同心式繞組永磁同步平面電機(jī)的基礎(chǔ)研究.pdf

1、永磁同步平面電機(jī)（Synchronous Permanent Magnet Planar Motor，SPMPM）是一種能夠直接將電磁能轉(zhuǎn)換為平面運(yùn)動(dòng)的電磁裝置，具有推力密度高、損耗低、精度高、動(dòng)態(tài)性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在光刻機(jī)、半導(dǎo)體加工等現(xiàn)代精密、超精密加工裝備中具有廣闊的應(yīng)用前景，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。本文以光刻機(jī)中工件臺(tái)系統(tǒng)為應(yīng)用背景，提出了一種同心式繞組永磁同步平面電機(jī)方案，針對(duì)該電機(jī)的次級(jí)Halbach永磁陣列磁場(chǎng)分

2、析、數(shù)學(xué)模型建立、設(shè)計(jì)方法研究以及冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作。
　　首先，為了滿足光刻機(jī)中工件臺(tái)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的需求，本文提出了一種同心式繞組永磁同步平面電機(jī)方案，分析了該平面電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，闡述了同心式繞組的優(yōu)勢(shì)。建立了次級(jí)Halbach永磁陣列的解析模型，采用傅里葉級(jí)數(shù)法，利用標(biāo)量磁位對(duì)Halbach永磁陣列的磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，根據(jù)邊界條件獲得了氣隙磁密 x、y、z三個(gè)方向分量的表達(dá)式，為進(jìn)一步建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模

3、型奠定了理論基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)比分析得知，由解析、仿真和實(shí)驗(yàn)三種方法得到的Halbach永磁陣列氣隙磁密分布曲線吻合，驗(yàn)證了磁場(chǎng)解析的正確性。
　　其次，為了便于電機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及控制，建立了同心式繞組永磁同步平面電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)同心式繞組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其等效短距因數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算。在對(duì)Halbach永磁陣列的磁場(chǎng)和同心式繞組進(jìn)行簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，利用洛倫茲力法對(duì)同心式繞組永磁同步平面電機(jī)的電磁力、偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和相關(guān)電磁參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，

4、得到了電機(jī)在各個(gè)方向的電磁力、偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，反電動(dòng)勢(shì)以及電阻和電感的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，為建立同心式繞組永磁同步平面電機(jī)的控制模型提供了理論基礎(chǔ)。通過(guò)有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理樣機(jī)的靜態(tài)電磁力、反電動(dòng)勢(shì)波形以及電阻、電感等電磁參數(shù)，驗(yàn)證了解析計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　再次，在電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究了以光刻機(jī)工件臺(tái)系統(tǒng)為應(yīng)用背景的基于多場(chǎng)耦合的永磁同步平面電機(jī)設(shè)計(jì)方法。分析了永磁同步平面電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原則，并提出了一種基于多場(chǎng)耦合的

5、永磁同步平面電機(jī)設(shè)計(jì)流程。確定了同心式繞組永磁同步平面電機(jī)的主要尺寸，并推導(dǎo)出其計(jì)算公式。分析了同心式繞組永磁同步平面電機(jī)的初級(jí)、次級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響，并得到電機(jī)性能指標(biāo)隨各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化曲線，通過(guò)對(duì)電機(jī)初級(jí)進(jìn)行模態(tài)分析，研究了初級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)剛度的影響，同時(shí)分析了冷卻結(jié)構(gòu)形式對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，為永磁同步平面電機(jī)電磁方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。
　　最后，針對(duì)光刻機(jī)中對(duì)電機(jī)發(fā)熱的嚴(yán)格約束限制，研究了同心

6、式繞組永磁同步平面電機(jī)的溫度場(chǎng)及冷卻結(jié)構(gòu)。分析了同心式繞組永磁同步平面電機(jī)的損耗和溫升特性，建立了電機(jī)的三維溫度場(chǎng)計(jì)算模型，對(duì)同心式繞組永磁同步平面電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，指出配備冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)保證電機(jī)性能及正常運(yùn)行的必要性。提出了一種改進(jìn)的串聯(lián)冷卻結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元仿真分析，證明該結(jié)構(gòu)在提高電機(jī)表面溫度分布均勻性方面的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)開(kāi)展電機(jī)樣機(jī)的溫升和冷卻實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了電機(jī)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果以及改進(jìn)的串聯(lián)冷卻結(jié)構(gòu)有利于提高電機(jī)表面溫度分布的均勻