專利名稱：一種永磁同步磁懸浮平面電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密運(yùn)動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種采用特定二維永磁體陣列的永磁同 步磁懸浮平面電機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著科技和工業(yè)發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)和精確定位的裝置正被越來(lái)越多的應(yīng)用 到工業(yè)設(shè)備中。傳統(tǒng)的平面運(yùn)動(dòng)裝置在結(jié)構(gòu)上通過(guò)兩套或多套直線驅(qū)動(dòng)單元垂直疊加，在 控制上通過(guò)聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)。對(duì)于這種形式的平面運(yùn)動(dòng)裝置，位于底層的直線驅(qū)動(dòng)單 元不僅要承擔(dān)預(yù)定方向上的驅(qū)動(dòng)，而且還需承載上層直線驅(qū)動(dòng)單元的質(zhì)量，于是造成了運(yùn) 動(dòng)裝置在多個(gè)方向上(如傳統(tǒng)XY工作臺(tái)的X方向和Y方向)運(yùn)動(dòng)慣量的嚴(yán)重不均衡，從而 影響了行程、速度、加速度和精度等性能指標(biāo)的提高；而且由于電機(jī)的定子與動(dòng)子之間通過(guò) 機(jī)械導(dǎo)軌與軸承聯(lián)接，摩擦、磨損、振動(dòng)和噪聲不可避免，影響運(yùn)動(dòng)精度與速度。在這種背景 下，采用電磁力直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)子直接實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)的平面電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，相比于傳統(tǒng)多 自由度工作臺(tái)，它在精密的平面定位裝置中具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是需要真空環(huán)境而 不能使用氣浮支撐的精密運(yùn)動(dòng)設(shè)備，如EUV光刻設(shè)備。根據(jù)平面電機(jī)的平面運(yùn)動(dòng)方式，可將其劃分為機(jī)械支撐、氣浮和磁浮方式。其中機(jī) 械支撐方式采用機(jī)械導(dǎo)軌導(dǎo)向，摩擦系數(shù)較大，且只能作X、Y兩自由度運(yùn)行，只能實(shí)現(xiàn)普通 精度與普通運(yùn)動(dòng)速度；氣浮支撐使用氣浮軸承實(shí)現(xiàn)平面懸浮，但不能用于真空條件；磁浮 方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并可在真空環(huán)境等特殊環(huán)境使用，因而成為研究的主要方向。磁浮平面電機(jī)通過(guò)位于永磁體陣列磁場(chǎng)中的通電繞組與磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用力，使 運(yùn)動(dòng)部件懸浮，并驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件做平面運(yùn)動(dòng)。目前主要有三種磁浮平面電機(jī)，分別是感應(yīng)平 面電機(jī)、Sawyer平面電機(jī)和永磁同步磁懸浮平面電機(jī)，而永磁同步磁懸浮平面電機(jī)因?yàn)槟?夠?qū)崿F(xiàn)大行程運(yùn)動(dòng)，并且具有更高的性能，因而成為發(fā)展方向。高性能永磁同步磁懸浮平面電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)出合理的電磁結(jié)構(gòu)，使其達(dá) 到高精度、高響應(yīng)和高效率等要求。而高精度和高響應(yīng)要求精密的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和可控性，即要 求磁場(chǎng)具有良好的正弦性；高效率則要求同樣體積內(nèi)能夠產(chǎn)生高的磁場(chǎng)強(qiáng)度。永磁體陣列是永磁同步磁懸浮平面電機(jī)的永磁磁場(chǎng)的來(lái)源，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)在平面 內(nèi)呈周期分布，且具有單邊性，能夠在陣列的一個(gè)平面內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)。因此，設(shè)計(jì)出合 理的永磁體陣列結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布具有高的強(qiáng)度和良好的正弦性，是提高永磁同 步磁懸浮平面電機(jī)性能的關(guān)鍵。因此，永磁同步磁懸浮平面電機(jī)的區(qū)別主要在于永磁體陣 列結(jié)構(gòu)的不同。目前國(guó)內(nèi)外的永磁同步磁懸浮平面電機(jī)幾乎都采用二維永磁體陣列，主 要的幾種結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1(a)所示陣列形式由Asakawa在專利《Two dimensional positioning devices)) (U. S. Patent 4626749，Dec. 1986)中提出；圖 1(b)所示陣列形式 由 Chitayat 在專利《Two-axis motor with high densitymagnetic platen》(U. S. Patent 5777402，July 1998)中提出；圖1(c)所示陣列形式由Trumper在專利《Magnetic arrays)) (U. S. Patent 5631 618，Mayl997)中提出；圖1 (d)所示陣列形式由Cho等人在文章《Magnetic fieldanalysis of 2-D permanent magnet array for planar motor》 (IEEE Transactionson Magnetics，2001，37 (5) :3762_3766.)中提出；圖 1 (e)所示陣列形式由 J. W. Jansen 等人在文章《Modeling of Magnetically Levitated PlanarActuators With Moving Magnets》(IEEE Transactions on Magnetics, vol. 43, no. 1, Jan. 2007.)中提出； 圖1(f)所示陣列形式由Wei Min等人在文章《Analysis and Optimization of a New 2_D Magnet Array for Planar Motor》(IEEE Transactions on Magnetics，vol. 46，no. 5， May 2010.)中提出。這些結(jié)構(gòu)中，圖1 (a)、圖1 (b)和圖1(c)所示陣列形式的磁組裝密度 很低，因此磁場(chǎng)強(qiáng)度很低；圖1(d)的陣列形式的磁場(chǎng)強(qiáng)度較前三種要高，這在Cho的文章 ((Magnetic field analysis of 2-D permanent magnet array forplanar motor)) (IEEE Transactions on Magnetics, 2001, 37 (5) :3762_3766.)中已得到證明；圖 1(e)所示陣列 形式通過(guò)優(yōu)化后，使陣列產(chǎn)生了更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，但其磁通密度分布的正弦性較差。圖1(f) 所示陣列形式能夠產(chǎn)生正弦性較好的磁場(chǎng)，但其磁場(chǎng)強(qiáng)度比圖1(e)要低。因此隨著對(duì)平面 電機(jī)的速度、加速度、負(fù)載能力、定位精度和運(yùn)行平穩(wěn)性等指標(biāo)的要求不斷提高，設(shè)計(jì)出具 有更高強(qiáng)度、且正弦性良好的磁場(chǎng)分布的永磁體陣列，是研究人員努力探求的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用特定二維永磁體陣列的永磁同步磁懸浮平面電機(jī)， 解決現(xiàn)有技術(shù)中永磁同步磁懸浮平面電機(jī)的高精度、高響應(yīng)和高效率不能兼顧的問(wèn)題。本發(fā)明提供的一種永磁同步磁懸浮平面電機(jī)，包括動(dòng)子和定子，所述定子由二維 永磁體陣列組成，所述的二維永磁體陣列由具有相同高度且形狀均為直四棱柱的第一主永 磁體、第二主永磁體、第一副永磁體、第二副永磁體和第三副永磁體組成；其中第一主永磁體的底面呈正方形，磁化方向垂直于底面向上；第二主永磁體的 形狀和尺寸均與第一主永磁體相同，磁化方向垂直于底面向下；第一副永磁體的底面呈 長(zhǎng)方形，磁化方向與寬邊平行；第二副永磁體的底面呈等腰梯形，等腰梯形的腰與下底成 45°角，上底與第一主永磁體的底面邊長(zhǎng)相等，下底與第一副永磁體的底面長(zhǎng)邊相等，磁化 方向與上底和下底垂直且與底面成45°角，指向上底一側(cè)；第三副永磁體的形狀和尺寸均 與第二副永磁體相同，磁化方向與上底和下底垂直且與底面成45度角，指向下底一側(cè)；所述的二維永磁體陣列中，第一主永磁體和第二主永磁體沿X方向和Y方向交錯(cuò)排列成平面陣列，且第一主永磁體和第二主永磁體之間的間隔為第一副永磁體、第二副永 磁體和第三副永磁體的寬度之和；第一主永磁體的四周布置有四個(gè)第二副永磁體，且第一 主永磁體的每個(gè)側(cè)面均與一個(gè)第二副永磁體的上底所在的側(cè)面貼合；第二主永磁體四周布 置有四個(gè)第三副永磁體，且第二主永磁體的每個(gè)側(cè)面均與一個(gè)第三副永磁體的上底所在的 側(cè)面貼合；第一副永磁體布置在第二副永磁體和第三副永磁體之間，且第二副永磁體下底 所在的側(cè)面與的第一副永磁體的長(zhǎng)邊所在的側(cè)面貼合，第三副永磁體下底所在的側(cè)面與第 一副永磁體的另一長(zhǎng)邊所在的側(cè)面貼合，第一副永磁體的磁化方向指向離其最近的第一主 永磁體。本發(fā)明所述的永磁同步磁懸浮平面電機(jī)通過(guò)采用如上所述形式布置的特定二維 永磁體陣列，使得其磁場(chǎng)強(qiáng)度高于現(xiàn)有的磁場(chǎng)強(qiáng)度最高的永磁體陣列，且其磁通密度的分 布具有良好的正弦特性，大大提高了永磁同步磁懸浮平面電機(jī)的效率以及精度和響應(yīng)特性，因而彌補(bǔ)了現(xiàn)有的永磁同步磁懸浮平面電機(jī)高精度、高響應(yīng)和高效率不能兼顧的不足 和缺點(diǎn)，是一種性能更好的平面電機(jī)。


圖1現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的幾種二維永磁體陣列；圖2本發(fā)明所述采用特定二維永磁體陣列的平面電機(jī)的三維視圖；圖3本發(fā)明所述平面電機(jī)采用的特定二維永磁體陣列示意圖；圖4本發(fā)明所述采用特定二維永磁體陣列的平面電機(jī)的第一主永磁體的三維視 圖；圖5本發(fā)明所述采用特定二維永磁體陣列的平面電機(jī)的第二主永磁體的三維視 圖；圖6本發(fā)明所述采用特定二維永磁體陣列的平面電機(jī)的第一副永磁體的三維視 圖；圖7本發(fā)明所述采用特定二維永磁體陣列的平面電機(jī)的第二副永磁體的三維視 圖；圖8本發(fā)明所述采用特定二維永磁體陣列的平面電機(jī)的第三副永磁體的三維視 圖；圖9本發(fā)明所述特定二維永磁體陣列氣隙磁通密度豎直分量關(guān)于xy坐標(biāo)的變化 示意圖；圖10本發(fā)明所述特定二維永磁體陣列氣隙磁通密度豎直分量與圖1 (e)所示陣列 的基波分量相減后的結(jié)果示意圖；圖中各標(biāo)號(hào)含義，1-第一主永磁體；2-第二主永磁體；3-第一副永磁體；4-第二 副永磁體；5-第三副永磁體；6-線圈。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。本發(fā)明所述的永磁同步磁懸浮平面電機(jī)包括動(dòng)子和定子，其三維視圖如圖2所 示，定子由特定二維永磁體陣列組成，動(dòng)子由多個(gè)相互垂直的線圈陣列組成，每個(gè)線圈陣列 由多個(gè)無(wú)鐵芯的矩形線圈6并行排列而成，線圈陣列的排列方向與所述的特定二維永磁體 陣列的排列方向成45°角。所述的特定二維永磁體陣列，如圖3所示，包括第一主永磁體1、第二主永磁體2、 第一副永磁體3、第二副永磁體4和第三副永磁體5。第一主永磁體1、第二主永磁體2、第一副永磁體3、第二副永磁體4和第三副永磁 體5均為直四棱柱，且具有相同的高度。第一主永磁體1的結(jié)構(gòu)和磁化方向如圖4所示，其底面呈正方形，其磁化方向垂直 于底面向上。第二主永磁體2的結(jié)構(gòu)和磁化方向如圖5所示，其底面呈正方形，邊長(zhǎng)與第一主永 磁體1的邊長(zhǎng)相等，其磁化方向垂直于底面向下。第一副永磁體3的結(jié)構(gòu)和磁化方向如圖6所示，其底面呈長(zhǎng)方形，尺寸較長(zhǎng)的邊稱為長(zhǎng)邊，另一邊稱為寬邊，寬邊的長(zhǎng)度稱為該永磁體的寬度，其磁化方向與寬邊平行。第二副永磁體4的結(jié)構(gòu)和磁化方向如圖7所示，其底面呈等腰梯形，等腰梯形的腰 與下底成45°夾角，上底的尺寸與第一主永磁體1的底面邊長(zhǎng)相等，下底的尺寸與第一副 永磁體3的底面長(zhǎng)邊尺寸相等，等腰梯形的高稱為該永磁體的寬度，其磁化方向與上底和 下底垂直且與底面成45°夾角，指向上底一側(cè)。
第三副永磁體5的結(jié)構(gòu)和磁化方向如圖8所示，其形狀與第二副永磁體4相同，其 磁化方向與上底和下底垂直且與底面成45 °夾角，指向下底一側(cè)。永磁體陣列的排列形式如圖3所示，圖中的坐標(biāo)系為三維笛卡爾直角坐標(biāo)系，所 有永磁體均布置在與XOY平面平行的平面內(nèi)。第一主永磁體1和第二主永磁體2沿X方向和Y方向交錯(cuò)排列成平面陣列，且第 一主永磁體1和第二主永磁體2之間的間隔為第一副永磁體3、第二副永磁體4和第三副永 磁體5的寬度之和。第一主永磁體1的四周布置有四個(gè)相同的第二副永磁體4，且第一主永磁體1的每 個(gè)側(cè)面均與一個(gè)第二副永磁體4的上底所在的側(cè)面貼合在一起。第二主永磁體2的四周布置有四個(gè)相同的第三副永磁體5，且第二主永磁體1的每 個(gè)側(cè)面均與一個(gè)第三副永磁體5的上底所在的側(cè)面貼合在一起。第一副永磁體3布置在第二副永磁體4和第三副永磁體5之間，且第二副永磁體4 下底所在的側(cè)面與的第一副永磁體3的長(zhǎng)邊所在的側(cè)面貼合在一起，第三副永磁體5下底 所在的側(cè)面與第一副永磁體3的另一長(zhǎng)邊所在的側(cè)面貼合在一起，第一副永磁體3的磁化 方向與寬邊平行指向離其最近的第一主永磁體1，背向離其最近的第二主永磁體2。為使定子在朝向動(dòng)子的一側(cè)形成很強(qiáng)的單邊磁場(chǎng)，則應(yīng)在磁化方向垂直于永磁體 陣列平面朝向動(dòng)子一側(cè)的所有第一主永磁體1四周布置第二副永磁體4，在第二主永磁體2 四周布置第三副永磁體5，而所有第一副永磁體3的磁化方向均指向離其最近的第一主永 磁體1。此時(shí)，永磁體陣列內(nèi)任意兩個(gè)相鄰的永磁體的磁化方向之間的夾角均為45度。為驗(yàn)證所述特定二維永磁體陣列的磁場(chǎng)強(qiáng)度，現(xiàn)確定永磁體陣列的一組尺寸如 下所有永磁體的高度為7mm，相鄰第一主永磁體1和第二主永磁體2的中心之間的距離為 25mm，其中，第一主永磁體1和第二主永磁體2的底面尺寸為9mmX9mm ；第一副永磁體3的 底面尺寸為15mmX IOmm ；第二副永磁體4和第三副永磁體5的底面尺寸為上底長(zhǎng)9mm，下 底長(zhǎng)15mm，下底與腰的夾角為45度，等腰梯形的高為3mm。陣列內(nèi)各永磁體的磁化方向如 圖3所示。根據(jù)以上尺寸，采用分析模型計(jì)算所述特定二維永磁體陣列的氣隙磁通密度沿ζ 坐標(biāo)軸的分量Bz關(guān)于x、y坐標(biāo)的變化關(guān)系。在磁場(chǎng)較強(qiáng)的一邊，距永磁體陣列表面4mm處， 磁場(chǎng)的磁通密度分布如圖9所示。由圖9可知，磁場(chǎng)的磁通密度幅值約為0. 48特斯拉，遠(yuǎn) 高于圖1所示的現(xiàn)有二維永磁體陣列的幅值，因此，所述特定二維永磁體陣列提高了永磁 同步磁懸浮平面電機(jī)的效率。圖1(e)所示陣列的基波氣隙磁通密度的強(qiáng)度是目前已知二維永磁體陣列中最高 的，且具有良好的正弦性。圖10給出了圖9所示的氣隙磁通密度與圖1(e)所示陣列的基 波氣隙磁通密度相減后的結(jié)果。由圖10可知，兩者之間的最大誤差不超過(guò)0. 035特斯拉， 總的誤差不超過(guò)0. 05%，表明其磁通密度的分布具有良好的正弦特性，因此，所述特定二維永磁體陣列提高了永磁同步磁懸浮平面電機(jī)的精度和響應(yīng)特性。因此，采用了 所述類型的特定二維永磁體陣列的平面電機(jī)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有的永磁同 步磁懸浮平面電機(jī)高精度、高響應(yīng)和高效率不能兼顧的不足和缺點(diǎn)，是一種性能更好的平 面電機(jī)。本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi) 容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思 路，做一些簡(jiǎn)單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種永磁同步磁懸浮平面電機(jī)，包括動(dòng)子和定子，其特征在于，所述定子由二維永 磁體陣列組成，所述的二維永磁體陣列由具有相同高度且形狀均為直四棱柱的第一主永磁 體、第二主永磁體、第一副永磁體、第二副永磁體和第三副永磁體組成；其中第一主永磁體的底面呈正方形，磁化方向垂直于底面向上；第二主永磁體的形狀 和尺寸均與第一主永磁體相同，磁化方向垂直于底面向下；第一副永磁體的底面呈長(zhǎng)方形， 磁化方向與寬邊平行；第二副永磁體的底面呈等腰梯形，等腰梯形的腰與下底成45°角， 上底與第一主永磁體的底面邊長(zhǎng)相等，下底與第一副永磁體的底面長(zhǎng)邊相等，磁化方向與 上底和下底垂直且與底面成45°角，指向上底一側(cè)；第三副永磁體的形狀和尺寸均與第二 副永磁體相同，磁化方向與上底和下底垂直且與底面成45°角，指向下底一側(cè)；所述的二維永磁體陣列中第一主永磁體和第二主永磁體沿X方向和Y方向交錯(cuò)排列 成平面陣列，且第一主永磁體和第二主永磁體之間的間隔為第一副永磁體、第二副永磁體 和第三副永磁體的寬度之和；第一主永磁體的四周布置有四個(gè)第二副永磁體，且第一主永 磁體的每個(gè)側(cè)面均與一個(gè)第二副永磁體的上底所在的側(cè)面貼合；第二主永磁體四周布置有 四個(gè)第三副永磁體，且第二主永磁體的每個(gè)側(cè)面均與一個(gè)第三副永磁體的上底所在的側(cè)面 貼合；第一副永磁體布置在第二副永磁體和第三副永磁體之間，且第二副永磁體下底所在 的側(cè)面與的第一副永磁體的長(zhǎng)邊所在的側(cè)面貼合，第三副永磁體下底所在的側(cè)面與第一副 永磁體的另一長(zhǎng)邊所在的側(cè)面貼合，第一副永磁體的磁化方向指向離其最近的第一主永磁 體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步磁懸浮平面電機(jī)，其特征在于，所述動(dòng)子由多個(gè)相 互垂直的線圈陣列組成，每個(gè)線圈陣列由多個(gè)無(wú)鐵芯的矩形線圈并行排列而成，線圈陣列 的排列方向與所述的二維永磁體陣列的排列方向成45°角。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種永磁同步磁懸浮平面電機(jī)，包括動(dòng)子和定子，所述定子采用特定的二維永磁體陣列，該二維永磁體陣列中第一主永磁體和第二主永磁體沿X方向和Y方向交錯(cuò)排列成平面陣列，第一主永磁體的四周布置有四個(gè)第二副永磁體，第二主永磁體四周布置有四個(gè)第三副永磁體，第一副永磁體布置在第二副永磁體和第三副永磁體之間，且各永磁體與相鄰永磁體的側(cè)面相互貼合，二維永磁體陣列內(nèi)任意兩個(gè)相鄰的永磁體的磁化方向之間的夾角均為45°。通過(guò)采用如上所述的特定二維永磁體陣列，使得該電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度高，正弦特性好，彌補(bǔ)了現(xiàn)有的永磁同步磁懸浮平面電機(jī)高精度、高響應(yīng)和高效率不能兼顧的不足，是一種性能更好的平面電機(jī)。
文檔編號(hào)H02N15/00GK102097982SQ20111004569
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2011年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月24日
發(fā)明者周云飛, 彭俊榮 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)