動(dòng)圈式磁浮平面電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究.pdf

1、磁浮平面電機(jī)是一種平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),動(dòng)子通過(guò)磁場(chǎng)懸浮在定子表面并實(shí)現(xiàn)大行程平面運(yùn)動(dòng)。由于磁浮方式?jīng)]有機(jī)械接觸,相比于依靠直線(xiàn)電機(jī)正交組合驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),具有運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)摩擦磨損和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量輕等特點(diǎn),易于實(shí)現(xiàn)高速和高加速,并利于雙工件臺(tái)交換,是新型高性能光刻機(jī)的核心驅(qū)動(dòng)部件以及下一代極紫外光刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)必需部件。
　　電磁結(jié)構(gòu)是磁浮平面電機(jī)的硬件基礎(chǔ),獲得驅(qū)動(dòng)效率高、諧波干擾小、工藝性好的平面電機(jī)電磁結(jié)構(gòu),是磁浮平面電機(jī)設(shè)計(jì)的核

2、心。
　　論文提出了一種新的永磁陣列結(jié)構(gòu),研究了基于該結(jié)構(gòu)的動(dòng)圈式磁浮平面電機(jī)。具體進(jìn)行了電機(jī)磁場(chǎng)的建模分析,并推導(dǎo)了更加精確的電機(jī)電磁力和力矩計(jì)算模型;建立了用于控制的計(jì)算模型;進(jìn)行了動(dòng)圈式磁浮平面電機(jī)的綜合設(shè)計(jì),以及對(duì)電機(jī)特性的仿真評(píng)估。主要研究?jī)?nèi)容和成果有:
　　對(duì)Halbach永磁陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),提出了一種新的陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將截面為等腰梯形的直四棱柱引入到電機(jī)永磁陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。與現(xiàn)有的Halbach永磁陣列相比

3、,該結(jié)構(gòu)使電機(jī)獲得了更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度,同時(shí)使磁場(chǎng)分布具有更好的諧波特性。
　　采用諧波法,建立了帶有梯形永磁體的二維Halbach永磁陣列磁場(chǎng)分布的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)采用投影法、傅里葉級(jí)數(shù)法、磁標(biāo)量法、分離變量法和待定系數(shù)法等方法,推導(dǎo)出了該永磁磁浮平面電機(jī)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布公式,并根據(jù)電磁場(chǎng)邊界條件,計(jì)算出了磁場(chǎng)磁通密度分布的諧波模型。
　　在電磁力與力矩計(jì)算中,提出一種三維磁場(chǎng)中線(xiàn)圈圓弧拐角的力和力矩的精確積分方法,將目前電機(jī)

4、線(xiàn)圈使用的矩形簡(jiǎn)化模型提高到全尺寸精確計(jì)算模型,并可用于實(shí)時(shí)計(jì)算。與現(xiàn)有的計(jì)算模型相比,該模型有效提高了電機(jī)電磁力和力矩的計(jì)算精度。
　　進(jìn)行了電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析。從提高磁場(chǎng)強(qiáng)度和降低高次諧波的角度出發(fā),采用遺傳優(yōu)化方法進(jìn)行了電機(jī)磁場(chǎng)的優(yōu)化,使得永磁陣列在相同材料、極距和厚度的情況下,具有更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度和更好的磁場(chǎng)分布特性,由此提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力;從提高單位質(zhì)量的線(xiàn)圈產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力出發(fā),采用二次規(guī)劃等優(yōu)化方法,獲得線(xiàn)圈的最佳尺寸

5、。
　　在動(dòng)圈式磁浮平面電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,從電機(jī)的可控性、端部效應(yīng)和線(xiàn)圈的排列方式等角度出發(fā),綜合分析了電機(jī)設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題,并通過(guò)多種設(shè)計(jì)方案的對(duì)比,建立了實(shí)現(xiàn)高效率、低功耗的設(shè)計(jì)過(guò)程與方法。
　　對(duì)新型電機(jī)的特性進(jìn)行了分析和評(píng)估。通過(guò)對(duì)電機(jī)的永磁體工作點(diǎn)進(jìn)行分析,確定了永磁體磁通密度最低點(diǎn)所處的位置,以及永磁體的退磁曲線(xiàn),選定了合適的永磁材料;通過(guò)對(duì)渦流損耗進(jìn)行分析,確定了渦流損耗的來(lái)源,建立了降低渦流損耗的方法;

6、通過(guò)對(duì)線(xiàn)圈陣列的發(fā)熱進(jìn)行分析,得到了各種工況下的溫度分布情況,為冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ);通過(guò)對(duì)自感、互感和反向電動(dòng)勢(shì)等特性進(jìn)行分析,確定了線(xiàn)圈端口電壓的計(jì)算方法;通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度、電機(jī)驅(qū)動(dòng)力和諧波特性進(jìn)行評(píng)估,得到了樣機(jī)的具體特性。
　　論文通過(guò)有限元仿真驗(yàn)證了磁場(chǎng)諧波模型、簡(jiǎn)化解析模型的正確性,通過(guò)全諧波模型驗(yàn)證了線(xiàn)圈全尺寸實(shí)時(shí)控制模型的精確性。基于以上電磁結(jié)構(gòu)、模型和方法,本文建立的磁浮平面電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法,可為該新