平面電機講義

1、平面電機0引言目前，實際應(yīng)用中較為廣泛的能夠?qū)崿F(xiàn)二維驅(qū)動及定位的方法有三種：一是壓電陶瓷配合柔性鉸鏈機構(gòu)進行驅(qū)動，二是利用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動，三是利用直線電機進行直接驅(qū)動。雖然這三種機構(gòu)都可以實現(xiàn)二維平面定位，但是均存在著不同方面的缺陷。柔性鉸鏈機構(gòu)和壓電陶瓷驅(qū)動元件所組成的系統(tǒng)易實現(xiàn)整體式結(jié)構(gòu)、位移控制精度高、功耗小，但是柔性鉸鏈的阻尼、小行程，以及壓電陶瓷的遲滯、非線性等特性對工作臺性能的提高會帶來不利影響。由于絲杠加螺母等直線運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)存在摩擦、側(cè)隙、變形等一系列問題，并且轉(zhuǎn)換機構(gòu)的兩套傳動鏈引入了附加質(zhì)量，使得傳統(tǒng)的兩組旋轉(zhuǎn)電動機加直線轉(zhuǎn)換機構(gòu)定位裝置的精度和響應(yīng)速度很難達到較高的水

2、平。直線電動機構(gòu)成的平面定位裝置雖然定位精度有了很大的提高，但是仍未擺脫“低維運動機構(gòu)疊加成高維運動機構(gòu)”模式，底層直線電機仍需要承擔頂層直線電機以及相關(guān)機械連接件的質(zhì)量。為了使二維驅(qū)動裝置能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的定位，需要研究利用電磁能直接產(chǎn)生平面運動的裝置，即平面電機。與傳統(tǒng)的定位工作臺相比，平面電機的運動軌跡不是靠兩個相互垂直的導軌運動方向上的合成而致，而是直接利用電磁能產(chǎn)生平面定位運動，具有出力密度高、低熱耗、高精度等特點，另外由于摒棄了絲杠、螺桿等中間轉(zhuǎn)換裝置，故可以實現(xiàn)控制對象和平面電機的一體化，因而具有響應(yīng)速度快，靈敏度高，隨動性好以及體積小等優(yōu)點。1變磁阻型平面電機根據(jù)電磁推力的產(chǎn)生

3、原理，可將平面電機分為變磁阻型、感應(yīng)型、永磁同步型和直流型四大類，其中變磁阻型又包含了步進式和開關(guān)磁阻式兩種。1.1步進式平面電機步進式平面電動機是研究最早、理論最為成熟的一類平面電機，也是目前僅有的形成產(chǎn)品的平面電機。在步進式平面電動機中，一般將一塊永磁體和兩組纏繞在鐵心上的驅(qū)動線圈作為一個單元，由相互垂直的兩個單元構(gòu)成動子，而將開有均勻分布平行槽的疊片鐵心作為定子，為動子提供閉合磁路。步進式平面電機的內(nèi)部磁場由動子各相繞組的脈沖電流產(chǎn)生。當某一方向上的兩組驅(qū)動線圈交替通入脈沖電流時，會分別對永磁體產(chǎn)生增磁或者去磁作用，根據(jù)磁阻最小原理，定子與動子之間將產(chǎn)生使磁路磁阻減小的磁拉力作用，從而驅(qū)

4、動電動機產(chǎn)生步進運動，若同時考慮X、Y兩方向上的作用力，即可實現(xiàn)電機動子在定子平面上的二維運動。典型的步進式平面電機的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 步進式平面電機結(jié)構(gòu)圖步進式平面電動機的具有很多優(yōu)點，例如位移量與輸入脈沖數(shù)成正比，沒有積累誤差，具有良好跟隨性，結(jié)構(gòu)簡單可靠，輸出力較大，動態(tài)響應(yīng)快，自起動能力強等，但是也存在著較為明顯的劣勢，如存在低頻振蕩、失步和高頻失步、運行速度和加速度低、自身噪聲和振動較大等。該類平面電動機主要應(yīng)用在平面繪圖儀、晶片測量儀、快速加工系統(tǒng)、標圖機等裝置中。美國卡內(nèi)基梅隆大學的R. L. Hollis等人根據(jù)Sawyer電機的原理與結(jié)構(gòu)，設(shè)計出了一臺將電源、驅(qū)動器和

5、傳感器都集成到動子上的平面電機，實現(xiàn)了動子的無連線和更高精度的閉環(huán)控制，如圖2所示。 （a）動子底部結(jié)構(gòu) （b）實物圖圖2 R. L. Hollis提出的平面電機1.2開關(guān)磁阻式平面電機開關(guān)磁阻式平面電機在國內(nèi)文獻中出現(xiàn)頻率較高，香港大學的潘劍飛等人在專利中提出了一種新型開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)，如圖2-3所示，太原理工大學的馬春燕等人分別對該種平面電機的運行機理以及拓撲結(jié)構(gòu)進行了闡述，并對電機進行了初步設(shè)計和仿真工作，華南理工大學的楊金明也對開關(guān)磁阻式平面電機的魯棒控制進行了相應(yīng)研究。圖3 開關(guān)磁阻式平面電機結(jié)構(gòu)圖開關(guān)磁阻式平面電機主要由定子、動子、各部分支撐導向結(jié)構(gòu)以及各方向位置檢測裝置等組成。如

6、圖3所示，多個定子塊組成定子塊方陣，而定子塊則采用疊壓硅鋼片結(jié)構(gòu)，并由環(huán)氧樹脂膠連接而成，其中硅鋼片的厚度與齒寬相同，定子硅鋼片形狀及拼接方式如圖4所示。這種積木拼接式的定子結(jié)構(gòu)取代了以往整體切割原材料的方式，這不僅使渦流的影響大大減小，而且會降低生產(chǎn)的復(fù)雜性和加工成本。圖4 定子疊片及定子塊的組合方式該平面電機的動子采用寬齒結(jié)構(gòu)，整個動子平臺上共安置六個動子單元，其中每三個動子單元為一組，負責X或Y方向的運動。動子鐵心也是由硅鋼片疊壓而成，而且每個動子單元上均繞有集中勵磁繞組。為了減小X與Y方向上的磁路耦合作用，將六個相同的動子單元按照“與相鄰動子單元正交”的規(guī)律分別固定在動子臺架上，動子疊

7、片形狀及單相線圈繞組結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5 動子疊片形狀及單相線圈繞組開關(guān)磁阻式平面電機的動子和定子均有鐵磁材料構(gòu)成，動子上安裝集中繞組，而定子無需繞組，也不需要永磁體，因此，其結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強，適于高速和惡劣的應(yīng)用環(huán)境。然而，該類平面電機存在較大的脈動推力與復(fù)雜的動態(tài)特性，使其建模和控制成為一個難題，限制了其在高精度和高速場合的應(yīng)用，故雖然開關(guān)磁阻式平面電機具有加工簡單、成本低等優(yōu)點，但是如何解決其精確控制問題以及消除推力脈動和電磁耦合仍是一個待解決的問題。2感應(yīng)型平面電機目前，國內(nèi)外對感應(yīng)型平面電動機的研究尚處于初級階段，研究活動較少，且主要集中在日本。現(xiàn)有的感應(yīng)型平面電機可以分成圓環(huán)式平

8、面電機和雙向組合式平面電機。2.1圓環(huán)式感應(yīng)型平面電機日本九州大學的學者Nobuo Fujii在文獻中提出一種新結(jié)構(gòu)的圓環(huán)式感應(yīng)型平面電機。該平面電機由繞有電樞繞組的環(huán)形初級鐵心和一塊次級導磁平板組成，這種環(huán)形繞組的優(yōu)點是不用對線圈之間的空間關(guān)系做特殊的考慮，并且可以獲得較大的電磁力。電機結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6 圓環(huán)式感應(yīng)型平面電機圓環(huán)式感應(yīng)型平面電機的特點是既可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，又可以實現(xiàn)直線運動。當進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動時，其運行原理等同于軸向氣隙式旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機，整個環(huán)形繞組內(nèi)通入統(tǒng)一方向的三相電流，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)行波磁場，驅(qū)動動子進行旋轉(zhuǎn)，如圖7（a）所示。當進行直線驅(qū)動時，通過與運動方向相同的邊界間隔

9、將電樞繞組分成兩個部分，由電流控制逆變器在兩組繞組中通入方向相反的電流，從而產(chǎn)生兩個相對的磁場，由電樞圓周上的平衡關(guān)系，最終將合成初級鐵心的直線運動，如圖7（b）所示。這種感應(yīng)式平面電機的優(yōu)點是可利用簡單的次級平面實現(xiàn)較寬運動范圍的平面驅(qū)動，適合于大負載平面驅(qū)動。其缺點是機電特性復(fù)雜，不能獲得高氣隙磁通密度，而且很難實現(xiàn)高速和高精度的平面驅(qū)動，另外，該種平面電機制造過程較為復(fù)雜。 （a）旋轉(zhuǎn)驅(qū)動 （b）直線驅(qū)動圖7 圓環(huán)式感應(yīng)型平面電機的驅(qū)動原理2.2雙向組合式感應(yīng)型平面電機德國耶拿應(yīng)用科學大學的Peter Dittrich等人在文獻中提出一種三自由度感應(yīng)型式平面電機，該平面電機的結(jié)構(gòu)與Nob

10、uo Fujii提出的結(jié)構(gòu)有所不同，他采用了多組直線感應(yīng)電機沿兩正交軸組合的拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)平面驅(qū)動，其動子下表面的結(jié)構(gòu)如圖8所示。該感應(yīng)型平面電機的動子集成了四個直線感應(yīng)電機的初級鐵心線圈，且在X和Y方向上各有兩組線圈，通過獨立控制，分別產(chǎn)生X和Y方向上的電磁推力。電機的定子為一塊頂部覆蓋有銅層的鋼板，四個氣浮軸承用來產(chǎn)生定子與動子之間的氣隙，利用動子上的兩個光學傳感器來檢測電機的實時位置，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖8 平面電機動子下表面結(jié)構(gòu)這種平面電機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單緊湊，沒有磨損部件，由于次級基板較容易加工，故電機的運行范圍可以擴展。其缺點是隨著運動時間的積累，位置的不確定性增加，造成了其定位精

11、度及可靠性受到限制。另一種具有雙向組合式拓撲結(jié)構(gòu)的感應(yīng)式平面電機由日本大學的Y.Ohira在1982年提出。兩組三相繞組相互垂直地嵌入定子鐵心中（上下兩層），并且每組繞組獨立地通過逆變器供電，因此，電機可以產(chǎn)生X向和Y向兩個相互正交的行波磁場，實現(xiàn)動子二維運動，定子結(jié)構(gòu)如圖9所示。這種電機已經(jīng)被提出者應(yīng)用到工廠中的運輸系統(tǒng)中。該感應(yīng)式平面電機的優(yōu)點是力的可控性較好，并且次級可以是很簡單的無導線連接的鋼板。圖9 感應(yīng)型平面電機的初級鐵心和繞組3永磁型平面電機永磁型平面電機的電磁推力是由永磁陣列產(chǎn)生的磁場與線圈陣列中的電流相互作用產(chǎn)生的。該類型平面電機的種類較多，也可以有很多不同的分類方法，這里按

12、照不同形式的線圈結(jié)構(gòu)，對永磁型平面電機進行分類總結(jié)。3.1多相獨立線圈結(jié)構(gòu)日本武藏大學的Daiki Ebihara等人在1989年提出一種動線圈式的平面電機，結(jié)構(gòu)如圖10所示。該平面電機的定子由N、S磁極按跳棋盤式的布置方式構(gòu)成，動子為一個酚醛塑料載重平臺，其上分布著8個鐵心線圈，線圈之間磁路相對獨立，并且這些鐵心線圈被分成四組，分別為A、B、C或D相，圖11為鐵心線圈結(jié)構(gòu)。圖10 Daiki Ebihara等人提出的平面電機 （a）三維圖 （b）側(cè)視圖圖11 鐵心線圈結(jié)構(gòu)以A相繞組為基準，沿著X軸方向，B相繞與A相繞組相距/2的相差，其中為極距。同理，沿著Y軸方向，C相繞組與A相繞組相距/2

13、的相差，而D相繞組在兩個方向均與A相繞組相距/2的相差，繞組布置情況如圖12所示。圖12 鐵心繞組與磁極陣列分布關(guān)系該平面電機的運行原理與永磁型直線步進電機相同。若使動子沿X向運動，可以通過分別激勵A(yù)相與B相繞組（或C相與D相）來實現(xiàn)，若使動子沿Y向運動，可以通過分別激勵A(yù)相與C相繞組（或B相與D相）來實現(xiàn)。因此，通過轉(zhuǎn)換四相線圈之間的激勵可以實現(xiàn)動子在X軸和Y軸上的二維平面運動。這種平面電機是提出時間較早的、僅用一個整體的動子結(jié)構(gòu)就可實現(xiàn)二維驅(qū)動的永磁式平面電機，為之后平面電機的研究工作奠定了基礎(chǔ)。但由于結(jié)構(gòu)上的限制，使得其定位精度較低，而且其靜態(tài)推力較小，并且有很大的推力波動。定子由螺線管

14、陣列組成的平面電機拓撲結(jié)構(gòu)是由日本東京都立大學的Hideaki Ohtsuka和Junichi Tsuchiya等人在1994年提出的，如圖13所示。這種平面電機的動子由四塊永磁體、一塊背鐵板以及四個滾珠軸承構(gòu)成，四塊永磁體分別放置在正方形背鐵板的四個頂角上。電機的定子由一系列等間距均勻分布的電磁鐵和一塊磁軛板構(gòu)成，在動子與定子之間，安置了一塊玻璃板用來調(diào)整氣隙并提供動子運動平面。圖13 螺線管定子陣列平面電機該平面電機的運行原理也類似于永磁直線步進電機。當永磁體與被激勵的電磁鐵處于正對的情況下，動子停止運動。圖14為定子繞組流過激勵電流瞬間，定子與動子之間的拉力情況，由受力方向可知，動子下一

15、時刻將向左移動，并且直到與激勵電流所在電磁鐵相對時，才會達到穩(wěn)定狀態(tài)。若不斷地給相應(yīng)的電磁鐵通電，則動子可以自由地在定子平面上移動。這種平面電機的動子同樣擺脫了連接線的束縛，使得動子的運動范圍理論上可以不受限制，并且通過控制勵磁繞組的空間通電次序，還可以驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)一定角度。另外，通過改進定子螺線管的鐵心結(jié)構(gòu)和氣隙長度，電機的性能可以得到優(yōu)化。圖14 螺線管與永磁體受力圖韓國延世大學的學者Kwang Suk Jung和Yoon Su Baek在文獻中提出了一種利用直流電驅(qū)動的平面電機結(jié)構(gòu)，如圖15所示。該電機的定子由相互正交且以陣列形式分布的多層直流線圈組成，與每個線圈相對應(yīng)的永磁體放置在懸浮平

16、板上。通過直流線圈陣列與永磁體在不同方向上的相互作用，即可實現(xiàn)動子的懸浮與二維驅(qū)動。這種直流繞組平面電機由于僅僅采用了直流空心繞組與永磁體的組合結(jié)構(gòu)，所以不存在交流損耗以及由于鐵心磁飽和而帶來的渦流損耗，與多相繞組驅(qū)動方法相比，該結(jié)構(gòu)更有利于磁場相互作用的建模，另外，直流電的引入使系統(tǒng)的不確定因素減少，并且理論上對實現(xiàn)精確運動沒有限制。圖15 永磁體陣列及直流繞組陣列3.2正交電樞繞組結(jié)構(gòu)巴西南里奧格蘭德大學的Aly F.Flores Filho等人在文獻中提出一種定子為多相正交繞組，動子為釹鐵硼永磁體結(jié)構(gòu)的動磁式平面電機，如圖16所示。電機的定子由電樞繞組和無槽電樞鐵心組成，其中電樞由相互垂

17、直的兩組多相繞組以相互層疊的排列方式構(gòu)成，兩組多相繞組規(guī)則地纏繞在無槽鐵心上，并且之間沒有電氣連接，X或Y方向上的多相繞組分別包含了12個相互獨立的繞組。電機的動子由兩塊永磁體和一塊導磁軛組成，永磁體的充磁方向與定子平面垂直，并且兩塊永磁體的充磁方向相反，導磁軛起到連接永磁體并且提供磁通回路的作用。另外，為了給動子提供一個規(guī)則的運動平面，一般在動子與定子之間放置一個1mm厚的丙烯酸樹脂板。圖16 Aly F.Flores Filho等人提出的平面電機這種平面電機是利用安培力來進行工作。以X軸為例，圖17為動子受力示意圖。當永磁體下方的繞組通入電流時，會受到與磁場和電流相垂直的安培力作用，力的大

18、小和方向取決于電流值以及永磁體在氣隙中建立的氣隙磁密。同理，動子沿Y方向的運動由永磁體和Y相繞組相互作用產(chǎn)生。這樣，當X方向與Y方向的繞組同時通電時，即可實現(xiàn)動子的二維運動。該平面電機將具有良好磁能特性的NdFeB永磁體的作為運動部件，實現(xiàn)了無連線動子，避免了動線圈式結(jié)構(gòu)由于復(fù)雜引線而造成電機可靠性的下降。將電樞繞組放置在固定不動的基板上，有利于更好的進行散熱。這種平面電機的缺點是受端部效應(yīng)和法向力影響較大，因此，為了避免定子與動子之間的相互吸引，如何降低法向力成為關(guān)鍵。圖17 X方向受力示意圖清華大學的曹家勇等人在文獻中提出了一種動子帶有鐵心結(jié)構(gòu)的平面電機，與無鐵心線圈組成動子的平面電機相比

19、較，該電機的特點是能夠產(chǎn)生較大的連續(xù)推力，并且有較高的力密度，電機結(jié)構(gòu)如圖18所示。圖18 曹家勇等人提出的平面電機這種平面電機同樣包含了傳統(tǒng)平面電機的主要組成部分，如定子、動子、永磁陣列、線圈等等，但是在動子鐵心材料、動子鐵心結(jié)構(gòu)以及繞組形式等方面，有著一些特殊的設(shè)計。首先，動子鐵心由鐵材料制成并且在動子鐵心的底部開有一些能夠鑲嵌繞組的槽。這種結(jié)構(gòu)不僅減少了磁路的磁阻，而且允許氣隙長度為一個很小的值，從而使電機能夠產(chǎn)生一個恒定的推力。 （a）動子鐵心及繞組結(jié)構(gòu) （b）定子永磁陣列圖19 定子與動子結(jié)構(gòu)其次，X向繞組與Y向繞組沿著Z軸方向互相層疊在一起，而且分布在動子鐵心的全部范圍內(nèi)，這樣，繞

20、組的相對范圍利用密度可以達到100%。因為X向繞組與Y向繞組的配置方式與普通的三相繞組結(jié)構(gòu)相同，所以繞組的形式和結(jié)構(gòu)可以多種多樣，例如單層、雙層、整距及短距繞組，圖19（a）中所示僅為雙層整距繞組一種形式。另外，該平面電機采用的永磁陣列類似于Asakawa在專利中提到的陣列結(jié)構(gòu)，但是對其做了改進，將原來的空隙部分用高導磁率的鋼塊代替，如圖19（b）所示。除了以上兩種正交繞組結(jié)構(gòu)平面電機，日本東京大學的Yasuhito Ueda和Hiroyuki Ohsaki近年來又提出了一種新型平面電機，這平面電機特殊之處在于的定子是由印制電路板組成，如圖20所示。作者設(shè)計這種電機的目的是制造出一種能夠在平面

21、內(nèi)實現(xiàn)大范圍運行和精確位置定位，且具有小型化定子的平面電機。這種電機的動子由無導線束縛的二維Halbach永磁陣列組成，其定子由兩組正交分布的無鐵心三相電樞導體組成，并且這兩組導體分別布置在一個雙層印制電路板的上下層，在兩組電樞導體之間還有一層絕緣物質(zhì)。由于采用了印制電路板結(jié)構(gòu)，故可以將電機做的比較薄，節(jié)省空間且提高了電氣可靠性，另外，該電機可以實現(xiàn)X軸與Y軸的推力解耦控制，并且不用考慮動子的瞬時位置。與由幾組直線電機在空間不同位置分布而得到的平面電機相比，這種正交繞組陣列和永磁陣列的結(jié)構(gòu)形式可以實現(xiàn)動子在二維平面內(nèi)的大范圍運行。圖20 印制電路板式平面電機結(jié)構(gòu)與Yasuhito Ueda電機

22、定子結(jié)構(gòu)類似，韓國延世大學的Jong Hyun Choi等人也曾提出過一種定子采用印制電路板的平面電機，但是兩種電機的整體結(jié)構(gòu)形式不同，電機實物圖如圖21所示。該電機的定子由幾塊印制電路板組成，代替了傳統(tǒng)意義上的銅繞組，三組鋁架以及每組鋁架上的四個電磁鐵負責產(chǎn)生動子的懸浮力。三個圓形的鋼板和一塊帶有Asakawa型永磁陣列的方形板固定在一起，并作為平面電機的動子。定子提供懸浮動子的推進力，定子上的布線情況如圖22所示。激光位移傳感器和電容氣隙傳感器分別用于測量推進移動與懸浮移動的位移。由于采用了印制電路板的形式，因此定子會相當簡單且尺寸很薄，這使得X與Y向之間的移動不存在相互影響，從而降低了平

23、面控制的難度。 圖21 印制電路板式平面電機實物圖 圖22 印制電路板定子布線圖3.3四組線圈組合結(jié)構(gòu)加拿大多倫多大學的Robert Brydon Owen在他的碩士論文中提出了一種利用多臺永磁同步直線電機進行組合而成的三自由度平面電機，該平面電機的結(jié)構(gòu)示意圖以及樣機如圖23、24所示。這種平面電機共集成了四臺有鐵心式永磁同步直線電機，每臺直線電機可以產(chǎn)生兩個方向的運動，即直線驅(qū)動和懸浮驅(qū)動，結(jié)構(gòu)均由定子和動子組成，其中四個定子按照示意圖所示的方式縱向固定在一個較重的固定框架中，并且橫向開有溝槽用來纏繞單層的三相繞組。四臺直線電機的動子都是由一組釹鐵硼永磁體按一定順序組合而成，放置在其對應(yīng)定子

24、繞組的下面并且均貼在同一塊鋁合金平板上。該平面電機系統(tǒng)使用了三個光學解碼器，固定在直線導軌上，用來測量X、Y以及Z方向的位移。 圖23 平面電機結(jié)構(gòu)示意圖 圖24 三自由度磁懸浮電機樣機圖這種平面電機的缺點是缺少旋轉(zhuǎn)方向的自由度，另外由于使用了直線導軌，從而引進了不必要的摩擦。針對于這些缺點，同樣來自多倫多大學的Cameron Fulford對其結(jié)構(gòu)進行了改進，可以實現(xiàn)五個自由度的位置控制，最終的指標為：運動范圍100mm100mm，懸浮方向13mm，旋轉(zhuǎn)方向628mrad，定位精度10m，旋轉(zhuǎn)定位精度20rad。美國麻省理工學院的韓國學者Won-jong KIM在他的博士論文中也提出了一種利

25、用四套永磁同步直線電機集成的平面電機結(jié)構(gòu)方案，與Robert Brydon Owen平面電機有所不同的是，在Kim所提出的平面電機中，每套直線電機的定子采用無槽三相繞組，動子采用一維Halbach永磁陣列，而且動子懸浮于定子的上方，總體結(jié)構(gòu)如圖25所示。這個平臺是世界上第一臺能夠提供六個自由度控制并且僅用一個單一的磁懸浮動子實現(xiàn)大范圍（50mm×50mm）平面移動的磁懸浮平臺。圖25 Kim平面電機總體結(jié)構(gòu)圖這種平面電機利用納米級分辨率的三臺激光干涉儀和三個電容探測器來實時檢測懸浮平臺的位置，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了盡量減小推力波動，每臺直線電機的定子采用了無槽結(jié)構(gòu)，三相定子繞組均

26、勻地纏繞在定子鐵心上并且堆疊排開。為了獲得更高的功率密度，直線電機的動子采用了Halbach永磁陣列，與傳統(tǒng)的永磁陣列相比，這種永磁陣列所產(chǎn)生的氣隙磁密是前者的倍。這種平面電機的優(yōu)點是相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有比較簡單的機械設(shè)計，因此會有更快的動態(tài)響應(yīng)、更高的機械可靠性以及更低廉的成本，并且由于懸浮系統(tǒng)沒有使用導螺桿這樣的中間功率傳遞設(shè)備，所以系統(tǒng)不存在間隙。另外，由于定子線圈與動子平臺之間不存在摩擦力而且省去了機械支撐與傳動部件，因此可以減小系統(tǒng)的附加損耗，使其定位精度大大提高。但是這種結(jié)構(gòu)的平面電機有一個明顯的缺點，就是動子的運動范圍難以擴大，因為一旦動子的運動范圍超出定子線圈時，其運動將不受控

27、制。電機的實物圖見圖26。圖26 Kim平面電機實物圖日本東北大學的學者Wei Gao等人在2003年又提出了另一種結(jié)構(gòu)的平面電機，這種電機由四臺無刷直流直線電機驅(qū)動，可以實現(xiàn)三自由度控制。特別地，它將角度編碼裝置集成到定子與動子之間，實現(xiàn)了平面電機的小型化，平面電機實物圖如圖27所示。 （a）動子結(jié)構(gòu) （b）定子結(jié)構(gòu)圖27 兩相繞組平面電機實物圖如上圖所示，該平面電機由定子基準臺和動子平臺組成。四臺直線電機對稱地分布在同一X-Y坐標系下，其中兩臺在X向上，另兩臺在Y向上。直線電機的永磁體和定子繞組分別安放在動子平臺與定子基板上，每組永磁體包含了10塊極距為10mm的Nd-Fe-B永磁體，每組

28、定子繞組包含兩個線圈，線圈之間的跨距為35mm，從而構(gòu)成兩相直線電機，另外，為了降低推力波動和電磁吸力，繞組鐵心采用非磁性材料?？梢酝ㄟ^驅(qū)動X或Y軸方向上的直線電機而使動子平臺產(chǎn)生直線運動或偏旋轉(zhuǎn)運動，該平面電機的行程為40mm40mm。平面解碼器由兩個二維角度傳感器和一個表面上帶有二維正弦波形的角度網(wǎng)格所組成，這個角度網(wǎng)格固定在利用空氣軸承懸浮起來的動子平臺的下方，角度傳感器和空氣軸承噴嘴安裝在定子基板上，從而動子平臺的移動不會受到通電導線以及空氣管道的影響。通過實驗驗證，該精密定位裝置所能達到的分辨率為200nm。圖28為該平面電機系統(tǒng)的電路原理圖。圖28 平面電機系統(tǒng)的電路原理圖韓國首爾

29、國立大學的學者Han-Sam Cho和Hyun-Kyo Jung根據(jù)線圈陣列與永磁陣列相互作用的平面驅(qū)動原理，提出了一種四組一維線圈陣列和一個二維永磁陣列所組成的動線圈式平面電機，其結(jié)構(gòu)如圖29所示。圖29 Cho提出的平面電機這種平面電機采用二維永磁陣列作為定子，單軸驅(qū)動方法與三相永磁同步直線電機相同。其動子包含四組三相線圈、鐵軛以及空氣軸承的噴嘴。在X和Y方向上各有兩組線圈，且兩組線圈互相垂直。為了實現(xiàn)動子在兩個方向上的運動，永磁陣列需要有這樣的結(jié)構(gòu)，即無論從X向或是Y向看，其布置方式相同，該平面電機采用如圖30所示的永磁陣列，箭頭表示永磁體的磁化方向（由S指向N）。通過實驗驗證，該類型永

30、磁陣列具有優(yōu)于其它永磁陣列的特性。這種平面電機的缺點是驅(qū)動動子沿X方向運行的線圈同時會產(chǎn)生沿Y方向的驅(qū)動力，這一點使得電機的控制變得較為復(fù)雜，并且使得線圈的寬度和長度較難確定。圖30 Cho平面電機所采用的永磁陣列荷蘭埃因霍溫科技大學的John C.Compter提出過一種新結(jié)構(gòu)的動線圈式平面驅(qū)動裝置。該裝置的線圈陣列與Kim平面電機的線圈陣列結(jié)構(gòu)相似，都是四組直線電機的空間組合，所不同的地方是Compter提出的線圈陣列中每組線圈實際上包含了兩組沿著線圈纏繞方向錯開一定距離、并通入相同電流的線圈單元組成，通過選擇合理的線圈幾何形狀，這種動子線圈結(jié)構(gòu)可以有效地減少極距效應(yīng)（pitch effe

31、ct）的影響。該平面電機的定子采用二維Halbach永磁陣列，最終實現(xiàn)指標為：精度：10m，速度1m/s，加速度10m/s2。電機結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-30所示，動子繞組樣機如圖2-31所示。 圖31 平面電機結(jié)構(gòu)示意圖 圖32 動子繞組樣機結(jié)構(gòu)3.4二維線圈陣列結(jié)構(gòu)這種類型的平面電機多為動次級結(jié)構(gòu)，典型結(jié)構(gòu)如圖33所示，其定子由線圈陣列組成，動子由永磁陣列組成，動子上無電氣連接，與其它動磁式平面電機一樣，該類電機的優(yōu)點是不存在運動的電氣連線妨礙其他零部件的布置或工作，系統(tǒng)可靠性得以提高。另外，電機工作過程中線圈陣列產(chǎn)生的熱量也較易采取措施進行散去。圖33 二維線圈陣列與二維永磁陣列荷蘭埃因霍芬理

32、工大學的J. W. Jansen 等人曾設(shè)計出一種動次級結(jié)構(gòu)平面電機，該電機的定子由相互垂直的兩組無鐵心線圈以相互間隔的方式依次排列而成，其中兩組線圈將分別產(chǎn)生X或Y方向（這里均是與線圈相垂直的方向）的驅(qū)動力并同時產(chǎn)生動子平臺的懸浮力。動子采用二維的Halbach永磁陣列，永磁陣列方向與線圈的方向相對地成45度角，電機總體結(jié)構(gòu)如圖34所示。圖34 箭矢型線圈陣列平面電機結(jié)構(gòu)圖圖35顯示了從線圈底部向上看時的繞組分布及受力情況，每一個線圈作為一相，單個線圈所產(chǎn)生的驅(qū)動力由線圈和永磁體的磁密分布的相對位置決定，因為沒有鐵心的存在，推力可以由洛倫茲力公式直接計算。在某一瞬間，動子平臺會覆蓋一定的驅(qū)動線圈，通過控制這些線圈中的電流大小以及通斷情況，即可實現(xiàn)動子平臺的位置控制。該種平面電機的樣機如圖36所示。 圖2-35 箭矢型線圈陣列受力圖 圖2-36 箭矢型線圈陣列平面電機實物圖荷蘭埃因霍芬理工大學的Jeroen de Boeij等人在文章中提出了一種定子為圓形（方形）線圈陣列的平面電機，如圖37