專利名稱：一種永磁同步磁懸浮平面電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于精密運動設備領域，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。
背景技術：
隨著科技和工業(yè)發(fā)展，能夠實現(xiàn)平面運動和精確定位的裝置正被越來越多的應用 到工業(yè)設備中。傳統(tǒng)的平面運動裝置在結構上通過兩套或多套直線驅動單元垂直疊加，在 控制上通過聯(lián)動來實現(xiàn)平面運動。對于這種形式的平面運動裝置，位于底層的直線驅動單 元不僅要承擔預定方向上的驅動，而且還需承載上層直線驅動單元的質量，于是造成了運 動裝置在多個方向上(如傳統(tǒng)XY工作臺的X方向和Y方向)運動慣量的嚴重不均衡，從而 影響了行程、速度、加速度和精度等性能指標的提高；而且由于電機的定子與動子之間通過 機械導軌與軸承聯(lián)接，摩擦、磨損、振動和噪聲不可避免，影響運動精度與速度。在這種背景 下，采用電磁力直接驅動動子直接實現(xiàn)多自由度運動的平面電機應運而生，相比于傳統(tǒng)多 自由度工作臺，它在精密的平面定位裝置中具有廣闊的應用前景，特別是需要真空環(huán)境而 不能使用氣浮支撐的精密運動設備，如EUV光刻設備。根據(jù)平面電機的平面運動方式，可將其劃分為機械支撐、氣浮和磁浮方式。其中機 械支撐方式采用機械導軌導向，摩擦系數(shù)較大，且只能作X、Y兩自由度運行，只能實現(xiàn)普通 精度與普通運動速度；氣浮支撐使用氣浮軸承實現(xiàn)平面懸浮，但不能用于真空條件；磁浮 方式結構簡單，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。磁浮平面電機通過位于永磁體陣列磁場中的通電繞組與磁場產(chǎn)生相互作用力，使 運動部件懸浮，并驅動運動部件做平面運動。目前主要有三種磁浮平面電機，分別是感應平 面電機、Sawyer平面電機和永磁同步磁懸浮平面電機，而永磁同步磁懸浮平面電機因為能 夠實現(xiàn)大行程運動，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設計的關鍵在于設計出合理的電磁結構，使其達 到高精度、高響應和高效率等要求。而高精度和高響應要求精密的磁場結構和可控性，即要 求磁場具有良好的正弦性；高效率則要求同樣體積內(nèi)能夠產(chǎn)生高的磁場強度。永磁體陣列是永磁同步磁懸浮平面電機的永磁磁場的來源，其產(chǎn)生的磁場在平面 內(nèi)呈周期分布，且具有單邊性，能夠在陣列的一個平面內(nèi)產(chǎn)生很強的磁場。因此，設計出合 理的永磁體陣列結構，使其產(chǎn)生的磁場分布具有高的強度和良好的正弦性，是提高永磁同 步磁懸浮平面電機性能的關鍵。因此，永磁同步磁懸浮平面電機的區(qū)別主要在于永磁體陣 列結構的不同。目前國內(nèi)外的永磁同步磁懸浮平面電機幾乎都采用二維永磁體陣列，主 要的幾種結構如圖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。這些結構中，圖1 (a)、圖1 (b)和圖1(c)所示陣列形式的磁組裝密度 很低，因此磁場強度很低；圖1(d)的陣列形式的磁場強度較前三種要高，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 形式通過優(yōu)化后，使陣列產(chǎn)生了更高的磁場強度，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，但其磁場強度比圖1(e)要低。因此隨著對平面 電機的速度、加速度、負載能力、定位精度和運行平穩(wěn)性等指標的要求不斷提高，設計出具 有更高強度、且正弦性良好的磁場分布的永磁體陣列，是研究人員努力探求的目標。
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， 解決現(xiàn)有技術中永磁同步磁懸浮平面電機的高精度、高響應和高效率不能兼顧的問題。本發(fā)明提供的一種永磁同步磁懸浮平面電機，包括動子和定子，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相等，下底與第一副永磁體的底面長邊相等，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；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；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第二副永磁體，且第一 主永磁體的每個側面均與一個第二副永磁體的上底所在的側面貼合；第二主永磁體四周布 置有四個第三副永磁體，且第二主永磁體的每個側面均與一個第三副永磁體的上底所在的 側面貼合；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 所在的側面與的第一副永磁體的長邊所在的側面貼合，第三副永磁體下底所在的側面與第 一副永磁體的另一長邊所在的側面貼合，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通過采用如上所述形式布置的特定二維 永磁體陣列，使得其磁場強度高于現(xiàn)有的磁場強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的效率以及精度和響應特性，因而彌補了現(xiàn)有的永磁同步磁懸浮平面電機高精度、高響應和高效率不能兼顧的不足 和缺點，是一種性能更好的平面電機。
圖1現(xiàn)有技術中公開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的三維視圖；圖3本發(fā)明所述平面電機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于xy坐標的變化 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果示意圖；圖中各標號含義，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。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。本發(fā)明所述的永磁同步磁懸浮平面電機包括動子和定子，其三維視圖如圖2所 示，定子由特定二維永磁體陣列組成，動子由多個相互垂直的線圈陣列組成，每個線圈陣列 由多個無鐵芯的矩形線圈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的結構和磁化方向如圖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的結構和磁化方向如圖5所示，其底面呈正方形，邊長與第一主永 磁體1的邊長相等，其磁化方向垂直于底面向下。第一副永磁體3的結構和磁化方向如圖6所示，其底面呈長方形，尺寸較長的邊稱為長邊，另一邊稱為寬邊，寬邊的長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的結構和磁化方向如圖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的底面邊長相等，下底的尺寸與第一副 永磁體3的底面長邊尺寸相等，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。
第三副永磁體5的結構和磁化方向如圖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。永磁體陣列的排列形式如圖3所示，圖中的坐標系為三維笛卡爾直角坐標系，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的四周布置有四個相同的第二副永磁體4，且第一主永磁體1的每 個側面均與一個第二副永磁體4的上底所在的側面貼合在一起。第二主永磁體2的四周布置有四個相同的第三副永磁體5，且第二主永磁體1的每 個側面均與一個第三副永磁體5的上底所在的側面貼合在一起。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 下底所在的側面與的第一副永磁體3的長邊所在的側面貼合在一起，第三副永磁體5下底 所在的側面與第一副永磁體3的另一長邊所在的側面貼合在一起，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。為使定子在朝向動子的一側形成很強的單邊磁場，則應在磁化方向垂直于永磁體 陣列平面朝向動子一側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，永磁體陣列內(nèi)任意兩個相鄰的永磁體的磁化方向之間的夾角均為45度。為驗證所述特定二維永磁體陣列的磁場強度，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9mm，下 底長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，采用分析模型計算所述特定二維永磁體陣列的氣隙磁通密度沿ζ 坐標軸的分量Bz關于x、y坐標的變化關系。在磁場較強的一邊，距永磁體陣列表面4mm處， 磁場的磁通密度分布如圖9所示。由圖9可知，磁場的磁通密度幅值約為0. 48特斯拉，遠 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的效率。圖1(e)所示陣列的基波氣隙磁通密度的強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果。由圖10可知，兩者之間的最大誤差不超過0. 035特斯拉， 總的誤差不超過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的精度和響應特性。因此，采用了 所述類型的特定二維永磁體陣列的平面電機，彌補了現(xiàn)有的永磁同 步磁懸浮平面電機高精度、高響應和高效率不能兼顧的不足和缺點，是一種性能更好的平 面電機。本發(fā)明不僅局限于上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi) 容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設計結構和思 路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權利要求
1.一種永磁同步磁懸浮平面電機，包括動子和定子，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相等，下底與第一副永磁體的底面長邊相等，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；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；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第二副永磁體，且第一主永 磁體的每個側面均與一個第二副永磁體的上底所在的側面貼合；第二主永磁體四周布置有 四個第三副永磁體，且第二主永磁體的每個側面均與一個第三副永磁體的上底所在的側面 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 的側面與的第一副永磁體的長邊所在的側面貼合，第三副永磁體下底所在的側面與第一副 永磁體的另一長邊所在的側面貼合，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)權利要求1所述的永磁同步磁懸浮平面電機，其特征在于，所述動子由多個相 互垂直的線圈陣列組成，每個線圈陣列由多個無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，包括動子和定子，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方向交錯排列成平面陣列，第一主永磁體的四周布置有四個第二副永磁體，第二主永磁體四周布置有四個第三副永磁體，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面相互貼合，二維永磁體陣列內(nèi)任意兩個相鄰的永磁體的磁化方向之間的夾角均為45°。通過采用如上所述的特定二維永磁體陣列，使得該電機的磁場強度高，正弦特性好，彌補了現(xiàn)有的永磁同步磁懸浮平面電機高精度、高響應和高效率不能兼顧的不足，是一種性能更好的平面電機。
文檔編號H02N15/00GK102097982SQ20111004569
公開日2011年6月15日 申請日期2011年2月24日 優(yōu)先權日2011年2月24日
發(fā)明者周云飛, 彭俊榮 申請人:華中科技大學