CN102097982A - 一种永磁同步磁悬浮平面电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种永磁同步磁悬浮平面电机，包括动子和定子，所述定子采用特定的二维永磁体阵列，该二维永磁体阵列中第一主永磁体和第二主永磁体沿X方向和Y方向交错排列成平面阵列，第一主永磁体的四周布置有四个第二副永磁体，第二主永磁体四周布置有四个第三副永磁体，第一副永磁体布置在第二副永磁体和第三副永磁体之间，且各永磁体与相邻永磁体的侧面相互贴合，二维永磁体阵列内任意两个相邻的永磁体的磁化方向之间的夹角均为45°。通过采用如上所述的特定二维永磁体阵列，使得该电机的磁场强度高，正弦特性好，弥补了现有的永磁同步磁悬浮平面电机高精度、高响应和高效率不能兼顾的不足，是一种性能更好的平面电机。
Description
技术领域
本发明属于精密运动设备领域，具体涉及一种采用特定二维永磁体阵列的永磁同步磁悬浮平面电机。
背景技术
随着科技和工业发展，能够实现平面运动和精确定位的装置正被越来越多的应用到工业设备中。传统的平面运动装置在结构上通过两套或多套直线驱动单元垂直叠加，在控制上通过联动来实现平面运动。对于这种形式的平面运动装置，位于底层的直线驱动单元不仅要承担预定方向上的驱动，而且还需承载上层直线驱动单元的质量，于是造成了运动装置在多个方向上(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，从而影响了行程、速度、加速度和精度等性能指标的提高；而且由于电机的定子与动子之间通过机械导轨与轴承联接，摩擦、磨损、振动和噪声不可避免，影响运动精度与速度。在这种背景下，采用电磁力直接驱动动子直接实现多自由度运动的平面电机应运而生，相比于传统多自由度工作台，它在精密的平面定位装置中具有广阔的应用前景，特别是需要真空环境而不能使用气浮支撑的精密运动设备，如EUV光刻设备。
根据平面电机的平面运动方式，可将其划分为机械支撑、气浮和磁浮方式。其中机械支撑方式采用机械导轨导向，摩擦系数较大，且只能作X、Y两自由度运行，只能实现普通精度与普通运动速度；气浮支撑使用气浮轴承实现平面悬浮，但不能用于真空条件；磁浮方式结构简单，并可在真空环境等特殊环境使用，因而成为研究的主要方向。
磁浮平面电机通过位于永磁体阵列磁场中的通电绕组与磁场产生相互作用力，使运动部件悬浮，并驱动运动部件做平面运动。目前主要有三种磁浮平面电机，分别是感应平面电机、Sawyer平面电机和永磁同步磁悬浮平面电机，而永磁同步磁悬浮平面电机因为能够实现大行程运动，并且具有更高的性能，因而成为发展方向。
高性能永磁同步磁悬浮平面电机设计的关键在于设计出合理的电磁结构，使其达到高精度、高响应和高效率等要求。而高精度和高响应要求精密的磁场结构和可控性，即要求磁场具有良好的正弦性；高效率则要求同样体积内能够产生高的磁场强度。
永磁体阵列是永磁同步磁悬浮平面电机的永磁磁场的来源，其产生的磁场在平面内呈周期分布，且具有单边性，能够在阵列的一个平面内产生很强的磁场。因此，设计出合理的永磁体阵列结构，使其产生的磁场分布具有高的强度和良好的正弦性，是提高永磁同步磁悬浮平面电机性能的关键。因此，永磁同步磁悬浮平面电机的区别主要在于永磁体阵列结构的不同。目前国内外的永磁同步磁悬浮平面电机几乎都采用二维永磁体阵列，主要的几种结构如图1所示。图1(a)所示阵列形式由Asakawa在专利《Two dimensional positioning devices》(U.S.Patent 4626749，Dec.1986)中提出；图1(b)所示阵列形式由Chitayat在专利《Two-axis motor with high densitymagnetic platen》(U.S.Patent 5777402，July 1998)中提出；图1(c)所示阵列形式由Trumper在专利《Magnetic arrays》(U.S.Patent 5631 618，May1997)中提出；图1(d)所示阵列形式由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；图1(e)所示阵列形式由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；图1(f)所示阵列形式由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。这些结构中，图1(a)、图1(b)和图1(c)所示阵列形式的磁组装密度很低，因此磁场强度很低；图1(d)的阵列形式的磁场强度较前三种要高，这在Cho的文章《Magnetic field analysis of 2-D permanent magnet array forplanar motor》(IEEE Transactions on Magnetics，2001，37(5)：3762-3766.)中已得到证明；图1(e)所示阵列形式通过优化后，使阵列产生了更高的磁场强度，但其磁通密度分布的正弦性较差。图1(f)所示阵列形式能够产生正弦性较好的磁场，但其磁场强度比图1(e)要低。因此随着对平面电机的速度、加速度、负载能力、定位精度和运行平稳性等指标的要求不断提高，设计出具有更高强度、且正弦性良好的磁场分布的永磁体阵列，是研究人员努力探求的目标。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用特定二维永磁体阵列的永磁同步磁悬浮平面电机，解决现有技术中永磁同步磁悬浮平面电机的高精度、高响应和高效率不能兼顾的问题。
本发明提供的一种永磁同步磁悬浮平面电机，包括动子和定子，所述定子由二维永磁体阵列组成，所述的二维永磁体阵列由具有相同高度且形状均为直四棱柱的第一主永磁体、第二主永磁体、第一副永磁体、第二副永磁体和第三副永磁体组成；
其中第一主永磁体的底面呈正方形，磁化方向垂直于底面向上；第二主永磁体的形状和尺寸均与第一主永磁体相同，磁化方向垂直于底面向下；第一副永磁体的底面呈长方形，磁化方向与宽边平行；第二副永磁体的底面呈等腰梯形，等腰梯形的腰与下底成45°角，上底与第一主永磁体的底面边长相等，下底与第一副永磁体的底面长边相等，磁化方向与上底和下底垂直且与底面成45°角，指向上底一侧；第三副永磁体的形状和尺寸均与第二副永磁体相同，磁化方向与上底和下底垂直且与底面成45度角，指向下底一侧；
所述的二维永磁体阵列中，第一主永磁体和第二主永磁体沿X方向和Y方向交错排列成平面阵列，且第一主永磁体和第二主永磁体之间的间隔为第一副永磁体、第二副永磁体和第三副永磁体的宽度之和；第一主永磁体的四周布置有四个第二副永磁体，且第一主永磁体的每个侧面均与一个第二副永磁体的上底所在的侧面贴合；第二主永磁体四周布置有四个第三副永磁体，且第二主永磁体的每个侧面均与一个第三副永磁体的上底所在的侧面贴合；第一副永磁体布置在第二副永磁体和第三副永磁体之间，且第二副永磁体下底所在的侧面与的第一副永磁体的长边所在的侧面贴合，第三副永磁体下底所在的侧面与第一副永磁体的另一长边所在的侧面贴合，第一副永磁体的磁化方向指向离其最近的第一主永磁体。
本发明所述的永磁同步磁悬浮平面电机通过采用如上所述形式布置的特定二维永磁体阵列，使得其磁场强度高于现有的磁场强度最高的永磁体阵列，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悬浮平面电机的效率以及精度和响应特性，因而弥补了现有的永磁同步磁悬浮平面电机高精度、高响应和高效率不能兼顾的不足和缺点，是一种性能更好的平面电机。
附图说明
图1现有技术中公开的几种二维永磁体阵列；
图2本发明所述采用特定二维永磁体阵列的平面电机的三维视图；
图3本发明所述平面电机采用的特定二维永磁体阵列示意图；
图4本发明所述采用特定二维永磁体阵列的平面电机的第一主永磁体的三维视图；
图5本发明所述采用特定二维永磁体阵列的平面电机的第二主永磁体的三维视图；
图6本发明所述采用特定二维永磁体阵列的平面电机的第一副永磁体的三维视图；
图7本发明所述采用特定二维永磁体阵列的平面电机的第二副永磁体的三维视图；
图8本发明所述采用特定二维永磁体阵列的平面电机的第三副永磁体的三维视图；
图9本发明所述特定二维永磁体阵列气隙磁通密度竖直分量关于xy坐标的变化示意图；
图10本发明所述特定二维永磁体阵列气隙磁通密度竖直分量与图1(e)所示阵列的基波分量相减后的结果示意图；
图中各标号含义，1-第一主永磁体；2-第二主永磁体；3-第一副永磁体；4-第二副永磁体；5-第三副永磁体；6-线圈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明所述的永磁同步磁悬浮平面电机包括动子和定子，其三维视图如图2所示，定子由特定二维永磁体阵列组成，动子由多个相互垂直的线圈阵列组成，每个线圈阵列由多个无铁芯的矩形线圈6并行排列而成，线圈阵列的排列方向与所述的特定二维永磁体阵列的排列方向成45°角。
所述的特定二维永磁体阵列，如图3所示，包括第一主永磁体1、第二主永磁体2、第一副永磁体3、第二副永磁体4和第三副永磁体5。
第一主永磁体1、第二主永磁体2、第一副永磁体3、第二副永磁体4和第三副永磁体5均为直四棱柱，且具有相同的高度。
第一主永磁体1的结构和磁化方向如图4所示，其底面呈正方形，其磁化方向垂直于底面向上。
第二主永磁体2的结构和磁化方向如图5所示，其底面呈正方形，边长与第一主永磁体1的边长相等，其磁化方向垂直于底面向下。
第一副永磁体3的结构和磁化方向如图6所示，其底面呈长方形，尺寸较长的边称为长边，另一边称为宽边，宽边的长度称为该永磁体的宽度，其磁化方向与宽边平行。
第二副永磁体4的结构和磁化方向如图7所示，其底面呈等腰梯形，等腰梯形的腰与下底成45°夹角，上底的尺寸与第一主永磁体1的底面边长相等，下底的尺寸与第一副永磁体3的底面长边尺寸相等，等腰梯形的高称为该永磁体的宽度，其磁化方向与上底和下底垂直且与底面成45°夹角，指向上底一侧。
第三副永磁体5的结构和磁化方向如图8所示，其形状与第二副永磁体4相同，其磁化方向与上底和下底垂直且与底面成45°夹角，指向下底一侧。
永磁体阵列的排列形式如图3所示，图中的坐标系为三维笛卡尔直角坐标系，所有永磁体均布置在与XOY平面平行的平面内。
第一主永磁体1和第二主永磁体2沿X方向和Y方向交错排列成平面阵列，且第一主永磁体1和第二主永磁体2之间的间隔为第一副永磁体3、第二副永磁体4和第三副永磁体5的宽度之和。
第一主永磁体1的四周布置有四个相同的第二副永磁体4，且第一主永磁体1的每个侧面均与一个第二副永磁体4的上底所在的侧面贴合在一起。
第二主永磁体2的四周布置有四个相同的第三副永磁体5，且第二主永磁体1的每个侧面均与一个第三副永磁体5的上底所在的侧面贴合在一起。
第一副永磁体3布置在第二副永磁体4和第三副永磁体5之间，且第二副永磁体4下底所在的侧面与的第一副永磁体3的长边所在的侧面贴合在一起，第三副永磁体5下底所在的侧面与第一副永磁体3的另一长边所在的侧面贴合在一起，第一副永磁体3的磁化方向与宽边平行指向离其最近的第一主永磁体1，背向离其最近的第二主永磁体2。
为使定子在朝向动子的一侧形成很强的单边磁场，则应在磁化方向垂直于永磁体阵列平面朝向动子一侧的所有第一主永磁体1四周布置第二副永磁体4，在第二主永磁体2四周布置第三副永磁体5，而所有第一副永磁体3的磁化方向均指向离其最近的第一主永磁体1。此时，永磁体阵列内任意两个相邻的永磁体的磁化方向之间的夹角均为45度。
为验证所述特定二维永磁体阵列的磁场强度，现确定永磁体阵列的一组尺寸如下：所有永磁体的高度为7mm，相邻第一主永磁体1和第二主永磁体2的中心之间的距离为25mm，其中，第一主永磁体1和第二主永磁体2的底面尺寸为9mm×9mm；第一副永磁体3的底面尺寸为15mm×10mm；第二副永磁体4和第三副永磁体5的底面尺寸为：上底长9mm，下底长15mm，下底与腰的夹角为45度，等腰梯形的高为3mm。阵列内各永磁体的磁化方向如图3所示。
根据以上尺寸，采用分析模型计算所述特定二维永磁体阵列的气隙磁通密度沿z坐标轴的分量Bz关于x、y坐标的变化关系。在磁场较强的一边，距永磁体阵列表面4mm处，磁场的磁通密度分布如图9所示。由图9可知，磁场的磁通密度幅值约为0.48特斯拉，远高于图1所示的现有二维永磁体阵列的幅值，因此，所述特定二维永磁体阵列提高了永磁同步磁悬浮平面电机的效率。
图1(e)所示阵列的基波气隙磁通密度的强度是目前已知二维永磁体阵列中最高的，且具有良好的正弦性。图10给出了图9所示的气隙磁通密度与图1(e)所示阵列的基波气隙磁通密度相减后的结果。由图10可知，两者之间的最大误差不超过0.035特斯拉，总的误差不超过0.05％，表明其磁通密度的分布具有良好的正弦特性，因此，所述特定二维永磁体阵列提高了永磁同步磁悬浮平面电机的精度和响应特性。
因此，采用了所述类型的特定二维永磁体阵列的平面电机，弥补了现有的永磁同步磁悬浮平面电机高精度、高响应和高效率不能兼顾的不足和缺点，是一种性能更好的平面电机。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
Claims (2)
1.一种永磁同步磁悬浮平面电机，包括动子和定子，其特征在于，所述定子由二维永磁体阵列组成，所述的二维永磁体阵列由具有相同高度且形状均为直四棱柱的第一主永磁体、第二主永磁体、第一副永磁体、第二副永磁体和第三副永磁体组成；
其中第一主永磁体的底面呈正方形，磁化方向垂直于底面向上；第二主永磁体的形状和尺寸均与第一主永磁体相同，磁化方向垂直于底面向下；第一副永磁体的底面呈长方形，磁化方向与宽边平行；第二副永磁体的底面呈等腰梯形，等腰梯形的腰与下底成45°角，上底与第一主永磁体的底面边长相等，下底与第一副永磁体的底面长边相等，磁化方向与上底和下底垂直且与底面成45°角，指向上底一侧；第三副永磁体的形状和尺寸均与第二副永磁体相同，磁化方向与上底和下底垂直且与底面成45°角，指向下底一侧；
所述的二维永磁体阵列中第一主永磁体和第二主永磁体沿X方向和Y方向交错排列成平面阵列，且第一主永磁体和第二主永磁体之间的间隔为第一副永磁体、第二副永磁体和第三副永磁体的宽度之和；第一主永磁体的四周布置有四个第二副永磁体，且第一主永磁体的每个侧面均与一个第二副永磁体的上底所在的侧面贴合；第二主永磁体四周布置有四个第三副永磁体，且第二主永磁体的每个侧面均与一个第三副永磁体的上底所在的侧面贴合；第一副永磁体布置在第二副永磁体和第三副永磁体之间，且第二副永磁体下底所在的侧面与的第一副永磁体的长边所在的侧面贴合，第三副永磁体下底所在的侧面与第一副永磁体的另一长边所在的侧面贴合，第一副永磁体的磁化方向指向离其最近的第一主永磁体。
2.根据权利要求1所述的永磁同步磁悬浮平面电机，其特征在于，所述动子由多个相互垂直的线圈阵列组成，每个线圈阵列由多个无铁芯的矩形线圈并行排列而成，线圈阵列的排列方向与所述的二维永磁体阵列的排列方向成45°角。
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