一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台制造技术

本发明专利技术公开了一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，属于平面电机技术领域，其包括定子和动子，定子中垂向磁化永磁体和水平向磁化永磁体按照Halbach方式排列；动子位于定子上方气隙磁场的加强侧。动子采用不等高的双层线圈绕组，上层第一绕组高度小于下层第二绕组。每层绕组均能产生六个方向的驱动力，实现六自由度驱动。在变速运动阶段，通过下层第二绕组产生较大的驱动力实现高加速度、低精度运动控制；在匀速直线运动阶段，通过上层第一绕组产生精度较高、波动较小的驱动力来实现匀速运动。本发明专利技术能够降低运动过程中的出力波动，提高运动精度，工作台平稳性好、跟踪误差小、定位精度高。定位精度高。定位精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台


[0001]本专利技术属于平面电机
，更具体地，涉及一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台。

技术介绍

[0002]随着以集成电路、微机电系统、空间光学元件等为代表的纳米精度加工装备技术的发展，对运动平台的行程、加速度、定位精度都提出了更高的要求。光刻机作为IC制造过程中的关键设备，集成了光、电、磁、热等多种前沿技术，其中磁悬浮平面电机作为下一代光刻机的核心部件，可在长行程上实现精密运控控制。
[0003]在半导体制造领域，传统的超精密工作台通常使用宏微驱动的方式，传统的多自由度运动平台通常采用多种作动器，例如气浮、滚珠丝杠、直线电机、压电陶瓷和柔性铰链等叠加而成。在加工组装阶段，由于制造公差和装配误差的存在，不可避免的对运动特性造成影响，同时在工作阶段需要通气、存在摩擦阻尼的原因，使用范围受到了极大限制，并且通常存在结构复杂的缺点。例如在专利【一种二自由度高精度大行程气浮工件台，CN103592824B】中虽然实现大行程运动和高精度定位，但是其需要平整度较高大理石作为气浮导轨，直线电机来提供两个自由度的运动。而磁悬浮平面电机利用洛伦兹力即可实现六自由度运动控制目标，其结构简单，集成度较高，具有真空兼容性、摩擦力小、无需润滑和行程大的特点，成为重点研究的方向。
[0004]磁悬浮平面电机利用通电导体从磁场中产生的洛伦兹力提供驱动力和驱动力矩，因此为了实现高加速度、高速度的精密运动控制，对其驱动力的波动范围提出了较高的要求。例如专利【一种永磁同步磁悬浮平面电机，CN102097982B】对永磁阵列进行了优化设计，其永磁体有多种形状和不同的磁化方向，但在实际加工过程中异型永磁体的加工难度较大，对粘贴工艺提出了较高要求，不容易产生正弦特性好的磁场分布，且在运动过程中的出力波动大，导致平稳性差、跟踪误差大、定位精度低的问题。
[0005]因此，如何降低磁悬浮平面电机运动过程中的出力波动，提高运动控制精度，成为本领域的技术难题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其目的在于，通过动子中上下不等高双层绕组及定子中二维排列的永磁阵列设计，降低磁悬浮平面电机运动过程中的出力波动，提高运动精度，由此解决现有磁悬浮平面电机运动过程中出力波动大的技术问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0008]一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，所述工作台包括定子和动子，
[0009]所述定子包括基座，以及按照Halbach排列方式布置在所述基座的凹槽内的多个
垂向磁化永磁体和多个水平向磁化永磁体；
[0010]所述动子位于所述定子产生的磁场的加强侧；所述动子包括第一绕组和叠放于所述第一绕组上面的第二绕组，所述第一绕组的高度小于所述第二绕组的高度；所述第一绕组和所述第二绕组均包含多个通电后能够产生两个方向驱动力的线圈，以使所述第一绕组和所述第二绕组各自具有六自由度驱动力和驱动力矩；所述动子的四周轮廓形状为正方形或近似正方形。该近似正方形意味着能够容纳动子的四周轮廓的最小长方形的长宽比的范围为[0.9,1.1]。
[0011]优选地，所述第一绕组和所述第二绕组的高度比的范围为[0.2,0.6]。
[0012]优选地，所述第一绕组包括2行*2列排列的四组第一单相绕组，所述第一单相绕组包括a个等间距平行排列的矩形线圈，每相邻两组第一单相绕组的矩形线圈长边相互垂直；
[0013]所述第二绕组与所述第一绕组的结构相同、仅高度不同，所述第一绕组中的矩形线圈与所述第二绕组中的矩形线圈一一对应上下叠放，其中上下矩形线圈的长边对齐、短边对齐，使上下矩形线圈完全对齐。
[0014]优选地，所述第一绕组包括三组第二单相绕组，所述第二单相绕组包括b个依次按照阶梯状叠放的矩形线圈，其中一组所述第二单相绕组平放在中部，另两组所述第二单相绕组分别垂直放置于中部第二单相绕组的左上侧和右下侧阶梯处，其与中部第二单相绕组阶梯连接处相互贴合；
[0015]所述第二绕组与所述第一绕组的结构相同、高度不同，所述第一绕组绕自身中心逆时针旋转90
°
即为所述第二绕组的方位。
[0016]优选地，所述第一绕组包括c行、每行d个矩形线圈，每一行内相邻矩形线圈短边相接，相邻行左右交错布置；
[0017]所述第二绕组与所述第一绕组的结构相同、高度不同，所述第一绕组中矩形线圈长边与所述第二绕组中矩形线圈长边相互垂直。
[0018]优选地，所述第一绕组和所述第二绕组中的矩形线圈的长边均与所述垂向磁化永磁体的直角边呈45
°±1°
角。
[0019]优选地，所述第一绕组和所述第二绕组均包括e行*e列个圆形线圈，所述第一绕组和所述第二绕组中的圆形线圈一一对应上下同心圆叠放。
[0020]优选地，所述第一单相绕组中，矩形线圈的长边为四倍极距，相邻矩形线圈中心距离为4/3倍极距。
[0021]优选地，所述工作台还包括真空罩，所述动子设置于所述真空罩内部。
[0022]优选地，所述垂向磁化永磁体为正方形，所述水平向磁化永磁体为长方形。
[0023]上述a、b、c、d、e均为大于1的正整数。
[0024]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0025]1、本专利技术提供的双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，定子由多个垂向磁化永磁体和多个水平向磁化永磁体按照Halbach方式排列，构成永磁阵列结构，使得永磁体上方磁场增强，下方磁场衰弱，动子位于定子上方气隙磁场的加强侧。动子采用不等高的双层线圈绕组即第一绕组和第二绕组，第一绕组位于第二绕组上方且高度小于第二绕组。第一绕组和第二绕组均包含多个通电后具有两个方向驱动力的线圈，每个线圈可以产生两个方
向的驱动力。第一绕组和第二绕组通电后通过电流解耦后，与定子永磁阵列产生的气隙磁场相互作用，均能各自产生六个方向的驱动力和驱动力矩可进而实现六自由度驱动。在变速运动阶段，下层第二绕组产生较大的驱动力来实现加速、减速运动，实现高加速度、低精度运动控制；在匀速直线运动阶段，上层第一绕组产生精度较高、波动较小的驱动力来实现匀速运动，通过该粗精驱动方案实现高速高精运动控制目标；该双层绕组结构，能够降低运动过程中的出力波动，提高运动精度，工作台平稳性好、跟踪误差小、定位精度高，为半导体加工等超精密制造领域提供了可靠的技术支持。
[0026]2、本专利技术提供的双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，通过采用不等高的双层线圈绕组在不同运动阶段通入不同电流以提供目标的驱动力，能够有效降低线圈散热，避免线圈发热影响结构特性和降低运动精度。
[0027]3、本专利技术提供的双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，设计了双层绕组结构中第一绕组和第二绕组的高度比h
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，所述工作台包括定子(4)和动子(8)，其特征在于，所述定子(4)包括基座(3)，以及按照Halbach排列方式布置在所述基座(3)的凹槽内的多个垂向磁化永磁体(1)和多个水平向磁化永磁体(2)；所述动子(8)位于所述定子(4)产生的磁场的加强侧；所述动子(8)包括第一绕组(6)和叠放于所述第一绕组(6)上面的第二绕组(7)，所述第一绕组(6)的高度小于所述第二绕组(7)的高度；所述第一绕组(6)和所述第二绕组(7)均包含多个通电后能够产生两个方向驱动力的线圈，以使所述第一绕组(6)和所述第二绕组(7)各自具有六自由度驱动力和驱动力矩；所述动子(8)的四周轮廓形状为正方形或近似正方形。2.如权利要求1所述的一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其特征在于，所述第一绕组(6)和所述第二绕组(7)的高度比的范围为[0.2,0.6]。3.如权利要求1或2所述的一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其特征在于，所述第一绕组(6)包括2行*2列排列的四组第一单相绕组，所述第一单相绕组包括a个等间距平行排列的矩形线圈，每相邻两组第一单相绕组的矩形线圈长边相互垂直；所述第二绕组(7)与所述第一绕组(6)的结构相同、仅高度不同，所述第一绕组(6)中的矩形线圈与所述第二绕组(7)中的矩形线圈一一对应上下叠放。4.如权利要求1或2所述的一种具有双层绕组粗精驱动的磁浮平面电机工作台，其特征在于，所述第一绕组(6)包括三组第二单相绕组，所述第二单相绕组包括b个依次按照阶梯状叠放的矩形线圈，其中一组所述第二单相绕组平放在中部，另两组所述第二单相绕组分别垂直放置于中部第二单相绕组的左上侧和右下侧阶梯处，其与中部第...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾理湛，刘凯，赵烁，陈福祥，胡傲奇，张昊，陈学东，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：