微纳定位装置及其音圈电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机设备技术领域，特别是涉及一种微纳定位装置及高精度大推力音圈电机。
【背景技术】
[0002]高精密加工技术的水平反映了一个国家的科技发展状况和综合实力，是一个国家掌握先进工业技术的标志。90年代以来，无论是光电子器件或集成电路的加工还是生物医学工程中的细胞操作，都越来越多的对高精密加工技术提出了更高的要求，很多场合定位精度和分辨率已经升级到了纳米量级的要求。目前，我国在高精密加工技术领域的研究还相对落后，这也制约着我国高端制造业的发展。开展高精密加工技术领域中基础驱动元件一电机的研究，对于提升我国高精密加工技术水平缩小同国外同行的差距，对促进我国的国民经济的快速发展都有着重大而深远的意义。
[0003]电机是高精密加工技术领域中的驱动元件，也是核心元件，电机的特性与精度对定位装置实现高精密加工技术有着十分重要的影响。目前，压电陶瓷电机在高精密加工技术领域有着广泛的应用，这是由于压电陶瓷电机具有机构紧凑、体积小、分辨率高、输出力大的优点。但是压电陶瓷驱动器存在如下缺陷:(I)压电陶瓷的迟滞特性严重影响压电陶瓷驱动器的重复定位精度；(2)压电陶瓷的蠕变特性会使其产生变形滞后这将影响压电陶瓷驱动器的一次定位精度；(3)以线性膨胀和温度对压电效应影响为主要表现的压电陶瓷的温度特性对高精度定位及某些特殊应用场合的定位精度有严重影响；(4)压电陶瓷等效为一个电容，因此其响应速度不仅取决于自身等效电容值的大小，而且还与所釆用的驱动电源的品质有密切关系，电源的驱动能力和响应特性将直接影响到压电陶瓷驱动器的动态特性；(5)压电陶瓷驱动器输出位移量小很难满足诸如光电子器件、集成电路的加工、生物医学工程中的细胞操作等应用场合对微纳定位平台技术提出的大行程的要求；(6)压电陶瓷驱动器电压-位移特性的迟滞特性和非线性特性增加了控制的难度。这些缺陷限制了其在高精密加工技术领域中的应用。
[0004]传统的，用音圈电机代替压电陶瓷电机，音圈电机(Voice Coil Motor，VCM)是一种特殊形式的直接驱动电机，属于微特电机，具有结构简单、体积小、噪声低、比推力高、加速度大(超过20倍的重力加速度)、响应快(毫秒级)、精度高(可达I 一 5μπι)、维护方便、可靠性高的优点。但是，目前的音圈电机的推力小，精度不高，不能满足使用要求。
【发明内容】
[0005]基于此，有必要针对目前的音圈电机不能同时保证大推力与高精度的问题，提供一种能够将大推力与高精度相统一的音圈电机，同时还提供了一种含有上述音圈电机的微纳定位装置。
[0006]上述目的通过下述技术方案实现:
[0007]—种音圈电机，包括:
[0008]底板，包括上底板与下底板，所述上底板与所述下底板相对安装；
[0009]定子组件，包括轭部机构及四组Halbach阵列永磁体，所述轭部机构包括上部磁轭、中部磁轭及下部磁轭，所述上部磁轭和下部磁轭分别与所述上底板与所述下底板连接，所述上部磁轭、所述中部磁轭与所述下部磁轭共同围成上下两个气隙，四组所述Halbach阵列永磁体分别安装于所述上部磁轭的下表面上、所述中部磁轭的上表面上及下表面上与所述下部磁轭的上表面上;每组所述Halbach阵列永磁体均包括至少两个径向充磁永磁体及至少两个轴向充磁永磁体，至少两个所述径向充磁永磁体与至少两个所述轴向充磁永磁体间隔设置，且所述径向充磁永磁体与所述轴向充磁永磁体沿轴向方向的宽度不相等；
[0010]动子组件，安装于所述定子组件的两个所述气隙中；所述动子组件包括一个至二十五个线圈及线圈骨架，所述线圈骨架上的设置有安装槽，所述安装槽的数量为所述线圈的数量的两倍减一个，所述一个至二十五个所述线圈依次间隔缠绕于所述绝缘骨架上的所述安装槽中；及
[0011 ]支撑组件，安装于所述上底板与所述下底板上，且，所述支撑组件与所述线圈骨架连接。
[0012]在其中一个实施例中，所述Halbach阵列永磁体由所述轴向充磁永磁体与所述径向充磁永磁体相间布置，且，所述轴向充磁永磁体与所述径向充磁永磁体充磁方向相互垂直，所述径向充磁永磁体沿轴向方向的宽度为所述轴向充磁永磁体沿轴向方向的宽度的2倍?5倍；
[0013]每两组相对布置的Halbach阵列永磁体构成封闭的磁路，每组Halbach阵列永磁体包括2η+1块永磁体，其中η = 1，2，3，4……；
[0014]第2η-1块永磁体为轴向充磁永磁体，第2η块永磁体为径向充磁永磁体，且，第一块永磁体与第三块永磁体充磁方向相反，第三块永磁体与第五块永磁体充磁方向相反，第五块永磁体与第七块永磁体充磁方向相反，……，第2η-1块永磁体与第2η+1块永磁体充磁方向相反;第二块永磁体与第四块永磁体充磁方向相反，第四块永磁体与第六块永磁体充磁方向相反，……，第2η-2块永磁体与第2η块永磁体充磁方向相反。
[0015]在其中一个实施例中，所述线圈的数量为三个，且分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈，所述第一线圈、所述第二线圈与所述第三线圈串联连接。
[0016]在其中一个实施例中，所述第一线圈与所述第三线圈连接形成宏定位线圈，所述第二线圈为微定位线圈。
[0017]在其中一个实施例中，所述第一线圈与所述第三线圈串联连接形成低频运动线圈，所述第二线圈为高频运动线圈。
[0018]在其中一个实施例中，所述线圈骨架上设置有矩形通孔及五个所述安装槽;所述线圈骨架沿轴向方向贯通设置，所述中部磁轭位于所述矩形通孔中；五个所述安装槽依次设置于所述线圈骨架的外壁上，且，所述第一线圈、所述第二线圈与所述第三线圈间隔安装于五个所述安装槽中。
[0019]在其中一个实施例中，所述线圈骨架由铝合金材料制成。
[0020]在其中一个实施例中，所述支撑组件为柔性组件；
[0021]所述柔性组件包括四个柔性支撑单元，每个所述柔性支撑单元包括0.2mm或者
0.3mm厚的弹簧钢片及四块加强板，每两个所述加强板为一组，并用螺栓夹在所述弹簧钢片两侧；
[0022]每个所述弹簧钢片上安装两组所述加强板，所述加强板与所述弹簧钢片形成直角柔性铰链，使所述柔性支撑单元具有四个所述直角柔性铰链；
[0023]所述柔性支撑单元的两端的所述直角柔性铰链分别与所述上底板与所述下底板相连接，所述柔性支撑单元的中间部分的所述直角柔性铰链与所述线圈骨架相连接；
[0024]所述线圈骨架驱动所述直角柔性铰链发生弹性变形。
[0025]在其中一个实施例中，所述支撑组件为直线滑轨组件。
[0026]还涉及一种微纳定位装置，包括移动平台及如上述任一技术特征所述的音圈电机；
[0027]所述移动平台与所述音圈电机的支撑组件连接，所述动子组件运动驱动所述支撑组件带动所述移动平台运动。
[0028]本发明的有益效果是:
[0029]本发明的微纳定位装置及其音圈电机，结构设计简单合理，基于Halbach阵列单边的聚磁效应设计出了能够激发更大气隙磁场的两组相对布置的Halbach阵列磁路结构，再结合并联磁路，实现音圈电机的高精度与大推力的统一，利用Halbach阵列永磁体的聚磁效应和并联磁路的技术使得音圈电机的推力提升了 40%，并且，保证音圈电机的推力波动仅为±0.21%，同时，保证音圈电机控制简短易行，提高可靠性。
【附图说明】
[0030]图1为本发明一实施例的音圈电机的剖视图；
[0031]图2为图1所示的音圈电机中HaIbach阵列永磁体的排布示意图；
[0032]
[0033]其中:
[0034]100-音圈电机；
[0035]110-定子组件；
[0036]111-轭部机构；
[0037]1111-上部磁轭;1112-中部磁轭;1113-下部磁轭；
[0038]112-Halbach 阵列永磁体；
[0039]120-动子组件；
[0040]121-第一线圈；
[0041]122-第二线圈；
[0042]123-第三线圈；
[0043]124-线圈骨架；