CN115833517A - 一种近零刚度微纳电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近零刚度微纳电机；该电机包括定子、动子和欧拉屈曲梁‑板簧柔性导向机构，定子固定在基座上，与动子构成对称结构的电机本体，其对称轴和第一坐标轴垂直。动子包括多个第一铁芯和永磁体，定子包括多个第二铁芯和线圈，永磁体在第一、二铁芯及其间隙中形成偏置磁路，线圈通电后在第一、二铁芯及其间隙中形成变化磁路。在偏置和变化磁路的共同作用下，动子产生沿第一坐标轴的运动。欧拉屈曲梁‑板簧柔性导向机构由多个欧拉屈曲梁和多个板簧组成，欧拉屈曲梁沿第一坐标轴、板簧沿第二坐标轴方向布置，第一、第二坐标轴相互垂直，且它们分别沿电机对称轴对称布置。本发明能实现电机的运动导向，同时全行程补偿电机的负刚度。

Description

一种近零刚度微纳电机

技术领域

本发明涉及精密执行器技术领域，尤其涉及一种近零刚度微纳电机。

背景技术

可以在毫米级行程上实现纳米级扫描跟踪运动精度的电机(包括音圈电机、磁阻电机、混合磁阻电机等)是高端精密制造和检测装备(如光刻机、微纳3D打印、膜厚检测等)的核心部件之一。以ASML高端光刻机为例，其运动台微动台定位精度已经达到亚纳米级别，而加速度达到120m/s²，接近极限。当下一代光刻机的套刻精度和产率需要进一步提高时，微动台需要有更高的运动精度和速度、加速度，这对微动台电机的运动精度极限和推力密度极限提出了更高的要求。

混合磁阻电机相较于音圈电机具有更高的推力密度和推力效率，可以进一步提升运动台的加速度，且能同时兼顾纳米级分辨率，实现毫米级别行程。但是，混合磁阻电机中存在动态刚度特性，且其在系统传函中以负刚度形式表现，容易导致系统的不稳定。如何补偿磁阻电机中的非线性是该电机在实际应用中面临的重要挑战之一。

近年来，具有非线性刚度特性的欧拉屈曲梁作为负刚度调节器已成功应用于准零刚度减振器。当欧拉屈曲梁受到大于阈值载荷的压力时，会发生屈曲变形并处于稳定平衡状态，其形状呈现余弦或正弦曲线，其刚度呈现非线性分布，而对称分布的欧拉屈曲具有和磁阻电机非线性负刚度相接近的变化特性。因此，通过合理设计欧拉屈曲机构及其参数，能够获得与磁阻电机非线性负刚度分布相接近的正刚度补偿机构，实现磁阻电机全行程近零刚度设计。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明基于正负刚度并联相消原理，提出了一种基于非线性正刚度欧拉屈曲梁进行全行程负刚度补偿和运动导向的近零刚度微纳电机。本发明通过欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构实现电机的运动导向，同时全行程补偿电机的负刚度。

本发明的技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种近零刚度微纳电机，其包括动子、定子、欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构和基座；

所述电机是一个混合磁阻电机，所述动子和定子组成电机本体，在通入电流后，动子将受到沿第一坐标轴正/负方向的合力，所述定子固定在基座上；

所述动子包含多个第一铁芯和多个永磁体，所述定子包含多个第二铁芯和多个线圈，所述第一铁芯呈T形，其一端面和永磁体相对，另外两个端面沿第一坐标轴方向排布，并和第二导磁体的端面相对；所述第二铁芯呈C形，其两个端面分别与相应的第一铁芯的两个端面相对，所述多个线圈绕在所述第一铁芯和/或第二铁芯上；

所述多个永磁体在第一、第二铁芯及其间隙中形成闭合的偏置磁路，所述多个线圈通入电流后会在第一、第二铁芯及其间隙中形成闭合的变化磁路；在所述偏置磁路和变化磁路的共同作用下，所述动子会受到沿第一坐标轴正/负方向的合力，通过控制所述线圈中通入电流的大小和方向可以控制动子受力的大小和方向；

所述电机本体是对称结构，具有与第一坐标轴垂直的第一对称轴；

所述欧拉曲屈梁和板簧结构布置在所述混合磁阻电机外侧，所述欧拉曲屈梁沿第一坐标轴方向布置，一端固定在定子/基座上，另一端固定在动子上；所述板簧结构沿第二坐标轴方向布置，一端固定在定子/基座上，另一端固定在动子上；所述第一坐标轴和第二坐标轴相互垂直；所述多个欧拉屈曲梁和板簧结构分别沿第一对称轴对称布置。

欧拉屈曲梁的原始长度为l，在加入阈值载荷

之后，欧拉屈曲梁长度缩短x₀，并产生大小为a₀的初始挠度，其中E为弹性模量，I为转动惯量；欧拉屈曲梁增加的载荷F与所产生位移x之间的关系可以表示为

则单个欧拉屈曲梁的刚度为

所述电机本体的负刚度可以通过有限元分析得到；

所述板簧结构具有恒定的正刚度k₀。通过调整参数E、l、I和k₀可以使得所述欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构产生与电机负刚度大小相近、方向相反的正刚度。欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构的参数可以根据所述公式借助matlab软件，并采用试错法进行设计，也可以采用优化的方法使得欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构刚度与电机刚度尽可能的贴近，从而确定相应参数。

本发明中，所述欧拉曲屈梁和板簧结构共同构成所述混合磁阻电机的欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构，该机构不仅能实现混合电机动子在第一坐标方向运动的导向，而且能够对电机的负刚度进行补偿，最终得到本发明提出的近零刚度微纳电机。

本发明中，可以将板簧结构替换成气浮结构，和/或，将欧拉屈曲结构布置在定子和动子之间，同样能实现对混合磁阻电机的负刚度补偿和导向。在该情况下，由欧拉屈曲梁独自补偿负刚度，同样可以根据模型并借助matlab进行参数设计，或者采用优化的方法。值得说明的是，电机的负刚度补偿主要依靠欧拉屈曲梁，而板簧结构主要起到导向作用，可以采用气浮、磁浮等常见导向机构代替。而且，欧拉屈曲结构的位置可以根据工况需要进行相应调整。

与现有方案相比，本发明的有益效果在于：

本发明不仅能实现混合磁阻电机的全行程负刚度补偿，在利用混合磁阻电机高推力效率和高推力密度的同时降低电机的控制难度，而且能解决现有磁阻电机高刚度柔性导向造成的高振动传递率和能量损耗问题，进而提高毫米行程上混合磁阻电机的扫描运动精度极限和加速度极限。

附图说明

图1是本发明提供的一个具体实施例1的结构示意图。

图2是本发明提供的一个具体实施例1的欧拉屈曲梁结构示意图。

图3是本发明提供的一个具体实施例1的电机刚度补偿结果。

图4是本发明提供的一个具体实施例2的结构示意图。

图中标号：11和13组成定子，111、131-第二铁芯，112、113、132、133-线圈，12-动子，121、123-第一铁芯，122-永磁体，141-偏置磁场，142-变化磁场，21和22组成欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构，211、222-板簧结构，212、221-对称欧拉屈曲梁结构，3-对称轴，231、234-气浮模块，232，233-置于中间的欧拉屈曲梁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、“里”、“外”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本发明提出的一个具体实施例1如图1所示，所提出的近零刚度混合磁阻电机包括定子11、13，动子12，欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构21、22和基座。

定子11、13和动子12组成混合磁阻电机。其中，定子由铁芯111、131和线圈112、113、132、133组成，动子由铁芯121、123和永磁铁122组成。永磁体122在铁芯111、131、121和123及其间隙中形成偏置磁路141，线圈112、113、132、133通电后在铁芯111、131、121和123及其间隙中形成变化磁路142。在偏置磁路141和变化磁路142的共同作用下，动子会受到沿x轴正/负方向的合力，从而产生相应的运动。合力的大小和方向可以通过改变线圈中所通电流的大小和方向进行控制。

欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构21、22由板簧结构211、222和对称的欧拉屈曲梁结构212、221组成，二者沿对称轴3对称排布。其中，板簧结构211、222沿y轴方向布置，欧拉屈曲梁结构212、221沿x轴方向布置。

欧拉屈曲梁的结构如图2所示。在不增加任何载荷的情况下，欧拉屈曲梁具有如图2(a)所示的结构，其初始长度为l；在加入阈值载荷

之后，其长度缩短x₀，并产生大小为a₀的初始挠度，如图2(b)所示，其中E为弹性模量，I为转动惯量；之后，欧拉屈曲梁增加的载荷F与所产生位移x之间的关系可以表示为

则单个欧拉屈曲梁的刚度为

电机的负刚度可以通过有限元分析得到，如图3中的相应曲线所示。板簧结构具有恒定的正刚度k₀。通过调整参数E、l、I和k₀，可以使得本专利提出的欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构产生与电机负刚度大小相近、方向相反的正刚度。参数可以借助matlab软件采用试错法进行调整，首先调整E、l和I使得欧拉梁的刚度斜率与电机刚度的斜率相近，然后调整k₀，使得欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构和电机刚度的分布尽量吻合。也可以采用优化的方法使得欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构刚度与电机刚度尽可能的贴近，从而确定相应参数。本发明得到的一组结果如图3所示，可以看出，在补偿之后，电机的刚度接近0值。

此外，欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构还实现了混合磁阻电机沿x轴正/负方向运动的导向，避免了传统机械导轨导向的摩擦问题。最终得到本发明所提出的近零刚度电机。

本发明提供的一个具体实施例2如图4所示，将板簧结构替换成气浮模块231、234，并将对称欧拉屈曲结构232、233置于中间，同样可以实现混合磁阻电机的运动导向和负刚度补偿。在本实施例中，由欧拉屈曲梁来补偿负刚度，通过调整参数E、l、I来近似电机的刚度分布，同样可以根据模型并借助matlab进行调整。该实施例表明，电机的负刚度补偿主要依靠欧拉屈曲梁，而板簧结构主要起到导向作用，可以采用气浮、磁浮等常见导向机构代替。而且，对称欧拉屈曲结构的位置可以根据实际的工况需要进行调整。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种近零刚度微纳电机，其特征在于，其包括定子、动子、欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构和基座；其中：

所述电机是混合磁阻电机，所述动子和定子组成具有对称结构的电机本体；所述动子包含多个第一铁芯和永磁体，所述定子固定在基座上，包含多个第二铁芯和多个线圈，线圈绕在第一铁芯和/或第二铁芯上；

所述第一铁芯呈T形，其一端面和永磁体相对，另外两个端面沿第一坐标轴方向排布，并和第二导磁体的端面相对；

所述第二铁芯呈C形，其两个端面分别与两个第一铁芯的端面相对；

永磁铁在多个第一铁芯、第二铁芯及其间隙中产生闭合的偏置磁路，线圈通电后在第一铁芯、第二铁芯及其间隙中产生闭合的变化磁路，使得在所述偏置磁路和变化磁路的共同作用下，动子受到沿第一坐标轴正/负方向的合力，进而产生相应的运动；

所述电机本体具有与第一坐标轴垂直的第一对称轴；

所述欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构包含多个欧拉屈曲梁和多个板簧；欧拉屈曲梁和板簧一端固定在基座或定子上，另一端固定在动子上；欧拉屈曲梁沿第一坐标轴方向分布，板簧沿第二坐标轴方向分布，第一坐标轴、第二坐标轴相互垂直；所述多个欧拉屈曲梁和板簧结构分别沿第一对称轴对称布置；

所述欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构具有与电机本体负刚度分布相近的正刚度。

2.如权利要求1所述的近零刚度微纳电机，其特征在于，板簧置于电机本体的外侧。

3.如权利要求1所述的近零刚度微纳电机，其特征在于，欧拉屈曲梁置于电机本体的外侧，或者设置在动子和定子之间，以实现电机的负刚度补偿和导向。

4.如权利要求1所述的近零刚度微纳电机，其特征在于，所述欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构的设计方法如下：

假设欧拉屈曲梁的原始长度为l，在加入阈值载荷

之后，欧拉屈曲梁长度缩短x₀，并产生大小为a₀的初始挠度，其中E为弹性模量，I为转动惯量；欧拉屈曲梁增加的载荷F与所产生位移x之间的关系表示为

则单个欧拉屈曲梁的刚度为

所述电机本体的负刚度可以通过有限元分析得到；

所述板簧结构具有恒定的正刚度k₀；

因此通过调整参数E、l、I和k₀，即使得所述欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构产生与电机本体负刚度大小相近、方向相反的正刚度，得到近零刚度微纳电机。

5.如权利要求1所述的近零刚度微纳电机，其特征在于，欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构中的板簧用气浮模块或者磁浮模块代替。

6.如权利要求5所述的近零刚度微纳电机，其特征在于，所述欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构中，气浮或者磁浮模块用于导向，欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构的设计方法如下：由欧拉屈曲梁来补偿电机本体的负刚度，通过调整原始长度为l、加入阈值载荷

的欧拉屈曲梁中的弹性模量E、原始长度l、转动惯量I来近似电机的刚度分布，使得所述欧拉屈曲梁-板簧柔性导向机构产生与电机本体负刚度大小相近、方向相反的正刚度，得到近零刚度微纳电机。

Images