[實用新型]一種線圈層疊式動圈平面電機

有效

• 申請號: 201520004537.5
• 申請日: 2015-01-06
• 公開（公告）號: CN204271955U
• 公開（公告）日: 2015-04-15
• 發明（設計）人: 周柔剛;周才健;紀善昌
• 申請（專利權）人: 杭州匯萃智能科技有限公司
• 主分類號: H02N15/00
• 分類號: H02N15/00
• 代理公司: 杭州華知專利事務所 33235
• 代理人: 龍湖浩

技術領域

本實用新型涉及電機領域，尤其涉及一種線圈層疊式動圈平面電機。

背景技術

高速、精密運動是高端裝備基礎。平面運動是裝備基礎運動。目前平面運動使用XY伺服電機與導軌疊加組成，其運動體積大、運動質量重，且由于機械摩擦，難以獲得高的運動性能；對于精密運動，則使用氣浮減少摩擦爬行。相形比較，磁浮平面電機通過控制線圈陣列電流，動子臺體懸浮于磁場，直接實現平面驅動。由于懸浮運動無接觸，無摩擦與無磨損，無需機械導軌支承，極大簡化運動機構與減輕運動質量，利于實現高速、高加速和精密運動。如ASML最新型的Twinscan?NXT?1950I雙工作臺光刻機，采用該革新性的磁浮平面電機，去除了復雜龐大的H橋式氣浮導軌，電機動子即為運動臺體，不僅使原為難題的納米級雙工作臺交換問題得以簡化，且由于運動質量大幅減輕，使運動性能獲得飛躍性的提高。

磁浮平面電機原型由美國MIT提出，但該結構行程不能擴展、效率低。對此，M.I.T的David?L.?Trumpert團隊進一步提出二維Halbach永磁陣列結構，使運動行程可按需要方便擴展，由此為大行程磁浮平面運動提供了基礎；為了改善驅動效率，如圖1所示，Ir.J.C.Compter提出了由線圈（1’）相對磁鋼陣列(2’)成45°的陣列結構，使大部分線圈(1’)可以發揮驅動作用，從而有效提高驅動效率。上述兩者構成了磁浮平面電機的電磁結構基礎。在此基礎上，埃因霍溫理的J.W.?Jansen等研究了動鐵式磁浮平面電機，動鐵式電機動子運動時不需通電與冷卻，無外部線纜干擾，是精密運動的理想結構。但動鐵式磁浮平面電機其動子邊緣磁場非線性嚴重，且在動子邊緣處定子上許多線圈只是部分處于有效磁場，因而難于精確求解，因此，提高控制精度方面存在困難。因此，目前技術較為成為的是動圈式磁浮平面電機。由Ir.J.C.Compter提出的動圈式磁浮平面電機，已成功應用于ASML公司的新一代高精度Twinscan?NXT1950i光刻機中，其硅片臺為革新性的磁浮平臺，行程估計達1米，并獲得難以置信的運動性能：掃描工作時，其掩模臺加速度達15G、速度3.2m/s，兩臺同步精度1.5nm（硅片臺速度為掩模臺1/4）。

理論上，懸浮動子6個自由度可由?6個驅動線圈或6個線圈繞組進行控制。但僅靠6個線圈難以獲得足夠驅動力，需要十多個以至數十個線圈同時工作，由各線圈的電磁力與力矩合成進行驅動；此外，由于磁場陣列的復雜性，其電磁轉矩不能完全解耦，不能像旋轉電機和直線電機那樣使用d-q變換對線圈繞組進行精確解耦，只能將每個線圈看成獨立驅動單元，對所有工作線圈進行整體解耦。由于線圈數量存在冗余過約束，存在有無窮多組解。為避免整體解耦困難，早期文獻亦有采用d-q變換近似解耦，但其力矩波動難以控制，存在較大誤差。因此，需對復雜線圈陣列進行冗余過約束的優化解耦，保證各線圈驅動力的正確分配，同時保持驅動電流連續平滑，不產生沖擊與過載，且功耗優化，并可在控制處理器中實時實現。目前文獻中，雖然介紹了基于功率優化的電流解耦，但對驅動器過載沖擊未作良好處理，這將影響控制過程的穩定性。增加線圈在增加電機控制冗余性的同時，也增加了動子的體積與重量，導致電機行程受到約束。

實用新型內容

本實用新型針對上述現有產品存在的問題，提供一種動子重量及體積不變情況下，控制時擁有高冗余度，提升電機驅動效率，從而提高平面電機的能效比的一種線圈層疊式動圈平面電機。

本實用新型一種線圈層疊式動圈平面電機，包含動子和定子，所述的定子包括海爾貝克磁鋼陣列，所述的動子包括若干線圈繞組組成的線圈陣列，所述的線圈繞組包括上層線圈組和下層線圈組，相互層疊的上層線圈組和下層線圈組相互垂直。

采用以上結構后，本實用新型與現有技術相比，具有以下優點：