直線電機(jī)、盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)和電機(jī)平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直線電機(jī)、盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)和電機(jī)平臺(tái)(X-Y-Theta平臺(tái))。該直線電機(jī)優(yōu)選是U型空芯直線電機(jī)，其磁鐵陣列包括多個(gè)磁鐵單元，每個(gè)磁鐵單元包括兩個(gè)或更多個(gè)磁鐵。該盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的線圈與磁鐵數(shù)量比在0.8至1.3之間。該電機(jī)平臺(tái)采用上述直線電機(jī)作為X方向電機(jī)組件，采用解耦的U型空芯直線電機(jī)作為Y方向電機(jī)組件，采用上述旋轉(zhuǎn)電機(jī)作為Theta旋轉(zhuǎn)電機(jī)。本發(fā)明的直線電機(jī)和盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)既可以降低高度尺寸，又可以保證較大的驅(qū)動(dòng)力，本發(fā)明的電機(jī)平臺(tái)有效地降低了平臺(tái)總的高度尺寸。
【專利說明】直線電機(jī)、盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)和電機(jī)平臺(tái)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及直線電機(jī)、盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)和電機(jī)平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]在用于激光切割晶圓、對(duì)晶圓劃片、太陽能硅片減薄等的設(shè)備中常常對(duì)X-Y-Theta電機(jī)平臺(tái)的高度尺寸有嚴(yán)格的限制，而且這類電機(jī)平臺(tái)同時(shí)要求有很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和工作精度，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)這類平臺(tái)是比較困難的。
[0003]特別地，X方向(第一方向)是整個(gè)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載最大的方向，它不僅需要驅(qū)動(dòng)平臺(tái)工作負(fù)載，還要驅(qū)動(dòng)Y方向(第二方向)和Theta方向(轉(zhuǎn)動(dòng)方向)的電機(jī)相關(guān)部分及各種結(jié)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)，需要很大的力。
[0004]如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，在單位體積的電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率上，鐵芯直線電機(jī)和空芯圓柱直線電機(jī)優(yōu)于空芯直線電機(jī)，但鐵芯直線電機(jī)由于鐵芯和固有齒槽力的影響難以達(dá)到很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(setting time小于5ms)和極高的精度(比如定位精度小于0.1um),而空芯圓柱直線電機(jī)在高度尺寸上能夠進(jìn)一步減小的空間有限。
[0005]圖1A和IB分別是常規(guī)U型空芯直線電機(jī)的示意立體圖和示意側(cè)視圖。
[0006]如圖1A和IB所示，磁鐵組件(定子)10內(nèi)側(cè)設(shè)置有U型槽，兩組磁鐵陣列15、16相面對(duì)地設(shè)置在U型槽的兩側(cè)，中間留有空間，以使得線圈組件(動(dòng)子)20能夠在其間運(yùn)動(dòng)。線圈組件20只能在一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)。
[0007]如圖1B所示，磁鐵陣列15、16中的每一個(gè)磁鐵17、18都是單層磁鐵。
[0008]圖2A和2B分別示出了沿圖1B中A-A線和B-B線的剖面圖，其中示出了兩組磁鐵陣列15、16的相對(duì)表面處的極性布置。
[0009]如圖2A和2B所示，磁鐵陣列15的磁鐵17表面處極性為(從左到右)N、S、N、……、S，磁鐵陣列16的磁鐵18表面處極性為(從左到右)S、N、S、……、N。每一個(gè)磁鐵陣列中的磁鐵表面處極性交替變化。兩組磁鐵陣列中相面對(duì)的磁鐵的表面處極性相反。
[0010]通過降低磁鐵陣列15、16中磁鐵17、18的高度和線圈的高度，可以降低整個(gè)U型空芯直線電機(jī)的高度。然而，隨著線圈高度的減小，驅(qū)動(dòng)力也相應(yīng)減小。
[0011]眾所周知，通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力為:
[0012]F = ILxB
[0013]當(dāng)線圈和磁鐵的高度降低時(shí)，線圈中切割磁力線的導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度L相應(yīng)減小，在電流I保持不變，而磁場(chǎng)強(qiáng)度B變化不大的情況下，驅(qū)動(dòng)力F相應(yīng)減小。
[0014]同樣地，Theta旋轉(zhuǎn)電機(jī)的設(shè)計(jì)也存在高度與驅(qū)動(dòng)力之間的矛盾。
[0015]普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)的高度難以進(jìn)一步降低，而現(xiàn)有盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力又有所欠缺。
[0016]在盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，為了進(jìn)一步降低高度，就需要減小磁鐵厚度，至少不能增大磁鐵厚度。這樣，磁場(chǎng)強(qiáng)度就不能增加，甚至還會(huì)減小。如上面的公式所示，要想增加驅(qū)動(dòng)力同時(shí)降低高度，仍然存在一定難度。[0017]因此，仍然需要設(shè)計(jì)一種既可以降低高度尺寸、又可以保證較大驅(qū)動(dòng)力的直線電機(jī)、盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)和電機(jī)平臺(tái)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0018]本發(fā)明的所要解決的一個(gè)技術(shù)問題是提供一種直線電機(jī)、盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及電機(jī)平臺(tái)，其既可以降低高度尺寸，又能夠保證較大的驅(qū)動(dòng)力。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種直線電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，定子和動(dòng)子中的一個(gè)上設(shè)置有線圈，另一個(gè)上設(shè)置有磁鐵陣列，線圈與磁鐵陣列相面對(duì)，磁鐵陣列包括多個(gè)磁鐵單元，每個(gè)磁鐵單元包括在朝著線圈的方向上層疊在一起的兩個(gè)或更多個(gè)磁鐵。
[0020]優(yōu)選地，定子具有U型槽，兩組磁鐵陣列分別設(shè)置在U型槽的兩個(gè)側(cè)壁上，U型槽的兩個(gè)側(cè)壁上位置相對(duì)的兩個(gè)磁鐵單元的極性相反，線圈設(shè)置在動(dòng)子上，并且布置在U型槽中，并且線圈的兩側(cè)分別與U型槽的兩個(gè)側(cè)壁上的磁鐵陣列相面對(duì)。
[0021]優(yōu)選地，動(dòng)子上設(shè)置有多組線圈，線圈是空芯線圈，直線電機(jī)是空芯直線電機(jī)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于，包括:定子和轉(zhuǎn)子定子具有第一環(huán)狀盤，多個(gè)線圈沿圓周方向依次設(shè)置在第一環(huán)狀盤上。轉(zhuǎn)子具有第二環(huán)狀盤，多個(gè)磁鐵沿圓周方向依次設(shè)置在第二環(huán)狀盤上。第一環(huán)狀盤與第二環(huán)狀盤相對(duì)設(shè)置，使得多個(gè)磁鐵與多個(gè)線圈相面對(duì)。第一環(huán)狀盤上的線圈的個(gè)數(shù)是第二環(huán)狀盤上的磁鐵個(gè)數(shù)的0.8至1.3倍。
[0023]優(yōu)選地，第一環(huán)狀盤上的線圈的個(gè)數(shù)是第二環(huán)狀盤上的磁鐵個(gè)數(shù)的1.2倍。
[0024]優(yōu)選地，第一環(huán)狀盤上設(shè)置有72個(gè)線圈，第二環(huán)狀盤上設(shè)置有60個(gè)磁鐵。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種電機(jī)平臺(tái)，包括:第一方向電機(jī)組件，驅(qū)動(dòng)其動(dòng)子在第一方向上運(yùn)動(dòng)；以及第二方向電機(jī)組件，其中第一方向電機(jī)組件是上述根據(jù)本發(fā)明的直線電機(jī)，第二方向電機(jī)組件包括第二定子和第二動(dòng)子，第二定子上設(shè)置有第二磁鐵陣列，第二動(dòng)子中上設(shè)置有第二線圈，第二定子和第二動(dòng)子被設(shè)置為使得第二動(dòng)子能夠沿第一方向和第二方向運(yùn)動(dòng)，第二磁鐵陣列的作用表面的法線方向?yàn)榈谌较?，第一方向、第二方向以及第三方向彼此垂直，并且第二線圈和第二磁鐵陣列被設(shè)置為使得當(dāng)?shù)诙?dòng)子沿第一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)第二磁鐵陣列基本上不對(duì)第二線圈施加作用力，而當(dāng)在第二線圈中通電時(shí)，第二磁鐵陣列對(duì)第二線圈產(chǎn)生第二方向上的作用力，第二動(dòng)子被設(shè)置為能夠在第一方向電機(jī)組件的動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)下在第一方向上運(yùn)動(dòng)。
[0026]優(yōu)選地，包括兩個(gè)或更多個(gè)第一方向電機(jī)組件，通過它們各自的線圈和磁鐵陣列之間的相互作用來驅(qū)動(dòng)其共同的動(dòng)子在第一方向上運(yùn)動(dòng)。
[0027]優(yōu)選地，這些第一方向電機(jī)組件的線圈可以串聯(lián)或并聯(lián)連接在一起。
[0028]優(yōu)選地，第二磁鐵陣列中的多個(gè)磁鐵的極性在第一方向上相同，而在第二方向上交替變化。
[0029]優(yōu)選地，第二磁鐵陣列中的每個(gè)磁鐵的作用表面為矩形，其較長(zhǎng)的一邊沿第一方向設(shè)置，其較短的一邊沿第二方向設(shè)置，在第一方向上設(shè)置有一組或多組磁鐵，在第二方向上設(shè)置有多組磁鐵，從而形成第二磁鐵陣列。
[0030]優(yōu)選地，第二定子上具有第二 U型槽，兩組第二磁鐵陣列分別設(shè)置在第二 U型槽的兩個(gè)側(cè)壁上，第二線圈布置在第二 U型槽中，并且第二線圈的兩側(cè)分別與第二 U型槽的兩個(gè)側(cè)壁上的第二磁鐵陣列相面對(duì)，兩組第二磁鐵陣列中在第三方向上位置相對(duì)的磁鐵的極性相反。
[0031]優(yōu)選地，還包括:旋轉(zhuǎn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括第三定子和轉(zhuǎn)子，第三定子設(shè)置在第二動(dòng)子上，第三定子具有第一環(huán)狀盤，多個(gè)線圈沿圓周方向依次設(shè)置在第一環(huán)狀盤上，轉(zhuǎn)子具有第二環(huán)狀盤，多個(gè)磁鐵沿圓周方向依次設(shè)置在第二環(huán)狀盤上，第一環(huán)狀盤與第二環(huán)狀盤相對(duì)設(shè)置，使得多個(gè)磁鐵與多個(gè)線圈相面對(duì)。
[0032]優(yōu)選地，第一環(huán)狀盤上的線圈的個(gè)數(shù)是第二環(huán)狀盤上的磁鐵個(gè)數(shù)的1.2倍。
[0033]優(yōu)選地，第一環(huán)狀盤上設(shè)置有72個(gè)線圈，第二環(huán)狀盤上設(shè)置有60個(gè)磁鐵。
[0034]優(yōu)選地，還包括電機(jī)電纜、傳感器線纜、冷卻氣管中的至少一種，電機(jī)電纜、傳感器線纜、冷卻氣管穿過第一環(huán)狀盤和第二環(huán)狀盤的中心孔。
[0035]優(yōu)選地，還包括:第一交叉滾子軸承，設(shè)置在第一方向電機(jī)組件的定子上，第一方向電機(jī)組件的動(dòng)子通過第一交叉滾子軸承沿第一方向移動(dòng)；第二交叉滾子軸承，設(shè)置在第一方向電機(jī)組件的動(dòng)子上，第二方向電機(jī)組件的第二動(dòng)子通過第二交叉滾子軸承沿第二方向移動(dòng)；第三交叉滾子軸承，設(shè)置在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的第三定子和轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子通過第三交叉滾子軸承在第三定子上方旋轉(zhuǎn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]圖1A和圖1B分別是常規(guī)U型空芯直線電機(jī)的不意立體圖和不意側(cè)視圖。
[0037]圖2A和2B分別示出了沿圖1B中A-A線和B-B線的剖面圖。
[0038]圖3A和3B分別是根據(jù)本發(fā)明的U型空芯直線電機(jī)的立體圖和示意側(cè)視圖。
[0039]圖4是根據(jù)本發(fā)明的U型空芯直線電機(jī)的線圈組件的示意圖。
[0040]圖5示出了可以用作Y方向直線電機(jī)的解耦U型空芯直線電機(jī)的示意圖。
[0041 ]圖6A-6C示意性地示出了圖5所示的U型空芯直線電機(jī)的磁鐵陣列的磁鐵極性的設(shè)置。
[0042]圖7示意性地示出了旋轉(zhuǎn)電機(jī)的立體圖。
[0043]圖8示出了旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿過轉(zhuǎn)角位移傳感器的徑面剖開的剖面圖。
[0044]圖9A和9B分別示出了旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子。
[0045]圖10示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)平臺(tái)的示例。
【具體實(shí)施方式】
[0046]下面參考附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的直線電機(jī)、盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)和電機(jī)平臺(tái)。
[0047]電機(jī)平臺(tái)概沭
[0048]首先簡(jiǎn)要描述根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)平臺(tái)。
[0049]X方向電機(jī)組件驅(qū)動(dòng)對(duì)象在X方向上的運(yùn)動(dòng)。
[0050]X方向電機(jī)組件可以使用一個(gè)或多個(gè)下文中描述的直線電機(jī)。優(yōu)選地，使用兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的直線電機(jī)。
[0051]當(dāng)在X方向上使用兩個(gè)或更多個(gè)電機(jī)同時(shí)工作來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，進(jìn)一步提高了 X方向的驅(qū)動(dòng)能力，并進(jìn)一步有效地降低了平臺(tái)X方向電機(jī)組件在Z方向(第三方向)上的高度尺寸。[0052]這兩個(gè)或更多個(gè)電機(jī)一般可以采用串聯(lián)方式工作，即線圈串聯(lián)連接，也可以采用并聯(lián)方式工作，即線圈并聯(lián)連接，但采用并聯(lián)方式時(shí)對(duì)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)器要求更大的驅(qū)動(dòng)電流，所以更優(yōu)選的是采用串聯(lián)方式。
[0053]另外設(shè)置Y方向電機(jī)組件來驅(qū)動(dòng)對(duì)象在Y方向(第二方向)上的運(yùn)動(dòng)。
[0054]在晶圓劃片等應(yīng)用領(lǐng)域，還可以設(shè)置旋轉(zhuǎn)電機(jī)(theta電機(jī))。旋轉(zhuǎn)電機(jī)在X方向電機(jī)組件和Y方向電機(jī)組件的驅(qū)動(dòng)下，沿X方向和Y方向運(yùn)動(dòng)，并且可以帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，調(diào)整角度。
[0055]下面分別描述X方向電機(jī)組件、Y方向電機(jī)組件和Theta旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
[0056]X方向電機(jī)鉬件
[0057]圖3A和3B分別是根據(jù)本發(fā)明的空芯直線電機(jī)的示意立體圖和示意側(cè)視圖。
[0058]如圖3A和3B所示，磁鐵組件(定子)110內(nèi)側(cè)設(shè)置有U型槽，兩組磁鐵陣列115、116相面對(duì)地設(shè)置在U型槽的兩個(gè)側(cè)壁，中間留有空間，以使得線圈組件(動(dòng)子)120能夠在其間運(yùn)動(dòng)。
[0059]U型槽的兩個(gè)側(cè)壁上位置相對(duì)的兩個(gè)磁鐵單元的極性相反。
[0060]沿圖3B中A-A線、B-B線的剖面圖可以與圖2A和2B的情況相類似。即磁鐵陣列115和116中各磁鐵單元117、118的極性排列可以與圖ΙΑ、1B、2A、2B所示常規(guī)U型空芯直線電機(jī)的磁鐵陣列15、16相同。
[0061]如圖3B所示，磁鐵陣列115、116中的每一個(gè)磁鐵單元117、118都是由兩個(gè)磁鐵在朝著線圈的方向上層疊在一起而形成的。
[0062]圖3A和3B中示出了兩個(gè)磁鐵層疊形成一個(gè)磁鐵單元的情形。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，也可以采用更多個(gè)磁鐵來層疊形成一個(gè)磁鐵單元。
[0063]如上文所述，通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力為:
[0064]P = ILxB
[0065]通過層疊兩層或更多層磁鐵，可以增大磁場(chǎng)強(qiáng)度B，這樣在降低磁鐵和線圈高度從而導(dǎo)致線圈切割磁力線的有效長(zhǎng)度L減小的情況下，可以維持較大的驅(qū)動(dòng)力。
[0066]另外，采用雙層磁鐵結(jié)構(gòu)不但可以極大地增強(qiáng)空芯直線電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)，提高電機(jī)的輸出能力，還可以很好地解決過厚磁鐵制造困難，充磁困難的問題。
[0067]圖4是根據(jù)本發(fā)明的U型空芯直線電機(jī)的線圈組件的示意圖。
[0068]動(dòng)子120上設(shè)置有多個(gè)線圈125。以3相_4極結(jié)構(gòu)電機(jī)為例，線圈組件采用多組線圈(一組線圈是3個(gè)線圈，即電機(jī)的A-B-C三相)。圖4中繪出了采用四組線圈也就是12個(gè)線圈的情況。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，采用的線圈數(shù)越多，線圈(以及磁鐵)的高度可以越小，電機(jī)的高度尺寸越容易滿足。
[0069]在圖4中，線圈125為空芯線圈，沒有鐵芯。
[0070]如圖3所示，線圈125布置在U型槽中，線圈125的兩側(cè)分別與U型槽的兩個(gè)側(cè)壁上的磁鐵陣列115、116相面對(duì)。
[0071]磁鐵極性的設(shè)置可以與圖2A和2B所示相同。即，磁鐵陣列115的磁鐵單元117表面處極性可以為(從左到右)，例如，N、S、N、……、S，磁鐵陣列116的磁鐵118表面處極
性可以為(從左到右)，例如，S、N、S、......、N。每一個(gè)磁鐵陣列中的磁鐵表面處極性交替
變化。 兩組磁鐵陣列中相面對(duì)的磁鐵的表面處極性相反。[0072]采用多線圈雙層磁鐵結(jié)構(gòu)可以方便地解決電機(jī)輸出能力和電機(jī)高度的關(guān)系，在有限的高度范圍內(nèi)得到合適的電機(jī)輸出力。
[0073]采用雙層磁鐵結(jié)構(gòu)使得電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)遠(yuǎn)大于電機(jī)線圈工作電流產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)，這樣使得U型空芯直線電機(jī)獲得了音圈電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)(在工作行程范圍內(nèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力平穩(wěn)，波動(dòng)小，抗干擾能力強(qiáng))，又不受行程的限制，很好地把U型空芯直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)與音圈電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。
[0074]X方向采用這種特別結(jié)構(gòu)的U型空芯直線電機(jī)還可以有效地減小電機(jī)動(dòng)子(線圈組件)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量(鐵芯直線電機(jī)的線圈組件有鐵芯結(jié)構(gòu)，往往比空芯結(jié)構(gòu)要重很多)。
[0075]另外，這里以U型空芯直線電機(jī)為例進(jìn)行說明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在普通(非U型)空芯直線電機(jī)、有鐵芯直線電機(jī)中，通過使用層疊了兩個(gè)或更多個(gè)磁鐵的磁鐵單元構(gòu)成磁鐵陣列，同樣可以增強(qiáng)勵(lì)磁磁場(chǎng)，提高電機(jī)的輸出能力，又可以很好地解決過厚磁鐵制造困難，充磁困難的問題。即，本發(fā)明采用兩層或更多層磁鐵陣列的構(gòu)思不但適用于U型空芯直線電機(jī)，也適用于普通(非U型)空芯直線電機(jī)、有鐵芯直線電機(jī)。
[0076]Y方向電機(jī)鉬件
[0077]下面參考圖5和圖6A-6C，描述根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)平臺(tái)中所采用的Y方向電機(jī)組件。
[0078]為了減輕X方向電機(jī)組件的驅(qū)動(dòng)對(duì)象的質(zhì)量，根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)平臺(tái)中，Y方向電機(jī)組件的定子沒有設(shè)置在X方向電機(jī)組件的動(dòng)子上，而是可以和X方向電機(jī)組件的定子一樣固定在基座上。
[0079]鑒于磁鐵較重，在Y方向電機(jī)組件中，將磁鐵組件設(shè)置在定子上，而將線圈設(shè)置在動(dòng)子上，從而進(jìn)一步減輕動(dòng)子質(zhì)量。
[0080]這樣，Y方向電機(jī)組件的動(dòng)子就要既能在X方向上隨X方向電機(jī)組件的動(dòng)子一起運(yùn)動(dòng)，又能在Y方向電機(jī)組件的驅(qū)動(dòng)下在Y方向上運(yùn)動(dòng)。
[0081]Y方向電機(jī)組件的線圈和磁鐵陣列被設(shè)置為使得，當(dāng)其動(dòng)子沿X方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁鐵陣列基本上不對(duì)線圈施加作用力，而當(dāng)在線圈中通電時(shí)，第二磁鐵陣列對(duì)第二線圈產(chǎn)生第二方向上的作用力。
[0082]這一點(diǎn)可以通過設(shè)計(jì)磁鐵陣列來實(shí)現(xiàn)。例如，磁鐵陣列中的多個(gè)磁鐵的極性在X方向上相同，而在Y方向上交替變化。
[0083]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，磁鐵陣列中的每個(gè)磁鐵的上表面(面對(duì)線圈的表面，可以稱為“作用表面”)為矩形，其較長(zhǎng)的一邊沿X方向設(shè)置，其較短的一邊沿Y方向設(shè)置。這樣在X方向上可以使用較少數(shù)量的磁鐵。
[0084]下面以U型空芯直線電機(jī)為例，來描述可用于本發(fā)明的電機(jī)平臺(tái)的Y方向電機(jī)組件。然而，應(yīng)當(dāng)理解，Y方向電機(jī)組件也可以不是U型空芯直線電機(jī)。即，可以只有一組磁鐵陣列，動(dòng)子攜帶線圈在導(dǎo)軌(或交叉滾子軸承)的指引下，隨X方向電機(jī)組件的動(dòng)子在X方向上運(yùn)動(dòng)，在Y方向電機(jī)組件的驅(qū)動(dòng)下在Y方向上運(yùn)動(dòng)。
[0085]圖5示出了作為示例的U型空芯直線電機(jī)的示意圖。圖5所示U型空芯直線電機(jī)設(shè)置有相面對(duì)的兩組磁鐵陣列的電機(jī)組件。該U型空芯直線電機(jī)具有解耦(decouple)結(jié)構(gòu)。
[0086]如圖5所示，定子500具有U型槽，U型槽的兩個(gè)側(cè)壁上設(shè)置有兩組磁鐵陣列510、520。兩組磁鐵陣列510、520設(shè)置在線圈組件(動(dòng)子)530上設(shè)置的線圈兩側(cè)。
[0087]兩組磁鐵陣列510、520中在Z方向上相面對(duì)的磁鐵的極性相反。這樣，兩側(cè)的磁鐵陣列510、520能夠?qū)€圈產(chǎn)生相同方向上的作用力。
[0088]圖6A-6C示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的U型空芯直線電機(jī)的磁鐵陣列510、520的磁鐵極性(即兩個(gè)磁鐵陣列相對(duì)的表面，也即對(duì)線圈產(chǎn)生作用的作用表面)的設(shè)置。
[0089]其中圖6B是圖5所示U型空芯直線電機(jī)的示意性頂視圖。圖6A是假設(shè)沿圖6B中C-C線剖開后向上翻開的剖視圖。圖6C是假設(shè)沿圖6B中D-D線剖開后向下翻開的剖視圖。
[0090]如圖6A和6C所示，磁鐵陣列510、520中各磁鐵的幾何尺寸可以是一樣的，只是充磁方向不一樣。每一行具有相同極性的三條磁鐵。然而本發(fā)明不限于一行三條磁鐵，可以是一條長(zhǎng)磁鐵，也可以是任何其它數(shù)量的磁鐵。
[0091]從上到下看，每一列的磁性交替變化。沿Y方向看，磁鐵陣列510的磁鐵表面處極性依次為(圖中從上到下)S、N、S、……、N，相應(yīng)地，磁鐵陣列520的磁鐵表面處極性依次為(圖中從下到上)N、S、N、……、S。每一個(gè)磁鐵陣列中的磁鐵表面處極性交替變化。而兩組磁鐵陣列中相面對(duì)的磁鐵的表面處極性相反。
[0092]圖6A和圖6C所示只是磁鐵極性設(shè)置的示例，兩個(gè)剖面的極性設(shè)置也可以互換，而不影響電機(jī)的性能。
[0093]當(dāng)線圈組件530在X方向的兩個(gè)空芯圓柱直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過線圈組件的磁通量基本上沒有變化(各磁鐵的幾何尺寸誤差和充磁誤差可以忽略不計(jì)時(shí))，因此，不管線圈組件是否通電，其在X方向均不能產(chǎn)生輸出力，也就是說線圈組件只能隨著X方向運(yùn)動(dòng),不會(huì)干擾和影響X方向的運(yùn)動(dòng)。但當(dāng)線圈組件通電時(shí),這時(shí)候的解耦結(jié)構(gòu)U型空芯直線電機(jī)實(shí)際上就是一個(gè)普通的U型空芯直線電機(jī),產(chǎn)生Y方向的輸出和運(yùn)動(dòng)。
[0094]Y方向電機(jī)組件采用這種特殊的解耦結(jié)構(gòu)，巧妙地把Y方向電機(jī)組件的磁鐵置于X方向的運(yùn)動(dòng)之外，使得X方向的電機(jī)不用驅(qū)動(dòng)非常笨重的Y方向電機(jī)的磁鐵組件，極大地提高了 X-Y平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)能力和動(dòng)態(tài)性能。并且采用這種解耦結(jié)構(gòu)可以非常方便地布置Y方向電機(jī)，盡可能減小Y方向的高度尺寸。
[0095]另外，Y方向電機(jī)組件采用這種特殊的解耦結(jié)構(gòu)，Y方向電機(jī)組件的定子不需要設(shè)置在X方向電機(jī)組件的動(dòng)子上。這樣，Y方向電機(jī)組件的定子的高度可以不必完全疊加在X方向電機(jī)組件的高度之上。通過X方向電機(jī)組件與Y方向電機(jī)組件的這種裝配組合，可以進(jìn)一步降低電機(jī)平臺(tái)的高度。
[0096]Theta電機(jī)(盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī))
[0097]下面參考圖7、圖8、圖9A和9B描述可以在根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)平臺(tái)上進(jìn)一步設(shè)置的盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)。盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以采用大中空的盤式DDR(直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn))電機(jī)。
[0098]圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的立體圖。
[0099]圖8示出了旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿過轉(zhuǎn)角位移傳感器的徑面剖開的剖面圖。
[0100]如圖7和圖8所示，該旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括定子710和轉(zhuǎn)子720。線圈715設(shè)置在定子710上，磁鐵725設(shè)置在轉(zhuǎn)子720上。
[0101 ] 定子710上可以設(shè)置有轉(zhuǎn)角位移傳感器讀頭730，轉(zhuǎn)子720上可以設(shè)置有轉(zhuǎn)角位移傳感器刻度尺735。轉(zhuǎn)角位移傳感器刻度尺735是環(huán)行結(jié)構(gòu)。[0102]定子710和轉(zhuǎn)子720之間設(shè)置有旋轉(zhuǎn)交叉滾子軸承740。轉(zhuǎn)子720通過旋轉(zhuǎn)交叉滾子軸承740在定子710上方旋轉(zhuǎn)。
[0103]圖9A和9B分別示出了旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子710和轉(zhuǎn)子720。
[0104]定子710和轉(zhuǎn)子720都具有環(huán)狀盤形結(jié)構(gòu)。多個(gè)線圈715沿著圓周方向依次設(shè)置在定子710的環(huán)狀盤上。線圈715可以不含鐵芯，為空芯線圈。多個(gè)磁鐵725沿圓周方向依次設(shè)置在轉(zhuǎn)子720的環(huán)狀盤上。
[0105]如圖7和8所示，定子710和轉(zhuǎn)子720相對(duì)設(shè)置，多個(gè)磁鐵725與多個(gè)線圈715相面對(duì)。
[0106]定子710的環(huán)狀盤上的線圈715的個(gè)數(shù)可以是第二環(huán)狀盤上的磁鐵725的個(gè)數(shù)的大約0.75倍到1.5倍，在一個(gè)實(shí)施例中，為0.8倍到1.3倍，在另一個(gè)實(shí)施例中，為1.2倍。例如，定子710的環(huán)狀盤上可以有72個(gè)線圈715，而第二環(huán)狀盤上有60個(gè)磁鐵725。第一和第二環(huán)狀盤的外徑可以為大致從10厘米(4英寸)至30厘米(12英寸)。
[0107] 在現(xiàn)有的盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，線圈與磁鐵的個(gè)數(shù)比一般為3/4，即0.75。在本申請(qǐng)中，為了在有限的空間內(nèi)提高輸出力矩，并且得到更加平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出和更小的速度波動(dòng)，發(fā)明人想到了采用更大的線圈磁鐵個(gè)數(shù)比。
[0108]如上文所述通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力為:
__---..................>
[0109]F = JLkB
[0110]在上文中針對(duì)直線電機(jī)的改進(jìn)中，由于有效長(zhǎng)度L減小，所以通過層疊磁鐵增大了磁場(chǎng)強(qiáng)度B。而在盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，如果要增大磁場(chǎng)強(qiáng)度B，從而加大磁鐵厚度，則盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的高度相應(yīng)增加。而在磁鐵高度不變，甚至為了降低電機(jī)整體高度的目的而適當(dāng)減小磁鐵高度時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度難以增大，甚至還會(huì)減小。
[0111]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，通過設(shè)計(jì)線圈的形狀，每個(gè)線圈可以有一定的切割磁力線的有效長(zhǎng)度。
[0112]通過增加線圈數(shù)量，可以相應(yīng)地加大切割磁力線的總有效長(zhǎng)度。
[0113]這樣，磁場(chǎng)強(qiáng)度B的不足，可以通過增加線圈個(gè)數(shù)從而增大切割磁力線的有效長(zhǎng)度L來彌補(bǔ)。
[0114]通過采用上述盤式結(jié)構(gòu)，可以在維持足夠的驅(qū)動(dòng)力的情況下，盡可能減小旋轉(zhuǎn)電機(jī)的高度尺寸。
[0115]另外，采用中空盤式結(jié)構(gòu)，電機(jī)平臺(tái)上的各種電機(jī)電纜、傳感器線纜、冷卻氣管等線纜管路等可以穿過定子和轉(zhuǎn)子的環(huán)狀盤的中心孔設(shè)置。這樣，也有助于進(jìn)一步降低整個(gè)平臺(tái)的高度。
[0116]電機(jī)平臺(tái)
[0117]下面參考圖10更詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)平臺(tái)。
[0118]圖10示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)平臺(tái)的示例。
[0119]基座上以一定間隔設(shè)置了兩個(gè)如圖3Α所示的U型空芯直線電機(jī)，作為X方向電機(jī)組件。
[0120]兩個(gè)X方向電機(jī)組件通過它們各自的線圈組件(120)和磁鐵陣列(定子110的U型槽中)之間的相互作用，來驅(qū)動(dòng)其共同的動(dòng)子(X板150)在X方向上運(yùn)動(dòng)。X板150可以通過螺絲等緊固裝置與兩個(gè)線圈組件(動(dòng)子)120固定在一起。[0121]X方向電機(jī)組件的定子110上X方向交叉滾子軸承140。X板150通過X方向交叉滾子軸承140沿X方向移動(dòng)。
[0122]Y方向電機(jī)組件的定子500不設(shè)置在X方向電機(jī)組件的動(dòng)子上。線圈組件530與Y板550 (Y方向動(dòng)子)固定在一起。
[0123]X板150上設(shè)置有Y方向交叉滾子軸承540。Y板550通過Y方向交叉滾子軸承540沿Y方向移動(dòng)。
[0124]旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子710設(shè)置在Y板550上。
[0125]定子710和轉(zhuǎn)子720之間設(shè)置有旋轉(zhuǎn)交叉滾子軸承740(圖7、8)。轉(zhuǎn)子720通過旋轉(zhuǎn)交叉滾子軸承740在定子710上方旋轉(zhuǎn)。
[0126]通過使用X方向交叉滾子軸承140、Y方向交叉滾子軸承540、旋轉(zhuǎn)交叉滾子軸承740，可以進(jìn)一步減小根據(jù)本發(fā)明的X-Y-Theta電機(jī)平臺(tái)的高度尺寸，同時(shí)保證平臺(tái)優(yōu)良的精度和剛度。
[0127]X方向直線位移傳感器130的讀頭設(shè)置在X方向電機(jī)組件的定子110上，刻度尺設(shè)置在動(dòng)子(X板150)上。
[0128]Y方向直線位移傳感器535的讀頭設(shè)置在X板150上，刻度尺設(shè)置在動(dòng)子(Y板550上)。
[0129]旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角位移傳感器讀頭730設(shè)置在定子710上，刻度尺735設(shè)置在轉(zhuǎn)子720 上。
[0130]通過將位移傳感器的讀頭設(shè)置為相對(duì)固定，而刻度尺運(yùn)動(dòng)，有利于減小傳感器線纜的運(yùn)動(dòng)對(duì)平臺(tái)性能的影響和對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響。這一點(diǎn)在電機(jī)平臺(tái)高度尺寸減小的情況下尤其重要。
[0131 ] 該電機(jī)平臺(tái)中，X方向電機(jī)組件、Y方向電機(jī)組件以及theta旋轉(zhuǎn)電機(jī)均已被優(yōu)化，以降低其自身的高度。同時(shí)，X方向電機(jī)組件和Y方向電機(jī)組件的裝配方式也可以進(jìn)一步降低電機(jī)平臺(tái)的高度。同時(shí)，各個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能均得以保持。
[0132]因此，如上所述，根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)平臺(tái)從多個(gè)方面著手，在保證足夠的驅(qū)動(dòng)力的情況下，減小了電機(jī)平臺(tái)的高度尺寸。
[0133]在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的電機(jī)平臺(tái)樣機(jī)中，平臺(tái)高度尺寸小于128_，性能指標(biāo)如下:
[0134]X方向分辨率為0.1um,
[0135]X方向運(yùn)動(dòng)精度為±2um，
[0136]加速度為6G (G為重力加速度)，
[0137]X方向最大運(yùn)動(dòng)速度為2m/s，
[0138]X方向動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為IOms ；
[0139]Y方向分辨率為0.1um,
[0140]Y方向運(yùn)動(dòng)精度為±2um，
[0141]加速度為8G(G為重力加速度)，
[0142]Y方向最大運(yùn)動(dòng)速度為2m/s,
[0143]Y方向動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為IOms ；
[0144]Theta 分辨率小于 0.2arcsec (弧秒)，
[0145]精度小于1.5arcsec,[0146]Theta方向動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為10ms。
[0147]至此，已詳細(xì)描述了根據(jù)本發(fā)明的直線電機(jī)、盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)和電機(jī)平臺(tái)的具體實(shí)施例。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，本發(fā)明不限于這里描述的各種細(xì)節(jié)，而是可以做出適當(dāng)?shù)男薷?。本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附權(quán)利要求書限定。
【權(quán)利要求】
1.一種直線電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，所述定子和所述動(dòng)子中的一個(gè)上設(shè)置有線圈，另一個(gè)上設(shè)置有磁鐵陣列，所述線圈與所述磁鐵陣列相面對(duì)， 其特征在于， 所述磁鐵陣列包括多個(gè)磁鐵單元， 每個(gè)磁鐵單元包括在朝著所述線圈的方向上層疊在一起的兩個(gè)或更多個(gè)磁鐵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的直線電機(jī)，其特征在于， 所述定子具有U型槽，兩組所述磁鐵陣列分別設(shè)置在所述U型槽的兩個(gè)側(cè)壁上， 所述U型槽的兩個(gè)側(cè)壁上位置相對(duì)的兩個(gè)磁鐵單元的極性相反， 所述線圈設(shè)置在所述動(dòng)子上，并且布置在所述U型槽中，并且所述線圈的兩側(cè)分別與所述U型槽的兩個(gè)側(cè)壁上的磁鐵陣列相面對(duì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的直線電機(jī)，其特征在于，所述動(dòng)子上設(shè)置有多組線圈，所述線圈是空芯線圈，所述直線電機(jī)是空芯直線電機(jī)。
4.一種盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于，包括: 定子和轉(zhuǎn)子所述定子具有第一環(huán)狀盤，多個(gè)線圈沿圓周方向依次設(shè)置在所述第一環(huán)狀盤上， 所述轉(zhuǎn)子具有第二環(huán)狀盤，多個(gè)磁鐵沿圓周方向依次設(shè)置在所述第二環(huán)狀盤上， 所述第一環(huán)狀盤與所述第二環(huán)狀盤相對(duì)設(shè)置，使得所述多個(gè)磁鐵與所述多個(gè)線圈相面對(duì)， 所述第一環(huán)狀盤上的線圈的個(gè)數(shù)是所述第二環(huán)狀盤上的磁鐵個(gè)數(shù)的0.8至1.3倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于， 所述第一環(huán)狀盤上的線圈的個(gè)數(shù)是所述第二環(huán)狀盤上的磁鐵個(gè)數(shù)的1.2倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的盤式旋轉(zhuǎn)電機(jī),其特征在于， 所述第一環(huán)狀盤上設(shè)置有72個(gè)線圈， 所述第二環(huán)狀盤上設(shè)置有60個(gè)磁鐵。
7.一種電機(jī)平臺(tái)，包括: 第一方向電機(jī)組件，驅(qū)動(dòng)其動(dòng)子在第一方向上運(yùn)動(dòng)；以及 第二方向電機(jī)組件， 其特征在于， 所述第一方向電機(jī)組件是根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)的直線電機(jī)， 所述第二方向電機(jī)組件包括第二定子和第二動(dòng)子，所述第二定子上設(shè)置有第二磁鐵陣列，所述第二動(dòng)子中上設(shè)置有第二線圈， 所述第二定子和所述第二動(dòng)子被設(shè)置為使得所述第二動(dòng)子能夠沿第一方向和第二方向運(yùn)動(dòng)， 所述第二磁鐵陣列的作用表面的法線方向?yàn)榈谌较颍? 所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向彼此垂直，并且所述第二線圈和所述第二磁鐵陣列被設(shè)置為使得當(dāng)所述第二動(dòng)子沿所述第一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)所述第二磁鐵陣列基本上不對(duì)所述第二線圈施加作用力，而當(dāng)在所述第二線圈中通電時(shí)，所述第二磁鐵陣列對(duì)所述第二線圈產(chǎn)生所述第二方向上的作用力， 所述第二動(dòng)子被設(shè)置為能夠在所述第一方向電機(jī)組件的動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)下在所述第一方向上運(yùn)動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電機(jī)平臺(tái)，其特征在于，包括兩個(gè)或更多個(gè)所述第一方向電機(jī)組件，通過它們各自的線圈和磁鐵陣列之間的相互作用來驅(qū)動(dòng)其共同的動(dòng)子在第一方向上運(yùn)動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電機(jī)平臺(tái)，其特征在于，所述兩個(gè)或更多個(gè)第一方向電機(jī)組件的線圈串聯(lián)或并聯(lián)連接在一起。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的電機(jī)平臺(tái)，其特征在于， 所述第二磁鐵陣列中的多個(gè)磁鐵的極性在所述第一方向上相同，而在所述第二方向上交替變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的電機(jī)平臺(tái)，其特征在于， 所述第二磁鐵陣列中的每個(gè)磁鐵的作用表面為矩形，其較長(zhǎng)的一邊沿所述第一方向設(shè)置，其較短的一邊沿所 述第二方向設(shè)置， 在所述第一方向上設(shè)置有一組或多組磁鐵，在所述第二方向上設(shè)置有多組磁鐵，從而形成所述第二磁鐵陣列。
12.根據(jù)權(quán)利要求7至11中任何一項(xiàng)的電機(jī)平臺(tái)，其特征在于， 所述第二定子上具有第二 U型槽，兩組第二磁鐵陣列分別設(shè)置在所述第二 U型槽的兩個(gè)側(cè)壁上，所述第二線圈布置在所述第二 U型槽中，并且所述第二線圈的兩側(cè)分別與所述第二 U型槽的兩個(gè)側(cè)壁上的第二磁鐵陣列相面對(duì)， 所述兩組第二磁鐵陣列中在所述第三方向上位置相對(duì)的磁鐵的極性相反。
13.根據(jù)權(quán)利要求7至11中任何一項(xiàng)的電機(jī)平臺(tái)，其特征在于，還包括: 根據(jù)權(quán)利要求4至6中任何一項(xiàng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子設(shè)置在所述第二動(dòng)子上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的電機(jī)平臺(tái)，其特征在于，還包括電機(jī)電纜、傳感器線纜、冷卻氣管中的至少一種，所述電機(jī)電纜、傳感器線纜、冷卻氣管穿過所述第一環(huán)狀盤和所述第二環(huán)狀盤的中心孔。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的電機(jī)平臺(tái)，其特征在于，還包括: 第一交叉滾子軸承，設(shè)置在所述第一方向電機(jī)組件的定子上，所述第一方向電機(jī)組件的動(dòng)子通過所述第一交叉滾子軸承沿所述第一方向移動(dòng)； 第二交叉滾子軸承，設(shè)置在所述第一方向電機(jī)組件的動(dòng)子上，所述第二方向電機(jī)組件的第二動(dòng)子通過所述第二交叉滾子軸承沿所述第二方向移動(dòng)； 第三交叉滾子軸承，設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的第三定子和轉(zhuǎn)子之間，所述轉(zhuǎn)子通過所述第三交叉滾子軸承在所述第三定子上方旋轉(zhuǎn)。
【文檔編號(hào)】H02K41/02GK103997186SQ201410250960
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】肖俊東 申請(qǐng)人:肖俊東