CN116961356B - 一种可提供动子z向浮力的长行程运动电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种可提供动子Z向浮力的长行程运动电机，包括基座、线圈组件和永磁体组件；线圈组件位于基座上并与基座固定连接；永磁体组件包括双层磁体阵列和连接于双层磁体阵列外端的磁体轭板，双层磁体阵列从上至下依次为永磁主阵列和永磁辅阵列，线圈组件位于永磁主阵列与永磁辅阵列之间。永磁主阵列内相邻永磁体的充磁方向相垂直、永磁辅阵列内相邻永磁体的充磁方向相垂直，永磁主阵列内永磁体的充磁方向与永磁辅阵列内永磁体的充磁方向沿水平方向错开设置。本发明中的电机具有长行程、强浮力、控制简易和定位精度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种可提供动子Z向浮力的长行程运动电机。
背景技术
随着现代制造业的发展，超精密加工技术的尺寸精度已经达到了纳米级。超精密运动平台由于具有超精密定位和精确运动的特点，在微纳加工领域得到了越来越广泛的应用。其中，带Z向悬浮力运动电机是超精密运动平台最主要的部件，其利用电磁力使动子处于漂浮状态，带Z向悬浮力的运动电机具有如下优点：1）***结构紧凑，机械部件简单，从而具有更高的自然频率和更高的可靠性；2）带Z向悬浮力运动电机的动子具有大范围平面定位能力，还能在小范围内进行旋转运动，为精密加工补偿以及光学***聚焦提供了实现手段；3）带Z向悬浮力运动运动电机无需润滑没有磨损，同时由于采用非气浮的方式，因而适应加工过程中的超净与真空环境要求。
带Z向悬浮力运动电机作为超精密运动平台的主要组成部分，其性能决定了平台的定位精度与精密加工性能。目前，带Z向悬浮力运动电机的结构形式主要有动圈式和动磁式两种，可以满足不同需求的加工应用场景。
现有技术中，中国专利公布号为CN101752983A，公布日为2010年06月23日，专利名称为“长行程高精度多自由度平面电机”的发明专利申请，该专利中的电机包括一个长行程电机的定子，多个长行程电机的动子和多个短行程多自由度电机，每个长行程电机的动子上固定有一个短行程的多自由度漂浮电机，它可以使动子的行程不受限制，通过控制长行程平面电机的电枢绕组中的电流，控制作用于长行程电机动子上的电磁力，使动子产生平面方向的运动，且行程不受限制，可高速运动，通过控制短行程平面电机各个线圈电流的大小和方向，可以实现短行程的高精度六自由度运动控制。
但上述现有技术虽然可以实现长行程高精度运动，但是需要两种电机结构叠加，结构较复杂，对应用场景的要求严苛，为了满足性能要求，会导致结构设计复杂性高，造成电机这种强非线性***的控制复杂。
综上所述，鉴于上述设计方案的缺陷及实际应用需求，如何设计一种结构简单，行程不受限制、控制简单及定位精度高的可提供动子Z向浮力的长行程运动电机，是当下亟需解决的问题。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种可提供动子Z向浮力的长行程运动电机，本发明中所设计的电机结构设计简易，解决了现有电机存在动子的行程有限、浮力有限、控制复杂以及定位精度低等问题。
为达到上述目的，本发明提出如下技术方案：一种可提供动子Z向浮力的长行程运动电机，包括基座、线圈组件和永磁体组件；线圈组件位于基座上并与基座固定连接；永磁体组件包括双层磁体阵列和连接于双层磁体阵列外端的磁体轭板，双层磁体阵列从上至下依次为永磁主阵列和永磁辅阵列，线圈组件位于永磁主阵列与永磁辅阵列之间；永磁主阵列内相邻永磁体的充磁方向不同、永磁辅阵列内相邻永磁体的充磁方向不同，永磁主阵列内的永磁体与永磁辅阵列内的永磁体之间存在位移差。
进一步地，永磁主阵列内相邻永磁体的充磁方向相垂直，永磁辅阵列内相邻永磁体的充磁方向相垂直。
进一步地，永磁主阵列内的永磁体与永磁辅阵列内的永磁体在垂向上非对称设置，永磁主阵列内永磁体的充磁方向与永磁辅阵列内永磁体的充磁方向沿水平方向错开设置。
进一步地，磁体轭板包括分别位于线圈组件两侧的上轭板和下轭板，永磁主阵列和永磁辅阵列相对安装并分别固定于上轭板和下轭板的内壁上；下轭板位于基座上方。
进一步地，永磁体组件为沿水平方向均布的两组，两组永磁体组件中的上轭板通过连接台相连接，两个上轭板及连接台整体呈工字形结构且连接台与两个上轭板共同形成载物台。
进一步地，永磁体组件为沿水平方向均布的两组，两个上轭板上端设有工字型结构的载物台。
进一步地，线圈组件包括条形线圈和线圈轭板，条形线圈位于线圈轭板内，线圈轭板与基座固定连接。
进一步地，条形线圈灌胶封装于线圈轭板内，条形线圈采用漆包线结构。
进一步地，两组永磁体组件处的线圈组件为一体式结构使得线圈组件为长跨度高刚度结构。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
1、本发明采用双层永磁体阵列和长跨度高刚度的线圈组件，可以实现长行程运动。
2、本发明的双层永磁体组件内部采用存在位移差的磁体阵列，在不改变运动方向浮力的前提下，增强了电磁力，提高了***的定位精度。
3、本发明中载物台与两个的永磁体组件固连，通过两个永磁体组件的多自由度运动补偿承载物体的位置和姿态。
4、本发明中基座与线圈组件固连作为平面电机定子，可保证长行程定子的刚度；同时线圈组件中的线圈灌胶封装于线圈轭板中，线圈采用漆包线可绕制成任意需要的形状，具有良好的扩展性以应对各种工作环境需求。
附图说明
图1是根据本发明实施例一提供的长行程运动电机的俯视图；
图2是图1中A-A方向的剖视图；
图3是根据本发明实施例提供的永磁主阵列和永磁体辅阵列中充磁方向的示意图；
图4是根据本发明实施例二提供的长行程运动电机的轴测图（局部示出了条形线圈）。
附图标记：基座1、线圈组件2、条形线圈2-1、线圈轭板2-2、永磁体组件3、永磁主阵列3-1、永磁辅阵列3-2、磁体轭板3-3、载物台4、上轭板5、下轭板6、连接台7。
具体实施方式
在下文中，将参考附图1-4描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-4及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
一种可提供动子Z向浮力的长行程运动电机，如图1、2所示，包括基座1、线圈组件2和永磁体组件3，线圈组件2位于基座1上并与基座1固定连接，基座1与线圈组件2固连可作为平面电机定子，保证长行程定子的刚度。永磁体组件3包括双层磁体阵列和连接于双层磁体阵列外端的磁体轭板3-3。
如图2、3所示，双层磁体阵列从上至下依次为永磁主阵列3-1和永磁辅阵列3-2，线圈组件2位于永磁主阵列3-1与永磁辅阵列3-2之间。永磁主阵列3-1内相邻永磁体的充磁方向不同、永磁辅阵列3-2内相邻永磁体的充磁方向不同，永磁主阵列3-1内的永磁体与永磁辅阵列3-2内的永磁体之间存在位移差。如图3中S1所示，永磁主阵列3-1内相邻永磁体的充磁方向相垂直，充磁方向相差90°，如图3中S4所示，永磁辅阵列3-2内相邻永磁体的充磁方向相垂直，充磁方向相差90°。如图3中S2和S3所示，永磁主阵列3-1内的永磁体与永磁辅阵列3-2内的永磁体在垂向上非对称设置，永磁主阵列3-1内永磁体的充磁方向与永磁辅阵列3-2内永磁体的充磁方向沿水平方向错开设置。双层磁体组件内部采用存在位移差的磁体阵列在不改变运动方向浮力的前提下，增强了电磁力，提高了***的定位精度。
如图2所示，磁体轭板3-3包括分别位于线圈组件2两侧的上轭板5和下轭板6，永磁主阵列3-1和永磁辅阵列3-2相对安装并分别固定于上轭板5和下轭板6的内壁上，下轭板6位于基座1上方。
永磁体组件3为沿水平方向均布的两组，两个上轭板5上端设有工字型结构的载物台4，通过两组永磁体组件3的多自由度运动补偿载物台4承载物体的位置和姿态。两组永磁体组件3处的线圈组件2为一体式结构使得线圈组件2为长跨度高刚度结构，由双层永磁体阵列和长跨度的线圈组件2组成了本发明中的动磁式悬浮电机结构，可实现Z向悬浮状态长行程运动。
线圈组件2包括条形线圈2-1和线圈轭板2-2，线圈轭板2-2可保证线圈组件2的整体刚度。条形线圈2-1位于线圈轭板2-2内，线圈轭板2-2与基座1固定连接。条形线圈2-1灌胶封装于线圈轭板2-2内，条形线圈2-1采用漆包线结构，可以绕制成任意需要的形状。
如图3所示，当条形线圈2-1通电时，永磁体组件3（包括永磁主阵列3-1、永磁辅阵列3-2和磁体轭板3-3，其中磁体轭板3-3包括上轭板5和下轭板6）整体漂浮，使得永磁主阵列3-1及永磁辅阵列3-2与线圈轭板2-2之间形成M处所示的间隙，且通电时M处所示的间隙一直存在，即通电时永磁主阵列3-1及永磁辅阵列3-2与线圈轭板2-2不接触，同时，通电时下轭板6位于基座1上方且与基座1上方包括N处所示的间隙。通电时，永磁体组件3漂浮至合适的高度位置后并基本维持在该位置不再上下浮动，此时永磁体组件3左右浮动。
当条形线圈2-1不通电时，永磁体组件3整体不再漂浮并自然落下，此时永磁主阵列3-1与线圈轭板2-2接触，下轭板6可与基座1接触，也可不与基座1接触。此处基座1只是一个泛指，是一个支撑载体，具体可根据实际情况进行设置。
另外，该长行程运动电机的动子是永磁体组件3及载物台4，定子为线圈组件2，永磁体组件3可以提供X和Z方向的磁场，条形线圈2-1与磁场相互作用可以产生X和Z方向的洛伦磁力，其中X方向的磁场提供Z方向悬浮力，Z方向的磁场提供X方向的驱动力；Z方向的力保证了动子的悬浮状态，可以实现零阻力运动。永磁体组件3在不影响Z方向磁场强度的情况下，增强了X方向的磁场强度，增加了动子悬浮力，本实施例中电机为可提供动子Z向浮力的长行程运动电机。动子的运动范围根据定子的长度决定，在保证定子整体结构刚度的情况下，本实施例中采用了长行程定子布置。
实施例二
如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于，两组永磁体组件3中的上轭板5通过连接台7相连接，两个上轭板5及连接台7整体呈工字形结构且连接台7与两个上轭板5共同形成载物台4。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种可提供动子Z向浮力的长行程运动电机，其特征在于，包括基座（1）、线圈组件（2）和永磁体组件（3）；所述线圈组件（2）位于基座（1）上并与基座（1）固定连接；所述永磁体组件（3）包括双层磁体阵列和连接于双层磁体阵列外端的磁体轭板（3-3），双层磁体阵列从上至下依次为永磁主阵列（3-1）和永磁辅阵列（3-2），所述线圈组件（2）位于永磁主阵列（3-1）与永磁辅阵列（3-2）之间，所述永磁主阵列（3-1）内相邻永磁体的充磁方向不同、永磁辅阵列（3-2）内相邻永磁体的充磁方向不同，所述永磁主阵列（3-1）内相邻永磁体的充磁方向相垂直，永磁辅阵列（3-2）内相邻永磁体的充磁方向相垂直，永磁主阵列（3-1）内永磁体的充磁方向与永磁辅阵列（3-2）内永磁体的充磁方向沿水平方向错开设置；永磁主阵列（3-1）内的永磁体与永磁辅阵列（3-2）内的永磁体之间存在位移差。
2.根据权利要求1所述的可提供动子Z向浮力的长行程运动电机，其特征在于，所述永磁主阵列（3-1）内的永磁体与永磁辅阵列（3-2）内的永磁体在垂向上非对称设置。
3.根据权利要求2所述的可提供动子Z向浮力的长行程运动电机，其特征在于，所述磁体轭板（3-3）包括分别位于线圈组件（2）两侧的上轭板（5）和下轭板（6），永磁主阵列（3-1）和永磁辅阵列（3-2）相对安装并分别固定于上轭板（5）和下轭板（6）的内壁上；所述下轭板（6）位于基座（1）上方。
4.根据权利要求3所述的可提供动子Z向浮力的长行程运动电机，其特征在于，所述永磁体组件（3）为沿水平方向均布的两组，两组永磁体组件（3）中的上轭板（5）通过连接台（7）相连接，两个上轭板（5）及连接台（7）整体呈工字形结构且连接台（7）与两个上轭板（5）共同形成载物台（4）。
5.根据权利要求3所述的可提供动子Z向浮力的长行程运动电机，其特征在于，所述永磁体组件（3）为沿水平方向均布的两组，两个上轭板（5）上端设有工字型结构的载物台（4）。
6.根据权利要求4或5所述的可提供动子Z向浮力的长行程运动电机，其特征在于，所述线圈组件（2）包括条形线圈（2-1）和线圈轭板（2-2），所述条形线圈（2-1）位于线圈轭板（2-2）内，所述线圈轭板（2-2）与基座（1）固定连接。
7.根据权利要求6所述的可提供动子Z向浮力的长行程运动电机，其特征在于，所述条形线圈（2-1）灌胶封装于线圈轭板（2-2）内，条形线圈（2-1）采用漆包线结构。
8.根据权利要求7所述的可提供动子Z向浮力的长行程运动电机，其特征在于，两组永磁体组件（3）处的线圈组件（2）为一体式结构使得线圈组件（2）为长跨度高刚度结构。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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