[发明专利]一种永磁平面电机及其解耦算法

说明书

本发明涉及电机领域，具体涉及一种新型的永磁平面电机及其解耦算法。包括由上到下排布的永磁阵列、线圈阵列、底板铝板，所述永磁阵列作为动子，其形式为Halbach永磁阵列；线圈阵列由三个x轴向的短线圈和一个y轴向的长线圈组成一个线圈单元，旋转0°的线圈单元和旋转270°的线圈单元相邻设置，构成n×n的结构；永磁阵列平行悬浮于线圈阵列上方，其中永磁体与线圈单元在x轴向呈45°角；底板铝板连接在线圈阵列下方。通过动子采用Halbach永磁阵列，电机定子采用混合式线圈阵列的平面电机，配合提出的解耦方法，实现电机的控制。

技术领域

本发明涉及电机领域，具体涉及一种永磁平面电机及其解耦算法。

背景技术

传统平面运动由x与y轴的机械导轨叠加组成。由于其体积大，质量重，而且存在机械摩擦，难以获得高的运动性能。在精密运动系统中，使用气浮方式减少摩擦，提高机构的运动精度和速度。而磁浮平面电机消除了低维运动组合成高维运动的过程，直接实现平面运动，其动子由定子产生的悬浮力支撑，所以不需要机械导轨。运动过程中无接触，不存在摩擦和磨损。同时，电机的结构被极大简化，质量大幅减轻，由此可实现高速、高加速与精密运动。

由于磁浮平面电机采用直接驱动，中间没有传动环节。磁浮平面电机可分为动圈式和动铁式两种。前者动子上带有输电与冷却线缆，难于获得高的运动精度，在光刻机的超精密运动中还只能作为大行程粗动使用，其上还需叠加一套六自由度的精密微动台来实现纳米级超精运动。后者动子不用供电且不产生热量，不需外部供电与冷却线缆，整体仅为一块悬浮磁板，可以实现真正的无接触运动。

电机动子为六自由度悬浮运动，理论上，电机只需六个独立驱动线圈即可实现六自由度悬浮的驱动控制。实际上为使电机具有足够驱动能力，需要多于六个的线圈同时作用产生驱动力，从而产生冗余驱动，并且其电磁耦合复杂。

在平面电机控制中，电机的解耦是建立电机力和力矩与线圈电流之间对应关系的方法，即已知电机的力和力矩，求解线圈电流的过程。动铁式磁浮平面电机因为具有正弦电动势波形，所以可看成是交流永磁同步电机。在旋转电机和直线电机中，通常使用dq变换把三相交流电等效到直轴d和交轴q上。这样就可以只关注直轴和交轴，去除对位置的依赖，实现电机的解耦。但对于动铁式磁浮平面电机，dq变换始终存在与位置相关的力矩分量不能消除，难以实现动铁式磁浮平面电机的解耦。因此，采用了直接解耦方法，直接求解电机工作时的线圈电流，从而实现电机的解耦，不过这种方法需要给每个线圈配置控制器，成本大大增高。且由于冗余驱动，通电线圈的矩阵大大增加计算复杂度和时间。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的解耦方法需要给每个线圈配置控制器，成本大大增高；且由于冗余驱动，通电线圈的矩阵大大增加计算复杂度和时间。

为解决上述问题，本发明提供一种永磁平面电机及其解耦算法，其中平面电机的动子采用Halbach永磁阵列，电机定子采用混合式线圈阵列。配合提出的解耦方法，实现电机的控制。

为实现上述目的，具体提供一种永磁平面电机，包括由上到下排布的永磁阵列、线圈阵列、底板铝板，所述永磁阵列作为动子，其形式为Halbach永磁阵列，这类永磁阵列的磁感应强度的表达式如下：

其中

线圈阵列由三个x轴向的短线圈和一个y轴向的长线圈组成一个线圈单元，旋转0°的线圈单元和旋转270°的线圈单元相邻设置，构成n×n的结构；永磁阵列平行悬浮于线圈阵列上方，其中永磁体与线圈单元在x轴向呈45°角；底板铝板连接在线圈阵列下方。

一种上述永磁平面电机的解耦方法，包括以下步骤：

(1)把期望的电机力和力矩分为两部分，利用分配方法将这两部分进行如下分配，