微纳定位装置及其音圈电机的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种微纳定位装置及音圈电机。该音圈电机包括：底板，包括上底板与下底板；定子组件，包括轭部机构及四组Halbach阵列永磁体，轭部机构包括上部磁轭、中部磁轭及下部磁轭，上部磁轭、中部磁轭与下部磁轭共同围成上下两个气隙；每组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，至少两个径向充磁永磁体与至少两个轴向充磁永磁体间隔设置，且径向充磁永磁体与轴向充磁永磁体沿轴向方向的宽度不相等；动子组件，安装于定子组件的两个气隙中；及支撑组件。基于双边Halbach阵列永磁体的聚磁效应与并联磁路，实现音圈电机的高精度与大推力的统一，使得音圈电机能够输出较大的推力，进而保证推力波动幅度仅为±0.21％。
【专利说明】
微纳定位装置及其音圈电机
技术领域
[0001]本实用新型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。
【实用新型内容】
[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]本实用新型的有益效果是:
[0029]本实用新型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为图1为本实用新型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]其中:
[0033]100-音圈电机；
[0034]110-定子组件；
[0035]111-轭部机构；
[0036]1111-上部磁轭;1112-中部磁轭;1113-下部磁轭；
[0037]112-Halbach 阵列永磁体；
[0038]120-动子组件；
[0039]121-第一线圈；
[0040]122-第二线圈；
[0041]123-第三线圈；
[0042]124-线圈骨架；
[0043]1241-安装槽；
[0044]130-支撑组件；
[0045]131-弹簧钢片；
[0046]132-加强板；
[0047]140-底板；
[0048]141-上底板；
[0049]142-下底板。
【具体实施方式】
[0050]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本实用新型的微纳定位装置及其音圈电机进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0051]参见图1至图2，本实用新型提供了一种音圈电机100，包括底板140、定子组件110、动子组件120及支撑组件130。
[0052]在本实用新型中，底板140包括上底板141与下底板142，上底板141与下底板142相对安装，以便于安装定子组件110及支撑组件130。定子组件110包括轭部机构111及四组Halbach阵列永磁体112，轭部机构111包括上部磁轭1111、中部磁轭1112及下部磁轭1113，上部磁轭1111和下部磁轭1113分别与上底板141与下底板142连接，上部磁轭1111、中部磁轭1112与下部磁轭1113共同围成两个气隙。上部磁轭1111上具有向下开口的凹槽，下部磁轭1113上具有向上开口的凹槽，中部磁轭1112为平板状，上部磁轭1111、中部磁轭1112与下部磁轭1113能够形成类似于“日”字型的结构，平板状的中部磁轭1112位于上部磁轭1111与下部磁轭1113之间，平板状的中部磁轭1112能够分别遮挡上部磁轭1111的凹槽与下部磁轭1113的凹槽，形成两个气隙。并且，上部磁轭1111、中部磁轭1112与下部磁轭1113通过“T”型连接板及螺纹件固定。
[°°53] 四组Halbach(海尔贝克)阵列永磁体112分别安装于气隙中，具体的，四组Halbach阵列永磁体分别安装于上部磁轭1111的下表面上、中部磁轭1112的上表面上及下表面上与1113下部磁轭的上表面上。每个气隙中的两组Hal bach阵列永磁体112形成闭合磁路，两组Ha I b a c h阵列永磁体112存在间隙，且，两个气隙中的形成闭合磁路的H a I b a c h阵列永磁体112并联连接。也就是说，每个气隙中安装两组Halbach阵列永磁体112。具体为，上部磁轭1111的凹槽的内部与下部磁轭1113的凹槽的内部各安装一组Halbach阵列永磁体112，中部磁轭1112的两侧各安装一组Halbach阵列永磁体112，这样，上部磁轭1111与中部磁轭1112之间存在两组Halbach阵列永磁体112，且，该两组Halbach阵列永磁体112形成一个闭合磁路；下部磁轭1113与中部磁轭1112之间存在两组HaIbach阵列永磁体112，且，该两组Halbach阵列永磁体112形成一个闭合磁路，两个闭合磁路通过“日”字型的轭部机构111并联连接。同时，两组Halbach阵列永磁体112存在间隙，即上部磁轭1111与中部磁轭1112之间的两组Ha I bach阵列永磁体112之间存在间隙，下部磁轭1113与中部磁轭1112之间的两组Halbach阵列永磁体112之间存在间隙，以便于动子组件120的安装，同时形成气隙磁场。并且，Halbach阵列永磁体112通过专用胶固定于轭部机构111上。
[0054]每组Halbach阵列永磁体112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，至少两个径向充磁永磁体与至少两个轴向充磁永磁体间隔设置，且，径向充磁永磁体与轴向充磁永磁体沿轴向方向的宽度不相等。径向充磁永磁体与轴向充磁永磁体间隔设置，即任意相邻的两个轴向充磁永磁体之间存在一个径向充磁永磁体，并且，两个轴向充磁永磁体分别位于HaIbach阵列永磁体112的两端。
[0055]进一步地，Halbach阵列永磁体112由轴向充磁永磁体与径向充磁永磁体相间布置，且，轴向充磁永磁体与径向充磁永磁体充磁方向相互垂直。每两组相对布置的Halbach阵列永磁体112构成封闭的磁路，每组Halbach阵列永磁体112包括2n+l块永磁体，其中η =1,2,3,4……；第2n-1块永磁体为轴向充磁永磁体，第2n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2n-l块永磁体与第2n+l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2n-2块永磁体与第2n块永磁体充磁方向相反，以此类推。
[0056]在本实施例中，每组Halbach阵列永磁体112均包括四个轴向充磁永磁体和三个径向充磁永磁体。为了便于说明Ha I bach阵列永磁体112的布置方式，引入笛卡尔二维坐标系定义永磁体的充磁方向，记一组Halbach阵列永磁体112中的七个永磁体按顺时针方向排列，分别为永磁体a、永磁体b、永磁体c、永磁体d、永磁体e、永磁体f与永磁体g，其中，永磁体
a、永磁体c、永磁体e与永磁体g为轴向充磁，永磁体b、永磁体d与永磁体f为径向充磁。并且，永磁体a的充磁方向为沿X轴负向充磁，永磁体b的充磁方向为沿Y轴正向充磁，永磁体c充磁方向为沿X轴正向充磁，永磁体d的充磁方向为沿Y轴负向充磁，永磁体e为沿X轴负向充磁，永磁体f为沿Y轴正向充磁，永磁体g为沿X轴正向充磁。
[0057 ]另外，上述Ha I bach阵列永磁体112的充磁方向的布置方式与其形成闭合磁路的另一Halbach阵列永磁体112的充磁方向的布置方式是正好相反的。记另一组Halbach阵列永磁体112中的七个永磁体按顺时针方向排列，分别为永磁体h、永磁体j、永磁体k、永磁体m、永磁体η、永磁体P与永磁体q，其中，永磁体h、永磁体k、永磁体η与永磁体q为轴向充磁，永磁体j、永磁体m与永磁体P为径向充磁。并且，永磁体h为沿X轴负向充磁，永磁体j为沿Y轴正向充磁，永磁体k为沿X轴正向充磁，永磁体m为沿Y轴负向充磁，永磁体η为沿X轴负向充磁，永磁体P为沿Y轴正向充磁，永磁体q为沿X轴正向充磁。这样保证两组Halbach阵列永磁体112能够形成闭合磁路，以便于Halbach阵列永磁体112产生气隙磁通。
[0058]同时，径向充磁永磁体沿轴向方向的宽度为轴向充磁永磁体沿轴向方向的宽度不相等，以保证径向充磁永磁体与轴向充磁永磁体能够激发气隙磁场，增加气隙磁密，使得动子组件120在气隙磁场中运动平稳。进一步地，径向充磁永磁体沿轴向方向的宽度为轴向充磁永磁体沿轴向方向的宽度的2倍?5倍。这样能够进一步增加气隙磁密，使得动子组件120在气隙磁场中运动平稳，保证音圈电机100的推力波动小，保证音圈电机100的可靠性。
[0059]动子组件120安装于定子组件110的两个气隙中，通过定子组件110中的Halbach阵列永磁体112产生气隙磁通使得动子组件120能够在定子组件110中运动，进而实现音圈电机100的运动。动子组件120包括一个至二十五个线圈及线圈骨架124，线圈骨架124上设置有安装槽1241，安装槽1241的数量为线圈的数量的两倍减一个，一个至二十五个线圈依次间隔缠绕于线圈骨架124上的安装槽1241中。也就是说，如果线圈的数量为m个，则线圈骨架124上的安装槽1241的数量为2m-l个，线圈在间隔缠绕安装于安装槽1241中，即相邻的两个线圈之间存在一个空着的安装槽1241。同时，线圈的数量和线圈骨架124上的安槽数可以根据应用场合进行增减。
[0060]在本实施例中，线圈的数量为三个，且分别为第一线圈121、第二线圈122及第三线圈123，线圈骨架124安装于轭部机构111中，且，线圈骨架124的外壁位于两个气隙中，第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123依次缠绕于线圈骨架124上。线圈骨架124的整体形状为中空的长方体，线圈骨架124的外壁位于形成闭合磁路的两组Halbach阵列永磁体112之间的气隙中，中部磁轭1112从线圈骨架124的中空的孔中穿过。第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123分别从上部磁轭1111中的气隙和下部磁轭1113中的气隙穿过，缠绕后的第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123的形状也为矩形。这样，矩形的第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123的长边分别从上部磁轭1111与下部磁轭1113的形成闭合磁路的HaIbach阵列永磁体112之间的气隙磁场中穿过。
[0061]矩形的第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123的长边便分别从上、下两个形成闭合磁路的Ha I bach阵列永磁体112所激发的气隙磁场中穿过，采用这种布置方式的第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123的周向截面平行于磁力线方向。当然，本实用新型中的第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123也可采用周向截面垂直于磁力线方向的布置方式，即第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123的长边不同时穿过上、下两个形成闭合磁路的Halbach阵列永磁体112所激发的气隙磁场，而是分别穿过相邻两个径向充磁永磁体所激发的主磁场。
[0062]支撑组件130安装于上底板141与下底板142上，并位于上底板141与下底板142之间，且，支撑组件130与线圈骨架124连接。通过改变第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123的连接方式，以及采用不同的支撑方式，能够使得本实用新型的音圈电机100实现不同的功能。
[0063]本实用新型的音圈电机100的工作原理为:载流的第一线圈121、第二线圈122与第三线圈12 3在Ha I b a c h阵列永磁体112激发的气隙磁场中会产生洛伦兹力，改变电流的大小便改变洛伦兹力的大小，改变电流的方向便改变洛伦兹力的方向，第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123带动线圈组骨架在气隙磁场中往复运动。本实用新型利用Halbach阵列永磁体112—边具有加强磁感应强度，一边具有屏蔽效益的特征，将用两组Halbach阵列永磁体112加强磁感应强度的一边相对布置，这样可以显著增强气隙磁密，同时可以减少漏磁，同时，将两组上述结构的两个形成闭合磁路的Halbach阵列永磁体112并联，以产生较大的推力，使得本实用新型的音圈电机100能够适用范围广。
[0064]当气隙磁场中的第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123通入电流时，动子组件120在洛伦兹力的作用下便可在气隙中往复运动。本实用新型的音圈电机100在磁路设计时，充分利用Halbach阵列永磁体112的特性，一方面获得尽可能大的气隙磁密，另一方面根据Halbach阵列永磁体112激发的气隙磁场的方向，来确定第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123中通入电流的方向，按照实际要求通过驱动器改变电流方向便可得到不同方向的力，通过控制电流的大小来控制本实用新型的音圈电机100输出推力的大小。
[0065]目前，通常用音圈电机100代替压电陶瓷电机，音圈电机100(VoiceCoil 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，通常音圈电机100的推力小，精度不高，不能满足使用要求。本实用新型的音圈电机100将Halbach阵列永磁体112的聚磁效应与并联设置的Halbach阵列永磁体112相结，实现音圈电机100的高精度与大推力的统一，利用Halbach阵列永磁体112的聚磁效应和并联磁路的技术使得音圈电机100的推力提升了 40%，并且，保证音圈电机100的推力波动仅为± 0.21 %，同时，保证音圈电机100控制简短易行，提高可靠性。
[0066]本实用新型的音圈电机100还具有一机多能的特点，通过第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123的连接方式的不同与支撑组件130之间的支撑方式不同来实现不同的功能。作为一种可实施方式，第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123串联连接。当音圈电机100应用于推力较大的场合时，可将第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123串联连接，通入额定电流后便能产生较大的推力。同时，第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123串联，线圈的数量可以根据应用场合在加减Halbach阵列永磁体112数目的同时进行加减。
[0067]当然，第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123还可以由其他连接方式。一种连接方式为，第一线圈121与第三线圈123并联连接形成宏定位线圈，第二线圈122为微定位线圈。当需要的推力不太大而精度要求较高的时候，可以将第一线圈121与第三线圈123并联连接形成宏定位线圈，音圈电机100工作时，通过宏定位线圈实现音圈电机100的粗定位，再由反馈信号控制微定位线圈实现音圈电机100的精定位。第二线圈122作为控制元件可以依据反馈信号对音圈电机100输出的推力进行反馈调节，采用这种接线方式时，第二线圈122的线径、匝数可以根据实际应用要求进行自由选择，以实现高精度。
[0068]另一种连接方式为，第一线圈121与第三线圈123串联连接形成低频运动线圈，第二线圈122为高频运动线圈，音圈电机100工作时，通过低频运动线圈实现音圈电机100的精确定位，再由高频运动线圈来抑制纳米级定位装置的高频振动。如果整个高精密加工设备在运行时有高频振动，而高频振动会对加工精度产生较大影响时，可以将第一线圈121与第三线圈123串联，第二线圈122作为一个高频振荡激发器，处于该工作状态时，第二线圈122的线径、匝数可以根据实际应用要求进行自由选择，依据反馈信号产生相应的高频振动来减小整个系统产生的高频振动对高精密加工的影响。
[0069]作为一种可实施方式，线圈骨架124上设置有矩形通孔及五个安装槽1241;线圈骨架124沿轴向方向贯通设置，中部磁轭1112位于矩形通孔中；五个安装槽1241依次设置于线圈骨架124的外壁上，且，第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123间隔安装于五个安装槽1241中。也就是说，线圈骨架124上设置有五个槽，第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123依次缠绕在第一个、第三个以及第五个安装槽1241内，另两个安装槽1241不缠绕线圈。
[0070]进一步地，线圈骨架124由铝合金材料制成。音圈电机100工作时，第一线圈121、第二线圈122、第三线圈123产生的交变磁场会使铝合金的线圈骨架124中产生涡流电流，铝合金的线圈骨架124在这个电流的作用下会产生的洛伦兹力与第一线圈121、第二线圈122、第三线圈123在磁场中产生的洛伦兹力方向相反，此时的线圈骨架124就相当于一个涡流阻尼器，基于涡流阻尼器来抑制音圈电机100产生的振动从而提高音圈电机100的精度。但是过大的涡流阻力会减小音圈电机100的输出推力，通过在线圈骨架124上开不用安装线圈的安装槽1241，便可有效的减小线圈骨架124产生的涡流阻力，从而达到不会显著减小音圈电机100的输出推力而又提高音圈电机100精度的目的。
[0071]作为一种可实施方式，支撑组件130为柔性组件;柔性组件包括四个柔性支撑单元，每个柔性支撑单元包括0.2mm或者0.3mm厚的弹簧钢片131及四块加强板，每两个加强板为一组，并用螺栓夹在弹簧钢片131两侧;每个弹簧钢片131上安装两组加强板，加强板与弹簧钢片131形成直角柔性铰链，使柔性支撑单元具有四个直角柔性铰链;柔性支撑单元的两端的直角柔性铰链分别与上底板141与下底板142相连接，柔性支撑单元的中间部分的直角柔性铰链与线圈骨架相连接;线圈骨架驱动直角柔性铰链发生弹性变形。
[0072]当然，支撑组件130还可以为直线滑轨组件。直角柔性铰链呈平行四边形对称布置，直角柔性铰链与动子组件120和定子组件110的轭部机构111相连，用以固定和支撑动子组件120。每个所述弹簧钢片131上安装两组加强板，所述加强板与所述弹簧钢片131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；
[0073]第一线圈121、第二线圈122与第三线圈123串联时能产生较大的推力，采用柔性组件可以实现纳米级定位精度和毫米级行程，采用直线滑轨支撑组件130可以实现大行程。在本实施例中，支撑组件130为柔性组件。
[0074]具体的，第一线圈121和第三线圈123的缠绕方向一致，第二线圈122的缠绕方向与其它两组线圈的缠绕方向相反，这样通入单相直流电流时第一线圈121和第三线圈123与第二线圈122中的电流方向相反，由于Halbach阵列永磁体112对应的磁场方向也是变化的，这样就可以保证三组线圈产生的洛伦兹力方向一致，当改变电流方向时线圈组产生的洛伦兹力也随之改变，改变电流的大小时电机的输出推力也随之改变。这样由分别穿过上部磁轭1111中的气隙磁场和下部磁轭1113中的气隙磁场中的第一线圈121、第二线圈122、第三线圈123和与其固定的线圈组骨架构成的动子组件120便可在柔性组件或者直线滑轨组件的支撑下在气隙磁场中往复运动。
[0075]当采用柔性组件时，给第一线圈121、第二线圈122、第三线圈123通入电流时，穿过气隙磁场的那部分线圈便会产生洛伦兹力，洛伦兹力通过线圈组骨架传递到直角柔性铰链上，使直角柔性铰链发生弹性变形，进而带动微纳定位装置的移动平台按照设定要求运动。由于音圈电机100产生的推力与电流成正比，并且直角柔性铰链的弹性变形量与施加的力成正比，所以只通过控制电流就能够实现对移动平台的位置控制，基于直角柔性铰链的微变型可以使电机的精度达到纳米级。
[0076]本实用新型还提供了一种微纳定位装置，包括移动平台及上述实施例中的音圈电机100;移动平台与音圈电机100的支撑组件130连接，动子组件120运动驱动支撑组件130带动移动平台运动。通过音圈电机100驱动移动平台运动，可以实现不同的功能，适用范围广，能够广泛的应用于精密制造、微操纵、超精测量等诸多领域。
[0077]本实用新型的音圈电机100可用于机器人末端执行器以实现超高精度定位，亦可用于半导体、光学电子、汽车生产检测、生物生化检测取样、食品制药、组装包装、自动化测试、高速扫描，数码影像系统，高效的焊接、贴片、组装、测试与检测设备，光学元件的搬运与检测，各种直线应用，精密而高速运动设备，特别是需要高速的周期往复运动的应用，亦可应用于微纳定位装置。例如用金刚石车刀车削大型天文望远镜的抛物面形反射镜时，要求几何形状误差小于0.05μπι;为满足超大规模集成电路的封装和应用，Intel公司普遍采用45nm的线宽工艺，以上加工工艺的实现都必须依赖高精度电机。而本实用新型的音圈电机100具有的大推力与高精度的特性正好能够满足这些高精度加工工艺的要求。
[0078]本实用新型的音圈电机100相较于压电陶瓷电机具有以下几个突出优点:(I)音圈电机100的行程可从几微米到几百毫米，能够满足大行程的应用场合要求；(2)音圈电机100输出的推力与电流是线性关系，这为其实现精确定位提供了基础，也降低了控制的难度；(3)音圈电机100的寿命周期长、性能稳定，使用音圈电机100能降低高精密加工设备全寿命周期内的成本。
[0079]本实用新型的音圈电机100具有结构简单、易于控制、推力大、定位精度高、形成大、便于控制等优点，同时，应用广泛，用于宏微运动平台时只需要一台音圈电机100便可实现宏运动和微运动。
[0080]以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种音圈电机，其特征在于，包括: 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； 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； 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 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。2.根据权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，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； 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2n+l块永磁体，其中n = l，2，3，4......; 第2n-l块永磁体为轴向充磁永磁体，第2n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2n-l块永磁体与第2n+l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2n-2块永磁体与第2n块永磁体充磁方向相反。3.根据权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的音圈电机，其特征在于，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。5.根据权利要求3所述的音圈电机，其特征在于，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。6.根据权利要求3至5任一项所述的音圈电机，其特征在于，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。7.根据权利要求6所述的音圈电机，其特征在于，所述线圈骨架由铝合金材料制成。8.根据权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，所述支撑组件为柔性组件； 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；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； 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； 所述线圈骨架驱动所述直角柔性铰链发生弹性变形。9.根据权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，所述支撑组件为直线滑轨组件。10.—种微纳定位装置，其特征在于，包括移动平台及如权利要求1至9任一项所述的音圈电机； 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。
【文档编号】H02K41/035GK205544874SQ201620072062
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月25日
【发明人】张驰, 董良, 陈进华, 廖有用, 杨桂林, 吴定兵, 张 杰
【申请人】中国科学院宁波材料技术与工程研究所