專(zhuān)利名稱：永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平面電動(dòng)機(jī)，特別是一種永磁同步平面電動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的X-Y工作臺(tái)在X、Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)分別由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)為二維的直線運(yùn)動(dòng)，而旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，在工作臺(tái)與任一旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)之間必須設(shè)置一套旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(一般使用絲桿-螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn))。這種結(jié)構(gòu)的X-Y工作臺(tái)具有成本低廉、驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)，但是，工作臺(tái)中包含的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)存在摩擦、側(cè)隙、滯后等不利因素，使工作臺(tái)的性能(如精度)等指標(biāo)難以進(jìn)一步提高。隨著直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直線電動(dòng)機(jī)在X-Y工作臺(tái)中逐步得到應(yīng)用。其應(yīng)用方式之一為分別采用兩套直線電動(dòng)機(jī)取代傳統(tǒng)X-Y工作臺(tái)中的兩套“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換”的機(jī)構(gòu)。由于直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的X-Y工作臺(tái)避免了傳統(tǒng)X-Y工作臺(tái)中存在的摩擦、側(cè)隙、滯后等不利因素，X-Y工作臺(tái)在精度等性能指標(biāo)更容易提高，使得它在光刻機(jī)等超精密設(shè)備中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是，直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的X-Y工作臺(tái)仍然存在某些不足之處，如直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的X-Y工作臺(tái)仍然未擺脫“運(yùn)動(dòng)疊加”的模式，對(duì)于底層直線電動(dòng)機(jī)而言，頂層直線電動(dòng)機(jī)與工作臺(tái)的總質(zhì)量是一個(gè)很大的“負(fù)擔(dān)”，這一特點(diǎn)限制了工作臺(tái)響應(yīng)速度的提高。近年來(lái)，出現(xiàn)了一種能夠直接將二維驅(qū)動(dòng)力(兩驅(qū)動(dòng)力相互垂直)直接施加于工作臺(tái)上的一種平面電動(dòng)機(jī)，它由呈平板狀的一對(duì)定子和動(dòng)子組成。當(dāng)往定子和動(dòng)子上的電磁結(jié)構(gòu)施加電能時(shí)，動(dòng)子不僅受到X向電磁推力和Y向電磁推力的作用，產(chǎn)生二維平面運(yùn)動(dòng)，而且，還能受到繞Z軸的電磁轉(zhuǎn)矩的作用，限制動(dòng)子繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度，產(chǎn)生磁導(dǎo)向功能。若將上述平面電動(dòng)機(jī)運(yùn)用到X-Y工作臺(tái)中，則X-Y工作臺(tái)不僅具有直接驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，而且減小了運(yùn)動(dòng)部件的慣量，從而為進(jìn)一步提高工作臺(tái)的性能創(chuàng)造了條件。
目前，平面電動(dòng)機(jī)可以劃分為三類(lèi)，即磁阻型平面電動(dòng)機(jī)、永磁同步型平面電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)型平面電動(dòng)機(jī)，其中，永磁同步型平面電動(dòng)機(jī)具有較好的綜合性能，受到人們的廣泛關(guān)注。
永磁同步平面電動(dòng)機(jī)一般由動(dòng)子和定子兩大部分構(gòu)成，在動(dòng)子的底面或定子的頂面上布置有永磁陣列或線圈陣列。目前，國(guó)際上已經(jīng)有多項(xiàng)與永磁同步平面電動(dòng)機(jī)相關(guān)的專(zhuān)利獲得保護(hù)，但是，它們?cè)谕屏γ芏?、推力脈動(dòng)和電磁力耦合等方面，均存在不同程度的局限性。
在美國(guó)專(zhuān)利US6097114(申請(qǐng)日1998年8月17日)中，產(chǎn)生兩垂直方向推力的兩組線圈陣列或繞組陣列分別布置于定子底面的不同區(qū)域，兩線圈陣列只能分別占據(jù)定子底部的較小部分，從而減小了平面電動(dòng)機(jī)的推力密度；美國(guó)專(zhuān)利US6097114(申請(qǐng)日1998年8月17日)和US6144119(申請(qǐng)日1999年6月18日)公開(kāi)的永磁同步平面電動(dòng)機(jī)，線圈陣列由一系列方形或圓形線圈構(gòu)成，具有這種特點(diǎn)的線圈陣列無(wú)法產(chǎn)生連續(xù)變化的磁場(chǎng)，而只能產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)，于是，使平面電動(dòng)機(jī)的推力脈動(dòng)增大。
目前，為了避免采用笨重的二維直線導(dǎo)軌來(lái)限制動(dòng)子繞Z軸方向的自由度，幾乎所有的平面電動(dòng)機(jī)在產(chǎn)生推力的同時(shí)，還能夠產(chǎn)生繞定子質(zhì)心的電磁轉(zhuǎn)矩，以使電動(dòng)機(jī)動(dòng)子在控制系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)的共同作用下，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向的自由度受到限制，可稱之為磁導(dǎo)向功能。但是，仔細(xì)研究目前的技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的包括永磁同步平面電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的具有磁導(dǎo)向功能的平面電動(dòng)機(jī)(如美國(guó)專(zhuān)利US6097114，申請(qǐng)日1998年8月17日)，均利用產(chǎn)生推力的線圈陣列來(lái)同時(shí)產(chǎn)生繞動(dòng)子質(zhì)心的電磁轉(zhuǎn)矩。這種方法使得作用于動(dòng)子上的推力和電磁轉(zhuǎn)矩存在很強(qiáng)的耦合，給平面電動(dòng)機(jī)的控制帶來(lái)很大的困難，如圖1所示。在圖中顯示的動(dòng)子基板11上，X向電磁推力(標(biāo)記13表示)由圖中的X1繞組或永磁和X2繞組或永磁共同產(chǎn)生，但是，這兩套繞組或永磁同時(shí)還承擔(dān)著產(chǎn)生X方向驅(qū)動(dòng)力的任務(wù)，因此，X方向電磁推力與繞質(zhì)心O的電磁轉(zhuǎn)矩之間存在很強(qiáng)的耦合。兩Y繞組或永磁產(chǎn)生的沿Y軸方向的電磁推力(標(biāo)記12表示)，它們始終保持大小相等，方向相同，沿Y軸的兩分量之和共同構(gòu)成作用于動(dòng)子上的沿Y軸方向的總推力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有高推力密度、低推力脈動(dòng)和具有磁導(dǎo)向功能的永磁同步平面電動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下永磁同步平面電動(dòng)機(jī)，包括動(dòng)子和定子，所述動(dòng)子和定子上安裝有永磁陣列或線圈陣列，其特征在于在永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子底面的不同區(qū)域布置有推力繞組和磁導(dǎo)向繞組；所述推力繞組包括X向推力繞組和Y向推力繞組，它們?cè)趧?dòng)子底面的豎直方向上相互重疊，且所述X向推力繞組的任一有效邊與所述Y向推力繞組的任一有效邊之間相互垂直；
所述磁導(dǎo)向繞組包括第一磁導(dǎo)向繞組和第二磁導(dǎo)向繞組，它們分別對(duì)稱布置于動(dòng)子質(zhì)心的兩側(cè)，并且磁導(dǎo)向繞組有效邊與所述X向推力繞組的有效邊或所述Y向推力繞組的有效邊平行。
為了提高永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的推力密度，將所述X向推力繞組與所述Y向推力繞組重疊布置；所述X向推力繞組與所述Y向推力繞組的有效邊分別鑲嵌于軟磁材料制成的推力繞組骨架的X線槽和Y線槽中，所述X線槽與所述Y線槽分別沿相互垂直的X方向和Y方向布置。
為了降低推力脈動(dòng)，本發(fā)明采用使繞組產(chǎn)生連續(xù)變化磁場(chǎng)的思路，具體方法是將所述X向推力繞組和Y相推力繞組分別連接成三相或多相結(jié)構(gòu)，所述X向推力繞組和Y相推力繞組的極距與定子上的永磁陣列的極距相等，所述X向推力繞組和Y相推力繞組中分別通入相差為120°的三相正弦交流電。
為了產(chǎn)生磁導(dǎo)向功能，同時(shí)，消除電磁轉(zhuǎn)矩與電磁推力之間的耦合，本發(fā)明采用設(shè)立單獨(dú)磁導(dǎo)向繞組的方案。具體方法是所述磁導(dǎo)向繞組對(duì)稱布置于定子底面的兩側(cè)，且不與推力繞組重疊；所述磁導(dǎo)向繞組的有效邊與X向推力繞組的有效邊或Y向推力繞組的有效邊平行；所述的磁導(dǎo)向繞組纏繞于一非鐵磁材料制成的具有方形截面的骨架體上。
上述技術(shù)措施保證了所提出的平面電動(dòng)機(jī)具有高推力密度、低推力脈動(dòng)特點(diǎn)，并且具有磁導(dǎo)向功能。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中電磁推力與電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生示意圖。
圖2是本發(fā)明所述永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖3是本發(fā)明所述永磁同步平面電動(dòng)機(jī)動(dòng)子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖4是本發(fā)明所述永磁同步平面電動(dòng)機(jī)推力部件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖5是本發(fā)明所述永磁同步平面電動(dòng)機(jī)動(dòng)子及永磁陣列的一種形式。
圖6是本發(fā)明所述永磁同步平面電動(dòng)機(jī)推力繞組的連接方法。
圖7是本發(fā)明所述永磁同步平面電動(dòng)機(jī)導(dǎo)向部件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖8是本發(fā)明所述永磁同步平面電動(dòng)機(jī)磁導(dǎo)向繞組的連接方法。
圖9是本發(fā)明所述永磁同步平面電動(dòng)機(jī)推力繞組的另外一種連接方法。
具體實(shí)施例方式
圖2描述了一種大推力密度，具有連續(xù)變化磁場(chǎng)和磁導(dǎo)向功能的永磁同步平面電動(dòng)機(jī)。圖中永磁同步電動(dòng)機(jī)由動(dòng)子31和定子32兩部分構(gòu)成，動(dòng)子31的底面與定子32的頂面相互平行，且它們之間存在一氣隙。
圖3為圖2中永磁同步平面電動(dòng)機(jī)動(dòng)子31的結(jié)構(gòu)圖，由圖可知，動(dòng)子包括動(dòng)子基體45、X向推力繞組44、Y向推力繞組43、推力繞組骨架42，以及兩套磁導(dǎo)向繞組46和導(dǎo)向繞組骨架47。其中，動(dòng)子基體45作為直接或間接安裝其他零部件的共同基座，X向推力繞組44、Y向推力繞組43和推力繞組骨架42共同構(gòu)成推力部件48，推力部件48通過(guò)連接件41與定子基體45相連，而兩套磁導(dǎo)向繞組46與導(dǎo)向繞組骨架47分別構(gòu)成第一導(dǎo)向部件49和第二導(dǎo)向部件50，第一導(dǎo)向部件49和第二導(dǎo)向部件50可通過(guò)定位銷(xiāo)和螺釘?shù)榷ㄎ贿B接方式與動(dòng)子基體45相連。
圖4為推力部件48的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。在推力部件的推力繞組骨架42的底面上，沿X軸方向和沿Y軸方向，分別加工有一系列相互平行的X線槽51和一系列相互平行的Y線槽52，以分別鑲嵌Y向推力繞組43和X向推力繞組44。由于X向推力繞組44布置于Y向推力繞組43的上方，所以X線槽51比Y線槽52更深(若X向推力繞組44布置于Y向推力繞組43的下方，則，Y線槽52比X線槽51更深)。推力部件48中的推力繞組骨架42以軟磁材料(如硅鋼等)制成，其目的是增加X(jué)向推力繞組44和Y向推力繞組43繞組通電后在氣隙中產(chǎn)生的氣隙磁通密度。將上述Y向推力繞組43和X向推力繞組44重疊布置有利于提高永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的推力密度。
如圖3所示，第一導(dǎo)向部件49和第二導(dǎo)向部件50對(duì)稱安裝于推力部件48的兩側(cè)，它們相對(duì)于動(dòng)子軸線對(duì)稱。第一導(dǎo)向部件49和第二導(dǎo)向部件50中的導(dǎo)向繞組骨架47所用材料為非鐵磁材料(如鋁等)。
圖5為圖2中永磁同步平面電動(dòng)機(jī)定子的結(jié)構(gòu)圖，由圖5可知，本發(fā)明所述永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的定子包括定子基體62和永磁陣列61，其中，永磁陣列61由一系列的具有邊長(zhǎng)為p的正方形截面的永磁體排列而成，所有永磁體通過(guò)粘結(jié)劑(如環(huán)氧樹(shù)脂等)固定在定子基體62上。永磁陣列61中，各永磁體的排列特點(diǎn)為沿X軸或沿Y軸的每一行中的各永磁體具有相同的磁化方向，且各永磁體之間留有寬度為p的間隔空間，同時(shí)，沿X軸或沿Y軸的任意相鄰兩行中心線之間的間隔為p。可見(jiàn)，所述永磁陣列61的極距為2×p。
上述鑲嵌于推力繞組骨架42上的Y向推力繞組43的連接方法如圖6所示，圖中有效邊A1、A2、A3、A4連接成A相繞組，有效邊B1、B2、B3、B4連接成B相繞組，有效邊C1、C2、C3、C4連接成C相繞組，任意兩相鄰有效邊中心距為p/3，當(dāng)A相繞組通入如圖6所示的相電流時(shí)，動(dòng)、定子之間將產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)分布的情況如磁力線72所示。顯然圖6所示的繞組結(jié)構(gòu)為三相式，當(dāng)平面電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，在X向推力繞組44的A、B、C三相中和Y向推力繞組43的A、B、C三相繞組中分別通入兩組三相正弦交流電，三相交流電之間的相差為120°，以在氣隙中產(chǎn)生正弦連續(xù)變化的磁場(chǎng)，從而有利于降低平面電動(dòng)機(jī)的推力脈動(dòng)。圖6中的標(biāo)記71表示永磁體的磁化方向。上述推力繞組為整數(shù)槽形式，且與每磁極對(duì)應(yīng)的有效邊數(shù)為1，實(shí)際上，與每磁極對(duì)應(yīng)的有效邊數(shù)也可大于1，圖9描述了一種與每磁極對(duì)應(yīng)的有效邊數(shù)為2的一種整數(shù)槽繞組，此時(shí)，每相鄰有效邊中心距變?yōu)閜/6，圖中A11、A12、A21、A22、A31、A32連接成A相繞組。圖6和圖9中的Y向推力繞組43的極距均為2×p，同理，X向推力繞組44的極距也為2×p，它們與永磁陣列61的極距相等，此外，推力繞組的形式還可以是分?jǐn)?shù)槽形式，其具體形式與旋轉(zhuǎn)同步電動(dòng)機(jī)的分?jǐn)?shù)槽繞組的形式類(lèi)似。
圖7為動(dòng)子上第一導(dǎo)向部件49和第二導(dǎo)向部件50的結(jié)構(gòu)圖，一系列導(dǎo)向線圈81逐個(gè)安裝于骨架體82上，線圈81的寬度為p/3。當(dāng)所有的導(dǎo)向線圈81套于骨架體82上后，緊固件83將所有線圈壓緊，所述骨架體82具有方形截面。上述磁導(dǎo)向繞組46的連接規(guī)律如圖8所示，圖中線圈A1、A2、A3、A4連接構(gòu)成A相繞組，線圈B1、B2、B3、B4連接構(gòu)成B相繞組，線圈C1、C2、C3、C4連接構(gòu)成C相繞組。當(dāng)控制A、B、C三相繞組的電流大小和方向時(shí)，即可控制磁導(dǎo)向繞組46所產(chǎn)生的電磁力。圖2中位于動(dòng)子底面兩側(cè)的第一導(dǎo)向部件49和第二導(dǎo)向部件50，在繞組電流與永磁磁場(chǎng)相互作用下，將分別產(chǎn)生大小相等、方向相反的電磁力F和-F。由于第一導(dǎo)向部件49和第二導(dǎo)向部件50相對(duì)與動(dòng)子質(zhì)心對(duì)稱分布，所以，動(dòng)子受到相對(duì)于質(zhì)心、且大小和方向可調(diào)的力耦的作用。在該受控力耦的作用下，動(dòng)子繞Z軸的轉(zhuǎn)角變動(dòng)將限制在一個(gè)微小的范圍內(nèi)變動(dòng)，從而達(dá)到限制動(dòng)子繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，產(chǎn)生磁導(dǎo)向功能的目的。
權(quán)利要求
1.永磁同步平面電動(dòng)機(jī)，包括動(dòng)子和定子，所述動(dòng)子和定子上安裝有永磁陣列或線圈陣列，其特征在于在永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子底面的不同區(qū)域布置有推力繞組和磁導(dǎo)向繞組；所述推力繞組包括X向推力繞組和Y向推力繞組，它們?cè)趧?dòng)子底面的豎直方向上相互重疊，且所述X向推力繞組的任一有效邊與所述Y向推力繞組的任一有效邊之間相互垂直；所述磁導(dǎo)向繞組包括第一磁導(dǎo)向繞組和第二磁導(dǎo)向繞組，它們分別對(duì)稱布置于動(dòng)子質(zhì)心的兩側(cè)，并且磁導(dǎo)向繞組有效邊與所述X向推力繞組的有效邊或所述Y向推力繞組的有效邊平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步平面電動(dòng)機(jī)，其特征在于所述X向推力繞組與所述Y向推力繞組的有效邊分別鑲嵌于軟磁材料制成的推力繞組骨架的X線槽和Y線槽中，所述X線槽與所述Y線槽分別沿相互垂直的X方向和Y方向布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述永磁同步平面電動(dòng)機(jī)，其特征在于所述的X向推力繞組和Y相推力繞組分別連接成三相繞組結(jié)構(gòu)，所述X向推力繞組和Y相推力繞組的極距與定子上的永磁陣列的極距相等，所述X向推力繞組和Y相推力繞組中分別通入相差為120°的三相正弦交流電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步平面電動(dòng)機(jī)，其特征在于所述的磁導(dǎo)向繞組纏繞于一非鐵磁材料制成的具有方形截面的骨架體上。
全文摘要
永磁同步平面電動(dòng)機(jī)，屬于電動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。為了提供一種具有高推力密度、低推力脈動(dòng)和具有磁導(dǎo)向功能的永磁同步平面電動(dòng)機(jī)，本發(fā)明公開(kāi)了一種永磁同步平面電動(dòng)機(jī)，在其動(dòng)子底面的不同區(qū)域布置有推力繞組和磁導(dǎo)向繞組；所述推力繞組包括X向推力繞組和Y向推力繞組，它們?cè)趧?dòng)子底面的豎直方向上相互重疊，且所述X向推力繞組的任一有效邊與所述Y向推力繞組的任一有效邊之間相互垂直；所述磁導(dǎo)向繞組包括第一磁導(dǎo)向繞組和第二磁導(dǎo)向繞組，它們分別對(duì)稱布置于動(dòng)子質(zhì)心的兩側(cè)，并且磁導(dǎo)向繞組有效邊與X向推力繞組的有效邊或Y向推力繞組的有效邊平行。由于采用了上述技術(shù)措施，所提出的永磁同步平面電動(dòng)機(jī)具有高推力密度、低推力脈動(dòng)和磁導(dǎo)向功能。
文檔編號(hào)H02K41/03GK1599213SQ20041000947
公開(kāi)日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者汪勁松, 朱煜, 曹家勇, 尹文生, 段廣洪 申請(qǐng)人:清華大學(xué)