專利名稱：永磁同步平面電動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種平面電動機，特別是一種永磁同步平面電動機。
背景技術：
傳統(tǒng)的X-Y工作臺在X、Y兩個方向的運動分別由兩個旋轉電動機驅動，由于工作臺的運動為二維的直線運動，而旋轉電動機的運動為旋轉運動，因此，在工作臺與任一旋轉電動機之間必須設置一套旋轉運動到直線運動的轉換機構(一般使用絲桿-螺母機構實現)。這種結構的X-Y工作臺具有成本低廉、驅動力大等優(yōu)點，但是，工作臺中包含的運動轉換機構存在摩擦、側隙、滯后等不利因素，使工作臺的性能(如精度)等指標難以進一步提高。隨著直線電動機技術的發(fā)展，直線電動機在X-Y工作臺中逐步得到應用。其應用方式之一為分別采用兩套直線電動機取代傳統(tǒng)X-Y工作臺中的兩套“旋轉電動機+運動轉換”的機構。由于直線電動機驅動的X-Y工作臺避免了傳統(tǒng)X-Y工作臺中存在的摩擦、側隙、滯后等不利因素，X-Y工作臺在精度等性能指標更容易提高，使得它在光刻機等超精密設備中得到越來越廣泛的應用。但是，直線電動機直接驅動的X-Y工作臺仍然存在某些不足之處，如直線電動機直接驅動的X-Y工作臺仍然未擺脫“運動疊加”的模式，對于底層直線電動機而言，頂層直線電動機與工作臺的總質量是一個很大的“負擔”，這一特點限制了工作臺響應速度的提高。近年來，出現了一種能夠直接將二維驅動力(兩驅動力相互垂直)直接施加于工作臺上的一種平面電動機，它由呈平板狀的一對定子和動子組成。當往定子和動子上的電磁結構施加電能時，動子不僅受到X向電磁推力和Y向電磁推力的作用，產生二維平面運動，而且，還能受到繞Z軸的電磁轉矩的作用，限制動子繞Z軸旋轉的自由度，產生磁導向功能。若將上述平面電動機運用到X-Y工作臺中，則X-Y工作臺不僅具有直接驅動的特點，而且減小了運動部件的慣量，從而為進一步提高工作臺的性能創(chuàng)造了條件。
目前，平面電動機可以劃分為三類，即磁阻型平面電動機、永磁同步型平面電動機和感應型平面電動機，其中，永磁同步型平面電動機具有較好的綜合性能，受到人們的廣泛關注。
永磁同步平面電動機一般由動子和定子兩大部分構成，在動子的底面或定子的頂面上布置有永磁陣列或線圈陣列。目前，國際上已經有多項與永磁同步平面電動機相關的專利獲得保護，但是，它們在推力密度、推力脈動和電磁力耦合等方面，均存在不同程度的局限性。
在美國專利US6097114(申請日1998年8月17日)中，產生兩垂直方向推力的兩組線圈陣列或繞組陣列分別布置于定子底面的不同區(qū)域，兩線圈陣列只能分別占據定子底部的較小部分，從而減小了平面電動機的推力密度；美國專利US6097114(申請日1998年8月17日)和US6144119(申請日1999年6月18日)公開的永磁同步平面電動機，線圈陣列由一系列方形或圓形線圈構成，具有這種特點的線圈陣列無法產生連續(xù)變化的磁場，而只能產生脈動磁場，于是，使平面電動機的推力脈動增大。
目前，為了避免采用笨重的二維直線導軌來限制動子繞Z軸方向的自由度，幾乎所有的平面電動機在產生推力的同時，還能夠產生繞定子質心的電磁轉矩，以使電動機動子在控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)的共同作用下，繞Z軸轉動方向的自由度受到限制，可稱之為磁導向功能。但是，仔細研究目前的技術可以發(fā)現，幾乎所有的包括永磁同步平面電動機在內的具有磁導向功能的平面電動機(如美國專利US6097114，申請日1998年8月17日)，均利用產生推力的線圈陣列來同時產生繞動子質心的電磁轉矩。這種方法使得作用于動子上的推力和電磁轉矩存在很強的耦合，給平面電動機的控制帶來很大的困難，如圖1所示。在圖中顯示的動子基板11上，X向電磁推力(標記13表示)由圖中的X1繞組或永磁和X2繞組或永磁共同產生，但是，這兩套繞組或永磁同時還承擔著產生X方向驅動力的任務，因此，X方向電磁推力與繞質心O的電磁轉矩之間存在很強的耦合。兩Y繞組或永磁產生的沿Y軸方向的電磁推力(標記12表示)，它們始終保持大小相等，方向相同，沿Y軸的兩分量之和共同構成作用于動子上的沿Y軸方向的總推力。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種具有高推力密度、低推力脈動和具有磁導向功能的永磁同步平面電動機。
本發(fā)明的技術方案如下永磁同步平面電動機，包括動子和定子，所述動子和定子上安裝有永磁陣列或線圈陣列，其特征在于在永磁同步平面電動機的動子底面的不同區(qū)域布置有推力繞組和磁導向繞組；所述推力繞組包括X向推力繞組和Y向推力繞組，它們在動子底面的豎直方向上相互重疊，且所述X向推力繞組的任一有效邊與所述Y向推力繞組的任一有效邊之間相互垂直；
所述磁導向繞組包括第一磁導向繞組和第二磁導向繞組，它們分別對稱布置于動子質心的兩側，并且磁導向繞組有效邊與所述X向推力繞組的有效邊或所述Y向推力繞組的有效邊平行。
為了提高永磁同步平面電動機的推力密度，將所述X向推力繞組與所述Y向推力繞組重疊布置；所述X向推力繞組與所述Y向推力繞組的有效邊分別鑲嵌于軟磁材料制成的推力繞組骨架的X線槽和Y線槽中，所述X線槽與所述Y線槽分別沿相互垂直的X方向和Y方向布置。
為了降低推力脈動，本發(fā)明采用使繞組產生連續(xù)變化磁場的思路，具體方法是將所述X向推力繞組和Y相推力繞組分別連接成三相或多相結構，所述X向推力繞組和Y相推力繞組的極距與定子上的永磁陣列的極距相等，所述X向推力繞組和Y相推力繞組中分別通入相差為120°的三相正弦交流電。
為了產生磁導向功能，同時，消除電磁轉矩與電磁推力之間的耦合，本發(fā)明采用設立單獨磁導向繞組的方案。具體方法是所述磁導向繞組對稱布置于定子底面的兩側，且不與推力繞組重疊；所述磁導向繞組的有效邊與X向推力繞組的有效邊或Y向推力繞組的有效邊平行；所述的磁導向繞組纏繞于一非鐵磁材料制成的具有方形截面的骨架體上。
上述技術措施保證了所提出的平面電動機具有高推力密度、低推力脈動特點，并且具有磁導向功能。
圖1是現有技術中電磁推力與電磁轉矩產生示意圖。
圖2是本發(fā)明所述永磁同步平面電動機的結構簡圖。
圖3是本發(fā)明所述永磁同步平面電動機動子的結構簡圖。
圖4是本發(fā)明所述永磁同步平面電動機推力部件的結構簡圖。
圖5是本發(fā)明所述永磁同步平面電動機動子及永磁陣列的一種形式。
圖6是本發(fā)明所述永磁同步平面電動機推力繞組的連接方法。
圖7是本發(fā)明所述永磁同步平面電動機導向部件的結構簡圖。
圖8是本發(fā)明所述永磁同步平面電動機磁導向繞組的連接方法。
圖9是本發(fā)明所述永磁同步平面電動機推力繞組的另外一種連接方法。
具體實施例方式
圖2描述了一種大推力密度，具有連續(xù)變化磁場和磁導向功能的永磁同步平面電動機。圖中永磁同步電動機由動子31和定子32兩部分構成，動子31的底面與定子32的頂面相互平行，且它們之間存在一氣隙。
圖3為圖2中永磁同步平面電動機動子31的結構圖，由圖可知，動子包括動子基體45、X向推力繞組44、Y向推力繞組43、推力繞組骨架42，以及兩套磁導向繞組46和導向繞組骨架47。其中，動子基體45作為直接或間接安裝其他零部件的共同基座，X向推力繞組44、Y向推力繞組43和推力繞組骨架42共同構成推力部件48，推力部件48通過連接件41與定子基體45相連，而兩套磁導向繞組46與導向繞組骨架47分別構成第一導向部件49和第二導向部件50，第一導向部件49和第二導向部件50可通過定位銷和螺釘等定位連接方式與動子基體45相連。
圖4為推力部件48的結構簡圖。在推力部件的推力繞組骨架42的底面上，沿X軸方向和沿Y軸方向，分別加工有一系列相互平行的X線槽51和一系列相互平行的Y線槽52，以分別鑲嵌Y向推力繞組43和X向推力繞組44。由于X向推力繞組44布置于Y向推力繞組43的上方，所以X線槽51比Y線槽52更深(若X向推力繞組44布置于Y向推力繞組43的下方，則，Y線槽52比X線槽51更深)。推力部件48中的推力繞組骨架42以軟磁材料(如硅鋼等)制成，其目的是增加X向推力繞組44和Y向推力繞組43繞組通電后在氣隙中產生的氣隙磁通密度。將上述Y向推力繞組43和X向推力繞組44重疊布置有利于提高永磁同步平面電動機的推力密度。
如圖3所示，第一導向部件49和第二導向部件50對稱安裝于推力部件48的兩側，它們相對于動子軸線對稱。第一導向部件49和第二導向部件50中的導向繞組骨架47所用材料為非鐵磁材料(如鋁等)。
圖5為圖2中永磁同步平面電動機定子的結構圖，由圖5可知，本發(fā)明所述永磁同步平面電動機的定子包括定子基體62和永磁陣列61，其中，永磁陣列61由一系列的具有邊長為p的正方形截面的永磁體排列而成，所有永磁體通過粘結劑(如環(huán)氧樹脂等)固定在定子基體62上。永磁陣列61中，各永磁體的排列特點為沿X軸或沿Y軸的每一行中的各永磁體具有相同的磁化方向，且各永磁體之間留有寬度為p的間隔空間，同時，沿X軸或沿Y軸的任意相鄰兩行中心線之間的間隔為p。可見，所述永磁陣列61的極距為2×p。
上述鑲嵌于推力繞組骨架42上的Y向推力繞組43的連接方法如圖6所示，圖中有效邊A1、A2、A3、A4連接成A相繞組，有效邊B1、B2、B3、B4連接成B相繞組，有效邊C1、C2、C3、C4連接成C相繞組，任意兩相鄰有效邊中心距為p/3，當A相繞組通入如圖6所示的相電流時，動、定子之間將產生相應的磁場，磁場分布的情況如磁力線72所示。顯然圖6所示的繞組結構為三相式，當平面電動機正常工作時，在X向推力繞組44的A、B、C三相中和Y向推力繞組43的A、B、C三相繞組中分別通入兩組三相正弦交流電，三相交流電之間的相差為120°，以在氣隙中產生正弦連續(xù)變化的磁場，從而有利于降低平面電動機的推力脈動。圖6中的標記71表示永磁體的磁化方向。上述推力繞組為整數槽形式，且與每磁極對應的有效邊數為1，實際上，與每磁極對應的有效邊數也可大于1，圖9描述了一種與每磁極對應的有效邊數為2的一種整數槽繞組，此時，每相鄰有效邊中心距變?yōu)閜/6，圖中A11、A12、A21、A22、A31、A32連接成A相繞組。圖6和圖9中的Y向推力繞組43的極距均為2×p，同理，X向推力繞組44的極距也為2×p，它們與永磁陣列61的極距相等，此外，推力繞組的形式還可以是分數槽形式，其具體形式與旋轉同步電動機的分數槽繞組的形式類似。
圖7為動子上第一導向部件49和第二導向部件50的結構圖，一系列導向線圈81逐個安裝于骨架體82上，線圈81的寬度為p/3。當所有的導向線圈81套于骨架體82上后，緊固件83將所有線圈壓緊，所述骨架體82具有方形截面。上述磁導向繞組46的連接規(guī)律如圖8所示，圖中線圈A1、A2、A3、A4連接構成A相繞組，線圈B1、B2、B3、B4連接構成B相繞組，線圈C1、C2、C3、C4連接構成C相繞組。當控制A、B、C三相繞組的電流大小和方向時，即可控制磁導向繞組46所產生的電磁力。圖2中位于動子底面兩側的第一導向部件49和第二導向部件50，在繞組電流與永磁磁場相互作用下，將分別產生大小相等、方向相反的電磁力F和-F。由于第一導向部件49和第二導向部件50相對與動子質心對稱分布，所以，動子受到相對于質心、且大小和方向可調的力耦的作用。在該受控力耦的作用下，動子繞Z軸的轉角變動將限制在一個微小的范圍內變動，從而達到限制動子繞Z軸轉動自由度，產生磁導向功能的目的。
權利要求
1.永磁同步平面電動機，包括動子和定子，所述動子和定子上安裝有永磁陣列或線圈陣列，其特征在于在永磁同步平面電動機的動子底面的不同區(qū)域布置有推力繞組和磁導向繞組；所述推力繞組包括X向推力繞組和Y向推力繞組，它們在動子底面的豎直方向上相互重疊，且所述X向推力繞組的任一有效邊與所述Y向推力繞組的任一有效邊之間相互垂直；所述磁導向繞組包括第一磁導向繞組和第二磁導向繞組，它們分別對稱布置于動子質心的兩側，并且磁導向繞組有效邊與所述X向推力繞組的有效邊或所述Y向推力繞組的有效邊平行。
2.根據權利要求1所述的永磁同步平面電動機，其特征在于所述X向推力繞組與所述Y向推力繞組的有效邊分別鑲嵌于軟磁材料制成的推力繞組骨架的X線槽和Y線槽中，所述X線槽與所述Y線槽分別沿相互垂直的X方向和Y方向布置。
3.根據權利要求1所述永磁同步平面電動機，其特征在于所述的X向推力繞組和Y相推力繞組分別連接成三相繞組結構，所述X向推力繞組和Y相推力繞組的極距與定子上的永磁陣列的極距相等，所述X向推力繞組和Y相推力繞組中分別通入相差為120°的三相正弦交流電。
4.根據權利要求1所述的永磁同步平面電動機，其特征在于所述的磁導向繞組纏繞于一非鐵磁材料制成的具有方形截面的骨架體上。
全文摘要
永磁同步平面電動機，屬于電動機技術領域。為了提供一種具有高推力密度、低推力脈動和具有磁導向功能的永磁同步平面電動機，本發(fā)明公開了一種永磁同步平面電動機，在其動子底面的不同區(qū)域布置有推力繞組和磁導向繞組；所述推力繞組包括X向推力繞組和Y向推力繞組，它們在動子底面的豎直方向上相互重疊，且所述X向推力繞組的任一有效邊與所述Y向推力繞組的任一有效邊之間相互垂直；所述磁導向繞組包括第一磁導向繞組和第二磁導向繞組，它們分別對稱布置于動子質心的兩側，并且磁導向繞組有效邊與X向推力繞組的有效邊或Y向推力繞組的有效邊平行。由于采用了上述技術措施，所提出的永磁同步平面電動機具有高推力密度、低推力脈動和磁導向功能。
文檔編號H02K41/03GK1599213SQ20041000947
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月20日 優(yōu)先權日2004年8月20日
發(fā)明者汪勁松, 朱煜, 曹家勇, 尹文生, 段廣洪 申請人:清華大學