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寧波材料所在陣列音圈電機方面取得進展
作者:,日期:2019-04-01

  微納定位技術在精密制造、微操縱、超精測量等諸多領域有著廣泛的應用。超精密加工、納米光刻、激光焊接、高密度數據存儲、光纖對準、生物醫學操縱、光學儀器調整和原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等均以微納定位技術作為基礎支撐技術,而基于微納定位技術的精密運動平臺是精密檢測、精密成像和光刻機等整機設備的關鍵核心子系統。諸如高通量基因測序儀、光刻機、超分辨顯微成像儀和工業快速檢測儀等一類精密儀器設備指標的提高,對運動平臺的空間、加速度和精度等特性提出了更高的要求。

  音圈電機(Voice Coil Motor,VCM)是一種特殊形式的直接驅動電機,屬于微特電機,因其原理與揚聲器類似而得名,具有結構簡單、近零推力波動、高動態響應及高可靠性等優點。與壓電陶瓷、超磁致伸縮等短行程、高精度的執行器相比,具有非接觸傳動和長行程的特點,與三相永磁直線電機相比,具有推力線性度高、控制簡單及響應快等特點,是實現毫米級行程微納米級定位的首選。

  近年來,中國科學院寧波材料技術與工程研究所所屬先進制造所精密運動與先進機器人團隊在音圈電機的設計、制造、控制等方面進行系統研究,研究了不同結構類型、不同運行場合的高性能音圈電機,提出了基于雙邊Halbach陣列永磁體的動圈式音圈電機、動磁式音圈電機和基于柔性支撐結構的音圈電機等多種拓撲結構類型。為了實現高端IC制造光刻機的緊湊、高精密及多軸獨立運行要求,團隊提出了無鐵心多層夾心陣列音圈電機結構,巧妙實現了在13cm長的空間內布局29個直線運動音圈電機單元。該結構每個單元音圈電機具有雙層氣隙,顯著提高單元音圈電機的推力。通過采用參數化有限元建模優化鐵心、永磁體及線圈等參數,進一步實現各單元電機性能參數一致且大推力(峰值推力>7N),優化冷卻結構實現陣列音圈電機的連續低溫運行,所研發電機在13cm×6cm×5cm空間內實現29個音圈電機無電磁干擾的獨立運行,加速度超過1g,精度<1um(行程±4mm)。

  此項研究得到NSFC-浙江兩化融合聯合基金(U1609206)、國家自然科學基金(51807194)、浙江省公益基金項目(LGG18E070007)和寧波市創新團隊(2016B10016)項目資助。

a)二維模型,b)磁力線,c)磁密云圖(二維),d)磁密云圖(三維)

圖1 陣列音圈電機模型及有限元分析

a)各單元電機推力與電流關系,b)額定電流與不通電流下氣隙磁密誤差值

圖2 各個單元音圈電機推力及氣隙磁密情況

  

  (先進制造所 陳進華)

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