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平面电机0引言目前，实际应用中较为广泛的能够实现二维驱动及定位的方法有三种：一是压电陶瓷配合柔性铰链机构进行驱动，二是利用传统的旋转电机驱动，三是利用直线电机进行直接驱动。虽然这三种机构都可以实现二维平面定位，但是均存在着不同方面的缺陷。柔性铰链机构和压电陶瓷驱动元件所组成的系统易实现整体式结构、位移控制精度高、功耗小，但是柔性铰链的阻尼、小行程，以及压电陶瓷的迟滞、非线性等特性对工作台性能的提高会带来不利影响。由于丝杠加螺母等直线运动转换机构存在摩擦、侧隙、变形等一系列问题，并且转换机构的两套传动链引入了附加质量，使得传统的两组旋转电动机加直线转换机构定位装置的精度和响应速度很难达到较高的水平。直线电动机构成的平面定位装置虽然定位精度有了很大的提高，但是仍未摆脱“低维运动机构叠加成高维运动机构”模式，底层直线电机仍需要承担顶层直线电机以及相关机械连接件的质量。为了使二维驱动装置能够实现更高精度的定位，需要研究利用电磁能直接产生平面运动的装置，即平面电机。与传统的定位工作台相比，平面电机的运动轨迹不是靠两个相互垂直的导轨运动方向上的合成而致，而是直接利用电磁能产生平面定位运动，具有出力密度高、低热耗、高精度等特点，另外由于摒弃了丝杠、螺杆等中间转换装置，故可以实现控制对象和平面电机的一体化，因而具有响应速度快，灵敏度高，随动性好以及体积小等优点。1变磁阻型平面电机根据电磁推力的产生原理，可将平面电机分为变磁阻型、感应型、永磁同步型和直流型四大类，其中变磁阻型又包含了步进式和开关磁阻式两种。1.1步进式平面电机步进式平面电动机是研究最早、理论最为成熟的一类平面电机，也是目前仅有的形成产品的平面电机。在步进式平面电动机中，一般将一块永磁体和两组缠绕在铁心上的驱动线圈作为一个单元，由相互垂直的两个单元构成动子，而将开有均匀分布平行槽的叠片铁心作为定子，为动子提供闭合磁路。步进式平面电机的内部磁场由动子各相绕组的脉冲电流产生。当某一方向上的两组驱动线圈交替通入脉冲电流时，会分别对永磁体产生增磁或者去磁作用，根据磁阻最小原理，定子与动子之间将产生使磁路磁阻减小的磁拉力作用，从而驱动电动机产生步进运动，若同时考虑X、Y两方向上的作用力，即可实现电机动子在定子平面上的二维运动。典型的步进式平面电机的基本结构如图1所示。图1步进式平面电机结构图步进式平面电动机的具有很多优点，例如位移量与输入脉冲数成正比，没有积累误差，具有良好跟随性，结构简单可靠，输出力较大，动态响应快，自起动能力强等，但是也存在着较为明显的劣势，如存在低频振荡、失步和高频失步、运行速度和加速度低、自身噪声和振动较大等。该类平面电动机主要应用在平面绘图仪、晶片测量仪、快速加工系统、标图机等装置中。美国卡内基梅隆大学的R.L.Hollis等人根据Sawyer电机的原理与结构，设计出了一台将电源、驱动器和传感器都集成到动子上的平面电机，实现了动子的无连线和更高精度的闭环控制，如图2所示。（a）动子底部结构（b）实物图图2R.L.Hollis提出的平面电机1.2开关磁阻式平面电机开关磁阻式平面电机在国内文献中出现频率较高，香港大学的潘剑飞等人在专利中提出了一种新型开关磁阻电机结构，如图2-3所示，太原理工大学的马春燕等人分别对该种平面电机的运行机理以及拓扑结构进行了阐述，并对电机进行了初步设计和仿真工作，华南理工大学的杨金明也对开关磁阻式平面电机的鲁棒控制进行了相应研究。图3开关磁阻式平面电机结构图开关磁阻式平面电机主要由定子、动子、各部分支撑导向结构以及各方向位置检测装置等组成。如图3所示，多个定子块组成定子块方阵，而定子块则采用叠压硅钢片结构，并由环氧树脂胶连接而成，其中硅钢片的厚度与齿宽相同，定子硅钢片形状及拼接方式如图4所示。这种积木拼接式的定子结构取代了以往整体切割原材料的方式，这不仅使涡流的影响大大减小，而且会降低生产的复杂性和加工成本。图4定子叠片及定子块的组合方式该平面电机的动子采用宽齿结构，整个动子平台上共安置六个动子单元，其中每三个动子单元为一组，负责X或Y方向的运动。动子铁心也是由硅钢片叠压而成，而且每个动子单元上均绕有集中励磁绕组。为了减小X与Y方向上的磁路耦合作用，将六个相同的动子单元按照“与相邻动子单元正交”的规律分别固定在动子台架上，动子叠片形状及单相线圈绕组结构如图5所示。图5动子叠片形状及单相线圈绕组开关磁阻式平面电机的动子和定子均有铁磁材料构成，动子上安装集中绕组，而定子无需绕组，也不需要永磁体，因此，其结构简单、适应性强，适于高速和恶劣的应用环境。然而，该类平面电机存在较大的脉动推力与复杂的动态特性，使其建模和控制成为一个难题，限制了其在高精度和高速场合的应用，故虽然开关磁阻式平面电机具有加工简单、成本低等优点，但是如何解决其精确控制问题以及消除推力脉动和电磁耦合仍是一个待解决的问题。2感应型平面电机目前，国内外对感应型平面电动机的研究尚处于初级阶段，研究活动较少，且主要集中在日本。现有的感应型平面电机可以分成圆环式平面电机和双向组合式平面电机。2.1圆环式感应型平面电机日本九州大学的学者NobuoFujii在文献中提出一种新结构的圆环式感应型平面电机。该平面电机由绕有电枢绕组的环形初级铁心和一块次级导磁平板组成，这种环形绕组的优点是不用对线圈之间的空间关系做特殊的考虑，并且可以获得较大的电磁力。电机结构如图6所示。图6圆环式感应型平面电机圆环式感应型平面电机的特点是既可以实现旋转运动，又可以实现直线运动。当进行旋转驱动时，其运行原理等同于轴向气隙式旋转感应电机，整个环形绕组内通入统一方向的三相电流，从而产生旋转行波磁场，驱动动子进行旋转，如图7（a）所示。当进行直线驱动时，通过与运动方向相同的边界间隔将电枢绕组分成两个部分，由电流控制逆变器在两组绕组中通入方向相反的电流，从而产生两个相对的磁场，由电枢圆周上的平衡关系，最终将合成初级铁心的直线运动，如图7（b）所示。这种感应式平面电机的优点是可利用简单的次级平面实现较宽运动范围的平面驱动，适合于大负载平面驱动。其缺点是机电特性复杂，不能获得高气隙磁通密度，而且很难实现高速和高精度的平面驱动，另外，该种平面电机制造过程较为复杂。（a）旋转驱动（b）直线驱动图7圆环式感应型平面电机的驱动原理2.2双向组合式感应型平面电机德国耶拿应用科学大学的PeterDittrich等人在文献中提出一种三自由度感应型式平面电机，该平面电机的结构与NobuoFujii提出的结构有所不同，他采用了多组直线感应电机沿两正交轴组合的拓扑结构来实现平面驱动，其动子下表面的结构如图8所示。该感应型平面电机的动子集成了四个直线感应电机的初级铁心线圈，且在X和Y方向上各有两组线圈，通过独立控制，分别产生X和Y方向上的电磁推力。电机的定子为一块顶部覆盖有铜层的钢板，四个气浮轴承用来产生定子与动子之间的气隙，利用动子上的两个光学传感器来检测电机的实时位置，构成闭环控制系统。图8平面电机动子下表面结构这种平面电机的优点是结构简单紧凑，没有磨损部件，由于次级基板较容易加工，故电机的运行范围可以扩展。其缺点是随着运动时间的积累，位置的不确定性增加，造成了其定位精度及可靠性受到限制。另一种具有双向组合式拓扑结构的感应式平面电机由日本大学的Y.Ohira在1982年提出。两组三相绕组相互垂直地嵌入定子铁心中（上下两层），并且每组绕组独立地通过逆变器供电，因此，电机可以产生X向和Y向两个相互正交的行波磁场，实现动子二维运动，定子结构如图9所示。这种电机已经被提出者应用到工厂中的运输系统中。该感应式平面电机的优点是力的可控性较好，并且次级可以是很简单的无导线连接的钢板。图9感应型平面电机的初级铁心和绕组3永磁型平面电机永磁型平面电机的电磁推力是由永磁阵列产生的磁场与线圈阵列中的电流相互作用产生的。该类型平面电机的种类较多，也可以有很多不同的分类方法，这里按照不同形式的线圈结构，对永磁型平面电机进行分类总结。3.1多相独立线圈结构日本武藏大学的DaikiEbihara等人在1989年提出一种动线圈式的平面电机，结构如图10所示。该平面电机的定子由N、S磁极按跳棋盘式的布置方式构成，动子为一个酚醛塑料载重平台，其上分布着8个铁心线圈，线圈之间磁路相对独立，并且这些铁心线圈被分成四组，分别为A、B、C或D相，图11为铁心线圈结构。图10DaikiEbihara等人提出的平面电机（a）三维图（b）侧视图图11铁心线圈结构以A相绕组为基准，沿着X轴方向，B相绕与A相绕组相距τ/2的相差，其中τ为极距。同理，沿着Y轴方向，C相绕组与A相绕组相距τ/2的相差，而D相绕组在两个方向均与A相绕组相距τ/2的相差，绕组布置情况如图12所示。图12铁心绕组与磁极阵列分布关系该平面电机的运行原理与永磁型直线步进电机相同。若使动子沿X向运动，可以通过分别激励A相与B相绕组（或C相与D相）来实现，若使动子沿Y向运动，可以通过分别激励A相与C相绕组（或B相与D相）来实现。因此，通过转换四相线圈之间的激励可以实现动子在X轴和Y轴上的二维平面运动。这种平面电机是提出时间较早的、仅用一个整体的动子结构就可实现二维驱动的永磁式平面电机，为之后平面电机的研究工作奠定了基础。但由于结构上的限制，使得其定位精度较低，而且其静态推力较小，并且有很大的推力波动。定子由螺线管阵列组成的平面电机拓扑结构是由日本东京都立大学的HideakiOhtsuka和JunichiTsuchiya等人在1994年提出的，如图13所示。这种平面电机的动子由四块永磁体、一块背铁板以及四个滚珠轴承构成，四块永磁体分别放置在正方形背铁板的四个顶角上。电机的定子由一系列等间距均匀分布的电磁铁和一块磁轭板构成，在动子与定子之间，安置了一块玻璃板用来调整气隙并提供动子运动平面。图13螺线管定子阵列平面电机该平面电机的运行原理也类似于永磁直线步进电机。当永磁体与被激励的电磁铁处于正对的情况下，动子停止运动。图14为定子绕组流过激励电流瞬间，定子与动子之间的拉力情况，由受力方向可知，动子下一时刻将向左移动，并且直到与激励电流所在电磁铁相对时，才会达到稳定状态。若不断地给相应的电磁铁通电，则动子可以自由地在定子平面上移动。这种平面电机的动子同样摆脱了连接线的束缚，使得动子的运动范围理论上可以不受限制，并且通过控制励磁绕组的空间通电次序，还可以驱动其旋转一定角度。另外，通过改进定子螺线管的铁心结构和气隙长度，电机的性能可以得到优化。图14螺线管与永磁体受力图韩国延世大学的学者KwangSukJung和YoonSuBaek在文献中提出了一种利用直流电驱动的平面电机结构，如图15所示。该电机的定子由相互正交且以阵列形式分布的多层直流线圈组成，与每个线圈相对应的永磁体放置在悬浮平板上。通过直流线圈阵列与永磁体在不同方向上的相互作用，即可实现动子的悬浮与二维驱动。这种直流绕组平面电机由于仅仅采用了直流空心绕组与永磁体的组合结构，所以不存在交流损耗以及由于铁心磁饱和而带来的涡流损耗，与多相绕组驱动方法相比，该结构更有利于磁场相互作用的建模，另外，直流电的引入使系统的不确定因素减少，并且理论上对实现精确运动没有限制。图15永磁体阵列及直流绕组阵列3.2正交电枢绕组结构巴西南里奥格兰德大学的AlyF.FloresFilho等人在文献中提出一种定子为多相正交绕组，动子为钕铁硼永磁体结构的动磁式平面电机，如图16所示。电机的定子由电枢绕组和无槽电枢铁心组成，其中电枢由相互垂直的两组多相绕组以相互层叠的排列方式构成，两组多相绕组规则地缠绕在无槽铁心上，并且之间没有电气连接，X或Y方向上的多相绕组分别包含了12个相互独立的绕组。电机的动子由两块永磁体和一块导磁轭组成，永磁体的充磁方向与定子平面垂直，并且两块永磁体的充磁方向相反，导磁轭起到连接永磁体并且提供磁通回路的作用。另外，为了给动子提供一个规则的运动平面，一般在动子与定子之间放置一个1mm厚的丙烯酸树脂板。图16AlyF.FloresFilho等人提出的平面电机这种平面电机是利用安