多級繞組高動態納米級定位音圈電機系統的基礎研究

《多級繞組高動態納米級定位音圈電機系統的基礎研究》是依託哈爾濱工業大學，由李立毅擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：多級繞組高動態納米級定位音圈電機系統的基礎研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李立毅

項目摘要

微納作業系統是人類連線巨觀世界與微觀世界的橋樑。隨著微納作業系統行程需求升至毫米級，音圈電機作為納米執行器的優勢凸顯出來。微納作業系統中，不僅要求所使用音圈電機定位到達納米級精度，還要求具有足夠的推力以滿足加速度的需要，從而保證系統帶載後定位的快速性。高速高精度的背景需求為音圈電機理論體系的完善、分析、設計和製造技術提出了更高的要求，本項目的申請旨在探索跨尺度音圈電機電磁場的分布與演化，損耗、傳熱、溫度的精確調控，電機機構構型及其動力學等非線性因素與定位精度、調速的內在聯繫。在推導音圈電機納米級連續氣隙磁場的數學模型的基礎上，分析熱效應、柔性多體機構引起推力波動和系統運動變化的機理，最終，建立起更為接近真實系統的跨尺度、納米級定位音圈電機的數學模型和分析方法。提出了一種多級繞組定子結構實現電機大推力、高推力解析度特性共存的音圈電機系統解決方案。

結題摘要

音圈電機具有結構簡單、近零推力波動、高動態回響及高可靠性等優點，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，廣泛套用在超精密定位伺服系統中。 首先，針對推力密度高、推力波動低的需求提出了一種Halbach陣列、串並聯磁路結合的次級結構，具有超薄冷卻結構的音圈電機。Halbach陣列及串、並聯磁路結構有效地減小了電機軛板厚度，提高了直流直線電機的推力密度；採用增添冷卻結構的方式可提高無鐵心電機繞組電流，進一步提高電機推力密度，並且可有效抑制電機溫升，從而實現電機與外界環境無熱交換。 基於音圈電機電磁邊界簡單的特點，採用鏡像法與等效磁荷法結合的方式建立起音圈電機的氣隙磁場的三維數學模型。在磁場模型中，通過等效磁路法搭建起電機導磁材料的飽和係數模型，有效地提高了該類電機磁場模型的精度，為電機精確推力計算奠定理論基礎。目前，上述研究成果已經套用在典型超精密伺服系統（光刻機）樣機中。 首次提出了推力係數剛度這一概念描述推力係數隨電機初級、次級相對位置變化時的衰減規律，從而作為評價該類電機性能優劣的標準。首次提出了反接串聯感應電動勢方法從根源上抑制冷卻結構的電渦流阻尼力，得到了一種新型抑制電渦流阻尼力的超薄型冷卻結構，並推導了阻尼係數的數學模型。通過實驗證明了上述模型的準確性。打破了視電機為同一剛體的模型束縛，揭示了音圈電機機械結構振盪引發的推力波動的產生機理，並建立電機初級的多剛體多自由度動力學模型。在以上電機推力及擾動力的分析及數學模型指導下，建立了高精度的音圈電機動力學模型，為其控制系統的前饋補償模型奠定了理論基礎，通過系統仿真證明了前饋補償方法的可行性。提出了一種雙繞組拓撲結構的推力波動抑制方案。 搭建音圈電機熱網路法數學模型，並成功預測了電機初級側表面的高溫區，提出了增加導熱支路方法降低音圈電機初級的側表面溫度，通過溫度場仿真及冷卻實驗驗證了該方法的可行性。冷卻結構不僅提高了繞組持續電流的密度，滿足電機高推力密度的需求，同時突破了超精定位系統中電機近零散熱的技術瓶頸。 以音圈電機的電磁模型、散熱功率模型及尺寸參數化模型為基礎，採用遺傳算法構建該電機多目標最佳化函式，以電機行程、表面溫升和外形尺寸等為約束條件，對音圈電機進行多物理場綜合設計、最佳化研究。該方法實現了電磁性能、冷卻性能及外形尺寸的兼顧設計，解決了音圈電機的多物理場耦合、多