一种基于MEMS工艺的同轴两段式Halbach永磁同步微电机的制作方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种新型永磁同步微型电动机，具体指一种基于MEMS工艺的同轴两段式Halbach永磁同步微电动机。定子转子采用平面结构，转子采用Halbach列代替普通电机的永磁体结构，在提高电机的性能的同时可减少电机的永磁体用量，属于电磁型微型电动机领域。
【背景技术】
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[0002]本发明基于MEMS工艺，定子转子基于电、磁互相作用产生的电磁力，通过电磁作用将电能转化为机械能。在现有的毫米级永磁同步微电机的基础上通过改变永磁体的结构，具体采用美国学者KIause Halbach提出的Halbach结构，同时在一根轴上采用2段式串联结构添加独立的电气单元来增加电机的输出功率。
[0003]电磁型微电机的优点:毫米级微电机，是指外形尺寸为毫米数量级或者更小的电机。当前，微型电机是微电子机械系统(MEMS)的动力源，而电磁型微电机一直是各国研宄的热点，它具有如下优点:
[0004](I)驱动力矩大，输出功率高；
[0005](2)工作稳定可靠并易于控制，可在低电压条件下驱动；
[0006](3)工作寿命长，抗干扰能力强；
[0007](4)与静电微电机比较，容易装配；已有的永磁同步微电机的应用:电磁型微电机的研宄起始于20世纪90年代。目前已研制出滑动式、转动式、滚动式、平动式等多种形式的电磁型微电机。中国科学院长春光机所成功研制出直径为5_的端面摇摆式电磁微电机，该电机转速范围为20-860r/min，输出力矩大于10μΝ.πι。上海交通大学在继1995年成功研制出直径为2mm，高为1.4mm的超微型电动机以后，又在1999年成功研制出直径Imm的电磁型微电机。点击的最大转速为18000r/min，调速范围50:1，质量仅为12.5mg，最大输出力矩达到了 1.5 μΝ.m。
[0008]该电机米用双定子单转子结构，轴向充6对磁极，N、S呈放射状分布。中国科学院长春光机所于2002年利用微机械ICP工艺和LIGA工艺研制出可用于皮卫星上对微小飞轮进行姿态控制的具有单定子-双转子结构的永磁同步微电机。该电机定子绕组线圈制作在以硅片为衬底的基片上，采用了正反18个线圈的双面绕组结构，正反线圈通过过线孔连接，转子轴向充6对磁极。
[0009]Halbach结构的基本特点:Halbach永磁电机是由美国学者KIause Halbach提出后一直被广泛研宄的一种新型永磁电机，其永磁体采用Halbach结构，相对于普通永磁体结构，由于Halbach列分解后的切向磁场与径向磁场的相互叠加使得气隙一侧的磁场强度大幅度提高，这样可有效地减小电机的体积，提高电机的功率密度。转子可采用非铁心材料。单边磁场分布不再需要转子采用磁性材料为其提供通路。这样不仅为转子选材提供了较大的选择余地。而且可以使系统有较低的转动惯量和较高的快速响应性能。更重要的是大大提高了电机的功率密度。Halbach微电机不仅是永磁微电机研宄领域的一大突破，也是高速电机研宄领域的一大突破，其独特的永磁体结构使得电机的气隙磁密和气隙长度均较大。这样，一方面它拓宽了永磁电机的应用领域，例如人工心脏供血系统等医学领域:另一方面随着其技术的发展。电机转子永磁体采用Halbach结构，Halbach结构能够最大限度地利用永磁体提高气隙磁密度，从而提高电机功率。
[0010]已有的永磁同步微电机都是只有一套独立的电气单元的结构，在不限制轴向尺寸的前提下电机的输出功率会受到限制。已有的采用轴向充磁的微电机，永磁体均为辐射状分布，转子磁轭上分布的磁密白白浪费，从而限制了电机的功率密度。
【发明内容】
[0011]1、发明目的:本发明为了克服上述存在的技术缺点，提出一种基于MEMS工艺的同轴2段式Halbach永磁同步微电机。
[0012]2、技术方案:本发明是通过以下技术方案实现的:
[0013]—种基于MEMS工艺的同轴两段式Halbach永磁同步微电机:在一跟轴上串联2个独立的单定子-双转子结构，形成2个独立的电气单元。段间采用隔磁板隔绝电磁耦合回路，电机通电时，2个电气单元独立工作，将4个力矩通过轴综合为一个力矩输出。实现了在不改变径向尺寸的同时增加电机的输出功率。电机基于MEMS工艺，定子线圈制造在以硅为底的基片上，采用三相绕组，正反各9个绕组，正反2面通过过线孔连接。转子轴向充6对磁极，采用Halbach结构，提高了气隙磁通密度的同时可以减小转子轭部的体积，实现了增大电机的输出功率密度。独立的定子绕组通过电机引出线引至机壳外，每一时刻给三项绕组中的两相通电，设ABC三相，具体通电顺序为AB-BC-CA，驱动电机工作，实现电能转化为机械能。
[0014]3、装配方案:本发明是通过以下方案装配的:
[0015]永磁体结构采用Halbach结构，轴向6对磁极并在相邻磁极间充切向磁。定子采用无铁心结构，以硅为衬底，正反两面各三组三项绕组，呈放射状附在硅的表面上，为隔绝电磁耦合回路，在两个电气单元之间安放一个薄隔磁板。两轴承分别置于机壳和端盖之间的轴承室中分别位于轴的两端实现对轴的支撑。后端保护盖与机壳连接，并将上述组件封装在内；定子绕组通过机壳引出线引出机壳外；
[0016]各组件通过轴肩和机壳进行定位，其中轴承，转子组件通过轴肩定位。定子，隔磁板，保护盖通过机壳定位。为了便于装配的合理性，可将右侧定子处轴突改为轴套。便于隔磁板和中间部分转子的装配。各组件从左到右安装顺序为轴承-转子-轴-定子-转子-隔磁板(隔磁板与机壳粘连)-转子-轴套(在装配图中显示为轴突)-定子-转子-轴承_保护盖。
[0017]4、优点及效果:本发明相较于现有技术的优点在于:
[0018](I)本发明通过同轴串联式结构通过添加独立的电气单元来实现不改变电机径向尺寸的前提下增大输出功率的目的。
[0019](2)本发明由于存在2个独立的电气单元，实现了微电机的双余度。
[0020](3)本发明将永磁体的传统结构改为Halbach结构，增大气隙磁通密度的同时减小转子轭部的体积，增大了电机的输出功率密度。
[0021](4)本发明由于改变了永磁体的结构，增大了转子材料的选择余地，转子可采用非铁心材料。
[0022](5)本发明由于定子两端直接与气隙接触，使得本电机有利于线圈散热，可以承载更高的负荷。
【附图说明】
[0023]图1为基于MEMS工艺的同轴两段式Halbach永磁同步微电机平面装配图。
[0024]图2为基于MEMS工艺的同轴两段式Halbach永磁同步微电机定子绕组。
[0025]图3为基于MEMS工艺的同轴两段式Halbach永磁同步微电机转子平面图。
[0026]图4a为径向式磁铁磁场排列分布示意图。
[0027]图4b为平行式磁铁磁场排列分布示意图。
[0028]图4c为Halbach排列磁场分布不意图。
[0029]图4d为Halbach排列磁场分布不意图。
[0030]图1平面装配图各组件的名称即顺序分别为:
[0031]1.轴；2.转子组件；3.隔磁板；4.电机引出线；
[0032]5.轴承；6.定子组件；7.机壳；8.保护盖。
【具体实施方式】
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[0033]—种基于MEMS工艺的同轴两段式Halbach永磁同步微电机:在一跟轴上串联2个独立的单定子-双转子结构，形成2个独立的电气单元。段间采用隔磁板隔绝电磁耦合回路，电机通电时，2个电气单元独立工作，将4个力矩通过轴综合为一个力矩输出。实现了在不改变径向尺寸的同时增加电机的输出功率。电机基于MEMS工艺，定子线圈制造在以硅为底的基片上，采用三相绕组，正反各9个绕组，正反2面通过过线孔连接。转子轴向充6对磁极，采用Halbach结构，提高了气隙磁通密度的同时可以减小转子轭部的体积，实现了增大电机的输出功率密度。独立的定子绕组通过电机引出线引至机壳外，每一时刻给三项绕组中的两相通电，设ABC三相，具体通电顺序为AB-BC-CA，驱动电机工作，实现电能转化为机械能。
[0034]图1为本发明电机的平面装配图，定子组件6与转子组件2采用平面结构串联在一根轴I上，右侧轴突做成轴套便于隔磁板3和转子组件2的安装，轴I的端部由轴承5支撑，各组件由轴肩和机壳7实现定位，装配完成后，通过电机引出线4给电机通电，设定子组件6AB C三相，通电顺序为AB-BC-CA (任意时刻给两相通电)对应转子上的永磁体，形成电磁转矩，驱动电机运行，实现电能转化为机械能。
[0035]图2为本发明电机定子绕组装配图；图3为本发明电机转子装配图；
[0036]图4a为径向式磁铁磁场排列分布示意图，图4b为平行式磁铁磁场排列分布示意图，
[0037]图4c为Halbach排列磁场分布不意图，图4d为Halbach排列磁场分布不意图。
【主权项】
1.一种基于MEMS工艺的同轴两段式Halbach永磁同步微电机，其特征在于:在一跟轴上串联两个独立的单定子-双转子结构，形成两个独立的电气单元；段间采用隔磁板隔绝电磁耦合回路，电机通电时，两个电气单元独立工作，将四个力矩通过轴综合为一个力矩输出，实现了在不改变径向尺寸的同时增加电机的输出功率；电机基于MEMS工艺，定子线圈制造在以硅为底的基片上，采用三相绕组，正反各9个绕组，正反两面通过过线孔连接；转子轴向充六对磁极，采用Halbach结构，提高了气隙磁通密度的同时减小转子轭部的体积，实现了增大电机的输出功率密度；独立的定子绕组通过电机引出线引至机壳外，每一时刻给三项绕组中的两相通电，设ABC三相，具体通电顺序为AB-BC-CA，驱动电机工作，实现电能转化为机械能；永磁体结构采用Halbach结构，轴向六对磁极并在相邻磁极间充切向磁，定子采用无铁心结构，以硅为衬底，正反两面各三组三项绕组，呈放射状附在硅的表面上，为隔绝电磁耦合回路，在两个电气单元之间安放一个薄隔磁板，两轴承分别置于机壳和端盖之间的轴承室中分别位于轴的两端实现对轴的支撑，后端保护盖与机壳连接，并将上述组件封装在内；定子绕组通过机壳引出线引出机壳外；各组件通过轴肩和机壳进行定位，其中轴承，转子组件通过轴肩定位，定子，隔磁板，保护盖通过机壳定位；为了便于装配的合理性，将右侧定子处轴突改为轴套，便于隔磁板和中间部分转子的装配；各组件从左到右安装顺序为轴承-转子-轴-定子-转子-隔磁板-转子-轴套-定子-转子-轴承-保护至ΠΠ O
【专利摘要】一种基于MEMS工艺的同轴两段式Halbach永磁同步微电机，包括机壳、2个定子组件、4个转子组件、轴、轴承、隔磁板、保护盖和电机引出线。定子转子采用同轴两段式串联结构，定子固定在机壳上，定子绕组采用MEMS工艺制成，无铁心结构，对称分布于硅基片两侧，正反线圈采用过线孔连接。转子对称分布于定子两侧，转子表面永磁体磁采用Halbach结构，中间相邻转子间安装隔磁板隔断电磁耦合回路，形成两个独立的电气单元并同轴串联，从而使得两个单元的力矩通过轴综合为一个力矩输出。两轴承分别置于机壳和端盖之间的轴承室中实现对轴的支撑，后端盖与机壳连接，并将上述组件封装在内；定子绕组通过机壳引出线引出机壳外。
【IPC分类】H02K1-27, H02K16-02, H02K15-00
【公开号】CN104868671
【申请号】CN201510237756
【发明人】丁晓峰, 赵林林
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月12日