多相嵌套繞組式永磁同步平面電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多相嵌套繞組式永磁同步平面電機。包括永磁勵磁部分和電樞繞組部分，兩部分疊加后留有氣隙；永磁勵磁部分包括N極和S極勵磁模塊組合而成的二維永磁體陣列和軛部，勵磁模塊尺寸相同，且均包含有一個處于中心位置的垂直勵磁主磁極、四個邊部的輔助磁極和四個角部的輔助磁極；電樞繞組包括沿X方向和沿Y方向放置的繞組，沿X、沿Y方向放置的繞組各自以Y向和X向中心線為分割為兩個部分，四個部分間繞組相互獨立，可根據(jù)電樞繞組和二維永磁體陣列間的相對位置，對各部分繞組電流進行分別控制，實現(xiàn)五個自由度的驅(qū)動和定位。本發(fā)明具有繞組利用率高、重量輕、響應(yīng)速度快、運動范圍廣等優(yōu)點，可用于需要多自由度驅(qū)動的定位的場合。
【專利說明】多相嵌套繞組式永磁同步平面電機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電機，尤其是涉及一種多相嵌套繞組式永磁同步平面電機。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)進步，高速度、高精度成為機械加工的重要發(fā)展方向，在微電子封裝 設(shè)備如共晶粘片機、全自動金絲球焊機和1C芯片制作設(shè)備，對驅(qū)動器定位精度、運行速度、 驅(qū)動維數(shù)都提出了越來越高的要求。由于電磁驅(qū)動方法與其它驅(qū)動方法如靜電驅(qū)動、壓電 驅(qū)動和形狀記憶合金驅(qū)動方法相比，能同時兼顧位移、速度和驅(qū)動力等多方面要求，具有操 作范圍廣、自由度多、驅(qū)動力大、相應(yīng)速度快等優(yōu)點，因此成為目前國際公認(rèn)的可實現(xiàn)大范 圍多自由度的精密驅(qū)動方法。
[0003] 而電磁驅(qū)動中的平面電機驅(qū)動方法，由于摒棄了從旋轉(zhuǎn)運動到直線運動再到平面 運動的絲杠、螺桿等中間轉(zhuǎn)換裝置，消除了累積誤差的存在；采用了集成式的磁鋼陣列和電 樞繞組結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)驅(qū)動范圍更加容易擴展；磁懸浮驅(qū)動方法降低了運動面約束，消除了 摩擦損耗，進一步提高了驅(qū)動精度；簡單的結(jié)構(gòu)使其與其他電磁驅(qū)動方法相比在精密加工 領(lǐng)域具有更強的競爭力。永磁平面電機與感應(yīng)式和磁阻式平面電機相比，更是具有結(jié)構(gòu)簡 單、定位精度高、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點，在光刻機等現(xiàn)代精密、超精密制造裝備領(lǐng)域中表現(xiàn)出 良好的應(yīng)用前景。
[0004] 現(xiàn)有的永磁平面電機結(jié)構(gòu)主要分為以下幾類：1、組合式：平面電機由多個一維直 線電機相組合而成；2、集中繞組式：平面電機包括二維永磁體和集中繞組線圈陣列兩大部 分；3、層疊繞組式：平面電機包括二維永磁體和層疊繞組線圈兩大部分。其中組合繞組式 電機結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜不利于系統(tǒng)擴展；集中繞組式雖然使得平面電機結(jié)構(gòu)更加緊湊，但繞組 系數(shù)較低，各自由度間的電磁力耦合和繞組切換為控制增加了難度；層疊繞組式電樞繞組 采用X、Y方向繞組層疊放置的方式，該結(jié)構(gòu)其不僅易實現(xiàn)解耦控制，且繞組系數(shù)相對較高， 但現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中仍存在繞組端部過長，利用率偏低，X、Y方向繞組由于等效氣隙高度不同，電 磁特性不對稱的缺點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有平面電機繞組系數(shù)以及利用率低的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一 種多相嵌套繞組式永磁同步平面電機，在盡可能實現(xiàn)解除各自由度間電磁力耦合的同時， 進一步提高平面電機推力密度。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 本發(fā)明包括永磁勵磁部分和正交嵌套式的電樞繞組部分，兩者均為平板式結(jié)構(gòu)，永磁 勵磁部分和電樞繞組部分疊加后留有氣隙；其特征在于：永磁勵磁部分包括N極勵磁模塊 和S極勵磁模塊組合而成的二維永磁體陣列和軛部，所述勵磁模塊尺寸相同，且均包含有 一個處于中心位置的垂直勵磁主磁極、四個邊部的輔助磁極和四個角部的輔助磁極；電樞 繞組包括沿X方向放置的繞組和沿Y方向放置的繞組，共兩套雙層空心繞組，其中一套繞組 正交嵌套于另一套繞組之中，沿X方向放置的繞組和沿Y方向放置的繞組各自以平面電機 動子部分Υ向和X向中心線為分割點分為兩個部分，四個部分間繞組相互獨立，四個部分的 繞組電流能分別控制。
[0007] 所述二維永磁體陣列粘貼在軛部靠近氣隙的一面，勵磁模塊橫截面為邊長為τ ρ 的正方形，處于中心的垂直勵磁主磁極橫截面為邊長τ ρ。的正方形，四個邊部輔助磁極橫 截面為邊長分別是τ ρ。和（τ ρ- τ ρ。）的矩形，四個角部輔助磁極橫截面為邊長為（τ ρ- τ ρ。） 的正方形。
[0008] 所述Ν極勵磁模塊中，從繞組側(cè)觀察，主磁極充磁方向為垂直軛部平面向外或者S 極勵磁模塊中，從繞組側(cè)觀察，主磁極充磁方向為垂直軛部平面向內(nèi)；邊部輔助磁極充磁方 向與軛部表面相平行，由S極指向N極方向；角部輔助磁極充磁方向與軛部表面相平行，為 邊對角線方向，磁場矢量分別與X軸或Y軸平行，且含有由S極指向N極的磁場分量。
[0009] 所述N極勵磁模塊中，從繞組側(cè)觀察，邊部輔助磁極充磁方向采用邊對角線方向， 磁場矢量中同時含有由S極指向N極和垂直軛部平面向外的磁場分量；或者S極勵磁模塊 中，從繞組側(cè)觀察，邊部輔助磁極充磁方向采用邊對角線方向，磁場矢量中同時含有由S極 指向N極和垂直軛部平面向內(nèi)的磁場分量。
[0010] 所述N極勵磁模塊中，從繞組側(cè)觀察，角部輔助磁極充磁方向采用點對角線方向， 磁場矢量中同時含有與X軸或Y軸平行的分量，由S極指向N極的磁場分量，以及垂直軛部 平面向外的磁場分量；或者S極勵磁模塊中，從繞組側(cè)觀察，角部輔助磁極充磁方向采用點 對角線方向，磁場矢量中同時含有與X軸或Y軸平行的分量，由S極指向N極的磁場分量， 以及垂直軛部平面向內(nèi)的磁場分量。
[0011] 所述電樞繞組為多層空心繞組相互正交嵌套式結(jié)構(gòu)，繞組總層數(shù)為四的整數(shù)倍， 基本的四層結(jié)構(gòu)由沿X方向放置的雙層空心繞組和沿Y方向放置的雙層繞組構(gòu)成，其中一 套繞組正交放置在另一套雙層繞組之間，雙層繞組中繞組上層邊和下層邊之間的X或Y向 繞組跨距為一個極距τ ( τ = ^ )，當(dāng)繞組相數(shù)為m時，每個繞組的寬度為τ /m。
[0012] 所述永磁勵磁部分為平面電機的定子部分，電樞繞組部分為平面電機的動子部 分；或所述永磁勵磁部分為平面電機的動子部分，電樞繞組部分為平面電機的定子部分。
[0013] 本發(fā)明具有的有益效果是： 1)本發(fā)明可將電樞繞組作為定子部分，將永磁勵磁部分作為動子部分；也可將永磁勵 磁部分作為定子部分，將電樞繞組作為動子部分；彼此間利用相斥的洛侖茲力實現(xiàn)懸浮和 驅(qū)動。
[0014] 2)本發(fā)明免除摩擦和接觸面的約束 3)嵌套式的繞組方式有效的減小了繞組端部長度，分布式結(jié)構(gòu)增大了繞組系數(shù)，使得 繞組利用率進一步提高；免除了鐵心部分，去除了電磁吸力，降低了運動部件的慣性，減小 了動子質(zhì)量和推力波動，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；X、Y方向電磁力可通過沿Y方向和沿X方 向放置的繞組電流的控制進行分別調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了自由度間的解耦，降低了系統(tǒng)控制難度；偶 數(shù)層式繞組結(jié)構(gòu)減小了 X、Υ方向繞組由于等效氣隙高度不同，產(chǎn)生的電磁特性不對稱的情 況；電機的運動范圍容易擴展，更適用于高響應(yīng)、大推力、大范圍的精密驅(qū)動場合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是實施例1電機結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0016] 圖2是實施例1電機結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0017] 圖3是以五個極為例，實施例1永磁體陣列排布示意圖。
[0018] 圖4是實施例1?2中N極勵磁模塊。
[0019] 圖5是實施例1?2中S極勵磁模塊。
[0020] 圖6是實施例3邊部輔助磁極充磁方向示意圖。
[0021] 圖7是實施例4角部輔助磁極充磁方向示意圖。
[0022] 圖中： 1 :永磁勵磁部分；2 :電樞繞組部分； 1- 1 :二維永磁體陣列，1-2 :軛部； 2- 1 :沿X方向放置的繞組；2-2 :沿Y方向放置的繞組； 1-1-1 :N極勵磁模塊；1-1-2 :S極勵磁模塊； l-l-l-l :N極勵磁模塊中處于中心位置的垂直勵磁主磁極；1-1-1-2 :N極勵磁模塊中 處于邊部的輔助磁極；1-1-1-3 :N極勵磁模塊中處于角部的輔助磁極。
[0023] 1-1-2-1 :S極勵磁模塊中處于中心位置的垂直勵磁主磁極；1-1-2-2 :S極勵磁模 塊中處于邊部的輔助磁極；1-1-2-3 :S極勵磁模塊中處于角部的輔助磁極。

【具體實施方式】
[0024] 以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0025] 實施例1 : 如圖1和圖2所示，本實施例所述的多相嵌套繞組式永磁同步平面電機包括永磁勵磁 部分1和正交嵌套式電樞繞組部分2,兩者均為平板式結(jié)構(gòu)，中間存在氣隙；平面電機中永 磁勵磁部分1為動子，電樞繞組部分2為定子，定子的邊長和極數(shù)均大于動子，兩者的邊長 和極數(shù)差決定了平面電機的驅(qū)動范圍。所述永磁勵磁部分1包括二維永磁體陣列1-1和軛 部1-2兩部分，二維永磁體陣列1-1粘貼于靠近繞組側(cè)的軛部1-2表面；所述電樞繞組2包 括兩套繞組，一套為沿X方向放置的繞組2-1，另一套為沿Y方向放置的繞組2-2;兩套繞組 均為雙層空心結(jié)構(gòu)，一套繞組正交嵌套于另一套繞組之中； 如圖3所示，所述二維永磁體陣列1-1由N極勵磁模塊1-1-1和S極勵磁模塊1-1-2組 合而成，兩者均為尺寸相同的矩形體結(jié)構(gòu)，橫截面均為邊長為τρ的方形，兩者側(cè)面向重合， 沿邊部交替放置，Ν極勵磁模塊1-1-1四個側(cè)面相鄰的模塊均為S極勵磁模塊1-1-2,反之 亦然。相鄰的Ν極勵磁模塊1-1-1和S極勵磁模塊1-1-2的中心間距為τ ρ，等于#倍的極 距τ。當(dāng)平面電機不發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，相同極性勵磁模塊中心連線與電樞繞組2平行或正交。 當(dāng)平面電機軛部1-2的側(cè)邊與電樞繞組2的側(cè)邊相平行，且永磁陣列中相同極性勵磁模塊 中心連線與軛部側(cè)邊也存在平行關(guān)系時，Ν極勵磁模塊1-1-1和S極勵磁模塊1-1-2側(cè)邊 與軛部側(cè)邊呈45度角。反之，當(dāng)所述二維永磁體陣列1-1中Ν極勵磁模塊1-1-1和S極勵 磁模塊1-1-2側(cè)邊與軛部1-2側(cè)邊平行時，Ν極勵磁模塊1-1-1和S極勵磁模塊1-1-2沿 軛部側(cè)邊方向交替放置。平面電機運行時軛部1-2側(cè)邊與電樞繞組放置方向成45度。
[0026] 如圖4所示，所述N極勵磁模塊1-1-1包括1個N極勵磁模塊中處于中心位置的 垂直勵磁主磁極1-1-1-1和4個N極勵磁模塊中處于邊部的輔助磁極1-1-1-2和4個N極 勵磁模塊中處于角部的輔助磁極1-1-1_3,9個組成部件均為矩形體結(jié)構(gòu)。從繞組側(cè)觀察，N 極勵磁模塊中處于中心位置的垂直勵磁主磁極1-1-1-1橫截面邊長為τ p。的正方形，充磁 方向為垂直軛部平面向外；N極勵磁模塊中處于邊部的輔助磁極1-1-1-2為橫截面邊長分 別為τ ρ。和（τρ-τρ。)的矩形，充磁方向與軛部表面相平行，由S極指向N極方向；N極勵磁 模塊中處于角部的輔助磁極1-1-1-3為橫截面邊長為（τ ρ- τ ρ。）的正方形，充磁方向與軛 部表面相平行，為邊對角線方向，磁場矢量與勵磁模塊橫截面方形對角線平行，且矢量方向 向外，含有由S極指向Ν極的磁場分量。
[0027] 如圖5所示，所述S極勵磁模塊1-1-2與Ν極勵磁模塊1-1-1結(jié)構(gòu)相似，包括1個S 極勵磁模塊中處于中心位置的垂直勵磁主磁極1-1-2-1和4個S極勵磁模塊中處于邊部的 輔助磁極1-1-2-2和4個S極勵磁模塊中處于角部的輔助磁極1-1-2-3。從繞組側(cè)觀察，S 極勵磁模塊中處于中心位置的垂直勵磁主磁極1-1-2-1充磁方向與Ν極勵磁模塊中處于中 心位置的垂直勵磁主磁極1-1-1-1尺寸相同，充磁方向相反，為垂直軛部平面向內(nèi)；S極勵 磁模塊中處于邊部的輔助磁極1-1-2-2與Ν極勵磁模塊中處于邊部的輔助磁極1-1-1-2尺 寸相同，屬于同類永磁體，充磁方向相同；S極勵磁模塊中處于角部的輔助磁極1-1-2-3與N 極勵磁模塊中處于角部的輔助磁極1-1-1-3尺寸相同，屬于同類永磁體，充磁方向相反，同 為邊對角線方向，但矢量方向向內(nèi)。
[0028] 所述二維永磁體陣列1-1中N極勵磁模塊中處于邊部的輔助磁極1-1-1-2與側(cè)面 與之緊貼的S極勵磁模塊中處于邊部的輔助磁極1-1-2-2方向相同，使用中也可整合在一 起，使用一塊永磁體。N極勵磁模塊中處于角部的輔助磁極1-1-1-3與相鄰的S極勵磁模塊 中處于角部的輔助磁極1-1-2-3形成由S極指向N極的磁場路徑，整體磁極相結(jié)合可自成 部分磁路，以加強氣隙側(cè)磁通密度。永磁體材料可選用釹鐵硼以提高電機推力密度。
[0029] 所述軛部1-2可由導(dǎo)磁材料鐵塊構(gòu)成，也可以由不導(dǎo)磁材料鋁或者不銹鋼塊構(gòu) 成，表面積大于等于永磁陣列總體表面積，制造工藝與普通電機相同。由于永磁體陣列自成 磁路，當(dāng)軛部材料為鋁時，對磁密影響不大，而且可減輕動子重量。
[0030] 所述電樞繞組2采用多層嵌套結(jié)構(gòu)，層數(shù)為4的整數(shù)倍數(shù)，圖1所示為基本的4層 式結(jié)構(gòu)，電機加工時可將X向繞組放置在雙層Y向繞組之間，也可將Y向繞組放置在雙層X 向繞組之間。所述沿X方向放置的繞組2-1和沿Y方向放置的繞組2-2均為雙層空心式多 相分布繞組結(jié)構(gòu)，彼此沒有電氣連接；當(dāng)繞組相數(shù)為m時，每個繞組的寬度為τ/ m，繞組上 層邊和下層邊之間的X (Y)向跨距為一個極距τ

【權(quán)利要求】
1. 一種多相嵌套繞組式永磁同步平面電機，包括永磁勵磁部分和正交嵌套式的電樞 繞組部分，兩者均為平板式結(jié)構(gòu)，永磁勵磁部分和電樞繞組部分疊加后留有氣隙；其特征在 于：永磁勵磁部分包括N極勵磁模塊和S極勵磁模塊組合而成的二維永磁體陣列和軛部，所 述勵磁模塊尺寸相同，且均包含有一個處于中心位置的垂直勵磁主磁極、四個邊部的輔助 磁極和四個角部的輔助磁極；電樞繞組包括沿X方向放置的繞組和沿Y方向放置的繞組，共 兩套雙層空心繞組，其中一套繞組正交嵌套于另一套繞組之中，沿X方向放置的繞組和沿Y 方向放置的繞組各自以平面電機動子部分Y向和X向中心線為分割點分為兩個部分，四個 部分間繞組相互獨立，四個部分的繞組電流能分別控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多相嵌套繞組式永磁同步平面電機，其特征在于：所述 二維永磁體陣列粘貼在軛部靠近氣隙的一面，勵磁模塊橫截面為邊長為τ ρ的正方形，處于 中心的垂直勵磁主磁極橫截面為邊長τρ。的正方形，四個邊部輔助磁極橫截面為邊長分別 是％。和（τ ρ-τ ρ。）的矩形，四個角部輔助磁極橫截面為邊長為（τ ρ-τ ρ。）的正方形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多相嵌套繞組式永磁同步平面電機，其特征在于：所述 Ν極勵磁模塊中，從繞組側(cè)觀察，主磁極充磁方向為垂直軛部平面向外或者S極勵磁模塊 中，從繞組側(cè)觀察，主磁極充磁方向為垂直軛部平面向內(nèi)；邊部輔助磁極充磁方向與軛部表 面相平行，由S極指向Ν極方向；角部輔助磁極充磁方向與軛部表面相平行，為邊對角線方 向，磁場矢量分別與X軸或Υ軸平行，且含有由S極指向Ν極的磁場分量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多相嵌套繞組式永磁同步平面電機，其特征在于：所述 Ν極勵磁模塊中，從繞組側(cè)觀察，邊部輔助磁極充磁方向采用邊對角線方向，磁場矢量中同 時含有由S極指向Ν極和垂直軛部平面向外的磁場分量；或者S極勵磁模塊中，從繞組側(cè)觀 察，邊部輔助磁極充磁方向米用邊對角線方向，磁場矢量中同時含有由S極指向Ν極和垂直 軛部平面向內(nèi)的磁場分量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多相嵌套繞組式永磁同步平面電機，其特征在于：所述 Ν極勵磁模塊中，從繞組側(cè)觀察，角部輔助磁極充磁方向采用點對角線方向，磁場矢量中同 時含有與X軸或Υ軸平行的分量，由S極指向Ν極的磁場分量，以及垂直軛部平面向外的磁 場分量；或者S極勵磁模塊中，從繞組側(cè)觀察，角部輔助磁極充磁方向采用點對角線方向， 磁場矢量中同時含有與X軸或Υ軸平行的分量，由S極指向Ν極的磁場分量，以及垂直軛部 平面向內(nèi)的磁場分量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多相嵌套繞組式永磁同步平面電機，其特征在于：所述 電樞繞組為多層空心繞組相互正交嵌套式結(jié)構(gòu)，繞組總層數(shù)為四的整數(shù)倍，基本的四層結(jié) 構(gòu)由沿X方向放置的雙層空心繞組和沿Υ方向放置的雙層繞組構(gòu)成，其中一套繞組正交放 置在另一套雙層繞組之間，雙層繞組中繞組上層邊和下層邊之間的X或Υ向繞組跨距為一 個極距τ ( τ = S )，當(dāng)繞組相數(shù)為m時，每個繞組的寬度為τ /m。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多相嵌套繞組式永磁同步平面電機，其特征在于：所述 永磁勵磁部分為平面電機的定子部分，電樞繞組部分為平面電機的動子部分；或所述永磁 勵磁部分為平面電機的動子部分，電樞繞組部分為平面電機的定子部分。
【文檔編號】H02K41/03GK104218770SQ201410506715
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】郭亮, 丁浩 申請人:浙江理工大學(xué)