專利名稱：多磁足驅(qū)動式大范圍磁浮平面工作臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種磁浮工作臺，特別是一種大范圍移動磁浮XY工作臺，主要 應用于制造設備與機器人領域。
背景技術：
XY工作臺是一種用于實現(xiàn)制造設備及機器人中工件與刀具之間、基礎件和 末端件之間以及多個工件之間的平面相對運動的機電部件。傳統(tǒng)的XY工作臺由 兩套直線驅(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、 一套直 線運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)和一套直線導軌組成，或者由一臺直線電機和一套直線導軌組成。 位于底層的直線驅(qū)動單元不僅承擔末端承件臺的驅(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 XY工作臺在X方向和Y方向運動慣量的嚴重不均衡， 從而影響了運動行程、響應速度、運動精度等性能指標的提高。在這種背景下， 具有多個電磁力直接驅(qū)動特點的XY工作臺則應運而生，它避開了傳統(tǒng)XY工作臺 疊層驅(qū)動的思路，為XY工作臺性能指標的進一步增強開辟了嶄新的途徑。
根據(jù)豎直、縱頃和橫頃3個非運動自由度的約束方式和涉及的技術領域，可 將直接驅(qū)動XY工作臺劃分為氣浮XY工作臺和磁浮XY工作臺，它們分別采用 氣浮和磁浮方式實現(xiàn)對3個非運動自由度(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、可實現(xiàn)非運動自由 度的主動約束、易在真空環(huán)境中應用等優(yōu)點。
目前有兩類磁浮工作臺 一類是使用了直線永磁陣列和直線線圏陣列的磁浮 工作臺。這種磁浮工作臺由于受到電磁結(jié)構(gòu)形式及運行原理的限制，其移動范圍 特別是相對移動范圍往往偏小，譬如，Kim等提出的磁浮XY工作臺中，移動臺 的邊長為321mmX321mm，而沿X向和Y向的行程卻只有50mm (見Kiml997 年完成的博士論文《High-precision planar magnetic levitation》(《高精度平面磁 懸浮臺》)和發(fā)表于雜志《IEEE Transaction on Industry application》(IEEE工業(yè)應用匯刊)1998年第34巻第6期的論文《Modeling and vector control of planar magnetic levitator》(《平面磁浮臺的建模與矢量控制》)，不到移動臺邊長的20%。 如圖l(a)所示，X電樞繞組CXI和CX2、 Y向電樞繞組CYI和Cv'2分置于平面的四 個區(qū)域并與基臺相連，中心線l-r和2-2'為所述四個區(qū)域的分界線，圖中Mw和 MX2為X相直線永磁陣列，MY1和MY2為Y相直線永磁陣列。圖l(b)和圖l(c)表 示了移動臺運動到Y(jié)方向最上邊和最下邊時的情形，此時，永磁陣列Mxl和Mx2 的下邊界和上邊界分別與中心線2-2，重合，于是，移動臺在Y方向上的運動行程 小于或等于永磁陣列邊界之間的距離rf-50mm，同樣X方向行程也受到上述原理 的限制，移動范圍也不到移動臺邊長的20%。
另一類是使用了平面永磁陣列和平面線圈陣列的磁浮平面工作臺，由于工作 臺的移動并未改變其電磁結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，這類磁浮工作臺一般具有較大的移動范圍。 根據(jù)這類磁浮工作臺電磁結(jié)構(gòu)的特點，可將其劃分為無鐵心式和有鐵心式兩種。 對于無鐵心式磁浮工作臺，其磁路敞開在空氣中，永磁陣列產(chǎn)生的勵磁磁場弱， 從而導致其推力和懸浮力(Lorentz力)較小。而對于有鐵心式磁浮工作臺，其空 氣隙較小，永磁陣列產(chǎn)生的勵磁磁場強，從而使其峰值推力和峰值懸浮力大幅提
咼o
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種多磁足驅(qū)動式大范圍磁浮平 面工作臺，使其具有峰值推力大、制造工藝簡單、移動范圍大、電磁力脈動小的 特點。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明所述的磁浮平面工作臺，包括基 臺和移動臺，移動臺懸浮設置在基臺上方，兩者之間存在氣隙。 所述基臺包含一個永磁陣列。所述永磁陣列布置于所述氣隙下方。 所述移動臺由平臺和設置于平臺底部的若干個磁足單元組成。 所述磁足單元包含一個線圈陣列和一個由鐵磁材料制成的磁足鐵心。 所述磁足鐵心由鐵心體和一系列鐵心齒構(gòu)成，所述一系列鐵心齒固接于鐵心 體上。所述線圈陣列由若干線圈組成，所述線圈分別鑲嵌于所述鐵心齒上。
所述一系列鐵心齒沿XY平面按照矩陣形式布置而成。本發(fā)明所述的一系列鐵心齒中，沿X方向任意相鄰鐵心齒和沿Y方向任意相 鄰鐵心齒之間的中心距等于永磁陣列的極距的三分之一。
本發(fā)明所述所述的線圈陣列中沿X方向任意相鄰線圈和沿Y方向任意相鄰線 圈之間的中心距也等于永磁陣列的極距的三分之一。
本發(fā)明所述的鐵心齒與所述鐵心體固連，所述線圈的數(shù)量與所述鐵心齒的數(shù) 量一樣。
本發(fā)明所述的永磁陣列由一系列沿著XY平面按照矩陣形式分布的永磁體組成。
本發(fā)明所述所述的線圈為矩形線圈、圓形線圈或多邊形線圈。
本發(fā)明所述所述的線圈陣列中的線圈被分成9組，在每一相繞組中，沿x方 向或y方向任意兩相鄰線圈軸線之間的距離分別等于所述永磁陣列的極距。
所述9相繞組分別通入具有一定相差的正弦交流電時，產(chǎn)生磁極沿XY平面 展開的磁場。該磁場與所述永磁陣列產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生施加于所述磁足單 元上的沿X向、沿Y向和沿Z向的電磁力，其中，所述X向電磁力和Y向電磁 力用于驅(qū)動移動臺沿XY平面運動；所述Z向電磁力用于抵抗移動臺的重力，使 所述移動臺與所述基臺之間產(chǎn)生間隙，從而實現(xiàn)移動臺的懸浮功能。
本發(fā)明所述的多磁足驅(qū)動式磁浮平面工作臺的優(yōu)點是(1)磁足單元屬于有 鐵心式電樞，相比于基于Lorente原理的無鐵心式電樞，其峰值推力更大，且線 圈產(chǎn)生的熱量易被鐵心傳導出，避免熱量集聚；(2)鐵心齒陣列結(jié)構(gòu)簡單、易加 工；(3)使用了多相繞組配置形式，降低電磁力脈動。
圖1磁浮XY工作臺移動范圍分析原理圖； 圖2本發(fā)明所述磁浮XY工作臺的三維視圖； 圖3本發(fā)明所述磁浮XY工作臺的側(cè)面視圖； 圖4本發(fā)明所述基臺的一種結(jié)構(gòu)；
圖5本發(fā)明永磁陣列氣隙磁感應強度豎直分量關于XY坐標的變化關系示意
圖6本發(fā)明所述磁足單元的三維分解視圖；圖7本發(fā)明所述磁足單元的三維視圖8本發(fā)明所述相鄰線圈中心距示意圖9具有方形截面柱狀鐵心齒的磁足鐵心的示意圖，
其中(a)和(b)是具有方形截面柱狀鐵心齒的磁足鐵心的左視圖和正視圖； 圖10具有圓形截面柱狀鐵心齒的磁足鐵心的示意圖，
其中(a)和(b)是具有圓形截面柱狀鐵心齒的磁足鐵心的左視圖和正視圖； 圖11具有靴狀鐵心齒磁足鐵心的示意圖，
其中(a)、 (b)和(c)分別是具有靴狀鐵心齒磁足鐵心的左視圖、正視圖和仰 視圖12本發(fā)明線圈的實現(xiàn)方式示意圖13本發(fā)明線圈陣列的分組方法的原理圖14本發(fā)明相繞組的電氣連接方法的原理圖15本發(fā)明電樞單元受激勵后產(chǎn)生的氣隙磁感應度豎直分量關于XY坐標的 變化關系示意圖16本發(fā)明電樞單元的受力情況； 圖17本發(fā)明移動臺的受力情況，
圖中l(wèi)一基臺；2—移動臺；3—底座；4一線圈陣列；5 —平面永磁陣列；6 —永磁體；7—平臺；8—磁足單元；9一磁足鐵心；IO—鐵心體；ll一鐵心齒； 12—線圈；13—方形輪廓截面的柱狀鐵心齒；14一截面輪廓形狀為圓形的柱狀鐵 心齒；15—齒體；16—齒靴；17—靴狀齒；18—逆時針電流方向；19一順時針電 流方向；20—矩形線圈；21—圓形線圈；22—多邊形線圈；23—基臺頂面；24— 移動臺底面；25—氣隙；"C廣鐵心齒間距；"Ce—線圈間距；Tph—線圈陣列極距；T 永磁陣列極距。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。
如圖2、 3所示，由圖可知本發(fā)明所述磁浮XY工作臺由基臺l和移動臺2組成，所述基臺l存在一與XY平面平行的基臺頂面23，所述移動臺2存在一與XY平面 平行的移動臺底面24，所述基臺頂面23與所述移動臺底面24相對布置。所述磁浮 XY工作臺未工作時，由于所述移動臺2受到重力作用，移動臺底面24和基臺頂面 23互相貼合；所述磁浮XY工作臺工作時，所述移動臺2受到懸浮力的作用被抬起， 基臺頂面23和移動臺底面24之間存在一個很小的間隙25。其中，基臺1由底座3和 設置于底座3上的平面永磁陣列5組成，所述移動臺2由平臺7和設置于平臺7底部的 若干磁足單元8組成，所述若干磁足單元8沿XY平面布置，所述磁足單元8的底面 與XY平面平行。
所述平面永磁陣列5由一系列永磁體6按一定規(guī)律在底座3上排列而成，圖4給 出了平面永磁陣列5的一種形式及其與底座3之間的安裝關系。所述永磁陣列5由一 組塊狀永磁體6沿XY面排列而成，其中，兩相鄰永磁體軸線間的距離t為極距， 稱為永磁陣列極距。所述塊狀永磁體6沿豎直方向(Z向或一Z向)被磁化。所述 永磁陣列5中，沿X向和沿Y向任意相鄰永磁體之間的磁化方向相反，即一個永 磁體磁化方向為Z向，另一個永磁體磁化方向為一Z向。圖4中標注在永磁表面 上的N和S表示該永磁體位于上部的磁極名稱。平面永磁陣列5在基臺1和移動臺 2之間的氣隙25中產(chǎn)生氣隙磁場，圖5是圖4所示永磁陣列的氣隙磁感應強度Z 方向分量Bz關于XY坐標的變化關系示意圖。圖5中永磁陣列的氣隙磁感應強度 兩相鄰峰值之間的距離等于永磁陣列極距t。
圖6和圖7說明了所述磁足單元8的具體結(jié)構(gòu)，其中圖6是磁足單元的三維分 解視圖，而圖7為磁足單元8的三維視圖。由圖可知，所述磁足單元8包含一個線 圈陣列4和一個由鐵磁材料制成的磁足鐵心9。所述磁足鐵心9由鐵心體10和一系列 鐵心齒ll構(gòu)成，所述鐵心齒11與所述鐵心體10固連。所述一系列鐵心齒11沿XY 平面按照矩陣形式布置而成，使得沿X方向任意相鄰鐵心齒和沿Y方向任意相鄰
鐵心齒之間的中心距T,等于永磁陣列的極距T的三分之一。所述線圈陣列4由若干
線圈12組成。所述線圈12的數(shù)量與所述鐵心齒11的數(shù)量一樣，所述線圈12分別鑲 嵌于所述鐵心齒ll上。于是，沿X方向任意相鄰線圈和沿Y方向任意相鄰線圈之 間的中心距Te也等于永磁陣列的極距的三分之一，其中沿X方向任意相鄰線圈 和沿Y方向任意相鄰線圈之間的中心距^表示在圖8中。所述鐵心齒ll具有多種形狀。第一種是其沿軸線的任意截面輪廓形狀均相同 的鐵心齒，可稱之為柱狀鐵心齒。在此給出所述柱狀鐵心齒的兩種實現(xiàn)形式，分 別如圖9和圖10，其中，圖9顯示了截面輪廓形狀為方形的柱狀鐵心齒13，圖IO 顯示了截面輪廓形狀為圓形的柱狀鐵心齒14，圖中aa'為鐵心齒的軸線。所述柱狀 鐵心齒的實現(xiàn)形式不限于所描述的兩種，還有其他具體實現(xiàn)方式。
第二種是非柱狀鐵心齒，其沿軸線aa，的截面形狀不總相同，其典型的形式如 圖11所示，該非柱狀鐵心齒17包含齒體15和齒靴16兩部分，為清晰期間，圖中除 表示非柱狀鐵心齒17之外，還表示出了與非柱狀鐵心齒17相連的鐵心體10。所述 齒體15—端與鐵心體10相連的，另一端與齒靴16相連。所述齒靴16的截面的尺寸 大于所述齒體15的尺寸。其作用之一是實現(xiàn)纏繞于所述非柱狀鐵心齒17上線圈的 軸向固定。具有齒靴結(jié)構(gòu)的非柱狀鐵心齒17的好處是減小勵磁磁場的漏磁，使 永磁陣列5產(chǎn)生的磁力線大部分穿過鐵心齒17和鐵心體10而閉合。此外，具有齒 靴結(jié)構(gòu)的鐵心齒還能夠一定程度上降低齒槽效應，從而提高磁浮工作臺工作性能。 所述非柱狀鐵心齒17的實現(xiàn)形式不限于所描述的兩種，還有其他具體實現(xiàn)方式。
本發(fā)明所述線圈12的形狀也有多種形式第一種形狀是方形，如圖12(a)所示； 第種形狀是圓形，如圖12(b)所示；第三種形狀是方形，如圖12(c)所示。所述線 圈12的實現(xiàn)形式不限于所描述的兩種，還有其他具體實現(xiàn)方式。
圖12說明了本發(fā)明所述線圈陣列4的電氣連接方法。所述線圈陣列4中的線圈 12被劃分為9組，各組線圈編號分別為Wu、 W12、 W13、 W21、 W22、 W23、 W31、 W32和W33，并進一步將所述各組線圈分別稱之為Wn相繞組、Wt2相繞組、W13 相繞組、\￥21相繞組、\￥22相繞組、W23相繞組、\￥3|相繞組、W32相繞組和距W
33相繞組。所述相繞組Wm (m=l，2或3， w=l,2或3)中，沿X向任意兩相鄰線圈 的中心距和沿Y向任意兩相鄰線圈的中心距相等，且等于所述永磁陣列中心距T， 即圖13中、,、=1。所述相繞組Wm (m=l，2或3， w=l，2或3)中，各線圈相互串聯(lián)， 使得沿X向任意兩相鄰線圈和沿Y向任意兩相鄰線圈的電流旋向相反。圖13中 表示了相繞組Wu中各線圈電流的旋向，其中18為逆時針電流方向，而19為順時 針電流方向，它們正好相反。以此類推，其他任意相繞組\￥12、 W,3、 W21、 W22、 W23、 W31、 W32或W"中的線圈電流旋向之間關系與相繞組W"中中各線圈電流旋向關系一樣。圖14給出了某一相繞組W,("Fl，2或3， /Fl，2或3)中各線圈的 連接方式，當從繞組端口 A或B輸入激勵電流后，沿X向任意兩相鄰線圈和沿Y 向任意兩相鄰線圈的電流旋向相反，如圖14中箭頭所示，其中18為逆時針電流方 向，而19為順時針電流方向。
記叫為磁足單元8產(chǎn)生的氣隙磁場沿X向平移的角速度，A為磁足單元產(chǎn)生 的氣隙磁場沿Y向平移的角速度，/皿x為相電流的最大值，則當相繞組W,，,,,(w=l,2 或3， /Fl，2或3)中的電流/^滿足如下表達式
' mn=0.5imax[sill(G>x1+27l/( l-l))+sin(G>yM"27C/(M-l))I
時，磁足單元8在基臺1和移動臺2之間的氣隙中產(chǎn)生磁足氣隙磁場，所述磁足氣 隙磁場的磁感應強度Z方向分量Bz變化情況如圖15所示，所述磁足氣隙磁場的
磁感應強度任意兩相鄰峰值之間的距離等于永磁陣列極距T。所述磁足氣隙磁場可
相對于磁足單元8運動，圖15中k和Vy分別為氣隙磁場關于磁足單元8的相對平 移速度沿X向和Y向的分量，其中，vx和Vy分別可由角速度換叫和A算出，即 、 = 2兀賊，vy = 27r%。在磁足單元8產(chǎn)生的電樞氣隙磁場和平面永磁陣列5產(chǎn)生的 氣隙磁場的相互作用下，磁足單元8受到3個分力F'x、 F'y和F'z的作用，分別沿 物體坐標系ox'y'z'的x'軸、y'軸和z'軸，所述物體坐標系固連于移動臺2上，如 圖16所示。
圖17表示了移動臺具有4個電樞單元驅(qū)動時的受力情況，4個電樞單元分別 稱為第一電樞單元、第二電樞單元、第三電樞單元和第四電樞單元，它們底面的 中心分別為O" 02、 03和04。圖中ABCD為移動臺2的底面，abcd為ABCD 在基臺10頂面上的投影。第/個(1'=1,2，3，4)電樞單元的3個方向分量F'x,、 F、,和 F^作用于該電樞單元底面的中心0';，于是在上述力分量的作用下，移動臺實現(xiàn) 延x、 y方向的運動和沿z方向的懸浮。
權利要求
1.一種多磁足驅(qū)動式大范圍磁浮平面工作臺，包括基臺(1)和移動臺(2)，移動臺(2)懸浮設置在基臺(1)上方，兩者之間存在氣隙，其特征在于所述基臺(1)包含一個永磁陣列(5)，所述永磁陣列布置于所述氣隙下方；所述移動臺由平臺(7)和設置于平臺(7)底部的若干個磁足單元(8)組成，所述磁足單元(8)包含一個線圈陣列(4)和一個由鐵磁材料制成的磁足鐵心(9)，所述磁足鐵心(9)由鐵心體(10)和一系列鐵心齒(11)構(gòu)成，所述一系列鐵心齒(11)固接于鐵心體(11)上；所述線圈陣列(4)由若干線圈(12)組成，所述線圈(12)分別鑲嵌于所述鐵心齒(11)上。
2. 根據(jù)權利要求1所述的多磁足驅(qū)動式大范圍磁浮平面工作臺，其特征是 所述一系列鐵心齒(11)沿XY平面按照矩陣形式布置而成。
3. 根據(jù)權利要求1所述的多磁足驅(qū)動式大范圍磁浮平面工作臺，其特征是 所述一系列鐵心齒(11)中，沿X方向任意相鄰鐵心齒和沿Y方向任意相鄰鐵 心齒之間的中心距等于永磁陣列的極距的三分之一。
4. 根據(jù)權利要求1所述的多磁足驅(qū)動式大范圍磁浮平面工作臺，其特征是 所述線圈陣列(4)中沿X方向任意相鄰線圈和沿Y方向任意相鄰線圈之間的中 心距也等于永磁陣列的極距P的三分之一。
5. 根據(jù)權利要求1所述的多磁足驅(qū)動式大范圍磁浮平面工作臺，其特征是-所述線圈(12)的數(shù)量與所述鐵心齒(11)的數(shù)量一樣。
6. 根據(jù)權利要求1所述的多磁足驅(qū)動式大范圍磁浮平面工作臺，其特征是 所述永磁陣列(5)由一系列沿著XY平面按照矩陣形式分布的永磁體(6)組成。
7. 根據(jù)權利要求1所述的多磁足驅(qū)動式大范圍磁浮平面工作臺，其特征是 所述線圈陣列(4)中的線圈被分成9組，在每一相繞組中，^x方向或y方向 任意兩相鄰線圈軸線之間的距離分別等于所述永磁陣列的極距。
8. 根據(jù)權利要求1或5或7所述的多磁足驅(qū)動式大范圍磁浮平面工作臺， 其特征是所述線圈(12)為矩形線圈(20)、圓形線圈(21)或多邊形線圈(22)。
全文摘要
一種多磁足驅(qū)動式大范圍磁浮平面工作臺，主要應用于制造設備與機器人領域。該工作臺包括基臺和移動臺，所述基臺包含一個永磁陣列。所述移動臺由平臺和設置于平臺底部的若干個磁足單元組成。所述磁足單元包含一個線圈陣列和一個由鐵磁材料制成的磁足鐵心。所述磁足鐵心由鐵心體和一系列鐵心齒構(gòu)成。所述一系列鐵心齒沿XY平面按照矩陣形式布置而成。所述線圈陣列由若干線圈組成。所述線圈分別鑲嵌于所述鐵心齒上。因所述磁浮工作臺采用有鐵心式電磁結(jié)構(gòu)，且鐵心齒陣列結(jié)構(gòu)簡單，繞組為多相配置形式，故其具有峰值推力更大、散熱條件好、制造簡單、電磁力脈動小等優(yōu)點。
文檔編號G12B9/10GK101286368SQ20081003615
公開日2008年10月15日 申請日期2008年4月17日 優(yōu)先權日2008年4月17日
發(fā)明者尹文生, 威 徐, 曹家勇, 煜 朱, 王石剛 申請人:上海交通大學