專利名稱：采用三維永磁陣列的平面電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平面電機(jī)，特別是一種采用三維永磁陣列的平面電機(jī)，主要應(yīng)用于制造 設(shè)備與機(jī)器人領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在許多工業(yè)設(shè)備中，我們需要驅(qū)動工件或工作臺做平面運(yùn)動并在平面上對其進(jìn)行精確定 位，例如顯微鏡的載物臺，光刻機(jī)中的硅片臺等設(shè)備。傳統(tǒng)的平面定位裝置由兩套或多套直 線驅(qū)動單元垂直疊加而成，每套直線驅(qū)動單元由一臺旋轉(zhuǎn)電動機(jī)、 一套直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和 一套直線導(dǎo)軌組成，或者由一臺直線電機(jī)和一套直線導(dǎo)軌組成。位于底層的直線驅(qū)動單元不 僅承擔(dān)末端承件臺的驅(qū)動，而且還承載著頂層直線驅(qū)動單元的質(zhì)量，于是造成了平面定位裝 置在多個方向上(如傳統(tǒng)XY工作臺的X方向和Y方向)運(yùn)動慣量的嚴(yán)重不均衡，從而影響 了運(yùn)動行程、響應(yīng)速度、運(yùn)動精度等性能指標(biāo)的提高。在這種背景下，采用電磁力直接驅(qū)動 單一動子直接實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動的平面電機(jī)則應(yīng)運(yùn)而生,它避開了傳統(tǒng)多自由度工作臺疊層 驅(qū)動的思路，在精密的平面定位裝置中具有廣闊的應(yīng)用前景，受到廣泛的關(guān)注
根據(jù)平面電機(jī)非運(yùn)動自由度的約束方式和涉及的技術(shù)領(lǐng)域，可將平面電機(jī)劃分為氣浮平 面電機(jī)和磁浮平面電機(jī)，它們分別采用氣浮和磁浮方式實(shí)現(xiàn)對非運(yùn)動自由度(如偏擺、縱頃 和橫頃)的約束。相比于氣浮方式，磁浮方式具有結(jié)構(gòu)簡單、基座表面無需精密加工、可實(shí) 現(xiàn)非運(yùn)動自由度的主動約束、易在真空環(huán)境中應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。
目前的磁浮平面電機(jī)一般由通電線圈在永磁陣列氣隙磁場中產(chǎn)生的洛倫茲力提供驅(qū)動力 和懸浮支承。隨著對平面電機(jī)加速度和負(fù)載性能指標(biāo)的要求不斷提高，我們需要不斷提高永 磁陣列氣隙磁場強(qiáng)度。特別是對于采用永磁陣列作為動子的動鐵式磁浮平面電機(jī)，具有無線 纜干擾，適應(yīng)真空的工作環(huán)境等突出優(yōu)點(diǎn)，但是永磁陣列本身的重力已經(jīng)負(fù)載的重力需要電 磁力來支承。這就要求我們不斷提高永磁陣列工作氣隙的場強(qiáng)與自身質(zhì)量的比值，及在質(zhì)量 不變的前提下不斷提高氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
目前的永磁陣列都采用2D平面永磁陣列，主要的幾種結(jié)構(gòu)如圖l所示，圖l (a)所示 陣歹ll形式由Asakawa首先在專禾U《Two dimensional positioning devices》(U. S. Patent 4626 749, Dec. 1986.)中提出；圖1 (b)所示陣列形式由Chitayat在專利《Two-axis motor with high density magnetic platen》(U.S. Patent 5777 402， July 1998)中提出；Trumper 等人在專利《Magnetic arrays》(U.S. Patent 5631 618， May 1997)中提出了一種Halbach 結(jié)構(gòu)的陣列形式如圖1 (c)所示；Cho等人在文章《Magnetic field analysis of 2-D permanent magnet array for planar motor》 (IEEETransactions on Magnetics, 2001， 37(5) :3762 3766.)中提出了圖l (d)所示陣列形式，并對以上幾種結(jié)構(gòu)做了比較，認(rèn)為圖a所示陣列形式的磁組裝密度只及直線永磁電動機(jī)磁組裝密度的一半；圖1 (b)和圖1 (c)
所示陣列形式的磁組裝密度也低于直線永磁電動機(jī)的磁組裝密度，給出了四種陣列形式表面 氣隙磁通密度分布的解析解，并計(jì)算了這幾種結(jié)構(gòu)的表面氣隙磁通密度分布，證明與其他三
種陣列形式相比，圖d所示陣列形式具有更高的表面氣隙磁通密度。另外一種，文獻(xiàn)中常見 的halbach永磁陣列如圖1 (e)所示。上述這幾種永磁陣列都是2D平面永磁陣列，陣列內(nèi) 部永磁體的空間分布不隨Z的變化而變化。因此我們可以構(gòu)造出3D平面永磁陣列，進(jìn)一步提 高永磁陣列工作氣隙的場強(qiáng)與自身質(zhì)量的比值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用三維永磁陣列的平面電機(jī)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種采用三維永磁陣列的平面電機(jī)，包含有動子5和定子6，所述平面電機(jī)包括采用永
磁陣列作為定子的動圈式結(jié)構(gòu)或永磁陣列作為動子的動鐵式結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的永磁 陣列采用三維永磁陣列，該三維永磁陣列由上底面為S極的S型正四棱臺大永磁體1、上底
面為N極的N型正四棱臺大永磁體2和小永磁體3組成，所述S型和N型正四棱臺大永磁體 都沿各自的上下兩底面中心連線方向充磁，所述小永磁體3由底面為等腰三角形的直三棱柱 在上下底面處對稱截去一個四棱錐得到，使得小永磁體3兩個側(cè)面成為與N型正四棱臺大永 磁體一個側(cè)面全等的等腰梯形，充磁方向平行于底面等腰三角形的底邊方向，S型正四棱臺 大永磁體1和N型正四棱臺大永磁體2下底面朝下，且沿X方向和Y方向交錯排列成平面陣 列；小永磁體3布置在相鄰兩個S型和N型大永磁體之間，使得小永磁體3兩個側(cè)面分別與 N型和S型正四棱臺大永磁體的一個側(cè)面重合，且小永磁體3充磁方向由N型正四棱臺大永 磁體2的N極指向相鄰的S型正四棱臺大永磁體1的S極。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于對于采用永磁陣列作為動子的動鐵式結(jié)構(gòu)，所述定子6由多 個互相垂直的線圈陣列組成，每個線圈陣列由多個矩形無鐵芯線圈4線性排列而成；對于用 永磁陣列作為定子的動圈式結(jié)構(gòu)，所述的動子由多個線圈陣列組成，相鄰線圈陣列之間相互 垂直，每個線圈陣列由多個矩形無鐵芯線圈4線性排列而成。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于:所述線圈陣列的排列方向與所述永磁陣列的排列方向成45。。 本發(fā)明所述的采用三維永磁陣列的平面電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果采用了三維永
磁陣列，進(jìn)一步提高了永磁陣列工作氣隙的場強(qiáng)與自身質(zhì)量的比值，從而在驅(qū)動電流不變的 情況下提高了平面電機(jī)的推力和懸浮能力，大大提高了平面電機(jī)的加速度和帶負(fù)載能力。


圖l現(xiàn)有技術(shù)中公開的幾種永磁陣列。
圖2是本發(fā)明所述采用三維永磁陣列的平面電機(jī)的三維視圖。
圖3是本發(fā)明所述采用三維永磁陣列的平面電機(jī)的正四棱臺大永磁體三維視圖。
圖4是本發(fā)明所述采用三維永磁陣列的平面電機(jī)的小永磁體三維視圖。圖5是本發(fā)明所述采用三維永磁陣列的平面電機(jī)的兩個正四棱臺大永磁體和一個小永磁 體的裝配三維視圖。
圖6本發(fā)明所述永磁陣列氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度豎直分量關(guān)于XY坐標(biāo)的變化關(guān)系示意圖。 圖中l(wèi)-S型正四棱臺大永磁體；2-N型正四棱臺大永磁體；3 —小永磁體；4一線圈；5
一動子；6 —定子；
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、機(jī)理和工作過程作進(jìn)一步的說明。
圖2是本發(fā)明所述采用三維永磁陣列的平面電機(jī)的三維視圖，由圖可知本發(fā)明所述采 用三維永磁陣列的平面電機(jī)包括動子5和定子4，動子采用三維永磁陣列，所述的永磁陣列 采用三維永磁陣列，該三維永磁陣列由上底面為S極的S型正四棱臺大永磁體1、上底面為N 極的N型正四棱臺大永磁體2和小永磁體3組成，所述S型和N型正四棱臺大永磁體都沿各 自的上下兩底面中心連線方向充磁，所述小永磁體3由底面為等腰三角形的直三棱柱在上下 底面處對稱截去一個四棱錐得到，使得小永磁體3兩個側(cè)面成為與N型正四棱臺大永磁體一 個側(cè)面全等的等腰梯形，充磁方向平行于底面等腰三角形的底邊方向，S型正四棱臺大永磁 體1和N型正四棱臺大永磁體2下底面朝下，且沿X方向和Y方向交錯排列成平面陣列；小 永磁體3布置在相鄰兩個S型和N型大永磁體之間，使得小永磁體3兩個側(cè)面分別與N型和 S型正四棱臺大永磁體的一個側(cè)面重合，且小永磁體3充磁方向由N型正四棱臺大永磁體2 的N極指向相鄰的S型正四棱臺大永磁體1的S極。
圖5給出了在S型正四棱臺大永磁體和N型正四棱臺大永磁體中間布置小永磁體的三維 示意圖。圖中的"S"和"N"表示正四棱臺大永磁體的上底面分別為S極和N極。箭頭表示 小永磁體的充磁方向。小永磁體的兩個側(cè)面分別與兩個正四棱臺大永磁體的側(cè)面重合。
如圖2所示，平面電機(jī)采用磁浮方式實(shí)現(xiàn)對非運(yùn)動自由度的約束；所述定子6由多個互 相垂直的線圈陣列組成，每個線圈陣列由多個矩形無鐵芯線圈4線性排列而成；線圈陣列的 排列方向與所述永磁陣列的排列方向成45° 。
三維永磁陣列在動子和定子之間的氣隙中或接觸面上產(chǎn)生氣隙磁場。圖6是通過有限元 仿真分析得到的圖2所示平面永磁陣列的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度豎直分量Bz關(guān)于XY坐標(biāo)的變化關(guān) 系示意圖。t為極距即圖2中兩個相鄰正四棱臺大永磁體上底面中心的距離，也是圖2中 平面永磁陣列的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度兩相鄰峰值之間的距離。通過仿真分析，我們發(fā)現(xiàn)三維永磁 陣列，在質(zhì)量相同的情況下，工作氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度高于現(xiàn)有的幾種永磁陣列，從而在驅(qū)動 電流不變的情況下提高了平面電機(jī)的推力和懸浮能力，大大提高了平面電機(jī)的加速度和帶負(fù) 載能力。
權(quán)利要求
1.一種采用三維永磁陣列的平面電機(jī)，包含有動子(5)和定子(6)，所述平面電機(jī)包括采用永磁陣列作為定子的動圈式結(jié)構(gòu)或永磁陣列作為動子的動鐵式結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的永磁陣列采用三維永磁陣列，該三維永磁陣列由上底面為S極的S型正四棱臺大永磁體(1)、上底面為N極的N型正四棱臺大永磁體(2)和小永磁體(3)組成，所述S型和N型正四棱臺大永磁體都沿各自的上下兩底面中心連線方向充磁，所述小永磁體(3)由底面為等腰三角形的直三棱柱在上下底面處對稱截去一個四棱錐得到，使得小永磁體(3)兩個側(cè)面成為與N型正四棱臺大永磁體一個側(cè)面全等的等腰梯形，充磁方向平行于底面等腰三角形的底邊方向，S型正四棱臺大永磁體(1)和N型正四棱臺大永磁體(2)下底面朝下，且沿X方向和Y方向交錯排列成平面陣列；小永磁體(3)布置在相鄰兩個S型和N型大永磁體之間，使得小永磁體(3)兩個側(cè)面分別與N型和S型正四棱臺大永磁體的一個側(cè)面重合，且小永磁體(3)充磁方向由N型正四棱臺大永磁體(2)的N極指向相鄰的S型正四棱臺大永磁體(1)的S極。
2. 按照權(quán)利要求l所述的采用三維永磁陣列的平面電機(jī)，其特征在于對于采用永磁陣 列作為動子的動鐵式結(jié)構(gòu)，所述定子(6)由多個互相垂直的線圈陣列組成，每個線圈陣列由 多個矩形無鐵芯線圈(4)線性排列而成；對于用永磁陣列作為定子的動圈式結(jié)構(gòu)，所述的動 子由多個線圈陣列組成，相鄰線圈陣列之間相互垂直，每個線圈陣列由多個矩形無鐵芯線圈(4)線性排列而成。
3. 按照權(quán)利要求2所述的采用三維永磁陣列的平面電機(jī)，其特征在于所述線圈陣列的 排列方向與所述永磁陣列的排列方向成45。。
全文摘要
采用三維永磁陣列的平面電機(jī)，該平面電機(jī)包括動子和定子。所述動子采用三維永磁陣列，該三維永磁陣列由上底面分別為S極和N極的S型和N型正四棱臺大永磁體以及小永磁體組成，所述S型和N型大永磁體都沿各自的上下兩底面中心連線方向充磁，小永磁體由底面為等腰三角形的直三棱柱在上下底面處對稱截去一個四棱錐得到，充磁方向平行于底面等腰三角形的底邊方向，S型和N型大永磁體下底面朝下，且沿X方向和Y方向交錯排列成平面陣列；小永磁體布置在相鄰兩個大永磁體之間，且小永磁體充磁方向由N型大永磁體的N極指向相鄰的S型大永磁體的S極。該動子能在氣隙產(chǎn)生更高的場強(qiáng)質(zhì)量比，從而提高平面電機(jī)的推力和加速度。
文檔編號H02N15/00GK101610054SQ20091008889
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者尹文生, 鳴 張, 徐登峰, 煜 朱, 楊開明, 段廣洪, 汪勁松, 胡金春, 田 蔡, 偉 閔 申請人:清華大學(xué)