專利名稱：一種采用槽型線圈的平面電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種平面電機，特別是一種采用槽型線圈的平面電機，主要應用于制造設備 與機器人領域。
背景技術：
在許多工業設備中，我們需要驅動工件或工作臺做平面運動并在平面上對其進行精確定 位，例如顯微鏡的載物臺，光刻機中的硅片臺等設備。傳統的平面定位裝置由兩套或多套直 線驅動單元垂直疊加而成，每套直線驅動單元由一臺旋轉電動機、 一套直線運動轉換機構和 一套直線導軌組成，或者由一臺直線電機和一套直線導軌組成。位于底層的直線驅動單元不 僅承擔末端承件臺的驅動，而且還承載著頂層直線驅動單元的質量，于是造成了平面定位裝 置在多個方向上(如傳統XY工作臺的X方向和Y方向)運動慣量的嚴重不均衡，從而影響 了運動行程、響應速度、運動精度等性能指標的提高。在這種背景下，采用電磁力直接驅動 單一動子直接實現多自由度運動的平面電機則應運而生，它避開了傳統多自由度工作臺疊層 驅動的思路，在精密的平面定位裝置中具有廣闊的應用前景，受到廣泛的關注
根據平面電機非運動自由度的約束方式和涉及的技術領域，可將平面電機劃分為氣浮平 面電機和磁浮平面電機，它們分別采用氣浮和磁浮方式實現對非運動自由度(如偏擺、縱頃 和橫頃)的約束。相比于氣浮方式，磁浮方式具有結構簡單、基座表面無需精密加工、可實 現非運動自由度的主動約束、易在真空環境中應用等優點。
目前的磁浮平面電機一般由通電線圈在永磁陣列氣隙磁場屮產生的洛倫茲力提供驅動力 和懸浮支承。隨著對平面電機加速度和負載性能指標的要求不斷提高，我們需要不斷提高平 面電機的推力。線圈的結構和布置方式對平面電機的性能有著決定性的影響。
目前文獻中的平面電機的線圈一般采用矩形無鐵芯線圈。 一種典型的結構如圖l所示， 圖中是平面電機的動子15，包括氣浮軸承13和線圈陣列14。由四個線圈陣列組成，每個線 圈陣列由五個矩形無鐵芯線圈線性排列而成，為了提高氣隙的電流體密度，每個矩形無鐵芯 線圈兩條長邊之間的空隙很小，且沒有電流分布。因為每個矩形無鐵芯線圈兩條長邊中的電 流的方向必定完全相反，同時永磁陣列在氣隙中的磁感應強度的X， Y, Z三個方向上的分量 在平面上都是類似正弦的周期性分布的，如圖2所示的Bz分量的平面分布圖，所以同一線圈 兩條長邊處于磁感應強度方向相同的區域中的時候，這兩條長邊產生的推力方向完全相反， 會相互抵消，降低了電機的效率。如果增大兩條長邊的距離使其處于磁感應強度方向相反的 兩個區域中時，每條長邊產生的推力的方向相同，但是整個氣隙中的平均電流體密度就會變 小，也會影響電機的推力。 發明內容本發明的目的是提供一種采用槽型線圈的平面電機，以解決現有技術存在的缺陷，即提 高氣隙的利用率，又盡量避免相鄰長邊推力的相互抵消。 本發明的技術方案如下
一種采用槽型線圈的平面電機，包括動子4和定子1，所述平面電機包括采用線圈陣列 作為動子的動圈式結構或線圈陣列作為定子的動鐵式結構，其特征在于所述的線圈陣列由 多個一維線圈陣列組成，每個一維線圈陣列由無鐵芯矩形線圈3和矩形兩短邊上翹成槽型的 無鐵芯槽型線圈2交錯排列而成，每個矩形線圈3的兩條長邊之間嵌入一個相鄰槽型線圈2 的長邊或每個矩形線圈的兩條長邊之間嵌入左右兩個相鄰槽型線圈的長邊，且兩種線圈的長 邊都布置在同一平面上。
本發明的技術特征還在于對于采用線圈陣列作為動子的動圈式結構，所述線圈陣列由 四個一維線圈陣列組成，相鄰線圈陣列的排列方向互成90。；所述定子1采用Halbach型永 磁陣列。
本發明的技術特征還在于線圈陣列作為定子的動鐵式結構，所述線圈陣列由四個一維線 圈陣列組成，相鄰線圈陣列的排列方向互成9(T ;所述動子l采用Halbach型永磁陣列。
本發明的技術特征還在于每個矩形線圈3的兩條長邊之間只嵌入一個相鄰槽型線圈2 的長邊，矩形線圈和槽型線圈長邊的寬度相同，且為永磁陣列極距的一半左右。
本發明所述的一種采用槽型線圈的平面電機具有以下優點及突出性效果采用了槽型線
圈，即通過槽型線圈和矩形線圈的嵌套布置和相應的控制，在實現較高的氣隙體電流密度的
同時盡量避免了相鄰K:邊推力的相互抵消，大大提高了平面電機的加速度和帶負載能力。


圖1是現有技術中平面電機的線圈的一種典型結構和布置方式。
圖2是本發明所述永磁陣列氣隙磁感應強度豎直分量關于XY坐標的變化關系示意圖。
圖3是本發明所述一種采用槽型線圈的平面電機的三維視圖。
圖4是本發明所述一種采用槽型線圈的平面電機的動子的槽型線圈的三維視圖。
圖5是本發明所述一種采用槽型線圈的平面電機的組成動子的一個線圈陣列的三維示意圖。
圖中1-定子；2-槽型線圈；3 —矩形線圈；4一動子；13 —氣浮軸承；14一線圈陣列；
15—平面電機的動子。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體結構、機理和工作過程作進-步的說明。
圖3是本發明所述一種采用槽型線圈的平面電機的三維視圖，包括動子4和定子1，該 平面電機包括采用線圈陣列作為動子的動圈式結構或線圈陣列作為定子的動鐵式結構，所述 的線圈陣列由多個一維線圈陣列組成，每個一維線圈陣列由無鐵芯的矩形線圈3和矩形兩短 邊上翹成槽型的無鐵芯的槽型線圈2交錯排列而成，每個矩形線圈3的兩條長邊之間嵌入一個相鄰槽型線圈2的一條長邊(如圖5所示)，也可以將每個矩形線圈的兩條長邊之間嵌入左 右兩個相鄰槽型線圈的一條長邊，且兩種線圈的長邊都布置在同一平面上；圖4為槽型線圈 的三維視圖。
對于采用線圈陣列作為動子的動圈式結構，所述線圈陣列由四個一維線圈陣列組成，相 鄰線圈陣列的排列方向互成90° ;所述定子l釆用Halbach型永磁陣列。線圈陣列作為定子 的動鐵式結構，所述線圈陣列由四個一維線圈陣列組成，相鄰線圈陣列的排列方向互成9(T ; 所述動子1采用Halbach型永磁陣列。矩形線圈和槽型線圈長邊的寬度相同，且為永磁陣列 極距的一半左右，即t/ 4左右，t為永磁陣列磁感應強度的周期。
本發明的優選技術方案是對于每個矩形線圈3的兩條長邊之間只嵌入一個相鄰槽型線 圈2的長邊，矩形線圈和槽型線圈長邊的寬度相同，且為永磁陣列極距的一半左右。
永磁陣列在動子和定子之間的氣隙中或接觸面上產生氣隙磁場。圖2是通過有限元仿真 分析得到的永磁陣列的氣隙磁感應強度豎直分量Bz關于XY坐標的變化關系示意圖。t為 周期，即圖2中平面永磁陣列的氣隙磁感應強度兩相鄰峰值之間的距離。通過槽型線圈長邊 和矩形線圈長邊的嵌套布置和相應的控制，在實現較高的氣隙體電流密度的同時盡量避免了 相鄰長邊推力的相互抵消，大大提高了平面電機的加速度和帶負載能力。
權利要求
1.一種采用槽型線圈的平面電機，包括動子(4)和定子(1)，該平面電機包括采用線圈陣列作為動子的動圈式結構或線圈陣列作為定子的動鐵式結構，其特征在于所述的線圈陣列由多個一維線圈陣列組成，每個一維線圈陣列由無鐵芯的矩形線圈(3)和矩形兩短邊上翹成槽型的無鐵芯的槽型線圈(2)交錯排列而成，每個矩形線圈(3)的兩條長邊之間嵌入一個相鄰槽型線圈(2)的一條長邊或每個矩形線圈的兩條長邊之間嵌入左右兩個相鄰槽型線圈的一條長邊，且兩種線圈的長邊都布置在同一平面上。
2. 按照權利要求1所述的一種采用槽型線圈的平面電機，其特征在于對于采用線圈陣 列作為動子的動圈式結構，所述線圈陣列由四個一維線圈陣列組成，相鄰線圈陣列的排列方 向互成9(T ;所述定子(1)采用Halbach型永磁陣列。
3. 按照權利要求1所述的一種采用槽型線圈的平面電機，其特征在于線圈陣列作為定 子的動鐵式結構，所述線圈陣列由四個一維線圈陣列組成，相鄰線圈陣列的排列方向互成90 ° ;所述動子(1)采用Halbach型永磁陣列。
4. 按照權利要求l、 2或3所述的一種采用槽型線圈的平面電機，其特征在于每個矩 形線圈(3)的兩條長邊之間只嵌入一個相鄰槽型線圈(2)的長邊，矩形線圈和槽型線圈長 邊的寬度相同，且為永磁陣列極距的一半左右。
全文摘要
一種采用槽型線圈的平面電機，主要應用于機械制造設備與機器人領域。該平面電機包括動子和定子，所述動子由四個一維線圈陣列組成，相鄰線圈陣列的排列方向互成90°，每個一維線圈陣列由無鐵芯矩形線圈和矩形兩短邊上翹成槽型的無鐵芯槽型線圈交錯排列而成，每個矩形線圈的兩條長邊之間嵌入一個相鄰槽型線圈的長邊，或每個矩形線圈的兩條長邊之間嵌入左右兩個相鄰槽型線圈的一條長邊，且兩種線圈的長邊都布置在同一平面上；所述定子由永磁陣列組成。與矩形無鐵芯線圈組成的線圈陣列相比，該線圈陣列在永磁陣列的周期磁場中能產生更大的推力，從而提高平面電機的推力和加速度。
文檔編號H02K33/18GK101610022SQ20091008889
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月21日 優先權日2009年7月21日
發明者尹文生, 鳴 張, 徐登峰, 煜 朱, 楊開明, 段廣洪, 汪勁松, 胡金春, 田 蔡, 偉 閔 申請人:清華大學