直线电机及电机平台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种直线电机及电机平台。直线电机的磁铁阵列设置在定子上，线圈设置在动子上。磁铁阵列中的多个磁铁的极性在X方向上相同，而在Y方向上交替变化。动子沿X方向运动时，磁铁阵列基本上不对线圈施加作用力，而当在线圈中通电时，磁铁阵列对线圈产生Y方向上的作用力。电机平台中，使用上述直线电机作为Y方向电机组件。Y方向电机组件通过其动子施加的驱动力大致经过其驱动对象的质心。X方向电机组件通过其动子施加的驱动力经过其驱动对象的质心变化范围。由此，使得能够容易地将两个方向的驱动力设置为经过或大致经过驱动对象的质心，从而减小附加力矩的不利影响。
【专利说明】直线电机及电机平台
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种直线电机及电机平台。
【背景技术】
[0002]在用力驱动物体时，驱动力方向能够对准被驱动物的质心是比较好的。
[0003]如图1A所示，当驱动力F正好经过质心C时，物体的运动平稳可靠，驱动力F也不会产生附加的转矩。
[0004]反之，如图1B所示，当驱动力F的方向与物体的质心C有比较大的偏差时，驱动力F相对物体质心C会产生一个附加转矩M,影响物体运动的平稳性和可靠性，并且使得物体承受附加的力矩作用。
[0005]在X-Y电机平台的工作过程中也同样会存在这个问题。
[0006]在电机平台(例如X-Y-Theta平台)的设计中，期望尽可能把X方向(第一方向)的电机布置在使得X电机驱动力方向与X方向运动质心大致一致的位置，同样要把Y方向的电机布置在使得Y电机驱动力方向与Y方向运动质心一致的位置。但是在实际的X-Y-Theta平台的设计中，由于电机的运动形式,平台的设计安装空间等各方面的限制，使得驱动力与运动质心一致或者尽可能一致的要求难以得到满足。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是使得电机平台中的电机的驱动力与其所驱动的对象的质心一致或者尽可能一致。
[0008]根据本发明的一个方面，提供了一种直线电机，包括定子和动子，定子和动子中的一个上设置有线圈，另一个上设置有磁铁阵列。定子和动子被设置为使得动子能够沿第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)运动，磁铁阵列的作用表面的法线方向为第三方向(Z方向)，第一方向、第二方向以及第三方向彼此垂直，并且线圈和磁铁阵列被设置为使得当动子沿第一方向运动时磁铁阵列基本上不对线圈施加作用力，而当在线圈中通电时，磁铁阵列对线圈产生第二方向上的作用力。
[0009]优选地，磁铁阵列设置在定子上，线圈设置在动子上，磁铁阵列中的多个磁铁的极性在第一方向上相同，而在第二方向上交替变化。
[0010]优选地，磁铁阵列中的每个磁铁的作用表面为矩形，其较长的一边沿第一方向设置，其较短的一边沿第二方向设置，在第一方向上设置有一组或多组磁铁，在第二方向上设置有多组磁铁，从而形成磁铁阵列。
[0011]优选地，定子上设置有两组磁铁阵列，两组磁铁阵列设置在定子的线圈两侧，两组磁铁阵列中在第三方向上相面对的磁铁的极性相反。
[0012]根据本发明的另一个方面，提供了一种电机平台，包括:第一方向电机组件，驱动其动子在第一方向上运动；以及第二方向电机组件，驱动其动子在第二方向上运动，第一方向与第二方向彼此垂直，第二方向电机组件是根据本发明的直线电机，第二方向电机组件的动子被设置为能够在第一方向电机组件的动子的驱动下在第一方向上运动。
[0013]优选地，第二方向电机组件通过其动子施加的驱动力大致经过其驱动对象的质心，第一方向电机组件通过其动子施加的驱动力经过其驱动对象的质心变化范围。
[0014]优选地,第一方向电机组件包括沿第一方向设置的两个空芯圆柱直线电机，第一方向电机组件的动子设置在两个空芯圆柱直线电机之间。
[0015]优选地，一个空芯圆柱直线电机的轴线高度高于第一方向电机组件的动子的驱动对象的质心高度，另一个空芯圆柱直线电机的轴线高度低于驱动对象的质心高度，使得两个空芯圆柱直线电机所产生的驱动力的等效合力的高度与驱动对象的质心高度大致相同。
[0016]优选地，还包括:旋转电机，设置在第二方向电机组件的动子上，旋转电机的具有中空筒状结构，其定子上设置有线圈组件，其转子上设置有磁铁组件。
[0017]优选地，还包括:第一方向直线位移传感器，其读头设置在底座上，其刻度尺设置在第一方向电机组件的动子上；第二方向直线位移传感器，其读头设置在第一方向电机组件的动子上，其刻度尺设置在第二方向电机组件的动子上。转角位移传感器，其读头设置在旋转电机的定子上，其刻度尺设置在旋转电机的转子的外圆周上。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1A和图1B分别是驱动力方向经过驱动对象质心和不经过驱动对象质心的情况下的示意图。
[0019]图2示出了 Y方向电机组件可以使用的磁铁组件的示例。
[0020]图3A和3B分别是常规U型空芯直线电机的示意立体图和示意侧视图。
[0021]图4A和4B分别示出了沿图3B中A-A线和B-B线的剖面图。
[0022]图5示出了一种新型U型空芯直线电机的示意图。
[0023]图6A-6C示意性地示出了根据本发明的U型空芯直线电机的磁铁阵列的磁铁极性的设置。
[0024]图7示意性地示出了根据本发明的电机平台的示例。
[0025]图8A示意性地示出了旋转电机的剖开斜视图，图SB示出了旋转电机沿径面剖开的剖面图。
【具体实施方式】
[0026]下面参考附图详细描述根据本发明的优选实施例。
[0027]根据本发明的电机平台包括X方向(第一方向)电机组件和Y方向(第二方向)电机组件，分别驱动其各自的动子在X方向和Y方向上运动。X方向与Y方向彼此垂直。
[0028]对于Y方向电机组件而言，优选使通过其动子施加的驱动力大致经过其驱动对象的质心。相对于Y方向电机组件而言，其驱动对象的质心在X方向上一般是不变的，只在Y方向电机组件的驱动下在Y方向上移动。
[0029]而对于X方向电机组件而言，则不然。因为X方向电机组件需要驱动Y方向电机组件的至少部分在X方向上运动，而Y方向电机组件的至少动子还会在Y方向上运动。这样，X方向电机组件的驱动对象的质心会在Y方向上一定的质心变化范围内移动。
[0030]这样，需要使X方向电机组件通过其动子施加的驱动力经过其驱动对象的质心变化范围。例如，驱动力可以经过质心变化范围的中间部分，或者经过质心变化范围中其它特定的位置处(例如统计上质心位于该位置处的概率最大或较大的位置)。这样也可以减小附加力矩所产生的影响。
[0031]另一方面，减小Y方向上运动的部分的质量也可以缩小X方向电机组件的驱动对象的质心变化范围。这样也进一步有助于减小附加力矩所产生的影响。
[0032]X方向电机组件可以采用任意数量和类型的电机来实现。在优选实施例中，X方向电机组件可以包括沿X方向设置的两个空芯圆柱直线电机，X方向电机组件的动子设置在两个空芯圆柱直线电机之间。
[0033]两个直线电机的合力被设置为经过驱动对象的质心变化范围。
[0034]在这里，“合力”可以理解为与其几个分力共同作用时相比，产生相同效果的力。这里所讲的相同效果包括相对于任意参考点的力矩相同，即考虑到各个力的施力点的位置，根据力矩关系，给出了合力的等效施力点位置，各个分力相对于合力等效施力点的力矩之和为零。这里提到“合力的位置”是指合力等效施力点的位置。
[0035]当在一般情况下两个直线电机产生相同大小且相同方向的驱动力时，合力点在两个直线电机之间的中心位置。在这种情况下，只需要将X方向电机组件的驱动对象的质心设置在两个直线电机之间的中心位置附近即可，或者将驱动对象的质心变化范围设置为包括该中心位置。
[0036]由于X方向的运动质心一般难以与两个空芯圆柱直线电机的轴心同高，所以优选两个空芯圆柱直线电机一高(优选远离Y方向电机组件的空芯圆柱直线电机的轴心高些)一低(优选靠近Y方向电机组件的空芯圆柱直线电机的轴心低些)的配置，两个轴心的连线中点(或者两个电机的驱动力的合力方向)与X运动质心等高，使得两个空芯圆柱直线电机所产生的驱动力的等效合力的高度与驱动对象的质心高度大致相同。特别的情况，也可以把两个空芯圆柱直线电机的轴心与X方向运动质心设计成等高。
[0037]为了减小X方向电机组件的驱动对象的质量，可以采用新颖的Y方向电机组件。Y方向电机组件的定子(下面简称为“Y方向定子”)可以不必设置在X方向电机组件的动子(下面简称为“X方向动子”)上。而Y方向电机组件的动子(下面简称为“Y方向动子”)随X方向动子在X方向上运动。
[0038]换言之，Y方向动子随X方向动子在X方向上运动，而在Y方向电机组件的驱动下在Y方向运动。
[0039]Y方向动子和Y方向定子上分别设置有线圈和磁铁阵列。线圈和磁铁阵列被设置为使得当Y方向动子沿X方向运动时磁铁阵列基本上不对线圈施加作用力，而当在线圈中通电时，磁铁阵列对线圈产生Y方向上的作用力。
[0040]由于磁铁组件一般质量较大，优选地，可以将磁铁组件设置在Y方向定子上，而将线圈设置在Y方向动子上。然而，也可以将磁铁组件设置在Y方向动子上，而将线圈设置在Y方向定子上。
[0041 ] 图2示出了 Y方向电机组件可以使用的磁铁组件的示例。
[0042]在X方向上设置有一组或多组磁铁，在Y方向上设置有多组磁铁，从而形成磁铁阵列。
[0043]磁铁阵列中的每个磁铁的上表面(面对线圈的表面，可以称为“作用表面”)为矩形，其较长的一边沿X方向设置，其较短的一边沿Y方向设置。这样在X方向上可以使用较少数量的磁铁。
[0044]如图2所示，磁铁阵列中的多个磁铁的极性在X方向上相同，而在Y方向上交替变化。图2中，第一行的3个磁铁的作用表面都是S极，第二行的3个磁铁的上表面都是N极，如此交替。
[0045]定子上也可以设置有相面对的两组磁铁阵列，两组磁铁阵列设置在定子的线圈两侦U。两组磁铁阵列中在Z方向上相面对的磁铁的极性相反。
[0046]图5示出了一种新型U型空芯直线电机的示意图。图5所示U型空芯直线电机正是上面所提到的设置有相面对的两组磁铁阵列的电机组件。该U型空芯直线电机具有解耦(decouple)结构。
[0047]图3A和3B分别是常规U型空芯直线电机的示意立体图和示意侧视图。
[0048]如图3A和3B所示，磁铁组件300内侧设置有槽，两组磁铁阵列310、320相面对地设置槽在两侧，中间留有空间，以使得线圈组件330能够在其间运动。线圈组件330只能在一个方向上运动。
[0049]图4A和4B分别示出了沿图3B中A-A线和B-B线的剖面图，其中示出了两组磁铁阵列310、320的相对表面处的极性布置。
[0050]如图4A所示，磁铁阵列310的磁铁表面处极性为(从左到右)N、S、N、......、S，磁铁阵列320的磁铁表面处极性为(从左到右)S、N、S、……、N。每一个磁铁阵列中的磁铁表面处极性交替变化。两组磁铁阵列中相面对的磁铁的表面处极性相反。
[0051]图5所示根据本发明的U型空芯直线电机。
[0052]如图5所示，定子500上设置有两组磁铁阵列510、520。两组磁铁阵列510、520设置在线圈组件(动子)530上设置的线圈两侧。
[0053]两组磁铁阵列510、520中在Z方向上相面对的磁铁的极性相反。这样，两侧的磁铁阵列510、520能够对线圈产生相同方向上的作用力。
[0054]图6A-6C示意性地示出了根据本发明的U型空芯直线电机的磁铁阵列510、520的磁铁极性(即两个磁铁阵列相对的表面，也即对线圈产生作用的作用表面)的设置。
[0055]其中图6B是图5所示U型空芯直线电机的示意性顶视图。图6A是假设沿图6B中C-C线剖开后向上翻开的剖视图。图6C是假设沿图6B中D-D线剖开后向下翻开的剖视图。
[0056]如图6A和6C所不,磁铁阵列510、520中各磁铁的几何尺寸可以是一样的，只是充磁方向不一样。每一行具有相同极性的三条磁铁。然而本发明不限于一行三条磁铁，可以是一条长磁铁，也可以是任何其它数量的磁铁。
[0057]从上到下看，每一列的磁性交替变化。沿Y方向看，磁铁阵列510的磁铁表面处极性依次为(图中从上到下)S、N、S、……、N，相应地，磁铁阵列520的磁铁表面处极性依次为(图中从下到上)N、S、N、……、S。每一个磁铁阵列中的磁铁表面处极性交替变化。而两组磁铁阵列中相面对的磁铁的表面处极性相反。
[0058]图6A和图6C所示只是磁铁极性设置的示例，两个剖面的极性设置也可以互换，而不影响电机的性能。
[0059]当线圈组件530在X方向的两个空芯圆柱直线电机的驱动下运动时，通过线圈组件的磁通量基本上没有变化(各磁铁的几何尺寸误差和充磁误差可以忽略不计时)，因此，不管线圈组件是否通电，其在X方向均不能产生输出力，也就是说线圈组件只能随着X方向运动，不会干扰和影响X方向的运动。但当线圈组件通电时，这时候的Decouple结构U型空芯直线电机实际上就是一个普通的U型空芯直线电机,产生Y方向的输出和运动。
[0060]Y方向电机组件采用这种特殊的解耦结构，巧妙地把Y方向电机组件的磁铁置于X方向的运动之外，使得X方向的电机不用驱动非常笨重的Y方向电机的磁铁组件，极大地提高了 X-Y平台的驱动能力和动态性能。并且采用这种解耦结构可以非常方便地布置Y方向驱动力的方向，使其很容易对准或者尽可能对准Y方向运动的重心。
[0061]下面参考附图7描述根据本发明的电机平台的示例。其中，X方向电机组件使用两个空芯圆柱直线电机，而Y方向电机组件使用如图5所示的U型空芯直线电机。
[0062]图7所示的电机平台大致上可以分为三个组件，X方向电机组件100、Y方向电机组件200、旋转电机400。
[0063]X方向电机组件100包括设置在底座150上的两个空芯圆柱直线电机110、X方向导轨120和X板130。X板(X方向电机组件的动子)130搭在X方向导轨120上，并且设置在两个空芯圆柱直线电机120之间。另外，还包括X方向直线位移传感器140，其读头设置在底座上，其刻度尺设置在X方向电机组件的动子上。
[0064]Y方向电机组件200包括定子210、线圈组件215、Y板230、Y方向导轨220。定子210独立于X方向电机组件的动子部分而设置。线圈组件215与Y板230固定连接，形成Y方向动子。Y方向导轨220设置在X板上，Y板230搭在Y方向导轨220上。另外，还包括Y方向直线位移传感器240，其读头设置在X板130 (即X方向电机组件的动子)上，其刻度尺设置在Y板(即Y方向电机组件的动子)上。Y方向电机组件200可以是图5所示U型空芯直线电机。
[0065]旋转电机400设置在Y板230上。旋转电机400上设置有转角位移传感器440，其读头设置在旋转电机的定子上，其刻度尺设置在旋转电机的转子的外圆周上。下面将参考图8Α和8Β详细描述旋转电机400的示例。
[0066]X方向电机组件100的所要驱动的工件(驱动对象)包括两个空芯圆柱直线电机110的线圈组件、X板130及其附属工件(例如线缆的固定连结件、搭在X方向导轨120上的滑块等)、x方向直线位移传感器的刻度尺、Y方向导轨220、Y方向电机的线圈组件215、Y板230及其附属工件(例如线缆的固定连结件、搭在Y方向导轨上的滑块等)、Y方向直线位移传感器240的读头和刻度尺、以及旋转电机400。
[0067]Y板230及其附属工件、Y方向直线位移传感器240的刻度尺以及旋转电机400会在Y方向电机组件的驱动下，在Y方向上移动。因此，X方向电机组件100的驱动对象的质心有一定的变化范围。
[0068]通过设计两个空芯圆柱直线电机110、X板130的相对位置，可以将两个空芯圆柱直线电机110所产生的合力的方向设置为经过该质心变化范围。优选地，例如可以经过质心变化范围的中间部分，或者可以经过在该质心变化范围中成为质心的概率较大的部分。
[0069]靠近Y方向电机组件200的定子210的空芯圆柱直线电机110设置得较低(方便Y板230和Y方向线圈组件215运动)，而远离Y方向电机组件200的定子210的空芯圆柱直线电机110设置得较高。这样可以使得两个空芯圆柱直线电机110的合力的高度大致上与质心的高度相同(质心高度一般变化不大)。
[0070]Y方向电机组件200的所要驱动的工件(驱动对象)包括Y方向电机的线圈组件215、Y板230及其附属工件(例如线缆的固定连结件、搭在Y方向导轨上的滑块等)、Y方向直线位移传感器240的刻度尺、以及旋转电机400。
[0071]Y板230上与线圈组件215固定连接的部分在Z方向上是凸起的，使得线圈215的高度(以及Y方向电机组件的驱动力的高度)与Y方向电机组件的驱动对象的高度大致相同。另外，可以进一步设置线圈组件215相对于其驱动对象在X方向上的相对位置关系，以使Y方向电机组件200施加的驱动力大致经过其驱动对象的质心。
[0072]图8A示意性地示出了旋转电机的剖开斜视图，图SB示出了旋转电机沿径面剖开的剖面图。
[0073]根据本发明的实施例中所使用的旋转电机是大中空的DDR (直接驱动旋转)电机，具有中空筒状结构。底座810上设置有固定的圆环状线圈组件(定子)和线圈组件内侧可转动的圆环状磁铁组件(转子)。线圈组件包括铁芯820和线圈830。磁铁组件上设置有磁铁840。
[0074]线圈组件和磁铁组件直接有角接触球轴承或交叉滚子轴承850。
[0075]线圈组件上方设置有角度编码器读头860。磁铁组件上方圆环部件的外圆周上设置有角度编码器刻度尺870。角度编码器转动尺870可以是光栅尺或磁栅尺。
[0076]所有的位置传感器(直线或者转角位移传感器)，不论是采用光电编码器还是磁性编码器，都采用编码器读头固定，编码器刻度尺(光栅尺或者磁栅尺)运动，这样有利于减小传感器线缆的运动对平台性能的影响和对传感器输出信号的影响。
[0077]采用本发明的方案设计实现的样机性能指标如下:X方向分辨率为lum，X方向运动精度为土5um，加速度为6G (G为重力加速度)，X方向最大运动速度为1.5m/s,X方向动态响应时间为IOms ;Y方向分辨率为lum，Y方向运动精度为±5um，加速度为8G(G为重力加速度)，Y方向最大运动速度为2m/s，Y方向动态响应时间为IOms ;Theta的分辨率为20000?6000000counts/rev，Theta方向DDR电机的最大输出转矩将近lOONm，Theta方向动态响应时间为10ms, Theta方向最大转动角速度为3000rev/min(不同分辨率最大转动速度不一样)。
[0078]至此，已详细描述了本发明的具体实施例。然而本领域技术人员应该明白，本发明不限于上面提到的细节。本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
【权利要求】
1.一种直线电机，包括定子和动子，所述定子和所述动子中的一个上设置有线圈，另一个上设置有磁铁阵列， 其特征在于， 所述定子和所述动子被设置为使得所述动子能够沿第一方向和第二方向运动， 所述磁铁阵列的作用表面的法线方向为第三方向， 所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向彼此垂直，并且所述线圈和所述磁铁阵列被设置为使得当所述动子沿所述第一方向运动时所述磁铁阵列基本上不对所述线圈施加作用力，而当在线圈中通电时，所述磁铁阵列对所述线圈产生所述第二方向上的作用力。
2.根据权利要求1的直线电机，其特征在于， 所述磁铁阵列设置在所述定子上，所述线圈设置在所述动子上， 所述磁铁阵列中的多个磁铁的极性在所述第一方向上相同，而在所述第二方向上交替变化。
3.根据权利要求2的直线电机，其特征在于， 所述磁铁阵列中的每个磁铁的作用表面为矩形，其较长的一边沿所述第一方向设置，其较短的一边沿所述 第二方向设置， 在所述第一方向上设置有一组或多组磁铁，在所述第二方向上设置有多组磁铁，从而形成所述磁铁阵列。
4.根据权利要求2或3的直线电机，其特征在于， 所述定子上设置有两组磁铁阵列，所述两组磁铁阵列设置在所述动子上设置的线圈两侦U， 所述两组磁铁阵列中在所述第三方向上相面对的磁铁的极性相反。
5.一种电机平台，包括: 第一方向电机组件，驱动其动子在第一方向上运动；以及 第二方向电机组件，驱动其动子在第二方向上运动，所述第一方向与所述第二方向彼此垂直， 其特征在于， 所述第二方向电机组件是根据权利要求1至4中任何一项的直线电机， 所述第二方向电机组件的动子被设置为能够在所述第一方向电机组件的动子的驱动下在所述第一方向上运动。
6.根据权利要求5的电机平台，其特征在于， 所述第二方向电机组件通过其动子施加的驱动力大致经过其驱动对象的质心， 所述第一方向电机组件通过其动子施加的驱动力经过其驱动对象的质心变化范围。
7.根据权利要求5或6的电机平台，其特征在于， 所述第一方向电机组件包括沿所述第一方向设置的两个空芯圆柱直线电机， 所述第一方向电机组件的动子设置在所述两个空芯圆柱直线电机之间。
8.根据权利要求7的电机平台，其特征在于， 一个空芯圆柱直线电机的轴线高度高于所述第一方向电机组件的动子的驱动对象的质心高度，另一个空芯圆柱直线电机的轴线高度低于所述驱动对象的质心高度，使得所述两个空芯圆柱直线电机所产生的驱动力的等效合力的高度与所述驱动对象的质心高度大致相同。
9.根据权利要求6的电机平台，其特征在于，还包括: 旋转电机，设置在所述第二方向电机组件的动子上，所述旋转电机的具有中空筒状结构，其定子上设置有线圈组件，其转子上设置有磁铁组件。
10.根据权利要求9的电机平台，其特征在于，还包括: 第一方向直线位移传感器，其读头设置在底座上，其刻度尺设置在所述第一方向电机组件的动子上； 第二方向直线位移传感器，其读头设置在所述第一方向电机组件的动子上，其刻度尺设置在所述第二方向电机组件的动子上；以及 转角位移传感器，其读头设置在所述旋转电机的定子上，其刻度尺设置在所述旋转电机的转子的外圆 周上。
【文档编号】H02K41/02GK104052233SQ201410187117
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】肖俊东 申请人:肖俊东