專利名稱：超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁懸浮平面電機，屬于電機領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代精密、超精密加工裝備對高響應(yīng)、高速度、高精度的平面驅(qū)動裝置有著迫切的需求，如機械加工、電子產(chǎn)品生產(chǎn)、機械裝卸、制造自動化儀表設(shè)備甚至機器人驅(qū)動等。通常這些裝置由旋轉(zhuǎn)式電動機產(chǎn)生動力驅(qū)動，再由皮帶、滾珠絲桿等機械裝置，轉(zhuǎn)換為直線運動。由于機械裝置復(fù)雜，傳動精度和速度都受到限制，且需經(jīng)常調(diào)校，造成成本高、可靠性差、體積較大。最初的平面驅(qū)動裝置是由兩臺直接驅(qū)動的直線電機來實現(xiàn)的，采用層疊式驅(qū)動結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增加了傳動系統(tǒng)的復(fù)雜性，從本質(zhì)上沒有擺脫低維運動機構(gòu)疊加形成高維運動機構(gòu)的模式。對于底層的直線電機，要承載上層直線電機及其相關(guān)機械部件的總質(zhì)量，從而嚴重影響了定位和控制精確度。而直接利用電磁能產(chǎn)生平面運動的平面電機，具有出力密度高、低熱耗、高速度、高精度和高可靠性的特點，因省去了從旋轉(zhuǎn)運動到直線運動再到平面運動的中間轉(zhuǎn)換裝置，可把控制對象同電機做成一體化結(jié)構(gòu)，具有反應(yīng)快、靈敏度高、 隨動性好及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。根據(jù)平面電機電磁推力的產(chǎn)生原理，可以將平面電機分為變磁阻型、同步型和感應(yīng)型。其中，同步型平面電機具有結(jié)構(gòu)簡單、推力大、效率高和響應(yīng)速度快等良好的綜合性能，在二維平面驅(qū)動裝置、特別是精密二維平面驅(qū)動裝置中具有廣闊的應(yīng)用前景。圖7和8所示為現(xiàn)有的一種永磁同步平面電機結(jié)構(gòu)。該電機中包括定子和動子兩大部件，它的工作原理類似于三相旋轉(zhuǎn)永磁同步電機，定子包含鐵心和4個相互垂直放置的推力繞組，每個繞組有獨立的3個相，X向推力繞組用于驅(qū)動動子沿X方向運動，Y向推力繞組用于驅(qū)動動子沿Y方向運動。動子包含動子平臺和4個永磁體陣列，永磁體陣列排列在動子平臺的下表面，通過控制相應(yīng)的三相繞組電流，動子平臺就可以在平面上做定位運動。但是，該永磁同步平面電機存在電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、平面運動的范圍小、繞組的利用率低、推力密度小、系統(tǒng)效率低等問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有永磁同步平面電機存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、平面運動范圍大、繞組利用效率低、推理密度小和系統(tǒng)效率低的問題，本發(fā)明提出一種超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機。超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機包括初級和次級，所述初級和次級之間為氣隙， 初級包括初級基板和電樞繞組，所述初級基板為平板形，電樞繞組固定在初級基板的氣隙側(cè)；次級包括冷卻容器、2h2個超導(dǎo)磁體和次級基板，將次級基板均勻分成2hX2h個磁體單元格，其中h為自然數(shù)，所述磁體單元格的邊長為磁體陣列極距τ ρ，所述2h2個超導(dǎo)磁體分別固定在次級基板上的對角相鄰的超導(dǎo)磁體單元格中，并且所述超導(dǎo)磁體平行和垂直均不相鄰，所述超導(dǎo)磁體為平行充磁，所述充磁方向垂直于次級基板氣隙側(cè)的表面，位于同一行或列的超導(dǎo)磁體的充磁方向相同，位于相鄰行或列的超導(dǎo)磁體的充磁方向相反；冷卻容器罩在所有超導(dǎo)磁體的外面。本發(fā)明中，所述超導(dǎo)磁體采用超導(dǎo)塊材實現(xiàn)，所述超導(dǎo)塊材為圓盤形、圓環(huán)形或圓臺形。本發(fā)明中，所述超導(dǎo)磁體采用超導(dǎo)線圈實現(xiàn)，所述超導(dǎo)線圈為圓環(huán)形。本發(fā)明中，每個超導(dǎo)線圈均纏繞在由高導(dǎo)磁材料構(gòu)成的心柱外，所述心柱與次級基板固定連接。本發(fā)明中，所述初級基板由非磁性材料構(gòu)成。本發(fā)明中，所述初級基板的上側(cè)貼有電磁屏蔽板，所述上側(cè)是指與氣隙側(cè)相對的
另一側(cè)。本發(fā)明中，所述初級采用液體冷卻結(jié)構(gòu)，在初級基板上布置有冷卻液體管道。本發(fā)明中，所述初級還包括偏擺控制繞組，所述偏擺控制繞組由X向偏擺控制繞組和Y向偏擺控制繞組組成，組成X向偏擺控制繞組的2m個線圈均勻分成兩組線圈，所述兩組線圈對稱分布并固定在初級基板上電樞繞組的X向兩側(cè)，組成Y向偏擺控制繞組的2m 個線圈均勻分成兩組線圈，所述兩組線圈對稱分布并固定在初級基板上電樞繞組的Y向兩側(cè)，所述m為自然數(shù)。本發(fā)明中，所述磁懸浮平面電機為動初級結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述的平面電機中的次級采用超導(dǎo)磁體勵磁，大大提高了氣隙磁通密度， 因此，所構(gòu)成的平面電機中的電樞繞組采用無鐵心結(jié)構(gòu)，初級與次級之間不存在磁吸力，從而能夠?qū)崿F(xiàn)初級的懸浮運動，且電機輸出推力大、推力密度高、動態(tài)特性好、懸浮高度大、承載能力強，熱變形小、定位精度高，可應(yīng)用于真空環(huán)境。


圖I是當(dāng)超導(dǎo)塊材為圓盤形時實施方式二所述的次級結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是當(dāng)超導(dǎo)塊材為圓環(huán)形或圓臺形時，次級的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是當(dāng)超導(dǎo)塊材為圓環(huán)形時，圖2的A-A 剖視圖。圖4是當(dāng)超導(dǎo)塊材為圓臺形時，圖2的A-A剖視圖。圖5是本發(fā)明所述的初級結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是實施方式九所述的一種超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機的初級結(jié)構(gòu)示意圖。圖7和圖8所示是現(xiàn)有一種永磁同步平面電機結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式實施方式一本實施方式所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機包括初級和次級，所述初級和次級之間為氣隙，初級包括初級基板和電樞繞組，所述初級基板為平板形， 電樞繞組固定在初級基板的氣隙側(cè)；次級包括次級基板I、冷卻容器和2h2個超導(dǎo)磁體2，將次級基板I均勻分成2hX2h個磁體單元格，其中h為自然數(shù)，所述磁體單元格的邊長為磁體陣列極距τ ρ，所述2h2個超導(dǎo)磁體2分別固定在次級基板I上的對角相鄰的超導(dǎo)磁體2 單元格中，并且所述超導(dǎo)磁體2平行和垂直均不相鄰，所述超導(dǎo)磁體2為平行充磁，所述充磁方向垂直于次級基板I氣隙側(cè)的表面，位于同一行或列的超導(dǎo)磁體2的充磁方向相同,位于相鄰行或列的超導(dǎo)磁體2的充磁方向相反；冷卻容器罩在所有超導(dǎo)磁體2的外面。本實施方式所述的初級中的初級基板為平板形，參見圖5所示，電樞繞組為無鐵心結(jié)構(gòu)，初級與次級之間不存在磁吸力，進而實現(xiàn)初級的懸浮運動。實施方式二 本實施方式與實施方式一所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機的區(qū)別在于，超導(dǎo)磁體2采用超導(dǎo)塊材實現(xiàn)，所述超導(dǎo)塊材為圓盤形或圓環(huán)形。參見圖I所示，是本實施方式所述的一種超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中，h = 2，次級基板分成4X4個單元格，次級中共有8個超導(dǎo)磁體2，所述8個超體磁體2的分布參見圖I所示。圖2是上述結(jié)構(gòu)當(dāng)超導(dǎo)塊材為圓環(huán)形時的結(jié)構(gòu)示意圖。實施方式三本實施方式與實施方式一所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機的區(qū)別在于，超導(dǎo)磁體2采用超導(dǎo)塊材實現(xiàn)，所述超導(dǎo)塊材為圓臺形，該圓臺中直徑較大的底面與次級基板固定連接。參見圖2和4所示，是本實施方式所述的一種超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中，h = 2，次級基板I分成4X4個單元格，次級中共有8個超導(dǎo)磁體2，所述8 個超體磁體2的分布參見圖I所示。實施方式四本實施方式與實施方式一所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機的區(qū)別在于，超導(dǎo)磁體2采用超導(dǎo)線圈實現(xiàn)，所述超導(dǎo)線圈為圓環(huán)形。實施方式五本實施方式與實施方式四所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機的區(qū)別在于，每個超導(dǎo)線圈均纏繞在由高導(dǎo)磁材料構(gòu)成的心柱外，所述心柱與次級基板固定連接。所述心柱采用導(dǎo)磁材料制作，增加心柱之后，能夠改善超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場的波形，使該波形的正弦度更好，并且能夠有效提高氣隙磁冪。實施方式六本實施方式與實施方式一所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機的區(qū)別在于，所述初級基板由非磁性材料構(gòu)成。實施方式七本實施方式與上述各實施方式所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機的區(qū)別在于，所述初級基板的上側(cè)貼有電磁屏蔽板，所述上側(cè)是指與氣隙側(cè)相對的另一側(cè)。實施方式八本實施方式與上述各實施方式所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機的區(qū)別在于，所述初級采用液體冷卻結(jié)構(gòu)，在初級基板上布置有冷卻液體管道。實施方式九本實施方式與上述各實施方式所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機的區(qū)別在于，所述初級還包括偏擺控制繞組3，所述偏擺控制繞組3由X向偏擺控制繞組 3和Y向偏擺控制繞組3組成，組成X向偏擺控制繞組3的2m個線圈均勻分成兩組線圈， 所述兩組線圈對稱分布并固定在初級基板上電樞繞組的X向兩側(cè)，組成Y向偏擺控制繞組 3的2m個線圈均勻分成兩組線圈，所述兩組線圈對稱分布并固定在初級基板上電樞繞組的 Y向兩側(cè)，所述m為大于I的自然數(shù)。本實施方式所述的初級結(jié)構(gòu)參見圖6所示。實施方式十本實施方式與上述各實施方式所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機的區(qū)別在于，所述磁懸浮平面電機為動初級結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機，該平面電機包括初級和次級，所述初級和次級之間為氣隙，初級包括初級基板和電樞繞組，所述初級基板為平板形，電樞繞組固定在初級基板的氣隙側(cè)；其特征在于，次級包括次級基板(I)、冷卻容器和2h2個超導(dǎo)磁體(2)，將次級基板(I)均勻分成2hX2h個磁體單元格，其中h為自然數(shù)，所述磁體單元格的邊長為磁體陣列極距τρ，所述2h2個超導(dǎo)磁體(2)分別固定在次級基板(I)上的對角相鄰的超導(dǎo)磁體(2)單元格中，并且所述超導(dǎo)磁體(2)平行和垂直均不相鄰，所述超導(dǎo)磁體(2)為平行充磁， 所述充磁方向垂直于次級基板(I)氣隙側(cè)的表面，位于同一行或列的超導(dǎo)磁體(2)的充磁方向相同，位于相鄰行或列的超導(dǎo)磁體(2)的充磁方向相反；冷卻容器罩在所有超導(dǎo)磁體 ⑵的外面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機，其特征在于，超導(dǎo)磁體(2) 采用超導(dǎo)塊材實現(xiàn)，所述超導(dǎo)塊材為圓盤形或圓環(huán)形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機，其特征在于，超導(dǎo)磁體(2) 采用超導(dǎo)塊材實現(xiàn)，所述超導(dǎo)塊材為圓臺形，該圓臺中直徑較大的底面與次級基板(I)固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機，其特征在于，超導(dǎo)磁體(2) 采用超導(dǎo)線圈實現(xiàn)，所述超導(dǎo)線圈為圓環(huán)形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機，其特征在于，每個超導(dǎo)線圈均纏繞在由高導(dǎo)磁材料構(gòu)成的心柱外，所述心柱與次級基板(I)固定連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項權(quán)利要求所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機， 其特征在于，所述初級基板由非磁性材料構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項權(quán)利要求所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機， 其特征在于，所述初級基板的上側(cè)貼有電磁屏蔽板，所述上側(cè)是指與氣隙側(cè)相對的另一側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項權(quán)利要求所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機， 其特征在于，所述初級采用液體冷卻結(jié)構(gòu)，在初級基板上布置有冷卻液體管道。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項權(quán)利要求所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機， 其特征在于，所述初級還包括偏擺控制繞組(3)，所述偏擺控制繞組(3)由X向偏擺控制繞組(3)和Y向偏擺控制繞組(3)組成，組成X向偏擺控制繞組(3)的2m個線圈均勻分成兩組線圈，所述兩組線圈對稱分布并固定在初級基板上電樞繞組的X向兩側(cè)，組成Y向偏擺控制繞組(3)的2m個線圈均勻分成兩組線圈，所述兩組線圈對稱分布并固定在初級基板上電樞繞組的Y向兩側(cè)，所述m為自然數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項權(quán)利要求所述的超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機， 其特征在于，所述磁懸浮平面電機為動初級結(jié)構(gòu)。
全文摘要
超導(dǎo)體勵磁結(jié)構(gòu)磁懸浮平面電機，屬于電機技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明解決了現(xiàn)有永磁同步平面電機存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、平面運動范圍大、繞組利用效率低、推理密度小和系統(tǒng)效率低的問題。本發(fā)明中的初級基板為平板形，電樞繞組固定在初級基板的氣隙側(cè)；次級中的次級基板被均勻分成2h×2h個磁體單元格，2h2個超導(dǎo)磁體分別固定在次級基板上的對角相鄰的超導(dǎo)磁體單元格中，并且超導(dǎo)磁體平行和垂直均不相鄰，所述超導(dǎo)磁體為平行充磁，充磁方向垂直于次級基板氣隙側(cè)的表面，位于同一行或列的超導(dǎo)磁體的充磁方向相同，位于相鄰行或列的超導(dǎo)磁體的充磁方向相反；冷卻容器罩在所有超導(dǎo)磁體的外面。本發(fā)明實現(xiàn)初級懸浮運動，且懸浮高度大、承載能力強，可應(yīng)用于真空環(huán)境。
文檔編號H02N15/00GK102594220SQ20121001941
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月21日
發(fā)明者劉孝坤, 寇寶泉, 張赫, 張魯 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)