同心式繞組永磁同步平面電機的基礎研究.pdf

1、永磁同步平面電機（Synchronous Permanent Magnet Planar Motor，SPMPM）是一種能夠直接將電磁能轉換為平面運動的電磁裝置，具有推力密度高、損耗低、精度高、動態(tài)性能好、結構簡單等優(yōu)點，在光刻機、半導體加工等現(xiàn)代精密、超精密加工裝備中具有廣闊的應用前景，引起國內外學術界的廣泛關注。本文以光刻機中工件臺系統(tǒng)為應用背景，提出了一種同心式繞組永磁同步平面電機方案，針對該電機的次級Halbach永磁陣列磁場分

2、析、數(shù)學模型建立、設計方法研究以及冷卻結構設計等方面開展了相應的研究工作。
　　首先，為了滿足光刻機中工件臺系統(tǒng)對電機的需求，本文提出了一種同心式繞組永磁同步平面電機方案，分析了該平面電機的結構特點及工作原理，闡述了同心式繞組的優(yōu)勢。建立了次級Halbach永磁陣列的解析模型，采用傅里葉級數(shù)法，利用標量磁位對Halbach永磁陣列的磁場進行了分析，根據(jù)邊界條件獲得了氣隙磁密 x、y、z三個方向分量的表達式，為進一步建立電機的數(shù)學模

3、型奠定了理論基礎。通過對比分析得知，由解析、仿真和實驗三種方法得到的Halbach永磁陣列氣隙磁密分布曲線吻合，驗證了磁場解析的正確性。
　　其次，為了便于電機的設計、優(yōu)化及控制，建立了同心式繞組永磁同步平面電機的數(shù)學模型。根據(jù)同心式繞組的結構特點，對其等效短距因數(shù)進行了分析計算。在對Halbach永磁陣列的磁場和同心式繞組進行簡化的基礎上，利用洛倫茲力法對同心式繞組永磁同步平面電機的電磁力、偏轉轉矩和相關電磁參數(shù)進行了分析計算，

4、得到了電機在各個方向的電磁力、偏轉轉矩，反電動勢以及電阻和電感的簡化計算公式，為建立同心式繞組永磁同步平面電機的控制模型提供了理論基礎。通過有限元仿真和實驗測試原理樣機的靜態(tài)電磁力、反電動勢波形以及電阻、電感等電磁參數(shù)，驗證了解析計算結果的準確性。
　　再次，在電機數(shù)學模型的基礎上，研究了以光刻機工件臺系統(tǒng)為應用背景的基于多場耦合的永磁同步平面電機設計方法。分析了永磁同步平面電機在設計時應遵循的設計原則，并提出了一種基于多場耦合的

5、永磁同步平面電機設計流程。確定了同心式繞組永磁同步平面電機的主要尺寸，并推導出其計算公式。分析了同心式繞組永磁同步平面電機的初級、次級結構參數(shù)對電機性能的影響，并得到電機性能指標隨各結構參數(shù)的變化曲線，通過對電機初級進行模態(tài)分析，研究了初級結構對電機動態(tài)剛度的影響，同時分析了冷卻結構形式對電機動態(tài)性能以及結構強度的影響，為永磁同步平面電機電磁方案的優(yōu)化設計提供了重要依據(jù)。
　　最后，針對光刻機中對電機發(fā)熱的嚴格約束限制，研究了同心

6、式繞組永磁同步平面電機的溫度場及冷卻結構。分析了同心式繞組永磁同步平面電機的損耗和溫升特性，建立了電機的三維溫度場計算模型，對同心式繞組永磁同步平面電機的溫度場進行了計算，指出配備冷卻結構對保證電機性能及正常運行的必要性。提出了一種改進的串聯(lián)冷卻結構，通過有限元仿真分析，證明該結構在提高電機表面溫度分布均勻性方面的優(yōu)勢。通過開展電機樣機的溫升和冷卻實驗研究，驗證了電機溫度場的計算結果以及改進的串聯(lián)冷卻結構有利于提高電機表面溫度分布的均勻