平面電機(jī)講義

1、平面電機(jī)0引言目前，實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛的能夠?qū)崿F(xiàn)二維驅(qū)動(dòng)及定位的方法有三種：一是壓電陶瓷配合柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，二是利用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，三是利用直線電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。雖然這三種機(jī)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)二維平面定位，但是均存在著不同方面的缺陷。柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)元件所組成的系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)整體式結(jié)構(gòu)、位移控制精度高、功耗小，但是柔性鉸鏈的阻尼、小行程，以及壓電陶瓷的遲滯、非線性等特性對(duì)工作臺(tái)性能的提高會(huì)帶來(lái)不利影響。由于絲杠加螺母等直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)存在摩擦、側(cè)隙、變形等一系列問(wèn)題，并且轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的兩套傳動(dòng)鏈引入了附加質(zhì)量，使得傳統(tǒng)的兩組旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)加直線轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)定位裝置的精度和響應(yīng)速度很難達(dá)到較高的水

2、平。直線電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的平面定位裝置雖然定位精度有了很大的提高，但是仍未擺脫“低維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)疊加成高維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)”模式，底層直線電機(jī)仍需要承擔(dān)頂層直線電機(jī)以及相關(guān)機(jī)械連接件的質(zhì)量。為了使二維驅(qū)動(dòng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的定位，需要研究利用電磁能直接產(chǎn)生平面運(yùn)動(dòng)的裝置，即平面電機(jī)。與傳統(tǒng)的定位工作臺(tái)相比，平面電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡不是靠?jī)蓚€(gè)相互垂直的導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向上的合成而致，而是直接利用電磁能產(chǎn)生平面定位運(yùn)動(dòng)，具有出力密度高、低熱耗、高精度等特點(diǎn)，另外由于摒棄了絲杠、螺桿等中間轉(zhuǎn)換裝置，故可以實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象和平面電機(jī)的一體化，因而具有響應(yīng)速度快，靈敏度高，隨動(dòng)性好以及體積小等優(yōu)點(diǎn)。1變磁阻型平面電機(jī)根據(jù)電磁推力的產(chǎn)生

3、原理，可將平面電機(jī)分為變磁阻型、感應(yīng)型、永磁同步型和直流型四大類(lèi)，其中變磁阻型又包含了步進(jìn)式和開(kāi)關(guān)磁阻式兩種。1.1步進(jìn)式平面電機(jī)步進(jìn)式平面電動(dòng)機(jī)是研究最早、理論最為成熟的一類(lèi)平面電機(jī)，也是目前僅有的形成產(chǎn)品的平面電機(jī)。在步進(jìn)式平面電動(dòng)機(jī)中，一般將一塊永磁體和兩組纏繞在鐵心上的驅(qū)動(dòng)線圈作為一個(gè)單元，由相互垂直的兩個(gè)單元構(gòu)成動(dòng)子，而將開(kāi)有均勻分布平行槽的疊片鐵心作為定子，為動(dòng)子提供閉合磁路。步進(jìn)式平面電機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)由動(dòng)子各相繞組的脈沖電流產(chǎn)生。當(dāng)某一方向上的兩組驅(qū)動(dòng)線圈交替通入脈沖電流時(shí)，會(huì)分別對(duì)永磁體產(chǎn)生增磁或者去磁作用，根據(jù)磁阻最小原理，定子與動(dòng)子之間將產(chǎn)生使磁路磁阻減小的磁拉力作用，從而驅(qū)

4、動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，若同時(shí)考慮X、Y兩方向上的作用力，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)動(dòng)子在定子平面上的二維運(yùn)動(dòng)。典型的步進(jìn)式平面電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 步進(jìn)式平面電機(jī)結(jié)構(gòu)圖步進(jìn)式平面電動(dòng)機(jī)的具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如位移量與輸入脈沖數(shù)成正比，沒(méi)有積累誤差，具有良好跟隨性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，輸出力較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，自起動(dòng)能力強(qiáng)等，但是也存在著較為明顯的劣勢(shì)，如存在低頻振蕩、失步和高頻失步、運(yùn)行速度和加速度低、自身噪聲和振動(dòng)較大等。該類(lèi)平面電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用在平面繪圖儀、晶片測(cè)量?jī)x、快速加工系統(tǒng)、標(biāo)圖機(jī)等裝置中。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的R. L. Hollis等人根據(jù)Sawyer電機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了一臺(tái)將電源、驅(qū)動(dòng)器和

5、傳感器都集成到動(dòng)子上的平面電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)子的無(wú)連線和更高精度的閉環(huán)控制，如圖2所示。 （a）動(dòng)子底部結(jié)構(gòu) （b）實(shí)物圖圖2 R. L. Hollis提出的平面電機(jī)1.2開(kāi)關(guān)磁阻式平面電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻式平面電機(jī)在國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中出現(xiàn)頻率較高，香港大學(xué)的潘劍飛等人在專(zhuān)利中提出了一種新型開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖2-3所示，太原理工大學(xué)的馬春燕等人分別對(duì)該種平面電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)和仿真工作，華南理工大學(xué)的楊金明也對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻式平面電機(jī)的魯棒控制進(jìn)行了相應(yīng)研究。圖3 開(kāi)關(guān)磁阻式平面電機(jī)結(jié)構(gòu)圖開(kāi)關(guān)磁阻式平面電機(jī)主要由定子、動(dòng)子、各部分支撐導(dǎo)向結(jié)構(gòu)以及各方向位置檢測(cè)裝置等組成。如

6、圖3所示，多個(gè)定子塊組成定子塊方陣，而定子塊則采用疊壓硅鋼片結(jié)構(gòu)，并由環(huán)氧樹(shù)脂膠連接而成，其中硅鋼片的厚度與齒寬相同，定子硅鋼片形狀及拼接方式如圖4所示。這種積木拼接式的定子結(jié)構(gòu)取代了以往整體切割原材料的方式，這不僅使渦流的影響大大減小，而且會(huì)降低生產(chǎn)的復(fù)雜性和加工成本。圖4 定子疊片及定子塊的組合方式該平面電機(jī)的動(dòng)子采用寬齒結(jié)構(gòu)，整個(gè)動(dòng)子平臺(tái)上共安置六個(gè)動(dòng)子單元，其中每三個(gè)動(dòng)子單元為一組，負(fù)責(zé)X或Y方向的運(yùn)動(dòng)。動(dòng)子鐵心也是由硅鋼片疊壓而成，而且每個(gè)動(dòng)子單元上均繞有集中勵(lì)磁繞組。為了減小X與Y方向上的磁路耦合作用，將六個(gè)相同的動(dòng)子單元按照“與相鄰動(dòng)子單元正交”的規(guī)律分別固定在動(dòng)子臺(tái)架上，動(dòng)子疊

7、片形狀及單相線圈繞組結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5 動(dòng)子疊片形狀及單相線圈繞組開(kāi)關(guān)磁阻式平面電機(jī)的動(dòng)子和定子均有鐵磁材料構(gòu)成，動(dòng)子上安裝集中繞組，而定子無(wú)需繞組，也不需要永磁體，因此，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，適于高速和惡劣的應(yīng)用環(huán)境。然而，該類(lèi)平面電機(jī)存在較大的脈動(dòng)推力與復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性，使其建模和控制成為一個(gè)難題，限制了其在高精度和高速場(chǎng)合的應(yīng)用，故雖然開(kāi)關(guān)磁阻式平面電機(jī)具有加工簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是如何解決其精確控制問(wèn)題以及消除推力脈動(dòng)和電磁耦合仍是一個(gè)待解決的問(wèn)題。2感應(yīng)型平面電機(jī)目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)感應(yīng)型平面電動(dòng)機(jī)的研究尚處于初級(jí)階段，研究活動(dòng)較少，且主要集中在日本。現(xiàn)有的感應(yīng)型平面電機(jī)可以分成圓環(huán)式平

8、面電機(jī)和雙向組合式平面電機(jī)。2.1圓環(huán)式感應(yīng)型平面電機(jī)日本九州大學(xué)的學(xué)者Nobuo Fujii在文獻(xiàn)中提出一種新結(jié)構(gòu)的圓環(huán)式感應(yīng)型平面電機(jī)。該平面電機(jī)由繞有電樞繞組的環(huán)形初級(jí)鐵心和一塊次級(jí)導(dǎo)磁平板組成，這種環(huán)形繞組的優(yōu)點(diǎn)是不用對(duì)線圈之間的空間關(guān)系做特殊的考慮，并且可以獲得較大的電磁力。電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6 圓環(huán)式感應(yīng)型平面電機(jī)圓環(huán)式感應(yīng)型平面電機(jī)的特點(diǎn)是既可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)行原理等同于軸向氣隙式旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)，整個(gè)環(huán)形繞組內(nèi)通入統(tǒng)一方向的三相電流，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)行波磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如圖7（a）所示。當(dāng)進(jìn)行直線驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過(guò)與運(yùn)動(dòng)方向相同的邊界間隔

9、將電樞繞組分成兩個(gè)部分，由電流控制逆變器在兩組繞組中通入方向相反的電流，從而產(chǎn)生兩個(gè)相對(duì)的磁場(chǎng)，由電樞圓周上的平衡關(guān)系，最終將合成初級(jí)鐵心的直線運(yùn)動(dòng)，如圖7（b）所示。這種感應(yīng)式平面電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可利用簡(jiǎn)單的次級(jí)平面實(shí)現(xiàn)較寬運(yùn)動(dòng)范圍的平面驅(qū)動(dòng)，適合于大負(fù)載平面驅(qū)動(dòng)。其缺點(diǎn)是機(jī)電特性復(fù)雜，不能獲得高氣隙磁通密度，而且很難實(shí)現(xiàn)高速和高精度的平面驅(qū)動(dòng)，另外，該種平面電機(jī)制造過(guò)程較為復(fù)雜。 （a）旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng) （b）直線驅(qū)動(dòng)圖7 圓環(huán)式感應(yīng)型平面電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理2.2雙向組合式感應(yīng)型平面電機(jī)德國(guó)耶拿應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的Peter Dittrich等人在文獻(xiàn)中提出一種三自由度感應(yīng)型式平面電機(jī)，該平面電機(jī)的結(jié)構(gòu)與Nob

10、uo Fujii提出的結(jié)構(gòu)有所不同，他采用了多組直線感應(yīng)電機(jī)沿兩正交軸組合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)平面驅(qū)動(dòng)，其動(dòng)子下表面的結(jié)構(gòu)如圖8所示。該感應(yīng)型平面電機(jī)的動(dòng)子集成了四個(gè)直線感應(yīng)電機(jī)的初級(jí)鐵心線圈，且在X和Y方向上各有兩組線圈，通過(guò)獨(dú)立控制，分別產(chǎn)生X和Y方向上的電磁推力。電機(jī)的定子為一塊頂部覆蓋有銅層的鋼板，四個(gè)氣浮軸承用來(lái)產(chǎn)生定子與動(dòng)子之間的氣隙，利用動(dòng)子上的兩個(gè)光學(xué)傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)的實(shí)時(shí)位置，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖8 平面電機(jī)動(dòng)子下表面結(jié)構(gòu)這種平面電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，沒(méi)有磨損部件，由于次級(jí)基板較容易加工，故電機(jī)的運(yùn)行范圍可以擴(kuò)展。其缺點(diǎn)是隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的積累，位置的不確定性增加，造成了其定位精

11、度及可靠性受到限制。另一種具有雙向組合式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的感應(yīng)式平面電機(jī)由日本大學(xué)的Y.Ohira在1982年提出。兩組三相繞組相互垂直地嵌入定子鐵心中（上下兩層），并且每組繞組獨(dú)立地通過(guò)逆變器供電，因此，電機(jī)可以產(chǎn)生X向和Y向兩個(gè)相互正交的行波磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)子二維運(yùn)動(dòng)，定子結(jié)構(gòu)如圖9所示。這種電機(jī)已經(jīng)被提出者應(yīng)用到工廠中的運(yùn)輸系統(tǒng)中。該感應(yīng)式平面電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是力的可控性較好，并且次級(jí)可以是很簡(jiǎn)單的無(wú)導(dǎo)線連接的鋼板。圖9 感應(yīng)型平面電機(jī)的初級(jí)鐵心和繞組3永磁型平面電機(jī)永磁型平面電機(jī)的電磁推力是由永磁陣列產(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈陣列中的電流相互作用產(chǎn)生的。該類(lèi)型平面電機(jī)的種類(lèi)較多，也可以有很多不同的分類(lèi)方法，這里按

12、照不同形式的線圈結(jié)構(gòu)，對(duì)永磁型平面電機(jī)進(jìn)行分類(lèi)總結(jié)。3.1多相獨(dú)立線圈結(jié)構(gòu)日本武藏大學(xué)的Daiki Ebihara等人在1989年提出一種動(dòng)線圈式的平面電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖10所示。該平面電機(jī)的定子由N、S磁極按跳棋盤(pán)式的布置方式構(gòu)成，動(dòng)子為一個(gè)酚醛塑料載重平臺(tái)，其上分布著8個(gè)鐵心線圈，線圈之間磁路相對(duì)獨(dú)立，并且這些鐵心線圈被分成四組，分別為A、B、C或D相，圖11為鐵心線圈結(jié)構(gòu)。圖10 Daiki Ebihara等人提出的平面電機(jī) （a）三維圖 （b）側(cè)視圖圖11 鐵心線圈結(jié)構(gòu)以A相繞組為基準(zhǔn)，沿著X軸方向，B相繞與A相繞組相距/2的相差，其中為極距。同理，沿著Y軸方向，C相繞組與A相繞組相距/2

13、的相差，而D相繞組在兩個(gè)方向均與A相繞組相距/2的相差，繞組布置情況如圖12所示。圖12 鐵心繞組與磁極陣列分布關(guān)系該平面電機(jī)的運(yùn)行原理與永磁型直線步進(jìn)電機(jī)相同。若使動(dòng)子沿X向運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)分別激勵(lì)A(yù)相與B相繞組（或C相與D相）來(lái)實(shí)現(xiàn)，若使動(dòng)子沿Y向運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)分別激勵(lì)A(yù)相與C相繞組（或B相與D相）來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，通過(guò)轉(zhuǎn)換四相線圈之間的激勵(lì)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)子在X軸和Y軸上的二維平面運(yùn)動(dòng)。這種平面電機(jī)是提出時(shí)間較早的、僅用一個(gè)整體的動(dòng)子結(jié)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)二維驅(qū)動(dòng)的永磁式平面電機(jī)，為之后平面電機(jī)的研究工作奠定了基礎(chǔ)。但由于結(jié)構(gòu)上的限制，使得其定位精度較低，而且其靜態(tài)推力較小，并且有很大的推力波動(dòng)。定子由螺線管

14、陣列組成的平面電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由日本東京都立大學(xué)的Hideaki Ohtsuka和Junichi Tsuchiya等人在1994年提出的，如圖13所示。這種平面電機(jī)的動(dòng)子由四塊永磁體、一塊背鐵板以及四個(gè)滾珠軸承構(gòu)成，四塊永磁體分別放置在正方形背鐵板的四個(gè)頂角上。電機(jī)的定子由一系列等間距均勻分布的電磁鐵和一塊磁軛板構(gòu)成，在動(dòng)子與定子之間，安置了一塊玻璃板用來(lái)調(diào)整氣隙并提供動(dòng)子運(yùn)動(dòng)平面。圖13 螺線管定子陣列平面電機(jī)該平面電機(jī)的運(yùn)行原理也類(lèi)似于永磁直線步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)永磁體與被激勵(lì)的電磁鐵處于正對(duì)的情況下，動(dòng)子停止運(yùn)動(dòng)。圖14為定子繞組流過(guò)激勵(lì)電流瞬間，定子與動(dòng)子之間的拉力情況，由受力方向可知，動(dòng)子下一

15、時(shí)刻將向左移動(dòng)，并且直到與激勵(lì)電流所在電磁鐵相對(duì)時(shí)，才會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。若不斷地給相應(yīng)的電磁鐵通電，則動(dòng)子可以自由地在定子平面上移動(dòng)。這種平面電機(jī)的動(dòng)子同樣擺脫了連接線的束縛，使得動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)范圍理論上可以不受限制，并且通過(guò)控制勵(lì)磁繞組的空間通電次序，還可以驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)一定角度。另外，通過(guò)改進(jìn)定子螺線管的鐵心結(jié)構(gòu)和氣隙長(zhǎng)度，電機(jī)的性能可以得到優(yōu)化。圖14 螺線管與永磁體受力圖韓國(guó)延世大學(xué)的學(xué)者Kwang Suk Jung和Yoon Su Baek在文獻(xiàn)中提出了一種利用直流電驅(qū)動(dòng)的平面電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖15所示。該電機(jī)的定子由相互正交且以陣列形式分布的多層直流線圈組成，與每個(gè)線圈相對(duì)應(yīng)的永磁體放置在懸浮平

16、板上。通過(guò)直流線圈陣列與永磁體在不同方向上的相互作用，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)子的懸浮與二維驅(qū)動(dòng)。這種直流繞組平面電機(jī)由于僅僅采用了直流空心繞組與永磁體的組合結(jié)構(gòu)，所以不存在交流損耗以及由于鐵心磁飽和而帶來(lái)的渦流損耗，與多相繞組驅(qū)動(dòng)方法相比，該結(jié)構(gòu)更有利于磁場(chǎng)相互作用的建模，另外，直流電的引入使系統(tǒng)的不確定因素減少，并且理論上對(duì)實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)沒(méi)有限制。圖15 永磁體陣列及直流繞組陣列3.2正交電樞繞組結(jié)構(gòu)巴西南里奧格蘭德大學(xué)的Aly F.Flores Filho等人在文獻(xiàn)中提出一種定子為多相正交繞組，動(dòng)子為釹鐵硼永磁體結(jié)構(gòu)的動(dòng)磁式平面電機(jī)，如圖16所示。電機(jī)的定子由電樞繞組和無(wú)槽電樞鐵心組成，其中電樞由相互垂

17、直的兩組多相繞組以相互層疊的排列方式構(gòu)成，兩組多相繞組規(guī)則地纏繞在無(wú)槽鐵心上，并且之間沒(méi)有電氣連接，X或Y方向上的多相繞組分別包含了12個(gè)相互獨(dú)立的繞組。電機(jī)的動(dòng)子由兩塊永磁體和一塊導(dǎo)磁軛組成，永磁體的充磁方向與定子平面垂直，并且兩塊永磁體的充磁方向相反，導(dǎo)磁軛起到連接永磁體并且提供磁通回路的作用。另外，為了給動(dòng)子提供一個(gè)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)平面，一般在動(dòng)子與定子之間放置一個(gè)1mm厚的丙烯酸樹(shù)脂板。圖16 Aly F.Flores Filho等人提出的平面電機(jī)這種平面電機(jī)是利用安培力來(lái)進(jìn)行工作。以X軸為例，圖17為動(dòng)子受力示意圖。當(dāng)永磁體下方的繞組通入電流時(shí)，會(huì)受到與磁場(chǎng)和電流相垂直的安培力作用，力的大

18、小和方向取決于電流值以及永磁體在氣隙中建立的氣隙磁密。同理，動(dòng)子沿Y方向的運(yùn)動(dòng)由永磁體和Y相繞組相互作用產(chǎn)生。這樣，當(dāng)X方向與Y方向的繞組同時(shí)通電時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)子的二維運(yùn)動(dòng)。該平面電機(jī)將具有良好磁能特性的NdFeB永磁體的作為運(yùn)動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)了無(wú)連線動(dòng)子，避免了動(dòng)線圈式結(jié)構(gòu)由于復(fù)雜引線而造成電機(jī)可靠性的下降。將電樞繞組放置在固定不動(dòng)的基板上，有利于更好的進(jìn)行散熱。這種平面電機(jī)的缺點(diǎn)是受端部效應(yīng)和法向力影響較大，因此，為了避免定子與動(dòng)子之間的相互吸引，如何降低法向力成為關(guān)鍵。圖17 X方向受力示意圖清華大學(xué)的曹家勇等人在文獻(xiàn)中提出了一種動(dòng)子帶有鐵心結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)，與無(wú)鐵心線圈組成動(dòng)子的平面電機(jī)相比

19、較，該電機(jī)的特點(diǎn)是能夠產(chǎn)生較大的連續(xù)推力，并且有較高的力密度，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖18所示。圖18 曹家勇等人提出的平面電機(jī)這種平面電機(jī)同樣包含了傳統(tǒng)平面電機(jī)的主要組成部分，如定子、動(dòng)子、永磁陣列、線圈等等，但是在動(dòng)子鐵心材料、動(dòng)子鐵心結(jié)構(gòu)以及繞組形式等方面，有著一些特殊的設(shè)計(jì)。首先，動(dòng)子鐵心由鐵材料制成并且在動(dòng)子鐵心的底部開(kāi)有一些能夠鑲嵌繞組的槽。這種結(jié)構(gòu)不僅減少了磁路的磁阻，而且允許氣隙長(zhǎng)度為一個(gè)很小的值，從而使電機(jī)能夠產(chǎn)生一個(gè)恒定的推力。 （a）動(dòng)子鐵心及繞組結(jié)構(gòu) （b）定子永磁陣列圖19 定子與動(dòng)子結(jié)構(gòu)其次，X向繞組與Y向繞組沿著Z軸方向互相層疊在一起，而且分布在動(dòng)子鐵心的全部范圍內(nèi)，這樣，繞

20、組的相對(duì)范圍利用密度可以達(dá)到100%。因?yàn)閄向繞組與Y向繞組的配置方式與普通的三相繞組結(jié)構(gòu)相同，所以繞組的形式和結(jié)構(gòu)可以多種多樣，例如單層、雙層、整距及短距繞組，圖19（a）中所示僅為雙層整距繞組一種形式。另外，該平面電機(jī)采用的永磁陣列類(lèi)似于Asakawa在專(zhuān)利中提到的陣列結(jié)構(gòu)，但是對(duì)其做了改進(jìn)，將原來(lái)的空隙部分用高導(dǎo)磁率的鋼塊代替，如圖19（b）所示。除了以上兩種正交繞組結(jié)構(gòu)平面電機(jī)，日本東京大學(xué)的Yasuhito Ueda和Hiroyuki Ohsaki近年來(lái)又提出了一種新型平面電機(jī)，這平面電機(jī)特殊之處在于的定子是由印制電路板組成，如圖20所示。作者設(shè)計(jì)這種電機(jī)的目的是制造出一種能夠在平面

21、內(nèi)實(shí)現(xiàn)大范圍運(yùn)行和精確位置定位，且具有小型化定子的平面電機(jī)。這種電機(jī)的動(dòng)子由無(wú)導(dǎo)線束縛的二維Halbach永磁陣列組成，其定子由兩組正交分布的無(wú)鐵心三相電樞導(dǎo)體組成，并且這兩組導(dǎo)體分別布置在一個(gè)雙層印制電路板的上下層，在兩組電樞導(dǎo)體之間還有一層絕緣物質(zhì)。由于采用了印制電路板結(jié)構(gòu)，故可以將電機(jī)做的比較薄，節(jié)省空間且提高了電氣可靠性，另外，該電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)X軸與Y軸的推力解耦控制，并且不用考慮動(dòng)子的瞬時(shí)位置。與由幾組直線電機(jī)在空間不同位置分布而得到的平面電機(jī)相比，這種正交繞組陣列和永磁陣列的結(jié)構(gòu)形式可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)子在二維平面內(nèi)的大范圍運(yùn)行。圖20 印制電路板式平面電機(jī)結(jié)構(gòu)與Yasuhito Ueda電機(jī)

22、定子結(jié)構(gòu)類(lèi)似，韓國(guó)延世大學(xué)的Jong Hyun Choi等人也曾提出過(guò)一種定子采用印制電路板的平面電機(jī)，但是兩種電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)形式不同，電機(jī)實(shí)物圖如圖21所示。該電機(jī)的定子由幾塊印制電路板組成，代替了傳統(tǒng)意義上的銅繞組，三組鋁架以及每組鋁架上的四個(gè)電磁鐵負(fù)責(zé)產(chǎn)生動(dòng)子的懸浮力。三個(gè)圓形的鋼板和一塊帶有Asakawa型永磁陣列的方形板固定在一起，并作為平面電機(jī)的動(dòng)子。定子提供懸浮動(dòng)子的推進(jìn)力，定子上的布線情況如圖22所示。激光位移傳感器和電容氣隙傳感器分別用于測(cè)量推進(jìn)移動(dòng)與懸浮移動(dòng)的位移。由于采用了印制電路板的形式，因此定子會(huì)相當(dāng)簡(jiǎn)單且尺寸很薄，這使得X與Y向之間的移動(dòng)不存在相互影響，從而降低了平

23、面控制的難度。 圖21 印制電路板式平面電機(jī)實(shí)物圖 圖22 印制電路板定子布線圖3.3四組線圈組合結(jié)構(gòu)加拿大多倫多大學(xué)的Robert Brydon Owen在他的碩士論文中提出了一種利用多臺(tái)永磁同步直線電機(jī)進(jìn)行組合而成的三自由度平面電機(jī)，該平面電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖以及樣機(jī)如圖23、24所示。這種平面電機(jī)共集成了四臺(tái)有鐵心式永磁同步直線電機(jī)，每臺(tái)直線電機(jī)可以產(chǎn)生兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，即直線驅(qū)動(dòng)和懸浮驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)均由定子和動(dòng)子組成，其中四個(gè)定子按照示意圖所示的方式縱向固定在一個(gè)較重的固定框架中，并且橫向開(kāi)有溝槽用來(lái)纏繞單層的三相繞組。四臺(tái)直線電機(jī)的動(dòng)子都是由一組釹鐵硼永磁體按一定順序組合而成，放置在其對(duì)應(yīng)定子

24、繞組的下面并且均貼在同一塊鋁合金平板上。該平面電機(jī)系統(tǒng)使用了三個(gè)光學(xué)解碼器，固定在直線導(dǎo)軌上，用來(lái)測(cè)量X、Y以及Z方向的位移。 圖23 平面電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 圖24 三自由度磁懸浮電機(jī)樣機(jī)圖這種平面電機(jī)的缺點(diǎn)是缺少旋轉(zhuǎn)方向的自由度，另外由于使用了直線導(dǎo)軌，從而引進(jìn)了不必要的摩擦。針對(duì)于這些缺點(diǎn)，同樣來(lái)自多倫多大學(xué)的Cameron Fulford對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度的位置控制，最終的指標(biāo)為：運(yùn)動(dòng)范圍100mm100mm，懸浮方向13mm，旋轉(zhuǎn)方向628mrad，定位精度10m，旋轉(zhuǎn)定位精度20rad。美國(guó)麻省理工學(xué)院的韓國(guó)學(xué)者Won-jong KIM在他的博士論文中也提出了一種利

25、用四套永磁同步直線電機(jī)集成的平面電機(jī)結(jié)構(gòu)方案，與Robert Brydon Owen平面電機(jī)有所不同的是，在Kim所提出的平面電機(jī)中，每套直線電機(jī)的定子采用無(wú)槽三相繞組，動(dòng)子采用一維Halbach永磁陣列，而且動(dòng)子懸浮于定子的上方，總體結(jié)構(gòu)如圖25所示。這個(gè)平臺(tái)是世界上第一臺(tái)能夠提供六個(gè)自由度控制并且僅用一個(gè)單一的磁懸浮動(dòng)子實(shí)現(xiàn)大范圍（50mm×50mm）平面移動(dòng)的磁懸浮平臺(tái)。圖25 Kim平面電機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖這種平面電機(jī)利用納米級(jí)分辨率的三臺(tái)激光干涉儀和三個(gè)電容探測(cè)器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)懸浮平臺(tái)的位置，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了盡量減小推力波動(dòng)，每臺(tái)直線電機(jī)的定子采用了無(wú)槽結(jié)構(gòu)，三相定子繞組均

26、勻地纏繞在定子鐵心上并且堆疊排開(kāi)。為了獲得更高的功率密度，直線電機(jī)的動(dòng)子采用了Halbach永磁陣列，與傳統(tǒng)的永磁陣列相比，這種永磁陣列所產(chǎn)生的氣隙磁密是前者的倍。這種平面電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有比較簡(jiǎn)單的機(jī)械設(shè)計(jì)，因此會(huì)有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、更高的機(jī)械可靠性以及更低廉的成本，并且由于懸浮系統(tǒng)沒(méi)有使用導(dǎo)螺桿這樣的中間功率傳遞設(shè)備，所以系統(tǒng)不存在間隙。另外，由于定子線圈與動(dòng)子平臺(tái)之間不存在摩擦力而且省去了機(jī)械支撐與傳動(dòng)部件，因此可以減小系統(tǒng)的附加損耗，使其定位精度大大提高。但是這種結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)范圍難以擴(kuò)大，因?yàn)橐坏﹦?dòng)子的運(yùn)動(dòng)范圍超出定子線圈時(shí)，其運(yùn)動(dòng)將不受控

27、制。電機(jī)的實(shí)物圖見(jiàn)圖26。圖26 Kim平面電機(jī)實(shí)物圖日本東北大學(xué)的學(xué)者Wei Gao等人在2003年又提出了另一種結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)，這種電機(jī)由四臺(tái)無(wú)刷直流直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)三自由度控制。特別地，它將角度編碼裝置集成到定子與動(dòng)子之間，實(shí)現(xiàn)了平面電機(jī)的小型化，平面電機(jī)實(shí)物圖如圖27所示。 （a）動(dòng)子結(jié)構(gòu) （b）定子結(jié)構(gòu)圖27 兩相繞組平面電機(jī)實(shí)物圖如上圖所示，該平面電機(jī)由定子基準(zhǔn)臺(tái)和動(dòng)子平臺(tái)組成。四臺(tái)直線電機(jī)對(duì)稱(chēng)地分布在同一X-Y坐標(biāo)系下，其中兩臺(tái)在X向上，另兩臺(tái)在Y向上。直線電機(jī)的永磁體和定子繞組分別安放在動(dòng)子平臺(tái)與定子基板上，每組永磁體包含了10塊極距為10mm的Nd-Fe-B永磁體，每組

28、定子繞組包含兩個(gè)線圈，線圈之間的跨距為35mm，從而構(gòu)成兩相直線電機(jī)，另外，為了降低推力波動(dòng)和電磁吸力，繞組鐵心采用非磁性材料?？梢酝ㄟ^(guò)驅(qū)動(dòng)X或Y軸方向上的直線電機(jī)而使動(dòng)子平臺(tái)產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)或偏旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該平面電機(jī)的行程為40mm40mm。平面解碼器由兩個(gè)二維角度傳感器和一個(gè)表面上帶有二維正弦波形的角度網(wǎng)格所組成，這個(gè)角度網(wǎng)格固定在利用空氣軸承懸浮起來(lái)的動(dòng)子平臺(tái)的下方，角度傳感器和空氣軸承噴嘴安裝在定子基板上，從而動(dòng)子平臺(tái)的移動(dòng)不會(huì)受到通電導(dǎo)線以及空氣管道的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該精密定位裝置所能達(dá)到的分辨率為200nm。圖28為該平面電機(jī)系統(tǒng)的電路原理圖。圖28 平面電機(jī)系統(tǒng)的電路原理圖韓國(guó)首爾

29、國(guó)立大學(xué)的學(xué)者Han-Sam Cho和Hyun-Kyo Jung根據(jù)線圈陣列與永磁陣列相互作用的平面驅(qū)動(dòng)原理，提出了一種四組一維線圈陣列和一個(gè)二維永磁陣列所組成的動(dòng)線圈式平面電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖29所示。圖29 Cho提出的平面電機(jī)這種平面電機(jī)采用二維永磁陣列作為定子，單軸驅(qū)動(dòng)方法與三相永磁同步直線電機(jī)相同。其動(dòng)子包含四組三相線圈、鐵軛以及空氣軸承的噴嘴。在X和Y方向上各有兩組線圈，且兩組線圈互相垂直。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)子在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，永磁陣列需要有這樣的結(jié)構(gòu)，即無(wú)論從X向或是Y向看，其布置方式相同，該平面電機(jī)采用如圖30所示的永磁陣列，箭頭表示永磁體的磁化方向（由S指向N）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該類(lèi)型永

30、磁陣列具有優(yōu)于其它永磁陣列的特性。這種平面電機(jī)的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)動(dòng)子沿X方向運(yùn)行的線圈同時(shí)會(huì)產(chǎn)生沿Y方向的驅(qū)動(dòng)力，這一點(diǎn)使得電機(jī)的控制變得較為復(fù)雜，并且使得線圈的寬度和長(zhǎng)度較難確定。圖30 Cho平面電機(jī)所采用的永磁陣列荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)的John C.Compter提出過(guò)一種新結(jié)構(gòu)的動(dòng)線圈式平面驅(qū)動(dòng)裝置。該裝置的線圈陣列與Kim平面電機(jī)的線圈陣列結(jié)構(gòu)相似，都是四組直線電機(jī)的空間組合，所不同的地方是Compter提出的線圈陣列中每組線圈實(shí)際上包含了兩組沿著線圈纏繞方向錯(cuò)開(kāi)一定距離、并通入相同電流的線圈單元組成，通過(guò)選擇合理的線圈幾何形狀，這種動(dòng)子線圈結(jié)構(gòu)可以有效地減少極距效應(yīng)（pitch effe

31、ct）的影響。該平面電機(jī)的定子采用二維Halbach永磁陣列，最終實(shí)現(xiàn)指標(biāo)為：精度：10m，速度1m/s，加速度10m/s2。電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-30所示，動(dòng)子繞組樣機(jī)如圖2-31所示。 圖31 平面電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 圖32 動(dòng)子繞組樣機(jī)結(jié)構(gòu)3.4二維線圈陣列結(jié)構(gòu)這種類(lèi)型的平面電機(jī)多為動(dòng)次級(jí)結(jié)構(gòu)，典型結(jié)構(gòu)如圖33所示，其定子由線圈陣列組成，動(dòng)子由永磁陣列組成，動(dòng)子上無(wú)電氣連接，與其它動(dòng)磁式平面電機(jī)一樣，該類(lèi)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是不存在運(yùn)動(dòng)的電氣連線妨礙其他零部件的布置或工作，系統(tǒng)可靠性得以提高。另外，電機(jī)工作過(guò)程中線圈陣列產(chǎn)生的熱量也較易采取措施進(jìn)行散去。圖33 二維線圈陣列與二維永磁陣列荷蘭埃因霍芬理

32、工大學(xué)的J. W. Jansen 等人曾設(shè)計(jì)出一種動(dòng)次級(jí)結(jié)構(gòu)平面電機(jī)，該電機(jī)的定子由相互垂直的兩組無(wú)鐵心線圈以相互間隔的方式依次排列而成，其中兩組線圈將分別產(chǎn)生X或Y方向（這里均是與線圈相垂直的方向）的驅(qū)動(dòng)力并同時(shí)產(chǎn)生動(dòng)子平臺(tái)的懸浮力。動(dòng)子采用二維的Halbach永磁陣列，永磁陣列方向與線圈的方向相對(duì)地成45度角，電機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖34所示。圖34 箭矢型線圈陣列平面電機(jī)結(jié)構(gòu)圖圖35顯示了從線圈底部向上看時(shí)的繞組分布及受力情況，每一個(gè)線圈作為一相，單個(gè)線圈所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力由線圈和永磁體的磁密分布的相對(duì)位置決定，因?yàn)闆](méi)有鐵心的存在，推力可以由洛倫茲力公式直接計(jì)算。在某一瞬間，動(dòng)子平臺(tái)會(huì)覆蓋一定的驅(qū)動(dòng)線圈，通過(guò)控制這些線圈中的電流大小以及通斷情況，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)子平臺(tái)的位置控制。該種平面電機(jī)的樣機(jī)如圖36所示。 圖2-35 箭矢型線圈陣列受力圖 圖2-36 箭矢型線圈陣列平面電機(jī)實(shí)物圖荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)的Jeroen de Boeij等人在文章中提出了一種定子為圓形（方形）線圈陣列的平面電機(jī)，如圖37