CN103795297A - 一种磁浮平面电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁浮平面电机包括线圈绕组单元和磁钢阵列，所述磁钢阵列由第一类磁钢组和第二类磁钢组沿第一方向和第二方向间隔排列而成，所述第一类磁钢组和第二类磁钢组分别由四个横截面呈正方形的具有斜向充磁方向的第一类磁钢块绕垂直于第一方向和第二方向的第三方向排列组成，所述第一类磁钢组和第二类磁钢组的横截面分别呈正方形，各相邻第一类磁钢组和第二类磁钢组之间分别设有一个横截面呈长方形的第二类磁钢块，所述第二类磁钢块的充磁方向为指向第一类磁钢组或第二类磁钢组。本发明通过采用具有斜向充磁方向的磁钢块，将不同充磁方向的磁钢块组合成磁钢阵列，形成了一个良好分布的交变磁场，大大提高了推力常数。

Description

一种磁浮平面电机

技术领域

本发明涉及一种电机装置，尤其涉及一种磁浮平面电机。

背景技术

在光刻机的工件台和掩模台中，通常采用长行程的直线电机结合短行程的音圈电机，并选用气浮轴承来实现高速、高精密定位。然而，在这种结构方案中，为了获得多个运动自由度，往往需要多个直线电机采用堆叠的方式加以实现。这种结构方案不仅增加了整个***的复杂度，降低了模态，而且加大了底层直线电机的负载，导致运动台的定位精度、控制带宽和运动速度大幅下降。此外，当运动行程需要增加时，气浮直线导轨的制造成本不但几何上升，而且越来越困难，已经成为大尺寸晶元制造的发展瓶颈。

为了解决上述问题，出现了一种新型结构的电机——磁浮平面电机。它基于洛伦兹力原理，将产生的电磁力直接施加到工件台上，能够同时提供多轴运动。磁浮平面电机一般包括磁钢阵列和线圈组两大部分，所述磁钢阵列中的磁钢块呈交替排列方式，非常便于拓展，有效解决了大行程设计上的技术瓶颈。而且，通过磁浮技术，降低了对运动面型的约束，工作过程无接触磨损，非常适合微电子装备中需要大行程、真空、超洁净、超精密定位的需求。

在磁浮平面电机中，推力常数是一个非常重要的设计指标。提供较高的推力常数能够有效降低磁浮电机的工作电流，从而大大缓解电机发热对超精密定位的影响。为了提高推力常熟，现有技术中的磁浮平面电机采用的磁钢阵列由交替排列的NS阵列组成，其伺服运动的自由度较低，控制的精度也较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能够提高推力常数的磁浮平面电机，进而提高其伺服运动的自由度和控制精度。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种磁浮平面电机，包括线圈绕组单元和磁钢阵列，所述线圈绕组单元通电后相对于磁钢阵列沿平行于所述磁钢阵列所在平面且相互垂直的第一方向和第二方向运动，所述磁钢阵列由第一类磁钢组和第二类磁钢组分别沿第一方向和第二方向间隔排列而成，所述第一类磁钢组和第二类磁钢组分别由四个相同尺寸规格的横截面呈正方形的具有斜向充磁方向的第一类磁钢块绕垂直于第一方向和第二方向的第三方向排列组成，所述第一类磁钢组和第二类磁钢组的横截面分别呈正方形，各相邻第一类磁钢组和第二类磁钢组之间分别设有一个横截面呈长方形的第二类磁钢块，所述第二类磁钢块的充磁方向为指向第一类磁钢组或第二类磁钢组。

所述第一类磁钢块和第二类磁钢块等高，且第二类磁钢块与所述第一类磁钢组、第二类磁钢组的连接边的长度与所述第一类磁钢组和第二类磁钢组的边长相同。

所述第一类磁钢组由具有第一充磁方向的第一磁钢块、具有第二充磁方向的第二磁钢块、具有第三充磁方向的第三磁钢块以及具有第四充磁方向的第四磁钢块绕第三方向逆时针排列组成，所述第一充磁方向平行于所在磁钢块和磁钢组的两个端面的对角线的对接面且和第三方向的夹角大于0度且小于90度，所述第二充磁方向、第三充磁方向和第四充磁方向由所述第一充磁方向绕第三方向旋转得到，所述第一至第四充磁方向绕第三方向均匀分布。

所述第二类磁钢组由具有第五充磁方向的第五磁钢块、具有第六充磁方向的第六磁钢块、具有第七充磁方向的第七磁钢块以及具有第八充磁方向的第八磁钢块绕第三方向逆时针排列组成，所述第五至第八充磁方向分别与所述第一至第四充磁方向相反。

位于所述第一类磁钢组四个侧面外侧的四块第二类磁钢块的充磁方向平行于第一方向或平行于第二方向，并指向第一类磁钢组。

所述线圈绕组单元包括以2*2矩阵阵列形式排列的四个发力体，每个发力体由若干个沿同一方向平行排布的线圈组成，其中相邻两个发力体的线圈分别对应沿第一方向、第二方向排布。

可选的，所述磁钢阵列为磁浮平面电机的定子部分，所述线圈绕组阵列为磁浮平面电机的动子部分。

可选的，若干所述线圈绕组单元分别沿第一方向和第二方向拓展形成磁浮平面电机的定子部分，所述磁钢阵列为磁浮平面电机的动子部分。

本发明通过采用具有斜向充磁方向的磁钢块，将不同充磁方向的磁钢块固定组合成为不同的磁钢组，进而将各磁钢组和磁钢块固定组合成为磁钢阵列，磁钢阵列中的磁钢块提供了12种充磁方向，将电机的伺服运动自由度提高为6，形成了一个具有良好正弦分布的交变磁场，大大提高了推力常数，从而有效的降低了磁浮平面电机的工作电流，缓解了发热对超精密定位带来的影响，同时，本发明提供的磁浮平面电机，采用四棱柱结构取代了传统的三棱柱结构同样实现了三棱柱结构所达到的出力水平，而加工工艺更加简单，更便于实现产品化，更便于对产品实现质量控制。

附图说明

图1是本发明实施例1的磁浮平面电机的结构示意图；

图2是本发明实施例1的磁浮平面电机的磁钢组的分布示意图；

图3是本发明实施例1的磁浮平面电机的磁钢块的分布示意图；

图4是本发明实施例2的磁浮平面电机的结构示意图；

图中，100—线圈绕组单元；101—第一发力体；102—第二发力体；

200—磁钢阵列；

300—第一类磁钢组；400—第二类磁钢组；

301—第一磁钢块、302—第二磁钢块；303—第三磁钢块；304—第四磁钢块；401—第五磁钢块；402—第六磁钢块；403—第七磁钢块；404—第八磁钢块；501—第九磁钢块；502—第十磁钢块；503—第十一磁钢块；504—第十二磁钢块；

600—端面对角线的对接面；

701—长边；702—短边。

具体实施方式

以下请参考附图1和附图2，并结合附图3对本发明提供的磁浮平面电机进行详细描述，以下的描述为本发明的优选实施例。

实施例1

本实施例提供了一种磁浮平面电机，包括线圈绕组单元100和磁钢阵列200，所述线圈绕组单元100通电后相对于磁钢阵列200沿平行于所述磁钢阵列200所在平面且相互垂直的第一方向和第二方向运动，所述线圈绕组单元100包括以2*2矩阵阵列形式排列的四个发力体，每个发力体由若干个沿同一方向平行排布的线圈组成，其中相邻两个发力体的线圈分别对应沿第一方向、第二方向排布。

在本实施例中，所述线圈绕组单元100由四个发力体组成，每个发力体由三个线圈组成，所述发力体包括线圈分布方向互相垂直的发第一发力体101与第二发力体102。

所述磁钢阵列200由第一类磁钢组300和第二类磁钢组400沿第一方向和第二方向间隔排列而成，所述第一类磁钢组300和第二类磁钢组400分别由四个相同尺寸规格的横截面呈正方形的具有斜向充磁方向的第一类磁钢块绕垂直于第一方向和第二方向的第三方向排列组成，所述第一类磁钢组300和第二类磁钢组400的横截面分别呈正方形，各相邻第一类磁钢组300和第二类磁钢组400之间分别设有一个横截面呈长方形的第二类磁钢块，所述第二类磁钢块的充磁方向为指向第一类磁钢组300或第二类磁钢组400。请参考图1至图3，所述第一方向和第二方向沿第一类磁钢块的正方形横截面的两条互相垂直的边设置，第三方向垂直于第一方向与第二方向共同所在的平面。

本实施例提供的磁浮平面电机通过采用具有斜向充磁方向的磁钢块，将不同充磁方向的磁钢块固定组合成为不同的磁钢组，进而将各磁钢组和磁钢块固定组合成为磁钢阵列200，磁钢阵列200中的磁钢块提供了不同种充磁方向，形成了一个具有良好正弦分布的交变磁场，大大提高了推力常数，从而有效的降低了磁浮平面电机的工作电流，缓解了发热对超精密定位带来的影响。

所述第一类磁钢块和第二类磁钢块等高（沿第三方向而言），且第二类磁钢块与所述第一类磁钢组、第二类磁钢组的连接边的长度与所述第一类磁钢组和第二类磁钢组的边长相同。本实施例中，第二类磁钢块的长方形横截面的长边长度（沿第二方向而言）是第一类磁钢块的正方形横截面的边长的两倍，第二类磁钢块的长方形横截面的长边与磁钢组正方形横截面的边连接。

请参考图2和图3，在本实施例中，第一类磁钢组300内的第一磁钢块301、第二磁钢块302、第三磁钢块303，第四磁钢块304均为横截面为正方形的长方体，即为第一类磁钢块，其以2*2的方式分布，并绕第三方向排列。第九磁钢块501、第十磁钢块502、第十一磁钢块503、第十二磁钢块504均为横截面为长方形的长方体，即为第二类磁钢块，所述长方形包括长边701和短边702，四个第二类磁钢块其分别设在第一类磁钢组300的四个侧面的外侧，所述长方形横截面的长边701为第一类磁钢块的正方形横截面边长的两倍，长边701与第一类磁钢组300的正方形横截面的边等长，且互相连接。

如图2所示，在本实施例中，第二类磁钢组400与周边的第一类磁钢组300共用第九磁钢块501、第十磁钢块502、第十一磁钢块503和第十二磁钢块504。

请参考图3，在本实施例中，所述第一类磁钢组300由具有第一充磁方向的第一磁钢块301、具有第二充磁方向的第二磁钢块302、具有第三充磁方向的第三磁钢块303以及具有第四充磁方向的第四磁钢块304绕第三方向逆时针排列组成，所述第一充磁方向平行于所在磁钢块和磁钢组的两个端面对角线的对接面600且和第三方向的夹角大于0度小于90度，所述第二充磁方向、第三充磁方向和第四充磁方向由所述第一充磁方向绕第三方向旋转得到，所述第一至第四充磁方向绕第三方向均匀分布。

所述第二类磁钢组400由具有第五充磁方向的第五磁钢块401、具有第六充磁方向的第六磁钢块402、具有第七充磁方向的第七磁钢块403以及具有第八充磁方向的第八磁钢块404绕第三方向逆时针排列组成，所述第五至第八充磁方向分别与所述第一至第四充磁方向相反。

位于所述第一类磁钢组300四个侧面外侧的四块第二类磁钢块的充磁方向平行于第一方向或平行于第二方向，指向第一类磁钢组300

位于所述第二类磁钢组400四个侧面外侧的四块第二类磁钢块的充磁方向平行于第一方向或平行于第二方向，指向与该第二类磁钢块相邻的第一类磁钢组300。

请参考图3，在本实施例中，所述位于所述第一类磁钢组300四个侧面外侧的四块第二类磁钢块，分别是第九磁钢块501、第十磁钢块502、第十一磁钢块503、第十二磁钢块504。位于所述第二类磁钢组400四个侧面外侧的四块第二类磁钢块，也分别是第九磁钢块501、第十磁钢块502、第十一磁钢块503、第十二磁钢块504。其中第九磁钢块501、第十磁钢块502、第十一磁钢块503、第十二磁钢块504的充磁方向均指向第一类磁钢组300的中心，即分别为沿着如图3所示的第一方向的正向，第二方向的正向，第一方向的负向和第二方向的负向。而相对第二类磁钢组400而言，第二类磁钢组400四个侧面外侧的第二类磁钢块的充磁方向分别远离第二类磁钢组400的中心，也就是说，第二类磁钢组400四个侧面外侧的第二类磁钢块的充磁方向分别指向相邻的第一类磁钢组300的中心，如图3所示的第一类磁钢组300与第二类磁钢组400共用第十一磁钢块503，即第十一磁钢块503相邻的磁钢组仅仅包括如图所示的第一类磁钢组300和第二类磁钢组400，其充磁方向指向第十一磁钢块503相邻的第一类磁钢组300的中心，即如图3所示与第十一磁钢块503相邻的唯一的第一类磁钢组300的中心。

在本实施例中，所述磁钢阵列200为磁浮平面电机的定子部分，所述线圈绕组单元100为磁浮平面电机的动子部分。在工作过程中，磁钢阵列200静止不动，线圈绕组单元100整体由于安培力作用发生转动。请参考图1，在本实施例中，动子部分仅仅由一个线圈绕组单元110组成，其仅仅为本发明一优选的实施例，其也可由多个线圈绕组单元组成。

实施例2

本实施例与实施例的差别仅仅在于：如图4所示，若干所述线圈绕组单元100分别沿第一发力体101和第二发力体102的线圈分布方向，即第一方向和第二方向拓展形成为磁浮平面电机的定子部分，所述磁钢阵列200为磁浮平面电机的动子部分。在工作过程中，线圈绕组单元100静止不动，磁钢阵列200整体由于安培力的作用发生转动。

综上所述，本发明通过采用具有斜向充磁方向的磁钢块，将不同充磁方向的磁钢块固定组合成为不同的磁钢组，进而将各磁钢组和磁钢块固定组合成为磁钢阵列，磁钢阵列中的磁钢块提供了12种充磁方向，将电机的伺服运动自由度提高为6，形成了一个具有良好正弦分布的交变磁场，大大提高了推力常数，从而有效的降低了磁浮平面电机的工作电流，缓解了发热对超精密定位带来的影响。

Claims (8)

1.一种磁浮平面电机，包括线圈绕组单元和磁钢阵列，所述线圈绕组单元通电后相对于磁钢阵列沿平行于所述磁钢阵列所在平面且相互垂直的第一方向和第二方向运动，其特征在于：所述磁钢阵列由第一类磁钢组和第二类磁钢组分别沿第一方向和第二方向间隔排列而成，所述第一类磁钢组和第二类磁钢组分别由四个相同尺寸规格的横截面呈正方形的具有斜向充磁方向的第一类磁钢块绕垂直于第一方向和第二方向的第三方向排列组成，所述第一类磁钢组和第二类磁钢组的横截面分别呈正方形，各相邻第一类磁钢组和第二类磁钢组之间分别设有一个横截面呈长方形的第二类磁钢块，所述第二类磁钢块的充磁方向为指向第一类磁钢组或第二类磁钢组。

2.如权利要求1所述的磁浮平面电机，其特征在于：所述第一类磁钢块和第二类磁钢块等高，且第二类磁钢块与所述第一类磁钢组、第二类磁钢组的连接边的长度与所述第一类磁钢组和第二类磁钢组的边长相同。

3.如权利要求2所述的磁浮平面电机，其特征在于：所述第一类磁钢组由具有第一充磁方向的第一磁钢块、具有第二充磁方向的第二磁钢块、具有第三充磁方向的第三磁钢块以及具有第四充磁方向的第四磁钢块绕第三方向逆时针排列组成，所述第一充磁方向平行于所在磁钢块和磁钢组的两个端面的对角线的对接面且和第三方向的夹角大于0度且小于90度，所述第二充磁方向、第三充磁方向和第四充磁方向由所述第一充磁方向绕第三方向旋转得到，所述第一至第四充磁方向绕第三方向均匀分布。

4.如权利要求3所述的磁浮平面电机，其特征在于：所述第二类磁钢组由具有第五充磁方向的第五磁钢块、具有第六充磁方向的第六磁钢块、具有第七充磁方向的第七磁钢块以及具有第八充磁方向的第八磁钢块绕第三方向逆时针排列组成，所述第五至第八充磁方向分别与所述第一至第四充磁方向相反。

5.如权利要求4所述的磁浮平面电机，其特征在于：位于所述第一类磁钢组四个侧面外侧的四块第二类磁钢块的充磁方向平行于第一方向或平行于第二方向，并指向第一类磁钢组。

6.如权利要求1所述的磁浮平面电机，其特征在于：所述线圈绕组单元包括以2*2矩阵阵列形式排列的四个发力体，每个发力体由若干个沿同一方向平行排布的线圈组成，其中相邻两个发力体的线圈分别对应沿第一方向、第二方向排布。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的磁浮平面电机，其特征在于：所述磁钢阵列为磁浮平面电机的定子部分，所述线圈绕组单元为磁浮平面电机的动子部分。

8.如权利要求1-6中任意一项所述的磁浮平面电机，其特征在于：若干所述线圈绕组单元分别沿第一方向和第二方向拓展形成磁浮平面电机的定子部分，所述磁钢阵列为磁浮平面电机的动子部分。

Images