CN101610022B - 一种采用槽型线圈的平面电机 - Google Patents

一种采用槽型线圈的平面电机 Download PDF

Info

Publication number
CN101610022B
CN101610022B CN2009100888943A CN200910088894A CN101610022B CN 101610022 B CN101610022 B CN 101610022B CN 2009100888943 A CN2009100888943 A CN 2009100888943A CN 200910088894 A CN200910088894 A CN 200910088894A CN 101610022 B CN101610022 B CN 101610022B
Authority
CN
China
Prior art keywords
coil
array
type
groove
adopts
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN2009100888943A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101610022A (zh
Inventor
朱煜
张鸣
汪劲松
闵伟
胡金春
尹文生
杨开明
徐登峰
段广洪
蔡田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
U Precision Tech Co Ltd
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN2009100888943A priority Critical patent/CN101610022B/zh
Publication of CN101610022A publication Critical patent/CN101610022A/zh
Priority to PCT/CN2010/075310 priority patent/WO2011009398A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101610022B publication Critical patent/CN101610022B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/18—Machines moving with multiple degrees of freedom

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Linear Motors (AREA)

Abstract

一种采用槽型线圈的平面电机，主要应用于机械制造设备与机器人领域。该平面电机包括动子和定子，所述动子由四个一维线圈阵列组成，相邻线圈阵列的排列方向互成90°，每个一维线圈阵列由无铁芯矩形线圈和矩形两短边上翘成槽型的无铁芯槽型线圈交错排列而成，每个矩形线圈的两条长边之间嵌入一个相邻槽型线圈的长边，或每个矩形线圈的两条长边之间嵌入左右两个相邻槽型线圈的一条长边，且两种线圈的长边都布置在同一平面上；所述定子由永磁阵列组成。与矩形无铁芯线圈组成的线圈阵列相比，该线圈阵列在永磁阵列的周期磁场中能产生更大的推力，从而提高平面电机的推力和加速度。

Description

一种采用槽型线圈的平面电机
技术领域
本发明涉及一种平面电机，特别是一种采用槽型线圈的平面电机，主要应用于制造设备与机器人领域。
背景技术
在许多工业设备中，我们需要驱动工件或工作台做平面运动并在平面上对其进行精确定位，例如显微镜的载物台，光刻机中的硅片台等设备。传统的平面定位装置由两套或多套直线驱动单元垂直叠加而成，每套直线驱动单元由一台旋转电动机、一套直线运动转换机构和一套直线导轨组成，或者由一台直线电机和一套直线导轨组成。位于底层的直线驱动单元不仅承担末端承件台的驱动，而且还承载着顶层直线驱动单元的质量，于是造成了平面定位装置在多个方向上(如传统XY工作台的X方向和Y方向)运动惯量的严重不均衡，从而影响了运动行程、响应速度、运动精度等性能指标的提高。在这种背景下，采用电磁力直接驱动单一动子直接实现多自由度运动的平面电机则应运而生，它避开了传统多自由度工作台叠层驱动的思路，在精密的平面定位装置中具有广阔的应用前景，受到广泛的关注
根据平面电机非运动自由度的约束方式和涉及的技术领域，可将平面电机划分为气浮平面电机和磁浮平面电机，它们分别采用气浮和磁浮方式实现对非运动自由度(如偏摆、纵顷和横顷)的约束。相比于气浮方式，磁浮方式具有结构简单、基座表面无需精密加工、可实现非运动自由度的主动约束、易在真空环境中应用等优点。
目前的磁浮平面电机一般由通电线圈在永磁阵列气隙磁场中产生的洛伦兹力提供驱动力和悬浮支承。随着对平面电机加速度和负载性能指标的要求不断提高，我们需要不断提高平面电机的推力。线圈的结构和布置方式对平面电机的性能有着决定性的影响。
目前文献中的平面电机的线圈一般采用矩形无铁芯线圈。一种典型的结构如图1所示，图中是平面电机的动子15，包括气浮轴承13和线圈阵列14。由四个线圈阵列组成，每个线圈阵列由五个矩形无铁芯线圈线性排列而成，为了提高气隙的电流体密度，每个矩形无铁芯线圈两条长边之间的空隙很小，且没有电流分布。因为每个矩形无铁芯线圈两条长边中的电流的方向必定完全相反，同时永磁阵列在气隙中的磁感应强度的X，Y，Z三个方向上的分量在平面上都是类似正弦的周期性分布的，如图2所示的Bz分量的平面分布图，所以同一线圈两条长边处于磁感应强度方向相同的区域中的时候，这两条长边产生的推力方向完全相反，会相互抵消，降低了电机的效率。如果增大两条长边的距离使其处于磁感应强度方向相反的两个区域中时，每条长边产生的推力的方向相同，但是整个气隙中的平均电流体密度就会变小，也会影响电机的推力。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用槽型线圈的平面电机，以解决现有技术存在的缺陷，即提高气隙的利用率，又尽量避免相邻长边推力的相互抵消。
本发明的技术方案如下：
一种采用槽型线圈的平面电机，包括动子4和定子1，所述平面电机包括采用线圈阵列作为动子的动圈式结构或线圈阵列作为定子的动铁式结构，其特征在于：所述的线圈阵列由多个一维线圈阵列组成，每个一维线圈阵列由无铁芯矩形线圈3和矩形两短边上翘成槽型的无铁芯槽型线圈2交错排列而成，每个矩形线圈3的两条长边之间嵌入一个相邻槽型线圈2的长边或每个矩形线圈的两条长边之间嵌入左右两个相邻槽型线圈的长边，且两种线圈的长边都布置在同一平面上。
本发明的技术特征还在于：对于采用线圈阵列作为动子的动圈式结构，所述线圈阵列由四个一维线圈阵列组成，相邻线圈阵列的排列方向互成90°；所述定子1采用Halbach型永磁阵列。
本发明的技术特征还在于：线圈阵列作为定子的动铁式结构，所述线圈阵列由四个一维线圈阵列组成，相邻线圈阵列的排列方向互成90°；所述动子1采用Halbach型永磁阵列。
本发明的技术特征还在于：每个矩形线圈3的两条长边之间只嵌入一个相邻槽型线圈2的长边，矩形线圈和槽型线圈长边的宽度相同，且为永磁阵列极距的一半左右。
本发明所述的一种采用槽型线圈的平面电机具有以下优点及突出性效果：采用了槽型线圈，即通过槽型线圈和矩形线圈的嵌套布置和相应的控制，在实现较高的气隙体电流密度的同时尽量避免了相邻长边推力的相互抵消，大大提高了平面电机的加速度和带负载能力。
附图说明
图1是现有技术中平面电机的线圈的一种典型结构和布置方式。
图2是本发明所述永磁阵列气隙磁感应强度竖直分量关于XY坐标的变化关系示意图。
图3是本发明所述一种采用槽型线圈的平面电机的三维视图。
图4是本发明所述一种采用槽型线圈的平面电机的动子的槽型线圈的三维视图。
图5是本发明所述一种采用槽型线圈的平面电机的组成动子的一个线圈阵列的三维示意图。
图中：1-定子；2-槽型线圈；3-矩形线圈；4-动子；13-气浮轴承；14-线圈阵列；15-平面电机的动子。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体结构、机理和工作过程作进一步的说明。
图3是本发明所述一种采用槽型线圈的平面电机的三维视图，包括动子4和定子1，该平面电机包括采用线圈阵列作为动子的动圈式结构或线圈阵列作为定子的动铁式结构，所述的线圈阵列由多个一维线圈阵列组成，每个一维线圈阵列由无铁芯的矩形线圈3和矩形两短边上翘成槽型的无铁芯的槽型线圈2交错排列而成，每个矩形线圈3的两条长边之间嵌入一个相邻槽型线圈2的一条长边(如图5所示)，也可以将每个矩形线圈的两条长边之间嵌入左右两个相邻槽型线圈的一条长边，且两种线圈的长边都布置在同一平面上；图4为槽型线圈的三维视图。
对于采用线圈阵列作为动子的动圈式结构，所述线圈阵列由四个一维线圈阵列组成，相邻线圈阵列的排列方向互成90°；所述定子1采用Halbach型永磁阵列。线圈阵列作为定子的动铁式结构，所述线圈阵列由四个一维线圈阵列组成，相邻线圈阵列的排列方向互成90°；所述动子1采用Halbach型永磁阵列。矩形线圈和槽型线圈长边的宽度相同，且为永磁阵列极距的一半左右，即τ/4左右，τ为永磁阵列磁感应强度的周期。
本发明的优选技术方案是：对于每个矩形线圈3的两条长边之间只嵌入一个相邻槽型线圈2的长边，矩形线圈和槽型线圈长边的宽度相同，且为永磁阵列极距的一半左右。
永磁阵列在动子和定子之间的气隙中或接触面上产生气隙磁场。图2是通过有限元仿真分析得到的永磁阵列的气隙磁感应强度竖直分量Bz关于XY坐标的变化关系示意图。τ为周期，即图2中平面永磁阵列的气隙磁感应强度两相邻峰值之间的距离。通过槽型线圈长边和矩形线圈长边的嵌套布置和相应的控制，在实现较高的气隙体电流密度的同时尽量避免了相邻长边推力的相互抵消，大大提高了平面电机的加速度和带负载能力。

Claims (3)

1.一种采用槽型线圈的平面电机，包括动子(4)和定子(1)，该平面电机包括采用线圈阵列作为动子的动圈式结构或线圈阵列作为定子的动铁式结构，其特征在于：所述的线圈阵列由多个一维线圈阵列组成，每个一维线圈阵列由无铁芯的矩形线圈(3)和矩形两短边上翘成槽型的无铁芯的槽型线圈(2)交错排列而成，每个矩形线圈(3)的两条长边之间嵌入一个相邻槽型线圈(2)的一条长边或每个矩形线圈的两条长边之间嵌入左右两个相邻槽型线圈的一条长边，矩形线圈和槽型线圈长边的宽度相同，且为永磁阵列极距的一半左右，两种线圈的长边都布置在同一平面上。
2.按照权利要求1所述的一种采用槽型线圈的平面电机，其特征在于：对于采用线圈阵列作为动子的动圈式结构，所述线圈阵列由四个一维线圈阵列组成，相邻线圈阵列的排列方向互成90°；所述定子(1)采用Halbach型永磁阵列。
3.按照权利要求1所述的一种采用槽型线圈的平面电机，其特征在于：线圈阵列作为定子的动铁式结构，所述线圈阵列由四个一维线圈阵列组成，相邻线圈阵列的排列方向互成90°；所述动子(1)采用Halbach型永磁阵列。
CN2009100888943A 2009-07-21 2009-07-21 一种采用槽型线圈的平面电机 Active CN101610022B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2009100888943A CN101610022B (zh) 2009-07-21 2009-07-21 一种采用槽型线圈的平面电机
PCT/CN2010/075310 WO2011009398A1 (zh) 2009-07-21 2010-07-20 一种采用槽型线圈的平面电机

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2009100888943A CN101610022B (zh) 2009-07-21 2009-07-21 一种采用槽型线圈的平面电机

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101610022A CN101610022A (zh) 2009-12-23
CN101610022B true CN101610022B (zh) 2012-05-30

Family

ID=41483650

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2009100888943A Active CN101610022B (zh) 2009-07-21 2009-07-21 一种采用槽型线圈的平面电机

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN101610022B (zh)
WO (1) WO2011009398A1 (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101610022B (zh) * 2009-07-21 2012-05-30 清华大学 一种采用槽型线圈的平面电机
CN102270908B (zh) * 2011-07-22 2013-04-17 华中科技大学 一种双轴解耦结构的平面电机
CN102497083B (zh) * 2011-11-30 2013-10-23 哈尔滨工业大学 同心式绕组结构永磁同步平面电机
CN102607388B (zh) 2012-02-17 2014-09-24 清华大学 平面电机动子位移测量装置及方法
CN103633884B (zh) * 2013-12-02 2015-12-02 江苏大学 一种基于压力传感器组的磁悬浮永磁平面电机起浮方法
CN111490662B (zh) * 2019-01-29 2022-04-26 苏州隐冠半导体技术有限公司 一种平面电机位移装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4839543A (en) * 1988-02-04 1989-06-13 Trilogy Systems Corporation Linear motor
US6265793B1 (en) * 1998-11-12 2001-07-24 Canon Kabushiki Kaisha Linear motor coil for exposure apparatus
US6570273B2 (en) * 2001-01-08 2003-05-27 Nikon Corporation Electric linear motor
US7105955B2 (en) * 2004-04-16 2006-09-12 Asml Netherlands B.V. Lithographic apparatus, coil assembly, positioning device including a coil assembly, and device manufacturing method
CN1996726A (zh) * 2006-12-29 2007-07-11 清华大学 一种超薄3自由度平面电机
CN101214617A (zh) * 2007-12-28 2008-07-09 清华大学 动圈式大范围移动磁浮六自由度工作台

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100592610C (zh) * 2005-10-27 2010-02-24 西安交通大学 动磁型同步表面电机
CN101610022B (zh) * 2009-07-21 2012-05-30 清华大学 一种采用槽型线圈的平面电机

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4839543A (en) * 1988-02-04 1989-06-13 Trilogy Systems Corporation Linear motor
US6265793B1 (en) * 1998-11-12 2001-07-24 Canon Kabushiki Kaisha Linear motor coil for exposure apparatus
US6570273B2 (en) * 2001-01-08 2003-05-27 Nikon Corporation Electric linear motor
US7105955B2 (en) * 2004-04-16 2006-09-12 Asml Netherlands B.V. Lithographic apparatus, coil assembly, positioning device including a coil assembly, and device manufacturing method
CN1996726A (zh) * 2006-12-29 2007-07-11 清华大学 一种超薄3自由度平面电机
CN101214617A (zh) * 2007-12-28 2008-07-09 清华大学 动圈式大范围移动磁浮六自由度工作台

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011009398A1 (zh) 2011-01-27
CN101610022A (zh) 2009-12-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101610054B (zh) 采用三维永磁阵列的平面电机
CN101214617B (zh) 动圈式大范围移动磁浮六自由度工作台
CN102097982B (zh) 一种永磁同步磁悬浮平面电机
US9634540B2 (en) Magnetic suspension planar motor with structure of superconductor excitation
CN101610022B (zh) 一种采用槽型线圈的平面电机
CN104009674B (zh) 六自由度短行程磁悬浮工作台
CN101741289B (zh) 短行程多自由度磁悬浮平面电机
CN101741290B (zh) 六自由度磁悬浮微动平台
CN101527484A (zh) 水平行程易扩展的气磁混合悬浮平面电机
US9425675B2 (en) Permanent magnet synchronous planar motor with structure of concentric winding
Lu Force ripple attenuation of 6-DOF direct drive permanent magnet planar levitating synchronous motors
CN101710779A (zh) 集成绕组结构长行程同步平面电机
CN102185443B (zh) 有限行程高动态平面电机
CN101286368A (zh) 多磁足驱动式大范围磁浮平面工作台
CN101752983B (zh) 长行程高精度多自由度平面电机
CN102739122B (zh) 双边初级结构磁悬浮平面电机
CN101800460B (zh) 集成绕组结构短行程直流平面电机
CN204205908U (zh) 一种多相嵌套绕组式永磁同步平面电机
CN104218770B (zh) 多相嵌套绕组式永磁同步平面电机
CN102223052B (zh) 多自由度短行程平面电机
CN100552827C (zh) 大范围移动磁浮平面工作台
CN103795296B (zh) 一种磁浮平面电机
CN108011489A (zh) 多单元微行程音圈直线电机
CN102739121B (zh) 磁阻型多自由度磁悬浮平面电机
Yan et al. Parameter analysis of a novel planar motor with dual-layer magnetic array

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20151112

Address after: 100084 Beijing box office,,, Tsinghua University

Patentee after: Tsinghua University

Patentee after: U-PRECISION TECH CO., LTD.

Address before: 100084 Beijing box office,,, Tsinghua University

Patentee before: Tsinghua University