向 的運(yùn)動(dòng)；參見圖7b，控制Y軸方向的單邊力/2Y和/4Y可控制平面電機(jī)沿Y軸 方向的運(yùn)動(dòng)；參見圖7c，控制X軸方向的單邊力/ix、力x和Y軸方向的單邊力 /2Y、 /4Y可控制平面電機(jī)繞Z軸的轉(zhuǎn)矩K，進(jìn)而控制繞Z軸的微小轉(zhuǎn)動(dòng)ez;參 見圖7d，控制Z軸方向的垂直力/1Z、 /2Z、 /3Z、 /4z可控制平面電機(jī)在標(biāo)稱懸浮
位置附近沿Z軸方向的微小運(yùn)動(dòng)，以及繞X軸、Y軸的轉(zhuǎn)矩Tx、 TY，進(jìn)而控制
繞x軸、Y軸的微小轉(zhuǎn)動(dòng)6x、 eY。
權(quán)利要求1.一種水平行程易擴(kuò)展的氣磁混合懸浮平面電機(jī)，包括沿水平XY平面安放的定子基體(1)以及浮于定子基體(1)上且與定子基體(1)平行的動(dòng)子基體(2)，其特征在于，定子基體(1)上表面嵌有波長(zhǎng)方向沿著X軸和Y軸兩個(gè)方向的兩自由度Halbach永磁陣列(11)，動(dòng)子基體(2)的下表面四角分別設(shè)有第一推力繞組(21)、第二推力繞組(22)、第三推力繞組(23)、第四推力繞組(24)，其中，第一推力繞組(21)和第三推力繞組(23)的波長(zhǎng)方向與X軸同向，第二推力繞組(22)和第四推力繞組(24)的波長(zhǎng)方向與Y軸同向，動(dòng)子基體(2)的下表面四邊分別設(shè)有第一氣體靜壓軸承氣墊(25)、第二氣體靜壓軸承氣墊(26)、第三氣體靜壓軸承氣墊(27)、第四氣體靜壓軸承氣墊(28)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平行程易擴(kuò)展的氣磁混合懸浮平面電機(jī)，其特 征在于所述的兩自由度Halbach永磁陣列(11)由沿X軸和Y軸方向按照陣列 分布的若干對(duì)磁極構(gòu)成，所述的每對(duì)磁極由尺寸相同的立方體形狀的第一 第十 六永磁體(M1 M16)按4X4永磁體矩陣排列而成，設(shè)XYZ坐標(biāo)系的單位向 量為/、, A， Mo為磁化強(qiáng)度大小，第一永磁體(Ml)位于永磁體矩陣的第1 行第1歹u，磁化強(qiáng)度矢量為M。z'-MqA，第二永磁體(M2)位于永磁體矩陣的第1 行第2列，磁化強(qiáng)度矢量為0，第三永磁體(M3)位于永磁體矩陣的第1行第3 歹u，磁化強(qiáng)度矢量為-M()/-MC)A，第四永磁體(M4)位于永磁體矩陣的第1行第4 列，磁化強(qiáng)度矢量為-2MW，第五永磁體(M5)位于永磁體矩陣的第2行第1列， 磁化強(qiáng)度矢量為Mw'-Mq/，第六永磁體(M6)位于永磁體矩陣的第2行第2列， 磁化強(qiáng)度矢量為-MQZ+M(^，第七永磁體(M7)位于永磁體矩陣的第2行第3歹!j， 磁化強(qiáng)度矢量為-M()/-MQ/'，第八永磁體(M8)位于永磁體矩陣的第2行第4歹iJ， 磁化強(qiáng)度矢量為-MQ/'-MoA，第九永磁體(M9)位于永磁體矩陣的第3行第1歹u， 磁化強(qiáng)度矢量為MQ/+M()A，第十永磁體(M10)位于永磁體矩陣的第3行第2列， 磁化強(qiáng)度矢量為2MW，第i^一永磁體(Mil)位于永磁體矩陣的第3行第3列， 磁化強(qiáng)度矢量為-^^/+^4(^，第十二永磁體(M12)位于永磁體矩陣的第3行第4 列，磁化強(qiáng)度矢量為0，第十三永磁體(M13)位于永磁體矩陣的第4行第1歹廿， 磁化強(qiáng)度矢量為Mo/+Mq/，第十四永磁體(M14)位于永磁體矩陣的第4行第2 列，磁化強(qiáng)度矢量為Mq/'+MoA,第十五永磁體(M15)位于永磁體矩陣的第4行 第3列，磁化強(qiáng)度矢量為-MoZ+Mq/，第十六永磁體(M16)位于永磁體矩陣的第4行第4列，磁化強(qiáng)度矢量為Mq/'-Mo/L
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平行程易擴(kuò)展的氣磁混合懸浮平面電機(jī)，其特 征在于所述的推力繞組(21)、 (22)、 (23)、 (24)采用無槽無鐵芯的環(huán)型線圈表 面纏繞結(jié)構(gòu)，由2對(duì)極構(gòu)成，每對(duì)極由6匝環(huán)型線圈構(gòu)成三相繞組。
專利摘要一種水平行程易擴(kuò)展的氣磁混合懸浮平面電機(jī)，包括沿水平XY平面安放的定子基體及浮于定子基體上且與定子基體平行的動(dòng)子基體，定子基體上表面嵌有波長(zhǎng)方向沿著X軸和Y軸兩個(gè)方向的兩自由度Halbach永磁陣列，兩自由度Halbach永磁陣列的每對(duì)磁極由第一～第十六永磁體按4×4矩陣排列而成，動(dòng)子基體的下表面四角分別設(shè)有第一推力繞組、第二推力繞組、第三推力繞組、第四推力繞組，其中，第一推力繞組和第三推力繞組的波長(zhǎng)方向與X軸同向，第二推力繞組和第四推力繞組的波長(zhǎng)方向與Y軸同向，動(dòng)子基體的下表面四邊分別設(shè)有第一氣體靜壓軸承氣墊、第二氣體靜壓軸承氣墊、第三氣體靜壓軸承氣墊、第四氣體靜壓軸承氣墊。
文檔編號(hào)H02N15/00GK201378784SQ20092004108
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者萌 傅, 贛 周, 周勤博, 前 張, 莉 黃, 黃學(xué)良 申請(qǐng)人:東南大學(xué)