多磁足驱动式大范围磁浮平面工作台制造技术

一种多磁足驱动式大范围磁浮平面工作台，主要应用于制造设备与机器人领域。该工作台包括基台和移动台，所述基台包含一个永磁阵列。所述移动台由平台和设置于平台底部的若干个磁足单元组成。所述磁足单元包含一个线圈阵列和一个由铁磁材料制成的磁足铁心。所述磁足铁心由铁心体和一系列铁心齿构成。所述一系列铁心齿沿ＸＹ平面按照矩阵形式布置而成。所述线圈阵列由若干线圈组成。所述线圈分别镶嵌于所述铁心齿上。因所述磁浮工作台采用有铁心式电磁结构，且铁心齿阵列结构简单，绕组为多相配置形式，故其具有峰值推力更大、散热条件好、制造简单、电磁力脉动小等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种磁浮工作台，特别是一种大范围移动磁浮XY工作台，主要 应用于制造设备与机器人领域。
技术介绍
XY工作台是一种用于实现制造设备及机器人中工件与刀具之间、基础件和 末端件之间以及多个工件之间的平面相对运动的机电部件。传统的XY工作台由 两套直线驱动单元垂直叠加而成，每套直线驱动单元由一台旋转电动机、 一套直 线运动转换机构和一套直线导轨组成，或者由一台直线电机和一套直线导轨组成。 位于底层的直线驱动单元不仅承担末端承件台的驱动，而且还承载着顶层直线驱 动单元的质量，于是造成了 XY工作台在X方向和Y方向运动惯量的严重不均衡， 从而影响了运动行程、响应速度、运动精度等性能指标的提高。在这种背景下， 具有多个电磁力直接驱动特点的XY工作台则应运而生，它避开了传统XY工作台 叠层驱动的思路，为XY工作台性能指标的进一步增强开辟了崭新的途径。根据竖直、纵顷和横顷3个非运动自由度的约束方式和涉及的
，可 将直接驱动XY工作台划分为气浮XY工作台和磁浮XY工作台，它们分别采用 气浮和磁浮方式实现对3个非运动自由度(偏摆、纵顷和横顷)的约束。相比于 气浮方式，磁浮方式具有结构简单、基座表面无需精密加工、可实现非运动自由 度的主动约束、易在真空环境中应用等优点。目前有两类磁浮工作台 一类是使用了直线永磁阵列和直线线圏阵列的磁浮 工作台。这种磁浮工作台由于受到电磁结构形式及运行原理的限制，其移动范围 特别是相对移动范围往往偏小，譬如，Kim等提出的磁浮XY工作台中，移动台 的边长为321mmX321mm，而沿X向和Y向的行程却只有50mm (见Kiml997 年完成的博士论文《High-precision planar magnetic levitation》(《高精度平面磁 悬浮台》)和发表于杂志《IEEE Transaction on Industry application》(IEEE工业应用汇刊)1998年第34巻第6期的论文《Modeling and vector control of planar magnetic levitator》(《平面磁浮台的建模与矢量控制》)，不到移动台边长的20%。 如图l(a)所示，X电枢绕组CXI和CX2、 Y向电枢绕组CYI和Cv'2分置于平面的四 个区域并与基台相连，中心线l-r和2-2'为所述四个区域的分界线，图中Mw和 MX2为X相直线永磁阵列，MY1和MY2为Y相直线永磁阵列。图l(b)和图l(c)表 示了移动台运动到Y方向最上边和最下边时的情形，此时，永磁阵列Mxl和Mx2 的下边界和上边界分别与中心线2-2，重合，于是，移动台在Y方向上的运动行程 小于或等于永磁阵列边界之间的距离rf-50mm，同样X方向行程也受到上述原理 的限制，移动范围也不到移动台边长的20%。另一类是使用了平面永磁阵列和平面线圈阵列的磁浮平面工作台，由于工作 台的移动并未改变其电磁结构的本质，这类磁浮工作台一般具有较大的移动范围。 根据这类磁浮工作台电磁结构的特点，可将其划分为无铁心式和有铁心式两种。 对于无铁心式磁浮工作台，其磁路敞开在空气中，永磁阵列产生的励磁磁场弱， 从而导致其推力和悬浮力(Lorentz力)较小。而对于有铁心式磁浮工作台，其空 气隙较小，永磁阵列产生的励磁磁场强，从而使其峰值推力和峰值悬浮力大幅提咼o
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种多磁足驱动式大范围磁浮平 面工作台，使其具有峰值推力大、制造工艺简单、移动范围大、电磁力脉动小的 特点。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术所述的磁浮平面工作台，包括基 台和移动台，移动台悬浮设置在基台上方，两者之间存在气隙。 所述基台包含一个永磁阵列。所述永磁阵列布置于所述气隙下方。 所述移动台由平台和设置于平台底部的若干个磁足单元组成。 所述磁足单元包含一个线圈阵列和一个由铁磁材料制成的磁足铁心。 所述磁足铁心由铁心体和一系列铁心齿构成，所述一系列铁心齿固接于铁心 体上。所述线圈阵列由若干线圈组成，所述线圈分别镶嵌于所述铁心齿上。所述一系列铁心齿沿XY平面按照矩阵形式布置而成。本专利技术所述的一系列铁心齿中，沿X方向任意相邻铁心齿和沿Y方向任意相 邻铁心齿之间的中心距等于永磁阵列的极距的三分之一。本专利技术所述所述的线圈阵列中沿X方向任意相邻线圈和沿Y方向任意相邻线 圈之间的中心距也等于永磁阵列的极距的三分之一。本专利技术所述的铁心齿与所述铁心体固连，所述线圈的数量与所述铁心齿的数 量一样。本专利技术所述的永磁阵列由一系列沿着XY平面按照矩阵形式分布的永磁体组成。本专利技术所述所述的线圈为矩形线圈、圆形线圈或多边形线圈。本专利技术所述所述的线圈阵列中的线圈被分成9组，在每一相绕组中，沿x方 向或y方向任意两相邻线圈轴线之间的距离分别等于所述永磁阵列的极距。所述9相绕组分别通入具有一定相差的正弦交流电时，产生磁极沿XY平面 展开的磁场。该磁场与所述永磁阵列产生的磁场相互作用产生施加于所述磁足单 元上的沿X向、沿Y向和沿Z向的电磁力，其中，所述X向电磁力和Y向电磁 力用于驱动移动台沿XY平面运动；所述Z向电磁力用于抵抗移动台的重力，使 所述移动台与所述基台之间产生间隙，从而实现移动台的悬浮功能。本专利技术所述的多磁足驱动式磁浮平面工作台的优点是(1)磁足单元属于有 铁心式电枢，相比于基于Lorente原理的无铁心式电枢，其峰值推力更大，且线 圈产生的热量易被铁心传导出，避免热量集聚；(2)铁心齿阵列结构简单、易加 工；(3)使用了多相绕组配置形式，降低电磁力脉动。附图说明图1磁浮XY工作台移动范围分析原理图； 图2本专利技术所述磁浮XY工作台的三维视图； 图3本专利技术所述磁浮XY工作台的侧面视图； 图4本专利技术所述基台的一种结构；图5本专利技术永磁阵列气隙磁感应强度竖直分量关于XY坐标的变化关系示意图6本专利技术所述磁足单元的三维分解视图；图7本专利技术所述磁足单元的三维视图8本专利技术所述相邻线圈中心距示意图9具有方形截面柱状铁心齿的磁足铁心的示意图，其中(a)和(b)是具有方形截面柱状铁心齿的磁足铁心的左视图和正视图； 图10具有圆形截面柱状铁心齿的磁足铁心的示意图，其中(a)和(b)是具有圆形截面柱状铁心齿的磁足铁心的左视图和正视图； 图11具有靴状铁心齿磁足铁心的示意图，其中(a)、 (b)和(c)分别是具有靴状铁心齿磁足铁心的左视图、正视图和仰 视图12本专利技术线圈的实现方式示意图13本专利技术线圈阵列的分组方法的原理图14本专利技术相绕组的电气连接方法的原理图15本专利技术电枢单元受激励后产生的气隙磁感应度竖直分量关于XY坐标的 变化关系示意图16本专利技术电枢单元的受力情况； 图17本专利技术移动台的受力情况，图中l一基台；2—移动台；3—底座；4一线圈阵列；5 —平面永磁阵列；6 —永磁体；7—平台；8—磁足单元；9一磁足铁心；IO—铁心体；ll一铁心齿； 12—线圈；13—方形轮廓截面的柱状铁心齿；14一截面轮廓形状为圆形的柱状铁 心齿；15—齿体；16—齿靴；17—靴状齿；18—逆时针电流方向；19一顺时针电 流方向；20—矩形线圈；21—圆形线圈；22—多边形线圈；23—基台顶面；24— 移动台底面；25—气隙；"C广铁心齿间距本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多磁足驱动式大范围磁浮平面工作台，包括基台（１）和移动台（２），移动台（２）悬浮设置在基台（１）上方，两者之间存在气隙，其特征在于：所述基台（１）包含一个永磁阵列（５），所述永磁阵列布置于所述气隙下方；所述移动台由平台（７）和设置于平台（７）底部的若干个磁足单元（８）组成，所述磁足单元（８）包含一个线圈阵列（４）和一个由铁磁材料制成的磁足铁心（９），所述磁足铁心（９）由铁心体（１０）和一系列铁心齿（１１）构成，所述一系列铁心齿（１１）固接于铁心体（１１）上；所述线圈阵列（４）由若干线圈（１２）组成，所述线圈（１２）分别镶嵌于所述铁心齿（１１）上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹家勇，王石刚，朱煜，徐威，尹文生，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]