CN114598119B

CN114598119B - 一种磁阻式二维扫描运动装置

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Publication number: CN114598119B
Application number: CN202210154347.6A
Authority: CN
Inventors: 徐云浪; 苏新艺; 郭亮; 杨晓峰
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2022-02-21
Filing date: 2022-02-21
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2042-02-21
Also published as: CN114598119A

Abstract

本发明公开了一种磁阻式二维扫描运动装置。其包括第一运动框架和第二运动框架，两个运动框架均包括动子、定子、多个线圈和导向及负刚度补偿机构，其中定子包含多种导磁体，动子包含多个导磁体和若干磁钢，磁钢设在动子的两个导磁体之间，线圈绕在动子或定子的导磁体上，定子的导磁体分布在动子的导磁体两侧，同时定子和动子的导磁体之间存在气隙并形成闭合路径；工作时在磁钢形成的偏置磁场和线圈通入电流形成的变化磁场的共同作用下，两个运动框架分别产生沿相互垂直两个坐标正/负方向的运动。本发明的装置能够通过双向的磁阻力的控制以实现二维扫描运动，同时其采用导向及负刚度补偿机构，提高了装置的稳定性。

Description

一种磁阻式二维扫描运动装置

技术领域

本发明涉及纳米加工技术领域，尤其涉及一种磁阻式二维扫描运动装置。

背景技术

高精度的扫描运动装置是实现纳米级精度加工的关键部件，包括原子力显微镜、3D 打印、机床加工在内的诸多装备都需要扫描运动装置作为支撑。而加工精度的不断提高也对扫描运动装置提出了更高的要求，通常需要其在较小的体积下实现更高的精度。现如今，以音圈电机为代表的线性执行器部件已广泛应用于高精度的扫描运动中，但由于其出力密度小，难以做到更小的体积。

与音圈电机相比，磁阻电机具有更大的出力密度和推力常数，在同样的出力要求下可以做到更小的体积和更小的功耗，从而可以解决上述问题，并且可以更容易的集成到整机装备中。但是，传统的磁阻电机可以看作一种电磁铁，只能实现单个方向的出力(吸力)，而且具有很强的非线性和负刚度，控制难度较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种磁阻式二维扫描运动装置；其采用差分式的混合磁阻电机实现双向的出力和相对更好的线性度以实现二维运动，采用柔性结构、磁弹簧、气弹簧等方式对其负刚度进行导向和负刚度补偿，提高装置的长时间运动稳定性。

本发明的技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种磁阻式二维扫描运动装置，其包括基座、第一运动框架和第二运动框架；所述第一运动框架包括第一动子、第一定子、多个第一线圈以及多个第一导向及负刚度补偿机构，第二运动框架包括第二动子、第二定子、多个第二线圈以及多个第二导向及负刚度补偿机构；所述第二定子固定在基座上，第二动子通过多个第二导向及负刚度补偿机构与第二定子和/或基座相连，第一定子固定在第二动子上，第一动子通过多个第一导向及负刚度补偿机构与第一定子和/或第二动子相连，工作时第一动子用于实现相对于基座的沿第一坐标、第二坐标正/负方向的二维扫描运动；其中：

所述第一定子包括多个第一导磁体，所述第一动子包括多个第二导磁体和若干第一磁钢，第一导磁体和多第二导磁体之间存在多个第一气隙，第一磁钢位于两个第二导磁体之间，第一磁钢形成第一偏置磁场，并在多个第一导磁体和多个第二导磁体中分别形成闭合的第一磁路和第二磁路，第一磁路和第二磁路绕向相反；第一线圈绕在第一导磁体和/或第二导磁体上，第一线圈的安装使得其通电后产生第一变化磁场，并在多个第一导磁体和多个第二导磁体中形成闭合的不被第一磁钢阻断的经过多个第一气隙的第三磁路，第三磁路与第一磁路或者第二磁路绕向相同；在第一偏置磁场和第一变化磁场的共同作用下，第一动子在多个第一气隙中受到沿第一坐标正/负方向的磁阻力，形成沿第一坐标正/负方向的合力，使得第一动子产生沿第一坐标正/负方向的位移；

所述第二定子包括多个第三导磁体，所述第二动子包括多个第四导磁体和若干第二磁钢，第三导磁体和第四导磁体间存在多个第二气隙，第二磁钢位于两个第四导磁体之间，第二磁钢形成第二偏置磁场，并在多个第三导磁体和多个第四导磁体中分别形成闭合的第四磁路和第五磁路，第四磁路和第五磁路绕向相反；第二线圈绕在第三导磁体和/或第四导磁体上，第二线圈的安装使得其通电后产生第二变化磁场，并在多个第三导磁体和多个第四导磁体中形成闭合的不被第二磁钢阻断的经过多个第二气隙的第六磁路，第六磁路与第四磁路或者第五磁路绕向相同；在第二偏置磁场和第二变化磁场的共同作用下，第二动子在多个第二气隙中受到沿第二坐标正/负方向的磁阻力，形成沿第二坐标正/负方向的合力，使得第二动子产生沿第二坐标正/负方向的位移。

本发明中，多个第一导向及负刚度补偿机构的作用包括两方面：一是实现对第一动子沿第一坐标正/负方向运动的导向，即对第一动子在第一坐标方向之外的其他方向的自由度进行约束；二是对第一运动框架中存在的负刚度进行补偿，防止其出现不稳定的情况。

本发明中，多个第二导向及负刚度补偿机构的作用包括两方面：一是实现对第二动子沿第二坐标正/负方向运动的导向，即对第二动子在第二坐标方向之外的其他方向的自由度进行约束；二是对第二运动框架中存在的负刚度进行补偿，防止其出现不稳定的情况。

本发明中，第一导向及负刚度补偿机构、第二导向及负刚度补偿机构独立的采用柔性结构、磁弹簧、气弹簧、机械导轨结构中的一种或多种组合实现。

本发明中，将第一动子固定作为第一运动框架的定子，将第一定子解除固定作为第一运动框架的动子。

本发明中，将第二动子固定作为第二运动框架的定子，将第二定子解除固定作为第二运动框架的动子。

本发明中，第一导磁体的截面积和第二导磁体的截面积相等；第三导磁体的截面积和第四导磁体的截面积相等。

本发明中，第一导磁体、第二导磁体、第三导磁体、第四导磁体分别独立的为两个以上，第一磁钢、第二磁钢分别独立的为一个以上，第一线圈、第二线圈分别独立的为一个以上。

本发明中，还包括功率放大器和传感器，功率放大器用于向第一线圈、第二线圈通入电流，传感器用于测量第一动子的位置。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明装置将混合磁阻电机用于二维扫描，与现有二维扫描装置想比，本装置在同样的出力要求下可以做到更小的体积和更小的功耗；本发明对混合磁阻电机的负刚度进行了补偿，降低了其控制难度，从而更容易实现高精密的运动；同时本发明装置结构简单、灵活，具有高稳定性，能够更好的进行***集成。

附图说明

图1是本发明提供的一个具体实施例1的整体结构示意图。

图2是对应图1中第一运动框架1的结构示意图。

图3是对应图1中第二运动框架2的结构示意图。

图4是本发明提供的一个具体实施例的结构示意图。

图5是本发明提供的一个具体实施例的结构示意图。

图6是本发明提供的一个具体实施例的结构示意图。

图中标号：1-第一运动框架，11，12-第一定子，111，113，121，123-第一线圈，112，122-第一导磁体，13-第一动子，131，133-第二导磁体，132-第一磁钢，141-第一磁路， 142-第三磁路，143-第二磁路，151，152，153，154-第一气隙，161，162-第一导向及负刚度补偿机构，2-第二运动框架，21，22-第二定子，212，222-第三导磁体，211，213，221， 223-第二线圈，23-第二动子，232，233-第四导磁体，231，234-第二磁钢，241-第四磁路， 242-第六磁路，243-第五磁路，251，252，253，254-第二气隙，261，262，263，264-第二导向及负刚度补偿机构，281，282-导轨，283，284-磁弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、“里”、“外”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本发明提供的一个具体实施例1如图1-图3所示，该装置包括第一运动框架1和第二运动框架2。第一运动框架1包括第一动子13、第一定子11、12和两个第一导向及负刚度补偿机构161和162；第二运动框架2包括第二动子23、第二定子21、22和四个第二导向及负刚度补偿机构261、262、263和264。

第二定子21、22固定在基座上，第二动子23与第二定子21、22和/或基座通过四个第二导向及负刚度补偿机构261、262、263和264相连，并可以相对于第二定子21、22 (基座)进行沿x轴方向的运动；第一定子11、12固定在第二动子23上，第一动子13 与第一定子11、12和/或第二动子23通过两个第一导向及负刚度补偿机构161、162相连，并可以相对于第一定子11、12(第二动子23)进行沿y轴方向的运动。所以，第一动子可以实现相对于基座的沿x、y方向的二维扫描运动。

可选的，第一导向及负刚度补偿机构161和162分别由多个(图示为两个)与z轴x轴所定义平面相平行的弹片组成；可选的，第二导向及负刚度补偿机构261、262、263和 264分别由多个(图示为两个)与z轴y轴所定义平面相平行的弹片组成。

如图2所示，第一定子11、12，11包括一个第一导磁体112和两个第一线圈111、113，12包括一个第一导磁体122和两个第一线圈121、123；第一动子13包括两个第二导磁体 131和133，以及一个第一磁钢132，第一磁钢132设置在两个第二导磁体131和133之间第一导磁体112、122分布在第二导磁体131、133的两侧，第一导磁体112、122和第二导磁体131、133直接存在第一气隙151、152、153和154。优选的，第一导磁体112、122 和第二导磁体131、133具有相同的截面积。

可选的，第一磁钢132的充磁方向沿x轴的负方向，产生第一偏置磁场，并在第一导磁体112、122和第二导磁体131、133中形成绕向相反且各自闭合的第一磁路141和第二磁路143。

第一线圈111、113、121和123通入正向电流I1+后，在第一导磁体112、122和第二导磁体131、133中形成第一变化磁场，并在第一导磁体112、122和第二导磁体131、133 中形成闭合的第三磁路142。此时，第一磁路141和第三磁路142方向相反，第二磁路143 和第三磁路142方向相同。在第一气隙151、152、153和154中，第一动子13由于第一偏置磁场和第一变化磁场的作用，受到的第一磁阻力分别为F₁₁、F₁₂、F₁₃和F₁₄。

磁阻力的公式为

其中，A为导磁体的截面积，μ₀为真空磁导率，Φ为气隙中的总磁通。进而，第一磁阻力 F₁₁、F₁₂、F₁₃和F₁₄可以表示为

其中，Φ₁₄₁、Φ₁₄₃和Φ₁₄₂分别为第一磁路141、第二磁路143和第三磁路142中流过的磁通，A₁为第一导磁体112、122和第二导磁体131、133的截面积，优选的，采用对称结构，Φ₁₄₁＝Φ₁₄₃。所以，第一动子13受到的第一合力F₁可表示为

此时，第一动子13受到的第一合力F₁沿y轴正向。

此外，第一线圈111、113、121和123通入与图示相反的反向电流I1-后，在第一导磁体112、122和第二导磁体131、133中形成与图示方向相反的第三磁路142。此时，第一磁路141和第三磁路142方向相同，第二磁路143和第三磁路142方向相反。类似的，第一动子13受到的第一合力F₁为

此时，第一动子13受到的第一合力F₁沿y轴负向。

所以，在第一磁钢132产生的第一偏置磁场下，可以通过调节第一线圈111、113、121 和123中所通电流的大小和方向来控制第一动子13所受第一合力F₁的大小和方向，进而实现对第一动子13沿y轴方向的运动控制。

值得注意的是，第一磁钢132的充磁方向也可以沿x轴正向，在第一导磁体112、122和第二导磁体131、133中形成与图示方向相反的第一磁路141和第二磁路143。此时，当第一线圈111、113、121和123中通入正向电流I1+时，第一动子13所受第一合力F₁沿y 轴负向；当第一线圈111、113、121和123中通入反向电流I1-时，第一动子13所受第一合力F₁沿y轴正向。

还应注意的是，可将第一动子13作为定子，相应的，第一定子11、12作为动子，其出力方式及原理与之前所述类似，因此不做赘述。

如图3所示，第二定子21、22，其中，21包括一个第三导磁体212和两个第二线圈211、213，22包括一个第三导磁体222和两个第二线圈221、223；第二动子23包括两个第四导磁体232和233，以及两个第二磁钢231和234，第二磁钢231和234设置在两个第四导磁体232和233之间，第三导磁体212、222分布在第四导磁体232、233的两侧，第三导磁体212和第四导磁体232和233之间存在第二气隙251、252、253和254，优选的，第三导磁体212、222和第四导磁体232、233具有相同的截面积。

第二磁钢231和234形成第二偏置磁场，可选的，第二磁钢231的充磁方向沿y轴的正方向，在第三导磁体212、第四导磁体232和233中形成闭合的第四磁路241；同时，第二磁钢234的充磁方向也沿y轴的正方向，在第三导磁体222、第四导磁体232和233 中形成闭合的第五磁路243。

第二线圈211、213、221和223通入正向电流I2+后形成第二变化磁场，并在第三导磁体212、222和第四导磁体232、233中形成闭合的第六磁路242。此时，第四磁路241 和第六磁路242方向相反，第五磁路243和第六磁路242方向相同。由于第二偏置磁场和第二变化磁场的作用，第二动子23在第二气隙251、252、253和254中分别受到第二磁阻力F₂₁、F₂₂、F₂₃和F₂₄。第二磁阻力F₂₁、F₂₂、F₂₃和F₂₄可以表示为

其中，Φ₂₄₁、Φ₂₄₃和Φ₂₄₂分别为第四磁路241、第五磁路243和第六磁路242中流过的磁通，A₂为第三导磁体212、222和第四导磁体232、233的截面积。优选的，第一磁钢231 和234相同，并采用对称的结构，即Φ₂₄₁＝Φ₂₄₃。所以，第二动子23受到的第二合力F₂为

此时，第二动子23受到的第二合力F₂沿x轴正向。

此外，第二线圈211、213、221和223通入与图示相反的反向电流I2-后，在第三导磁体212、222和第四导磁体232、233中形成与图示方向相反的第六磁路242。此时，第四磁路241和第六磁路242绕向相同，第五磁路243和第六磁路242绕向相反。类似的，第二动子23受到的第二合力F₂为

此时，第二动子23受到的第二合力F₂沿x轴负向。

所以，在第二磁钢231、234产生的第二偏置磁场下，可以通过调节第二线圈211、213、 221和223中所通电流的大小和方向来控制第二动子23所受第二合力F₂的大小和方向，进而实现对第二动子23沿x轴方向的运动控制。

值得注意的是，第二磁钢231的充磁方向可以沿y轴负方向，在第三导磁体212、第四导磁体232和233中形成与图示相反的第四磁路241；相应的，第二磁钢234充磁方向也沿y轴负向，在第三导磁体222、第四导磁体232和233中形成与图示相反的第五磁路 243。此时，当第二线圈211、213、221和223通入正向电流I2+时，第二动子23所受第二合力F₂沿x轴负向；当线圈211、213、221和223通入反向电流I2-时，第二动子23所受第二合力F₂沿x轴正向。

还应注意的是，可将第二动子23作为定子，相应的，第二定子21、22作为动子，其出力方式与之前所述类似，因此不做赘述。

应当说明的是，上述实施例仅作为所提方案的一个示例，而并非限制。上述多个第一、第二、第三、第四导磁体也可为其他数量或分别由多个拼接而成；上述第一、第二磁钢也可采用更多或分别由多个磁体拼接而成；第一、第二线圈也可为其他数量；第一、第二导向及负刚度补偿机构也可为其他数量和位置。

本发明提供的另一个具体实施例如图4所示，采用导轨281、282和磁弹簧281、282、283、284作为第二导向及负刚度补偿机构。本实施例表明，所提出的技术方案没有限制所用的导向机构和负刚度补偿结构，机械结构、磁浮结构、气浮结构等均可以使用。由于采用其他导向或负刚度补偿结构的而产生的其他结构方案仍然在本发明的权利范围内。

本发明还提供一种具体实施例如图5所示，将第一运动框架1中的第一线圈111、113、 121、123安装在第一动子13中，将第二运动框架2中的多个第二线圈211、213、221、223集成在第二动子23中，其出力与第一实施例中相同。第一线圈111、113、121、123的安装要使其通电后能够在第一框架的导磁体中形成闭合的磁路，而不被第一磁钢阻断，且所形成的磁路需要经过第一动子和第一定子间的多个气隙；同样的，第二线圈的安装要使其通电后能够在第二框架的导磁体中形成闭合的磁路，而不被第二磁钢阻断，且所形成的磁路需要经过第二动子和第二定子间的多个气隙。本实施例表明，所提技术方案对线圈的位置没有具体约束，由于第一、第二线圈数量和位置不同而产生的其他结构方案仍然在本发明的权利范围内。

本发明还提供一种具体实施例如图6所示，改变第二动子23中导磁体的结构，仍旧能形成闭合的磁路，其出力结构与图2实施例相同。本实施例表明，所提技术方案对导磁体的结构也不作限制，只要能形成闭合的磁路即可。本发明多个实施例中所给出的多个第一、第二、第三、第四导磁体结构仅为示例，而并非限制，在实际应用中可根据不同的应用场景对多个第一、第二、第三、第四导磁体的结构加以调整，而由此产生的其他结构方案也均在本发明的权利范围内。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种磁阻式二维扫描运动装置，其特征在于，其包括基座、第一运动框架和第二运动

框架；所述第一运动框架包括第一动子、第一定子、多个第一线圈以及多个第一导向及负刚度补偿机构，第二运动框架包括第二动子、第二定子、多个第二线圈以及多个第二导向及负刚度补偿机构；所述第二定子固定在基座上，第二动子通过多个第二导向及负刚度补偿机构与第二定子和/或基座相连，第一定子固定在第二动子上，第一动子通过多个第一导向及负刚度补偿机构与第一定子和/或第二动子相连，工作时第一动子用于实现相对于基座的沿第一坐标、第二坐标正/负方向的二维扫描运动；其中：

2.根据权利要求1所述的二维扫描运动装置，其特征在于，第一导向及负刚度补偿机构、

第二导向及负刚度补偿机构独立的采用柔性结构、磁弹簧、气弹簧、机械导轨结构中的一种或多种组合实现。

3.根据权利要求1所述的二维扫描运动装置，其特征在于，将第一动子固定作为第一运

动框架的定子，将第一定子解除固定作为第一运动框架的动子。

4.根据权利要求1所述的二维扫描运动装置，其特征在于，将第二动子固定作为第二运

动框架的定子，将第二定子解除固定作为第二运动框架的动子。

5.根据权利要求1所述的二维扫描运动装置，其特征在于，第一导磁体的截面积和第二导磁体的截面积相等；第三导磁体的截面积和第四导磁体的截面积相等。

6.根据权利要求1所述的二维扫描运动装置，其特征在于，还包括功率放大器和传感器，功率放大器用于向第一线圈、第二线圈通入电流，传感器用于测量第一动子的位置。