直線電機、盤式旋轉電機和電機平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直線電機、盤式旋轉電機和電機平臺(X-Y-Theta平臺)。該直線電機優(yōu)選是U型空芯直線電機，其磁鐵陣列包括多個磁鐵單元，每個磁鐵單元包括兩個或更多個磁鐵。該盤式旋轉電機的線圈與磁鐵數(shù)量比在0.8至1.3之間。該電機平臺采用上述直線電機作為X方向電機組件，采用解耦的U型空芯直線電機作為Y方向電機組件，采用上述旋轉電機作為Theta旋轉電機。本發(fā)明的直線電機和盤式旋轉電機既可以降低高度尺寸，又可以保證較大的驅動力，本發(fā)明的電機平臺有效地降低了平臺總的高度尺寸。
【專利說明】直線電機、盤式旋轉電機和電機平臺
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及直線電機、盤式旋轉電機和電機平臺。
【背景技術】
[0002]在用于激光切割晶圓、對晶圓劃片、太陽能硅片減薄等的設備中常常對X-Y-Theta電機平臺的高度尺寸有嚴格的限制，而且這類電機平臺同時要求有很高的動態(tài)響應和工作精度，設計和實現(xiàn)這類平臺是比較困難的。
[0003]特別地，X方向(第一方向)是整個平臺驅動負載最大的方向，它不僅需要驅動平臺工作負載，還要驅動Y方向(第二方向)和Theta方向(轉動方向)的電機相關部分及各種結構件運動，需要很大的力。
[0004]如本領域技術人員所知，在單位體積的電機驅動效率上，鐵芯直線電機和空芯圓柱直線電機優(yōu)于空芯直線電機，但鐵芯直線電機由于鐵芯和固有齒槽力的影響難以達到很高的動態(tài)響應(setting time小于5ms)和極高的精度(比如定位精度小于0.1um),而空芯圓柱直線電機在高度尺寸上能夠進一步減小的空間有限。
[0005]圖1A和IB分別是常規(guī)U型空芯直線電機的示意立體圖和示意側視圖。
[0006]如圖1A和IB所示，磁鐵組件(定子)10內側設置有U型槽，兩組磁鐵陣列15、16相面對地設置在U型槽的兩側，中間留有空間，以使得線圈組件(動子)20能夠在其間運動。線圈組件20只能在一個方向上運動。
[0007]如圖1B所示，磁鐵陣列15、16中的每一個磁鐵17、18都是單層磁鐵。
[0008]圖2A和2B分別示出了沿圖1B中A-A線和B-B線的剖面圖，其中示出了兩組磁鐵陣列15、16的相對表面處的極性布置。
[0009]如圖2A和2B所示，磁鐵陣列15的磁鐵17表面處極性為(從左到右)N、S、N、……、S，磁鐵陣列16的磁鐵18表面處極性為(從左到右)S、N、S、……、N。每一個磁鐵陣列中的磁鐵表面處極性交替變化。兩組磁鐵陣列中相面對的磁鐵的表面處極性相反。
[0010]通過降低磁鐵陣列15、16中磁鐵17、18的高度和線圈的高度，可以降低整個U型空芯直線電機的高度。然而，隨著線圈高度的減小，驅動力也相應減小。
[0011]眾所周知，通電導線在磁場中受到的力為:
[0012]F = ILxB
[0013]當線圈和磁鐵的高度降低時，線圈中切割磁力線的導線的有效長度L相應減小，在電流I保持不變，而磁場強度B變化不大的情況下，驅動力F相應減小。
[0014]同樣地，Theta旋轉電機的設計也存在高度與驅動力之間的矛盾。
[0015]普通旋轉電機的高度難以進一步降低，而現(xiàn)有盤式旋轉電機的驅動力又有所欠缺。
[0016]在盤式旋轉電機中，為了進一步降低高度，就需要減小磁鐵厚度，至少不能增大磁鐵厚度。這樣，磁場強度就不能增加，甚至還會減小。如上面的公式所示，要想增加驅動力同時降低高度，仍然存在一定難度。[0017]因此，仍然需要設計一種既可以降低高度尺寸、又可以保證較大驅動力的直線電機、盤式旋轉電機和電機平臺。

【發(fā)明內容】

[0018]本發(fā)明的所要解決的一個技術問題是提供一種直線電機、盤式旋轉電機以及電機平臺，其既可以降低高度尺寸，又能夠保證較大的驅動力。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種直線電機，包括定子和動子，定子和動子中的一個上設置有線圈，另一個上設置有磁鐵陣列，線圈與磁鐵陣列相面對，磁鐵陣列包括多個磁鐵單元，每個磁鐵單元包括在朝著線圈的方向上層疊在一起的兩個或更多個磁鐵。
[0020]優(yōu)選地，定子具有U型槽，兩組磁鐵陣列分別設置在U型槽的兩個側壁上，U型槽的兩個側壁上位置相對的兩個磁鐵單元的極性相反，線圈設置在動子上，并且布置在U型槽中，并且線圈的兩側分別與U型槽的兩個側壁上的磁鐵陣列相面對。
[0021]優(yōu)選地，動子上設置有多組線圈，線圈是空芯線圈，直線電機是空芯直線電機。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種盤式旋轉電機，其特征在于，包括:定子和轉子定子具有第一環(huán)狀盤，多個線圈沿圓周方向依次設置在第一環(huán)狀盤上。轉子具有第二環(huán)狀盤，多個磁鐵沿圓周方向依次設置在第二環(huán)狀盤上。第一環(huán)狀盤與第二環(huán)狀盤相對設置，使得多個磁鐵與多個線圈相面對。第一環(huán)狀盤上的線圈的個數(shù)是第二環(huán)狀盤上的磁鐵個數(shù)的0.8至1.3倍。
[0023]優(yōu)選地，第一環(huán)狀盤上的線圈的個數(shù)是第二環(huán)狀盤上的磁鐵個數(shù)的1.2倍。
[0024]優(yōu)選地，第一環(huán)狀盤上設置有72個線圈，第二環(huán)狀盤上設置有60個磁鐵。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種電機平臺，包括:第一方向電機組件，驅動其動子在第一方向上運動；以及第二方向電機組件，其中第一方向電機組件是上述根據(jù)本發(fā)明的直線電機，第二方向電機組件包括第二定子和第二動子，第二定子上設置有第二磁鐵陣列，第二動子中上設置有第二線圈，第二定子和第二動子被設置為使得第二動子能夠沿第一方向和第二方向運動，第二磁鐵陣列的作用表面的法線方向為第三方向，第一方向、第二方向以及第三方向彼此垂直，并且第二線圈和第二磁鐵陣列被設置為使得當?shù)诙幼友氐谝环较蜻\動時第二磁鐵陣列基本上不對第二線圈施加作用力，而當在第二線圈中通電時，第二磁鐵陣列對第二線圈產生第二方向上的作用力，第二動子被設置為能夠在第一方向電機組件的動子的驅動下在第一方向上運動。
[0026]優(yōu)選地，包括兩個或更多個第一方向電機組件，通過它們各自的線圈和磁鐵陣列之間的相互作用來驅動其共同的動子在第一方向上運動。
[0027]優(yōu)選地，這些第一方向電機組件的線圈可以串聯(lián)或并聯(lián)連接在一起。
[0028]優(yōu)選地，第二磁鐵陣列中的多個磁鐵的極性在第一方向上相同，而在第二方向上交替變化。
[0029]優(yōu)選地，第二磁鐵陣列中的每個磁鐵的作用表面為矩形，其較長的一邊沿第一方向設置，其較短的一邊沿第二方向設置，在第一方向上設置有一組或多組磁鐵，在第二方向上設置有多組磁鐵，從而形成第二磁鐵陣列。
[0030]優(yōu)選地，第二定子上具有第二 U型槽，兩組第二磁鐵陣列分別設置在第二 U型槽的兩個側壁上，第二線圈布置在第二 U型槽中，并且第二線圈的兩側分別與第二 U型槽的兩個側壁上的第二磁鐵陣列相面對，兩組第二磁鐵陣列中在第三方向上位置相對的磁鐵的極性相反。
[0031]優(yōu)選地，還包括:旋轉電機，旋轉電機包括第三定子和轉子，第三定子設置在第二動子上，第三定子具有第一環(huán)狀盤，多個線圈沿圓周方向依次設置在第一環(huán)狀盤上，轉子具有第二環(huán)狀盤，多個磁鐵沿圓周方向依次設置在第二環(huán)狀盤上，第一環(huán)狀盤與第二環(huán)狀盤相對設置，使得多個磁鐵與多個線圈相面對。
[0032]優(yōu)選地，第一環(huán)狀盤上的線圈的個數(shù)是第二環(huán)狀盤上的磁鐵個數(shù)的1.2倍。
[0033]優(yōu)選地，第一環(huán)狀盤上設置有72個線圈，第二環(huán)狀盤上設置有60個磁鐵。
[0034]優(yōu)選地，還包括電機電纜、傳感器線纜、冷卻氣管中的至少一種，電機電纜、傳感器線纜、冷卻氣管穿過第一環(huán)狀盤和第二環(huán)狀盤的中心孔。
[0035]優(yōu)選地，還包括:第一交叉滾子軸承，設置在第一方向電機組件的定子上，第一方向電機組件的動子通過第一交叉滾子軸承沿第一方向移動；第二交叉滾子軸承，設置在第一方向電機組件的動子上，第二方向電機組件的第二動子通過第二交叉滾子軸承沿第二方向移動；第三交叉滾子軸承，設置在旋轉電機的第三定子和轉子之間，轉子通過第三交叉滾子軸承在第三定子上方旋轉。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1A和圖1B分別是常規(guī)U型空芯直線電機的不意立體圖和不意側視圖。
[0037]圖2A和2B分別示出了沿圖1B中A-A線和B-B線的剖面圖。
[0038]圖3A和3B分別是根據(jù)本發(fā)明的U型空芯直線電機的立體圖和示意側視圖。
[0039]圖4是根據(jù)本發(fā)明的U型空芯直線電機的線圈組件的示意圖。
[0040]圖5示出了可以用作Y方向直線電機的解耦U型空芯直線電機的示意圖。
[0041 ]圖6A-6C示意性地示出了圖5所示的U型空芯直線電機的磁鐵陣列的磁鐵極性的設置。
[0042]圖7示意性地示出了旋轉電機的立體圖。
[0043]圖8示出了旋轉電機沿過轉角位移傳感器的徑面剖開的剖面圖。
[0044]圖9A和9B分別示出了旋轉電機的定子和轉子。
[0045]圖10示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的電機平臺的示例。
【具體實施方式】
[0046]下面參考附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明的直線電機、盤式旋轉電機和電機平臺。
[0047]電機平臺概沭
[0048]首先簡要描述根據(jù)本發(fā)明的電機平臺。
[0049]X方向電機組件驅動對象在X方向上的運動。
[0050]X方向電機組件可以使用一個或多個下文中描述的直線電機。優(yōu)選地，使用兩個根據(jù)本發(fā)明的直線電機。
[0051]當在X方向上使用兩個或更多個電機同時工作來進行驅動時，進一步提高了 X方向的驅動能力，并進一步有效地降低了平臺X方向電機組件在Z方向(第三方向)上的高度尺寸。[0052]這兩個或更多個電機一般可以采用串聯(lián)方式工作，即線圈串聯(lián)連接，也可以采用并聯(lián)方式工作，即線圈并聯(lián)連接，但采用并聯(lián)方式時對平臺的驅動器要求更大的驅動電流，所以更優(yōu)選的是采用串聯(lián)方式。
[0053]另外設置Y方向電機組件來驅動對象在Y方向(第二方向)上的運動。
[0054]在晶圓劃片等應用領域，還可以設置旋轉電機(theta電機)。旋轉電機在X方向電機組件和Y方向電機組件的驅動下，沿X方向和Y方向運動，并且可以帶動負載進行旋轉，調整角度。
[0055]下面分別描述X方向電機組件、Y方向電機組件和Theta旋轉電機。
[0056]X方向電機鉬件
[0057]圖3A和3B分別是根據(jù)本發(fā)明的空芯直線電機的示意立體圖和示意側視圖。
[0058]如圖3A和3B所示，磁鐵組件(定子)110內側設置有U型槽，兩組磁鐵陣列115、116相面對地設置在U型槽的兩個側壁，中間留有空間，以使得線圈組件(動子)120能夠在其間運動。
[0059]U型槽的兩個側壁上位置相對的兩個磁鐵單元的極性相反。
[0060]沿圖3B中A-A線、B-B線的剖面圖可以與圖2A和2B的情況相類似。即磁鐵陣列115和116中各磁鐵單元117、118的極性排列可以與圖ΙΑ、1B、2A、2B所示常規(guī)U型空芯直線電機的磁鐵陣列15、16相同。
[0061]如圖3B所示，磁鐵陣列115、116中的每一個磁鐵單元117、118都是由兩個磁鐵在朝著線圈的方向上層疊在一起而形成的。
[0062]圖3A和3B中示出了兩個磁鐵層疊形成一個磁鐵單元的情形。本領域技術人員應該明白，也可以采用更多個磁鐵來層疊形成一個磁鐵單元。
[0063]如上文所述，通電導線在磁場中受到的力為:
[0064]P = ILxB
[0065]通過層疊兩層或更多層磁鐵，可以增大磁場強度B，這樣在降低磁鐵和線圈高度從而導致線圈切割磁力線的有效長度L減小的情況下，可以維持較大的驅動力。
[0066]另外，采用雙層磁鐵結構不但可以極大地增強空芯直線電機的勵磁磁場，提高電機的輸出能力，還可以很好地解決過厚磁鐵制造困難，充磁困難的問題。
[0067]圖4是根據(jù)本發(fā)明的U型空芯直線電機的線圈組件的示意圖。
[0068]動子120上設置有多個線圈125。以3相_4極結構電機為例，線圈組件采用多組線圈(一組線圈是3個線圈，即電機的A-B-C三相)。圖4中繪出了采用四組線圈也就是12個線圈的情況。本領域技術人員應該明白，采用的線圈數(shù)越多，線圈(以及磁鐵)的高度可以越小，電機的高度尺寸越容易滿足。
[0069]在圖4中，線圈125為空芯線圈，沒有鐵芯。
[0070]如圖3所示，線圈125布置在U型槽中，線圈125的兩側分別與U型槽的兩個側壁上的磁鐵陣列115、116相面對。
[0071]磁鐵極性的設置可以與圖2A和2B所示相同。即，磁鐵陣列115的磁鐵單元117表面處極性可以為(從左到右)，例如，N、S、N、……、S，磁鐵陣列116的磁鐵118表面處極
性可以為(從左到右)，例如，S、N、S、......、N。每一個磁鐵陣列中的磁鐵表面處極性交替
變化。 兩組磁鐵陣列中相面對的磁鐵的表面處極性相反。[0072]采用多線圈雙層磁鐵結構可以方便地解決電機輸出能力和電機高度的關系，在有限的高度范圍內得到合適的電機輸出力。
[0073]采用雙層磁鐵結構使得電機的勵磁磁場遠大于電機線圈工作電流產生的運動磁場，這樣使得U型空芯直線電機獲得了音圈電機的優(yōu)點(在工作行程范圍內電機驅動力平穩(wěn)，波動小，抗干擾能力強)，又不受行程的限制，很好地把U型空芯直線電機的優(yōu)點與音圈電機的優(yōu)點結合在一起。
[0074]X方向采用這種特別結構的U型空芯直線電機還可以有效地減小電機動子(線圈組件)的運動質量(鐵芯直線電機的線圈組件有鐵芯結構，往往比空芯結構要重很多)。
[0075]另外，這里以U型空芯直線電機為例進行說明。然而，本領域技術人員應該明白，在普通(非U型)空芯直線電機、有鐵芯直線電機中，通過使用層疊了兩個或更多個磁鐵的磁鐵單元構成磁鐵陣列，同樣可以增強勵磁磁場，提高電機的輸出能力，又可以很好地解決過厚磁鐵制造困難，充磁困難的問題。即，本發(fā)明采用兩層或更多層磁鐵陣列的構思不但適用于U型空芯直線電機，也適用于普通(非U型)空芯直線電機、有鐵芯直線電機。
[0076]Y方向電機鉬件
[0077]下面參考圖5和圖6A-6C，描述根據(jù)本發(fā)明的電機平臺中所采用的Y方向電機組件。
[0078]為了減輕X方向電機組件的驅動對象的質量，根據(jù)本發(fā)明的電機平臺中，Y方向電機組件的定子沒有設置在X方向電機組件的動子上，而是可以和X方向電機組件的定子一樣固定在基座上。
[0079]鑒于磁鐵較重，在Y方向電機組件中，將磁鐵組件設置在定子上，而將線圈設置在動子上，從而進一步減輕動子質量。
[0080]這樣，Y方向電機組件的動子就要既能在X方向上隨X方向電機組件的動子一起運動，又能在Y方向電機組件的驅動下在Y方向上運動。
[0081]Y方向電機組件的線圈和磁鐵陣列被設置為使得，當其動子沿X方向運動時，磁鐵陣列基本上不對線圈施加作用力，而當在線圈中通電時，第二磁鐵陣列對第二線圈產生第二方向上的作用力。
[0082]這一點可以通過設計磁鐵陣列來實現(xiàn)。例如，磁鐵陣列中的多個磁鐵的極性在X方向上相同，而在Y方向上交替變化。
[0083]在一個優(yōu)選的實施例中，磁鐵陣列中的每個磁鐵的上表面(面對線圈的表面，可以稱為“作用表面”)為矩形，其較長的一邊沿X方向設置，其較短的一邊沿Y方向設置。這樣在X方向上可以使用較少數(shù)量的磁鐵。
[0084]下面以U型空芯直線電機為例，來描述可用于本發(fā)明的電機平臺的Y方向電機組件。然而，應當理解，Y方向電機組件也可以不是U型空芯直線電機。即，可以只有一組磁鐵陣列，動子攜帶線圈在導軌(或交叉滾子軸承)的指引下，隨X方向電機組件的動子在X方向上運動，在Y方向電機組件的驅動下在Y方向上運動。
[0085]圖5示出了作為示例的U型空芯直線電機的示意圖。圖5所示U型空芯直線電機設置有相面對的兩組磁鐵陣列的電機組件。該U型空芯直線電機具有解耦(decouple)結構。
[0086]如圖5所示，定子500具有U型槽，U型槽的兩個側壁上設置有兩組磁鐵陣列510、520。兩組磁鐵陣列510、520設置在線圈組件(動子)530上設置的線圈兩側。
[0087]兩組磁鐵陣列510、520中在Z方向上相面對的磁鐵的極性相反。這樣，兩側的磁鐵陣列510、520能夠對線圈產生相同方向上的作用力。
[0088]圖6A-6C示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的U型空芯直線電機的磁鐵陣列510、520的磁鐵極性(即兩個磁鐵陣列相對的表面，也即對線圈產生作用的作用表面)的設置。
[0089]其中圖6B是圖5所示U型空芯直線電機的示意性頂視圖。圖6A是假設沿圖6B中C-C線剖開后向上翻開的剖視圖。圖6C是假設沿圖6B中D-D線剖開后向下翻開的剖視圖。
[0090]如圖6A和6C所示，磁鐵陣列510、520中各磁鐵的幾何尺寸可以是一樣的，只是充磁方向不一樣。每一行具有相同極性的三條磁鐵。然而本發(fā)明不限于一行三條磁鐵，可以是一條長磁鐵，也可以是任何其它數(shù)量的磁鐵。
[0091]從上到下看，每一列的磁性交替變化。沿Y方向看，磁鐵陣列510的磁鐵表面處極性依次為(圖中從上到下)S、N、S、……、N，相應地，磁鐵陣列520的磁鐵表面處極性依次為(圖中從下到上)N、S、N、……、S。每一個磁鐵陣列中的磁鐵表面處極性交替變化。而兩組磁鐵陣列中相面對的磁鐵的表面處極性相反。
[0092]圖6A和圖6C所示只是磁鐵極性設置的示例，兩個剖面的極性設置也可以互換，而不影響電機的性能。
[0093]當線圈組件530在X方向的兩個空芯圓柱直線電機的驅動下運動時，通過線圈組件的磁通量基本上沒有變化(各磁鐵的幾何尺寸誤差和充磁誤差可以忽略不計時)，因此，不管線圈組件是否通電，其在X方向均不能產生輸出力，也就是說線圈組件只能隨著X方向運動,不會干擾和影響X方向的運動。但當線圈組件通電時,這時候的解耦結構U型空芯直線電機實際上就是一個普通的U型空芯直線電機,產生Y方向的輸出和運動。
[0094]Y方向電機組件采用這種特殊的解耦結構，巧妙地把Y方向電機組件的磁鐵置于X方向的運動之外，使得X方向的電機不用驅動非常笨重的Y方向電機的磁鐵組件，極大地提高了 X-Y平臺的驅動能力和動態(tài)性能。并且采用這種解耦結構可以非常方便地布置Y方向電機，盡可能減小Y方向的高度尺寸。
[0095]另外，Y方向電機組件采用這種特殊的解耦結構，Y方向電機組件的定子不需要設置在X方向電機組件的動子上。這樣，Y方向電機組件的定子的高度可以不必完全疊加在X方向電機組件的高度之上。通過X方向電機組件與Y方向電機組件的這種裝配組合，可以進一步降低電機平臺的高度。
[0096]Theta電機(盤式旋轉電機)
[0097]下面參考圖7、圖8、圖9A和9B描述可以在根據(jù)本發(fā)明的電機平臺上進一步設置的盤式旋轉電機。盤式旋轉電機可以采用大中空的盤式DDR(直接驅動旋轉)電機。
[0098]圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的旋轉電機的立體圖。
[0099]圖8示出了旋轉電機沿過轉角位移傳感器的徑面剖開的剖面圖。
[0100]如圖7和圖8所示，該旋轉電機包括定子710和轉子720。線圈715設置在定子710上，磁鐵725設置在轉子720上。
[0101 ] 定子710上可以設置有轉角位移傳感器讀頭730，轉子720上可以設置有轉角位移傳感器刻度尺735。轉角位移傳感器刻度尺735是環(huán)行結構。[0102]定子710和轉子720之間設置有旋轉交叉滾子軸承740。轉子720通過旋轉交叉滾子軸承740在定子710上方旋轉。
[0103]圖9A和9B分別示出了旋轉電機的定子710和轉子720。
[0104]定子710和轉子720都具有環(huán)狀盤形結構。多個線圈715沿著圓周方向依次設置在定子710的環(huán)狀盤上。線圈715可以不含鐵芯，為空芯線圈。多個磁鐵725沿圓周方向依次設置在轉子720的環(huán)狀盤上。
[0105]如圖7和8所示，定子710和轉子720相對設置，多個磁鐵725與多個線圈715相面對。
[0106]定子710的環(huán)狀盤上的線圈715的個數(shù)可以是第二環(huán)狀盤上的磁鐵725的個數(shù)的大約0.75倍到1.5倍，在一個實施例中，為0.8倍到1.3倍，在另一個實施例中，為1.2倍。例如，定子710的環(huán)狀盤上可以有72個線圈715，而第二環(huán)狀盤上有60個磁鐵725。第一和第二環(huán)狀盤的外徑可以為大致從10厘米(4英寸)至30厘米(12英寸)。
[0107] 在現(xiàn)有的盤式旋轉電機中，線圈與磁鐵的個數(shù)比一般為3/4，即0.75。在本申請中，為了在有限的空間內提高輸出力矩，并且得到更加平穩(wěn)的轉動輸出和更小的速度波動，發(fā)明人想到了采用更大的線圈磁鐵個數(shù)比。
[0108]如上文所述通電導線在磁場中受到的力為:
__---..................>
[0109]F = JLkB
[0110]在上文中針對直線電機的改進中，由于有效長度L減小，所以通過層疊磁鐵增大了磁場強度B。而在盤式旋轉電機中，如果要增大磁場強度B，從而加大磁鐵厚度，則盤式旋轉電機的高度相應增加。而在磁鐵高度不變，甚至為了降低電機整體高度的目的而適當減小磁鐵高度時，磁場強度難以增大，甚至還會減小。
[0111]本領域技術人員應該明白，通過設計線圈的形狀，每個線圈可以有一定的切割磁力線的有效長度。
[0112]通過增加線圈數(shù)量，可以相應地加大切割磁力線的總有效長度。
[0113]這樣，磁場強度B的不足，可以通過增加線圈個數(shù)從而增大切割磁力線的有效長度L來彌補。
[0114]通過采用上述盤式結構，可以在維持足夠的驅動力的情況下，盡可能減小旋轉電機的高度尺寸。
[0115]另外，采用中空盤式結構，電機平臺上的各種電機電纜、傳感器線纜、冷卻氣管等線纜管路等可以穿過定子和轉子的環(huán)狀盤的中心孔設置。這樣，也有助于進一步降低整個平臺的高度。
[0116]電機平臺
[0117]下面參考圖10更詳細地描述根據(jù)本發(fā)明的電機平臺。
[0118]圖10示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的電機平臺的示例。
[0119]基座上以一定間隔設置了兩個如圖3Α所示的U型空芯直線電機，作為X方向電機組件。
[0120]兩個X方向電機組件通過它們各自的線圈組件(120)和磁鐵陣列(定子110的U型槽中)之間的相互作用，來驅動其共同的動子(X板150)在X方向上運動。X板150可以通過螺絲等緊固裝置與兩個線圈組件(動子)120固定在一起。[0121]X方向電機組件的定子110上X方向交叉滾子軸承140。X板150通過X方向交叉滾子軸承140沿X方向移動。
[0122]Y方向電機組件的定子500不設置在X方向電機組件的動子上。線圈組件530與Y板550 (Y方向動子)固定在一起。
[0123]X板150上設置有Y方向交叉滾子軸承540。Y板550通過Y方向交叉滾子軸承540沿Y方向移動。
[0124]旋轉電機的定子710設置在Y板550上。
[0125]定子710和轉子720之間設置有旋轉交叉滾子軸承740(圖7、8)。轉子720通過旋轉交叉滾子軸承740在定子710上方旋轉。
[0126]通過使用X方向交叉滾子軸承140、Y方向交叉滾子軸承540、旋轉交叉滾子軸承740，可以進一步減小根據(jù)本發(fā)明的X-Y-Theta電機平臺的高度尺寸，同時保證平臺優(yōu)良的精度和剛度。
[0127]X方向直線位移傳感器130的讀頭設置在X方向電機組件的定子110上，刻度尺設置在動子(X板150)上。
[0128]Y方向直線位移傳感器535的讀頭設置在X板150上，刻度尺設置在動子(Y板550上)。
[0129]旋轉電機的轉角位移傳感器讀頭730設置在定子710上，刻度尺735設置在轉子720 上。
[0130]通過將位移傳感器的讀頭設置為相對固定，而刻度尺運動，有利于減小傳感器線纜的運動對平臺性能的影響和對傳感器輸出信號的影響。這一點在電機平臺高度尺寸減小的情況下尤其重要。
[0131 ] 該電機平臺中，X方向電機組件、Y方向電機組件以及theta旋轉電機均已被優(yōu)化，以降低其自身的高度。同時，X方向電機組件和Y方向電機組件的裝配方式也可以進一步降低電機平臺的高度。同時，各個電機的驅動性能均得以保持。
[0132]因此，如上所述，根據(jù)本發(fā)明的電機平臺從多個方面著手，在保證足夠的驅動力的情況下，減小了電機平臺的高度尺寸。
[0133]在設計實現(xiàn)的電機平臺樣機中，平臺高度尺寸小于128_，性能指標如下:
[0134]X方向分辨率為0.1um,
[0135]X方向運動精度為±2um，
[0136]加速度為6G (G為重力加速度)，
[0137]X方向最大運動速度為2m/s，
[0138]X方向動態(tài)響應時間為IOms ；
[0139]Y方向分辨率為0.1um,
[0140]Y方向運動精度為±2um，
[0141]加速度為8G(G為重力加速度)，
[0142]Y方向最大運動速度為2m/s,
[0143]Y方向動態(tài)響應時間為IOms ；
[0144]Theta 分辨率小于 0.2arcsec (弧秒)，
[0145]精度小于1.5arcsec,[0146]Theta方向動態(tài)響應時間為10ms。
[0147]至此，已詳細描述了根據(jù)本發(fā)明的直線電機、盤式旋轉電機和電機平臺的具體實施例。然而本領域技術人員應該明白，本發(fā)明不限于這里描述的各種細節(jié)，而是可以做出適當?shù)男薷?。本發(fā)明的保護范圍由所附權利要求書限定。
【權利要求】
1.一種直線電機，包括定子和動子，所述定子和所述動子中的一個上設置有線圈，另一個上設置有磁鐵陣列，所述線圈與所述磁鐵陣列相面對， 其特征在于， 所述磁鐵陣列包括多個磁鐵單元， 每個磁鐵單元包括在朝著所述線圈的方向上層疊在一起的兩個或更多個磁鐵。
2.根據(jù)權利要求1的直線電機，其特征在于， 所述定子具有U型槽，兩組所述磁鐵陣列分別設置在所述U型槽的兩個側壁上， 所述U型槽的兩個側壁上位置相對的兩個磁鐵單元的極性相反， 所述線圈設置在所述動子上，并且布置在所述U型槽中，并且所述線圈的兩側分別與所述U型槽的兩個側壁上的磁鐵陣列相面對。
3.根據(jù)權利要求1或2的直線電機，其特征在于，所述動子上設置有多組線圈，所述線圈是空芯線圈，所述直線電機是空芯直線電機。
4.一種盤式旋轉電機，其特征在于，包括: 定子和轉子所述定子具有第一環(huán)狀盤，多個線圈沿圓周方向依次設置在所述第一環(huán)狀盤上， 所述轉子具有第二環(huán)狀盤，多個磁鐵沿圓周方向依次設置在所述第二環(huán)狀盤上， 所述第一環(huán)狀盤與所述第二環(huán)狀盤相對設置，使得所述多個磁鐵與所述多個線圈相面對， 所述第一環(huán)狀盤上的線圈的個數(shù)是所述第二環(huán)狀盤上的磁鐵個數(shù)的0.8至1.3倍。
5.根據(jù)權利要求4的盤式旋轉電機，其特征在于， 所述第一環(huán)狀盤上的線圈的個數(shù)是所述第二環(huán)狀盤上的磁鐵個數(shù)的1.2倍。
6.根據(jù)權利要求5的盤式旋轉電機,其特征在于， 所述第一環(huán)狀盤上設置有72個線圈， 所述第二環(huán)狀盤上設置有60個磁鐵。
7.一種電機平臺，包括: 第一方向電機組件，驅動其動子在第一方向上運動；以及 第二方向電機組件， 其特征在于， 所述第一方向電機組件是根據(jù)權利要求1至3中任何一項的直線電機， 所述第二方向電機組件包括第二定子和第二動子，所述第二定子上設置有第二磁鐵陣列，所述第二動子中上設置有第二線圈， 所述第二定子和所述第二動子被設置為使得所述第二動子能夠沿第一方向和第二方向運動， 所述第二磁鐵陣列的作用表面的法線方向為第三方向， 所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向彼此垂直，并且所述第二線圈和所述第二磁鐵陣列被設置為使得當所述第二動子沿所述第一方向運動時所述第二磁鐵陣列基本上不對所述第二線圈施加作用力，而當在所述第二線圈中通電時，所述第二磁鐵陣列對所述第二線圈產生所述第二方向上的作用力， 所述第二動子被設置為能夠在所述第一方向電機組件的動子的驅動下在所述第一方向上運動。
8.根據(jù)權利要求7的電機平臺，其特征在于，包括兩個或更多個所述第一方向電機組件，通過它們各自的線圈和磁鐵陣列之間的相互作用來驅動其共同的動子在第一方向上運動。
9.根據(jù)權利要求8的電機平臺，其特征在于，所述兩個或更多個第一方向電機組件的線圈串聯(lián)或并聯(lián)連接在一起。
10.根據(jù)權利要求7的電機平臺，其特征在于， 所述第二磁鐵陣列中的多個磁鐵的極性在所述第一方向上相同，而在所述第二方向上交替變化。
11.根據(jù)權利要求10的電機平臺，其特征在于， 所述第二磁鐵陣列中的每個磁鐵的作用表面為矩形，其較長的一邊沿所述第一方向設置，其較短的一邊沿所 述第二方向設置， 在所述第一方向上設置有一組或多組磁鐵，在所述第二方向上設置有多組磁鐵，從而形成所述第二磁鐵陣列。
12.根據(jù)權利要求7至11中任何一項的電機平臺，其特征在于， 所述第二定子上具有第二 U型槽，兩組第二磁鐵陣列分別設置在所述第二 U型槽的兩個側壁上，所述第二線圈布置在所述第二 U型槽中，并且所述第二線圈的兩側分別與所述第二 U型槽的兩個側壁上的第二磁鐵陣列相面對， 所述兩組第二磁鐵陣列中在所述第三方向上位置相對的磁鐵的極性相反。
13.根據(jù)權利要求7至11中任何一項的電機平臺，其特征在于，還包括: 根據(jù)權利要求4至6中任何一項的旋轉電機，所述旋轉電機的定子設置在所述第二動子上。
14.根據(jù)權利要求13的電機平臺，其特征在于，還包括電機電纜、傳感器線纜、冷卻氣管中的至少一種，所述電機電纜、傳感器線纜、冷卻氣管穿過所述第一環(huán)狀盤和所述第二環(huán)狀盤的中心孔。
15.根據(jù)權利要求14的電機平臺，其特征在于，還包括: 第一交叉滾子軸承，設置在所述第一方向電機組件的定子上，所述第一方向電機組件的動子通過所述第一交叉滾子軸承沿所述第一方向移動； 第二交叉滾子軸承，設置在所述第一方向電機組件的動子上，所述第二方向電機組件的第二動子通過所述第二交叉滾子軸承沿所述第二方向移動； 第三交叉滾子軸承，設置在所述旋轉電機的第三定子和轉子之間，所述轉子通過所述第三交叉滾子軸承在所述第三定子上方旋轉。
【文檔編號】H02K41/02GK103997186SQ201410250960
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權日:2014年6月6日
【發(fā)明者】肖俊東 申請人:肖俊東