六自由度短行程磁悬浮工作台的制作方法
【专利摘要】六自由度短行程磁悬浮工作台，本发明涉及一种六自由度磁悬浮工作台，属于电机领域。它解决了现有六自由度短行程磁悬浮工作台存在的发热量高、损耗大、结构复杂、平台高度低、热变性大以及动态特性查、定位精度低的问题。本发明包括两组正向力支撑单元和负向力支撑单元、两组X向驱动单元和Y向驱动单元、四组Z向驱动单元、上侧动基板、下侧动基板、上定基板和下定基板构成，上侧动基板、下侧动基板、上定基板和下定基板均相互平行设置，且上定基板位于上侧动基板和下动基板之间，下侧动基板位于上定基板和下定基板之间；上侧动基板与下侧动基板固定连接，上定基板和下定基板固定连接。本发明损耗小、结构简单且控制容易，适用真空环境。
【专利说明】六自由度短行程磁悬浮工作台
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种六自由度磁悬浮工作台，属于电机领域。
【背景技术】
[0002]现代精密、超精密加工装备对高响应、高速度、高精度的短行程磁悬浮工作台有着迫切的需求，如机械加工、电子产品生产、机械装卸、制造自动化仪表设备甚至机器人驱动等。通常这些装置由旋转式电动机产生动力驱动，再由皮带、滚珠丝杆等机械装置，转换为直线运动。由于机械装置复杂，传动精度和速度都受到限制，且需经常调校，造成成本高、可靠性差、体积较大。最初的短行程磁悬浮工作台是由两台直接驱动的直线电机来实现的，采用层叠式驱动结构，这种结构增加了传动系统的复杂性，从本质上没有摆脱低维运动机构叠加形成高维运动机构的模式。对于底层的直线电机，要承载上层直线电机及其相关机械部件的总质量，从而严重影响了定位和控制精确度。而直接利用电磁能产生平面运动的多自由度平面电机，具有出力密度高、低热耗、高速度、高精度和高可靠性的特点，因省去了从旋转运动到直线运动再到平面运动的中间转换装置，可把控制对象同电机做成一体化结构，具有反应快、灵敏度高、随动性好及结构简单等优点。
[0003]图21和22所示为短行程磁悬浮工作台的一种构成方式。该六自由度磁短行程磁悬浮工作台由八边形平板、固定基板、四组水平非接触电磁驱动机构与四组磁悬浮垂直支撑机构构成。水平非接触电磁驱动机构与磁悬浮垂直支撑机构均采用音圈电机结构，音圈电机的初级固定，次级运动。八边形平板的其中呈90°对称分布的四条边与水平非接触电磁驱动机构的动子相连；八边形平板的呈90°对称分布的另外四条边与磁悬浮垂直支撑机构的动子相连。水平非接触电磁驱动机构的定子以及磁悬浮垂直支撑机构的定子固定在固定基板上。通过控制水平配置音圈电机初级绕组电流的大小与方向，可控制作用在动子上X方向、Y方向电磁力的大小与方向以及绕Z轴偏转电磁转矩的大小与方向；同时,通过控制垂直配置音圈电机初级绕组电流的大小与方向，即可控制作用在动子上Z方向电磁力的大小与方向以及绕X轴、绕Y轴偏转电磁转矩的大小与方向，从而实现工作台的六自由度运动控制。
[0004]但是，该六自由度短行程磁悬浮工作台存在如下问题:垂直配置音圈电机需要始终通电，以产生垂直方向的电磁力、抵消平台动子的自重。因此，线圈的发热量高、损耗大。同时，音圈电机的结构相对复杂、推力密度低，平台的刚度低、热变形大，系统的动态特性差、定位精度低。
【发明内容】
[0005]本发明所述的六自由度短行程磁悬浮工作台解决了现有六自由度短行程磁悬浮工作台存在的发热量高、损耗大、结构复杂、平台高度低、热变性大以及动态特性查、定位精度低的问题。
[0006]本发明所述的一种六自由度短行程磁悬浮工作台，由两组正向力支撑单元、两组负向力支撑单元、两组X向驱动单元、两组Y向驱动单元、四组Z向驱动单元、上侧动基板Al、下侧动基板B1、上定基板Dl和下定基板Cl构成；上侧动基板Al、下侧动基板B1、上定基板Dl和下定基板Cl均相互平行设置，且上定基板Dl位于上侧动基板Al和下动基板BI之间，下侧动基板BI位于上定基板Dl和下定基板Cl之间；上侧动基板与下侧动基板固定连接在一起，上定基板Dl和下定基板Cl固定在一起；两组正向力支撑单元的结构相同，均由上动子、下动子和定子组成；两组负向力支撑单元的结构相同，均由上动子、下动子和定子组成；两组X向驱动单元的结构相同，均由上动子、下动子和定子组成；两组Y向驱动单元的结构相同，均由上动子、下动子和定子组成；四组Z向驱动单元的结构相同，均由动子和定子组成；正向力支撑单元的上动子、负向力支撑单元的上动子、Z向驱动单元的动子、X向驱动单元的上动子和Y向驱动单元的上动子均固定在上侧动基板Al的底面；正向力支撑单元的下动子、负向力支撑单元的下动子、X向驱动单元的下动子和Y向驱动单元的下动子均固定在下侧动基板BI的上表面；正向力支撑单元的定子、负向力支撑单元的定子、X向驱动单元的定子和Y向驱动单元的定子均固定在上定基板Dl上，该上定基板Dl与上侧动基板Al之间为上气隙，该定基板Dl与下侧动基板BI之间为下气隙；Z向驱动单元的定子固定在下定基板Cl的上表面；两组正向力支撑单元、两组负向力支撑单元、两组X向驱动单元和两组Y向驱动单元以定基板的中心为圆心、沿同一半径Rl的圆周方向相间排布，其中:两组正向力支撑单元的连线与两组负向力支撑单元的连线相交且呈90°夹角；两组X向驱动单元的连线与两组Y向驱动单元的连接相交且呈90°夹角；四组Z向驱动单元分别以下定基板的中心为圆心、沿半径为R2的圆周方向均匀分布；R1 Φ R2 ;正向力支撑单元的上动子、下动子和定子上均固定有永磁体，正向力支撑单元中的所有永磁体产生磁场力为推动上侧动基板Al和下侧动基板BI向上的力；负向力支撑单元的上动子、下动子和定子上均固定有永磁体，负向力支撑单元中的所有永磁体产生磁场力为推动上侧动基板Al和下侧动基板BI向下的力；正向力支撑单元和负向力支撑单元产生的磁场力共同作用使得上侧动基板Al和下侧动基板BI分别悬空并稳定在上定基板Dl和下定基板Cl的上方。
[0007]上述正向力支撑单元产生的作用于动基板上的向上的垂向力，大于负向力支撑单元产生的向下的垂向力，进而实现支撑两个动基板的效果。
[0008]本发明中，上述正向力支撑单元的具体结构可以为:其上动子包括动子上永磁体ZLl,该动子上永磁体ZLl固定在上侧动基板Al的下表面；正向力支撑单元下动子包括动子下永磁体ZL2,该动子下永磁体ZL2固定在下侧动基板BI的上表面；动子上永磁体ZLl与动子下永磁体ZL2均为长条形，均沿垂向方向平行充磁，且二者的充磁方向相反；本发明中的正向力支撑单元定子的结构可以包括定子上永磁体和定子下永磁体，定子上永磁体固定在上定基板Dl的上表面与动子上永磁体ZLl相对应的位置,定子上永磁体的充磁方向与动子上永磁体ZLl的充磁方向相反,二者之间为上气隙；定子下永磁体固定在定子上定基板Dl的下表面与动子下永磁体ZL2对应的位置，定子下永磁体的充磁方向与动子下永磁体ZL2的充磁方向相同，二者之间为下气隙。
[0009]上述动子上永磁体ZLl与动子下永磁体ZL2分别都由两块长条形永磁体构成，两块长条形永磁体尺寸相同、充磁方向相同，两块长条形永磁体并列布置。
[0010]上述动子上永磁体ZLl与动子下永磁体ZL2还可以分别都由两块长条形永磁体构成，两块长条形永磁体尺寸相同，两块长条形永磁体均为水平方向平行充磁，两块长条形永磁体的充磁方向相反，两块长条形永磁体并列布置；动子上永磁体ZLl与定子上永磁体之间形成斥力，动子下永磁体ZL2与定子下永磁体之间形成吸力。
[0011]本发明中的负向力支撑单元的结构可以为:其上动子包括动子上永磁体FL1，该动子上永磁体FLl固定在上侧动基板Al的下表面；负向力支撑单元下动子包括动子下永磁体FL2,该动子下永磁体FL2固定在下侧动基板BI的上表面；动子上永磁体FLl与动子下永磁体FL2均为平板形，均沿垂向方向平行充磁，且二者的充磁方向相反；负向力支撑单元定子包括定子永磁体FL3，定子永磁体FL3嵌固在上定基板Dl上与动子上永磁体FLl相对应的位置，定子永磁体FL3的充磁方向与动子上永磁体FLl的充磁方向相同,二者之间为上气隙；定子永磁体FL3与动子下永磁体FL2之间为下气隙。
[0012]上述负向力支撑单元上动子中的动子上永磁体FLl与上侧动基板Al之间可以设置有永磁体固定板。
[0013]上述负向力支撑单元下动子中的动子下永磁体FL2与下侧动基板BI之间可以设置有永磁体固定板。
[0014]本发明中所述的正向力支撑单元中的定子永磁体FL3还可以由两块永磁体组成，所述两块永磁体分别嵌固在上定基板Dl的上表面和下表面。
[0015]本发明中的Z向驱动单元可以采用双边平板形结构的电机实现，动子为双边结构的次级，定子为初级；初级位于双边次级之间，二者之间为两个气隙，两个气隙相互平行，且所述气隙平面垂直于XY平面；初级包括初级绕组与初级基板，初级绕组粘贴在由非导磁材料构成的平板形初级基板上，或嵌放在初级基板中，初级绕组有效边平行于XY平面；每边次级均包括次级永磁体和次级轭板,次级永磁体粘贴固定在次级轭板上,双边次级永磁体形成串联磁路。
[0016]本发明中的X向驱动单元和Y向驱动单元的结构相同，均可以采用双边平板形结构的电机实现，上动子和下动子分别是双边次级的两个次级，定子为初级，初级位于双边次级之间，二者之间为两个气隙，两个气隙相互平行，气隙平面平行于XY平面；初级包括初级绕组与初级基板，初级绕组粘贴在由非导磁材料构成的平板形初级基板上，或嵌放在初级基板中，初级绕组的有效边平行于XY平面；每边次级包括次级永磁体和次级轭板，次级永磁体粘贴固定在次级轭板上，双边次级永磁体形成串联磁路。
[0017]本发明中的所述上侧动基板Al、下侧动基板B1、上定基板Dl和下定基板Cl的材料均是非磁性材料。
[0018]本发明所述的六自由度短行程磁悬浮工作台，利用两组正向力支撑单元与两组负向力支撑单元进行工作台的静态支撑，由于正向力支撑单元与负向力支撑单元产生磁场力的方向相反，因此大大降低了工作台的刚度，再由于采用磁性材料产生的磁场力实现支撑，不需要损耗电能，进而避免了现有采用垂直配置音圈电机实现磁悬浮控制所导致发热量高以及损耗大的问题，达到了减小工作台的损耗的效果。
[0019]本发明所述的六自由度短行程磁悬浮工作台通过控制两组X向驱动单元、两组Y向驱动单元线圈电流的大小与方向，即可控制作用在动基板上X方向、Y方向电磁力的大小与方向以及绕Z轴旋转电磁转矩的大小与方向，控制方便灵活。
[0020]本发明所述的六自由度短行程磁悬浮工作台通过控制四组Z向驱动单元线圈中电流的大小与方向，即可控制作用在动基板上Z方向电磁力的大小与方向以及绕X轴、绕Y轴旋转电磁转矩的大小与方向，从而实现六自由度短行程磁悬浮工作台的六自由度运动控制。
[0021]本发明的六自由度短行程磁悬浮工作台的损耗小、刚度低、线性度好、结构简单、控制容易、定位精度高。本发明所述的六自由度短行程磁悬浮工作台适用于各种需要高精度磁悬浮工作台的情况，并且尤其适用于真空环境下使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是【具体实施方式】十所述的一种六自由度短行程磁悬浮工作台的结构示意图，图2是图1中的上定基板Dl的结构不意图，该上定基板Dl上固定有X向驱动单兀的初级绕组和Y向驱动单元的初级绕组，并且在对称的两侧分别设置有嵌入正向力支撑单元的定子上永磁体和定子下永磁体的凹槽。图3为图1中的上侧动基板Al的仰视图，该图中，该上侧动基板Al上固定有正向力支撑单元的上动子、负向力支撑单元的上动子、Z向驱动单元的动子、X向驱动单元的上动子和Y向驱动单元的上动子。图4是图1中的下侧动基板BI的俯视图，该下侧动基板BI上固定有正向力支撑单元的下动子、负向力支撑单元的下动子、Z向驱动单元的定子、X向驱动单元的下动子和Y向驱动单元的下动子。图5是图1所示的六自由度短行程磁悬浮工作台去除图3所示的结构之后的结构示意图。
[0023]图6是【具体实施方式】十一所述的一种六自由度短行程磁悬浮工作台的结构示意图，图7是图6中的上定基板Dl的结构示意图，该上定基板Dl上固定有X向驱动单元的初级绕组和Y向驱动单元的初级绕组，并且在对称的两侧分别设置有嵌入正向力支撑单元的定子上永磁体和定子下永磁体的凹槽。图8为图6中的上侧动基板Al的仰视图，该图中，该上侧动基板Al上固定有正向力支撑单元的上动子、负向力支撑单元的上动子、Z向驱动单元的动子、X向驱动单元的上动子和Y向驱动单元的上动子。图9是图6中的下侧动基板BI的俯视图，该下侧动基板BI上固定有正向力支撑单元的下动子、负向力支撑单元的下动子、Z向驱动单元的定子、X向驱动单元的下动子和Y向驱动单元的下动子。图10是图6所示的六自由度短行程磁悬浮工作台去除图8所示的结构之后的结构示意图。
[0024]图11是【具体实施方式】十二所述的一种六自由度短行程磁悬浮工作台的结构示意图，图12是图11中的上定基板Dl的结构不意图，该上定基板Dl上固定有X向驱动单兀的初级绕组和Y向驱动单元的初级绕组，并且还设置有嵌入正向力支撑单元的定子上永磁体和定子下永磁体、负向力支撑单元的定子永磁体FL3的凹槽。图13为图11中的上侧动基板Al的仰视图，该图中，该上侧动基板Al上固定有正向力支撑单元的上动子、负向力支撑单元的上动子、Z向驱动单元的动子、X向驱动单元的上动子和Y向驱动单元的上动子。图14是图11所示的六自由度短行程磁悬浮工作台去除图13所示的结构之后的结构示意图。
[0025]图15是【具体实施方式】十三所述的一种六自由度短行程磁悬浮工作台的结构示意图，图16是图15中的上定基板Dl的结构不意图，该上定基板Dl上固定有X向驱动单兀的初级绕组和Y向驱动单元的初级绕组，并且还设置有嵌入正向力支撑单元的定子上永磁体和定子下永磁体、负向力支撑单元的定子永磁体FL3的凹槽。图17为图15中的上侧动基板Al的仰视图，该图中，该上侧动基板Al上固定有正向力支撑单元的上动子、负向力支撑单元的上动子、Z向驱动单元的动子、X向驱动单元的上动子和Y向驱动单元的上动子。图18是图15所示的六自由度短行程磁悬浮工作台去除图17所示的结构之后的结构示意图。[0026]图19是本发明所述的X向驱动单元和Y向驱动单元的一种结构示意图，其中图(a)为传统的次级结构,每边次级的N极和S极两块永磁体粘贴固定在次级轭板上，永磁体为平行充磁，充磁方向垂直于气隙所在平面；图(b)为Halbach次级结构。
[0027]图20是本发明所述的Z向驱动单元的一种结构示意图。
[0028]图21和图22是【背景技术】中提及的一种现有短行程磁悬浮工作台的结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]【具体实施方式】一:本实施方式所述的一种六自由度短行程磁悬浮工作台由两组正向力支撑单元、两组负向力支撑单元、两组X向驱动单元、两组Y向驱动单元、四组Z向驱动单元、上侧动基板Al、下侧动基板B1、上定基板Dl和下定基板Cl构成；
[0030]上侧动基板Al、下侧动基板B1、上定基板Dl和下定基板Cl均相互平行设置，且上定基板Dl位于上侧动基板Al和下动基板BI之间，下侧动基板BI位于上定基板Dl和下定基板Cl之间；上侧动基板与下侧动基板固定连接在一起，上定基板Dl和下定基板Cl固定在一起;
[0031]两组正向力支撑单元的结构相同，均由上动子、下动子和定子组成；两组负向力支撑单元的结构相同，均由上动子、下动子和定子组成；两组X向驱动单元的结构相同，均由上动子、下动子和定子组成；两组Y向驱动单元的结构相同，均由上动子、下动子和定子组成；四组Z向驱动单元的结构相同，均由动子和定子组成；
[0032]正向力支撑单元的上动子、负向力支撑单元的上动子、Z向驱动单元的动子、X向驱动单元的上动子和Y向驱动单元的上动子均固定在上侧动基板Al的底面；
[0033]正向力支撑单元的下动子、负向力支撑单元的下动子、Z向驱动单元的定子、X向驱动单元的下动子和Y向驱动单元的下动子均固定在下侧动基板BI的上表面；
[0034]正向力支撑单元的定子、负向力支撑单元的定子、X向驱动单元的定子和Y向驱动单元的定子均固定在上定基板Dl上，该上定基板Dl与上侧动基板Al之间为上气隙，该定基板Dl与下侧动基板BI之间为下气隙；
[0035]两组正向力支撑单元、两组负向力支撑单元、两组X向驱动单元和两组Y向驱动单元以定基板的中心为圆心、沿同一半径Rl的圆周方向相间排布，其中:两组正向力支撑单元的连线与两组负向力支撑单元的连线相交且呈90°夹角；两组X向驱动单元的连线与两组Y向驱动单元的连接相交且呈90°夹角；
[0036]四组Z向驱动单元分别以下定基板的中心为圆心、沿半径为R2的圆周方向均匀分布；R1 Φ R2 ；
[0037]正向力支撑单元的上动子、下动子和定子上均固定有永磁体，正向力支撑单元中的所有永磁体产生磁场力为推动上侧动基板Al和下侧动基板BI向上的力；负向力支撑单元的上动子、下动子和定子上均固定有永磁体，负向力支撑单元中的所有永磁体产生磁场力为推动上侧动基板Al和下侧动基板BI向下的力；正向力支撑单元和负向力支撑单元产生的磁场力共同作用使得上侧动基板Al和下侧动基板BI分别悬空并稳定在上定基板Dl和下定基板Cl的上方。
[0038]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一所述的六自由度短行程磁悬浮工作台的区别在于，所述正向力支撑单元上动子包括动子上永磁体ZLl,该动子上永磁体ZLl固定在上侧动基板Al的下表面；正向力支撑单元下动子包括动子下永磁体ZL2，该动子下永磁体ZL2固定在下侧动基板BI的上表面；动子上永磁体ZLl与动子下永磁体ZL2均为长条形，均沿垂向方向平行充磁，且二者的充磁方向相反；
[0039]正向力支撑单元定子包括定子上永磁体和定子下永磁体，定子上永磁体固定在上定基板Dl的上表面与动子上永磁体ZLl相对应的位置,定子上永磁体的充磁方向与动子上永磁体ZLl的充磁方向相反,二者之间为上气隙；定子下永磁体固定在定子上定基板Dl的下表面与动子下永磁体ZL2对应的位置，定子下永磁体的充磁方向与动子下永磁体ZL2的充磁方向相同，二者之间为下气隙。
[0040]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一所述的六自由度短行程磁悬浮工作台的区别在于，所述动子上永磁体ZLl与动子下永磁体ZL2分别都由两块长条形永磁体构成，两块长条形永磁体尺寸相同、充磁方向相同，两块长条形永磁体并列布置。
[0041]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一所述的六自由度短行程磁悬浮工作台的区别在于，所述动子上永磁体ZLl与动子下永磁体ZL2分别都由两块长条形永磁体构成，两块长条形永磁体尺寸相同，两块长条形永磁体均为水平方向平行充磁，两块长条形永磁体的充磁方向相反，两块长条形永磁体并列布置；动子上永磁体ZLl与定子上永磁体之间形成斥力，动子下永磁体ZL2与定子下永磁体之间形成吸力。
[0042]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一所述的六自由度短行程磁悬浮工作台的区别在于，所述负向力支撑单元上动子包括动子上永磁体FLl,该动子上永磁体FLl固定在上侧动基板Al的下表面；负向力支撑单元下动子包括动子下永磁体FL2，该动子下永磁体FL2固定在下侧动基板BI的上表面；动子上永磁体FLl与动子下永磁体FL2均为平板形，均沿垂向方向平行充磁，且二者的充磁方向相反；
[0043]负向力支撑单元定子包括定子永磁体FL3，定子永磁体FL3嵌固在上定基板Dl上与动子上永磁体FLl相对应的位置，定子永磁体FL3的充磁方向与动子上永磁体FLl的充磁方向相同，二者之间为上气隙；定子永磁体FL3与动子下永磁体FL2之间为下气隙。
[0044]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一所述的六自由度短行程磁悬浮工作台的区别在于，所述所述正向力支撑单元的定子永磁体FL3由两块永磁体组成，所述两块永磁体分别嵌固在上定基板Dl的上表面和下表面。
[0045]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一所述的六自由度短行程磁悬浮工作台的区别在于，所述Z向驱动单元为双边平板形结构的电机，动子为双边结构的次级，定子为初级；初级位于双边次级之间，二者之间为两个气隙，两个气隙相互平行，且所述气隙平面垂直于XY平面；初级包括初级绕组与初级基板，初级绕组粘贴在由非导磁材料构成的平板形初级基板上，或嵌放在初级基板中，初级绕组有效边平行于XY平面；每边次级均包括次级永磁体和次级轭板,次级永磁体粘贴固定在次级轭板上,双边次级永磁体形成串联磁路。
[0046]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】一所述的六自由度短行程磁悬浮工作台的区别在于，所述X向驱动单元和Y向驱动单元的结构相同，均为双边平板形结构的电机，上动子和下动子分别是双边次级的两个次级，定子为初级，初级位于双边次级之间，二者之间为两个气隙，两个气隙相互平行，气隙平面平行于XY平面；初级包括初级绕组与初级基板，初级绕组粘贴在由非导磁材料构成的平板形初级基板上，或嵌放在初级基板中，初级绕组的有效边平行于XY平面；每边次级包括次级永磁体和次级轭板，次级永磁体粘贴固定在次级轭板上，双边次级永磁体形成串联磁路。
[0047]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】一所述的六自由度短行程磁悬浮工作台的区别在于，所述上侧动基板Al、下侧动基板B1、上定基板Dl和下定基板Cl的材料均是非磁性材料。
[0048]【具体实施方式】十:参见图1至5说明本实施方式。本实施方式所述的本发明所述的一种六自由度短行程磁悬浮工作台的具体结构。本实施方式中，上侧动基板Al为八边形的平板结构，所述四组Z向驱动单元的动子分别设置在四条短边的位置，下动基板BI为八边形的平板结构，与上侧动基板Al固定连接，上定基板Dl位于上侧动基板Al和下动基板BI之间，且位于四组Z向驱动单元的动子的内侧。所述X向驱动单元的初级绕组的线圈的有效边平行于Y轴，Y向驱动单元的初级绕组的有效边平行于X轴。
[0049]【具体实施方式】十一:参见图6至10说明本实施方式。本实施方式所述的一种六自由度短行程磁悬浮工作台与【具体实施方式】十的区别在于，所述X向驱动单元的初级绕组的线圈边与Y向驱动单元的初级绕组的线圈分别与X轴和Y周呈45°角，四个线圈同时通电，以产生X向电磁力、Y向电磁力以及绕Z轴的偏转转矩。
[0050]【具体实施方式】十二 :参见图11至14说明本实施方式。本实施方式所述的本发明所述的一种六自由度短行程磁悬浮工作台的具体结构。本实施方式中，上侧动基板Al、下侧动基板BI和下定基板Cl均为矩形的平板结构，所述四组Z向驱动单元的动子分别与矩形的上侧动基板Al的四条边形平行设置，并且所述四组Z向驱动单元的动子设置在上侧动基板Al的中心位置，上定基板Dl为中间带有通孔的矩形平板结构，所述通孔用于嵌入所述四组Z向驱动单元的动子，上定基板Dl的每条边的中间分别设置有四个矩形凸起，所述四个矩形凸起用于通过支撑体与下定基板Cl固定连接；所述X向驱动单元的初级绕组的线圈的有效边平行于Y轴，Y向驱动单元的初级绕组的有效边平行于X轴。
[0051]【具体实施方式】十三:参见图15至18说明本实施方式。本实施方式所述的一种六自由度短行程磁悬浮工作台与【具体实施方式】十二所述结构的区别在于，所述X向驱动单元的初级绕组的线圈与Y向驱动单元的初级绕组的线圈各自逆时针旋转了 45°角。
【权利要求】
1.一种六自由度短行程磁悬浮工作台，其特征在于，该六自由度短行程磁悬浮工作台由两组正向力支撑单元、两组负向力支撑单元、两组X向驱动单元、两组Y向驱动单元、四组Z向驱动单元、上侧动基板(Al)、下侧动基板(BI)、上定基板(Dl)和下定基板(Cl)构成； 上侧动基板(Al)、下侧动基板(BI)、上定基板(Dl)和下定基板(Cl)均相互平行设置，且上定基板(Dl)位于上侧动基板(Al)和下动基板BI之间，下侧动基板(BI)位于上定基板(Dl)和下定基板(Cl)之间；上侧动基板与下侧动基板固定连接在一起，上定基板(Dl)和下定基板(Cl)固定在一起； 两组正向力支撑单元的结构相同，均由上动子、下动子和定子组成；两组负向力支撑单元的结构相同，均由上动子、下动子和定子组成；两组X向驱动单元的结构相同，均由上动子、下动子和定子组成；两组Y向驱动单元的结构相同，均由上动子、下动子和定子组成；四组Z向驱动单元的结构相同，均由动子和定子组成； 正向力支撑单元的上动子、负向力支撑单元的上动子、Z向驱动单元的动子、X向驱动单元的上动子和Y向驱动单元的上动子均固定在上侧动基板(Al)的底面； 正向力支撑单元的下动子、负向力支撑单元的下动子、X向驱动单元的下动子和Y向驱动单元的下动子均固定在下侧动基板(BI)的上表面； 正向力支撑单元的定子、负向力支撑单元的定子、X向驱动单元的定子和Y向驱动单元的定子均固定在上 定基板(Dl)上，该上定基板(Dl)与上侧动基板(Al)之间为上气隙，该定基板Dl与下侧动基板(BI)之间为下气隙； Z向驱动单元的定子固定在下定基板(Cl)的上表面； 两组正向力支撑单元、两组负向力支撑单元、两组X向驱动单元和两组Y向驱动单元以定基板的中心为圆心、沿同一半径Rl的圆周方向相间排布，其中:两组正向力支撑单元的连线与两组负向力支撑单元的连线相交且呈90°夹角；两组X向驱动单元的连线与两组Y向驱动单元的连接相交且呈90°夹角； 四组Z向驱动单元分别以下定基板的中心为圆心、沿半径为R2的圆周方向均匀分布；Rl ^ R2 ； 正向力支撑单元的上动子、下动子和定子上均固定有永磁体，正向力支撑单元中的所有永磁体产生磁场力为推动上侧动基板(Al)和下侧动基板(BI)向上的力；负向力支撑单元的上动子、下动子和定子上均固定有永磁体，负向力支撑单元中的所有永磁体产生磁场力为推动上侧动基板(Al)和下侧动基板(BI)向下的力；正向力支撑单元和负向力支撑单元产生的磁场力共同作用使得上侧动基板(Al)和下侧动基板(BI)分别悬空并稳定在上定基板(Dl)和下定基板(Cl)的上方。
2.根据权利要求1所述的六自由度短行程磁悬浮工作台，其特征在于，正向力支撑单元上动子包括动子上永磁体(ZLl),该动子上永磁体(ZLl)固定在上侧动基板(Al)的下表面；正向力支撑单元下动子包括动子下永磁体(ZL2)，该动子下永磁体(ZL2)固定在下侧动基板(BI)的上表面；动子上永磁体(ZLl)与动子下永磁体(ZL2)均为长条形，均沿垂向方向平行充磁，且二者的充磁方向相反； 正向力支撑单元定子包括定子上永磁体和定子下永磁体，定子上永磁体固定在上定基板(Dl)的上表面与动子上永磁体(ZLl)相对应的位置,定子上永磁体的充磁方向与动子上永磁体(ZLl)的充磁方向相反,二者之间为上气隙；定子下永磁体固定在定子上定基板(Dl)的下表面与动子下永磁体(ZL2)对应的位置，定子下永磁体的充磁方向与动子下永磁体(ZL2)的充磁方向相同，二者之间为下气隙。
3.根据权利要求2所述的六自由度短行程磁悬浮工作台，其特征在于动子上永磁体(ZLl)与动子下永磁体(ZL2)分别都由两块长条形永磁体构成，两块长条形永磁体尺寸相同、充磁方向相同，两块长条形永磁体并列布置。
4.根据权利要求2所述的六自由度短行程磁悬浮工作台，其特征在于动子上永磁体(ZLl)与动子下永磁体(ZL2)分别都由两块长条形永磁体构成，两块长条形永磁体尺寸相同，两块长条形永磁体均为水平方向平行充磁，两块长条形永磁体的充磁方向相反，两块长条形永磁体并列布置；动子上永磁体(ZLl)与定子上永磁体之间形成斥力，动子下永磁体(ZL2)与定子下永磁体之间形成吸力。
5.根据权利要求1所述的六自由度短行程磁悬浮工作台，其特征在于负向力支撑单元上动子包括动子上永磁体(FLl),该动子上永磁体(FLl)固定在上侧动基板(Al)的下表面；负向力支撑单元下动子包括动子下永磁体(FL2)，该动子下永磁体(FL2)固定在下侧动基板(BI)的上表面；动子上永磁体(FLl)与动子下永磁体(FL2)均为平板形，均沿垂向方向平行充磁，且二者的充磁方向相反； 负向力支撑单元定子包括定子永磁体(FL3),定子永磁体(FL3)嵌固在上定基板(Dl)上与动子上永磁体(FLl)相对应的位置，定子永磁体(FL3)的充磁方向与动子上永磁体(FLl)的充磁方向相同，二者之间为上气隙；定子永磁体(FL3)与动子下永磁体(FL2)之间为下气隙。
6.根据权利要 求5所述的六自由度短行程磁悬浮工作台，其特征在于所述正向力支撑单元的定子永磁体(FL3)由两块永磁体组成，所述两块永磁体分别嵌固在上定基板(Dl)的上表面和下表面。
7.根据权利要求1所述的六自由度短行程磁悬浮工作台，其特征在于Z向驱动单元为双边平板形结构的电机，动子为双边结构的次级，定子为初级；初级位于双边次级之间，二者之间为两个气隙，两个气隙相互平行，且所述气隙平面垂直于XY平面；初级包括初级绕组与初级基板，初级绕组粘贴在由非导磁材料构成的平板形初级基板上，或嵌放在初级基板中，初级绕组有效边平行于XY平面；每边次级均包括次级永磁体和次级轭板，次级永磁体粘贴固定在次级轭板上，双边次级永磁体形成串联磁路。
8.根据权利要求1所述的六自由度短行程磁悬浮工作台，其特征在于X向驱动单元和Y向驱动单元的结构相同，均为双边平板形结构的电机，上动子和下动子分别是双边次级的两个次级，定子为初级，初级位于双边次级之间，二者之间为两个气隙，两个气隙相互平行，气隙平面平行于XY平面；初级包括初级绕组与初级基板，初级绕组粘贴在由非导磁材料构成的平板形初级基板上，或嵌放在初级基板中，初级绕组的有效边平行于XY平面；每边次级包括次级永磁体和次级轭板，次级永磁体粘贴固定在次级轭板上，双边次级永磁体形成串联磁路。
9.根据权利要求1所述的六自由度短行程磁悬浮工作台，其特征在于，所述上侧动基板(Al)、下侧动基板(BI)、上定基板(Dl)和下定基板(Cl)的材料均是非磁性材料。
【文档编号】H02N11/00GK104009674SQ201410264738
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】寇宝泉, 张赫, 张鲁, 周一恒, 谢逸轩 申请人:哈尔滨工业大学