一種基于MEMS工藝的同軸兩段式Halbach永磁同步微電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明涉及一種新型永磁同步微型電動(dòng)機(jī)，具體指一種基于MEMS工藝的同軸兩段式Halbach永磁同步微電動(dòng)機(jī)。定子轉(zhuǎn)子采用平面結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子采用Halbach列代替普通電機(jī)的永磁體結(jié)構(gòu)，在提高電機(jī)的性能的同時(shí)可減少電機(jī)的永磁體用量，屬于電磁型微型電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
:
[0002]本發(fā)明基于MEMS工藝，定子轉(zhuǎn)子基于電、磁互相作用產(chǎn)生的電磁力，通過(guò)電磁作用將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在現(xiàn)有的毫米級(jí)永磁同步微電機(jī)的基礎(chǔ)上通過(guò)改變永磁體的結(jié)構(gòu)，具體采用美國(guó)學(xué)者KIause Halbach提出的Halbach結(jié)構(gòu)，同時(shí)在一根軸上采用2段式串聯(lián)結(jié)構(gòu)添加獨(dú)立的電氣單元來(lái)增加電機(jī)的輸出功率。
[0003]電磁型微電機(jī)的優(yōu)點(diǎn):毫米級(jí)微電機(jī)，是指外形尺寸為毫米數(shù)量級(jí)或者更小的電機(jī)。當(dāng)前，微型電機(jī)是微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的動(dòng)力源，而電磁型微電機(jī)一直是各國(guó)研宄的熱點(diǎn)，它具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0004](I)驅(qū)動(dòng)力矩大，輸出功率高；
[0005](2)工作穩(wěn)定可靠并易于控制，可在低電壓條件下驅(qū)動(dòng)；
[0006](3)工作壽命長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)；
[0007](4)與靜電微電機(jī)比較，容易裝配；已有的永磁同步微電機(jī)的應(yīng)用:電磁型微電機(jī)的研宄起始于20世紀(jì)90年代。目前已研制出滑動(dòng)式、轉(zhuǎn)動(dòng)式、滾動(dòng)式、平動(dòng)式等多種形式的電磁型微電機(jī)。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所成功研制出直徑為5_的端面搖擺式電磁微電機(jī)，該電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為20-860r/min，輸出力矩大于10μΝ.πι。上海交通大學(xué)在繼1995年成功研制出直徑為2mm，高為1.4mm的超微型電動(dòng)機(jī)以后，又在1999年成功研制出直徑Imm的電磁型微電機(jī)。點(diǎn)擊的最大轉(zhuǎn)速為18000r/min，調(diào)速范圍50:1，質(zhì)量?jī)H為12.5mg，最大輸出力矩達(dá)到了 1.5 μΝ.m。
[0008]該電機(jī)米用雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，軸向充6對(duì)磁極，N、S呈放射狀分布。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所于2002年利用微機(jī)械ICP工藝和LIGA工藝研制出可用于皮衛(wèi)星上對(duì)微小飛輪進(jìn)行姿態(tài)控制的具有單定子-雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步微電機(jī)。該電機(jī)定子繞組線圈制作在以硅片為襯底的基片上，采用了正反18個(gè)線圈的雙面繞組結(jié)構(gòu)，正反線圈通過(guò)過(guò)線孔連接，轉(zhuǎn)子軸向充6對(duì)磁極。
[0009]Halbach結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn):Halbach永磁電機(jī)是由美國(guó)學(xué)者KIause Halbach提出后一直被廣泛研宄的一種新型永磁電機(jī)，其永磁體采用Halbach結(jié)構(gòu)，相對(duì)于普通永磁體結(jié)構(gòu)，由于Halbach列分解后的切向磁場(chǎng)與徑向磁場(chǎng)的相互疊加使得氣隙一側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大幅度提高，這樣可有效地減小電機(jī)的體積，提高電機(jī)的功率密度。轉(zhuǎn)子可采用非鐵心材料。單邊磁場(chǎng)分布不再需要轉(zhuǎn)子采用磁性材料為其提供通路。這樣不僅為轉(zhuǎn)子選材提供了較大的選擇余地。而且可以使系統(tǒng)有較低的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和較高的快速響應(yīng)性能。更重要的是大大提高了電機(jī)的功率密度。Halbach微電機(jī)不僅是永磁微電機(jī)研宄領(lǐng)域的一大突破，也是高速電機(jī)研宄領(lǐng)域的一大突破，其獨(dú)特的永磁體結(jié)構(gòu)使得電機(jī)的氣隙磁密和氣隙長(zhǎng)度均較大。這樣，一方面它拓寬了永磁電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，例如人工心臟供血系統(tǒng)等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域:另一方面隨著其技術(shù)的發(fā)展。電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體采用Halbach結(jié)構(gòu)，Halbach結(jié)構(gòu)能夠最大限度地利用永磁體提高氣隙磁密度，從而提高電機(jī)功率。
[0010]已有的永磁同步微電機(jī)都是只有一套獨(dú)立的電氣單元的結(jié)構(gòu)，在不限制軸向尺寸的前提下電機(jī)的輸出功率會(huì)受到限制。已有的采用軸向充磁的微電機(jī)，永磁體均為輻射狀分布，轉(zhuǎn)子磁軛上分布的磁密白白浪費(fèi)，從而限制了電機(jī)的功率密度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]1、發(fā)明目的:本發(fā)明為了克服上述存在的技術(shù)缺點(diǎn)，提出一種基于MEMS工藝的同軸2段式Halbach永磁同步微電機(jī)。
[0012]2、技術(shù)方案:本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0013]—種基于MEMS工藝的同軸兩段式Halbach永磁同步微電機(jī):在一跟軸上串聯(lián)2個(gè)獨(dú)立的單定子-雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，形成2個(gè)獨(dú)立的電氣單元。段間采用隔磁板隔絕電磁耦合回路，電機(jī)通電時(shí)，2個(gè)電氣單元獨(dú)立工作，將4個(gè)力矩通過(guò)軸綜合為一個(gè)力矩輸出。實(shí)現(xiàn)了在不改變徑向尺寸的同時(shí)增加電機(jī)的輸出功率。電機(jī)基于MEMS工藝，定子線圈制造在以硅為底的基片上，采用三相繞組，正反各9個(gè)繞組，正反2面通過(guò)過(guò)線孔連接。轉(zhuǎn)子軸向充6對(duì)磁極，采用Halbach結(jié)構(gòu)，提高了氣隙磁通密度的同時(shí)可以減小轉(zhuǎn)子軛部的體積，實(shí)現(xiàn)了增大電機(jī)的輸出功率密度。獨(dú)立的定子繞組通過(guò)電機(jī)引出線引至機(jī)殼外，每一時(shí)刻給三項(xiàng)繞組中的兩相通電，設(shè)ABC三相，具體通電順序?yàn)锳B-BC-CA，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
[0014]3、裝配方案:本發(fā)明是通過(guò)以下方案裝配的:
[0015]永磁體結(jié)構(gòu)采用Halbach結(jié)構(gòu)，軸向6對(duì)磁極并在相鄰磁極間充切向磁。定子采用無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)，以硅為襯底，正反兩面各三組三項(xiàng)繞組，呈放射狀附在硅的表面上，為隔絕電磁耦合回路，在兩個(gè)電氣單元之間安放一個(gè)薄隔磁板。兩軸承分別置于機(jī)殼和端蓋之間的軸承室中分別位于軸的兩端實(shí)現(xiàn)對(duì)軸的支撐。后端保護(hù)蓋與機(jī)殼連接，并將上述組件封裝在內(nèi)；定子繞組通過(guò)機(jī)殼引出線引出機(jī)殼外；
[0016]各組件通過(guò)軸肩和機(jī)殼進(jìn)行定位，其中軸承，轉(zhuǎn)子組件通過(guò)軸肩定位。定子，隔磁板，保護(hù)蓋通過(guò)機(jī)殼定位。為了便于裝配的合理性，可將右側(cè)定子處軸突改為軸套。便于隔磁板和中間部分轉(zhuǎn)子的裝配。各組件從左到右安裝順序?yàn)檩S承-轉(zhuǎn)子-軸-定子-轉(zhuǎn)子-隔磁板(隔磁板與機(jī)殼粘連)-轉(zhuǎn)子-軸套(在裝配圖中顯示為軸突)-定子-轉(zhuǎn)子-軸承_保護(hù)蓋。
[0017]4、優(yōu)點(diǎn)及效果:本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0018](I)本發(fā)明通過(guò)同軸串聯(lián)式結(jié)構(gòu)通過(guò)添加獨(dú)立的電氣單元來(lái)實(shí)現(xiàn)不改變電機(jī)徑向尺寸的前提下增大輸出功率的目的。
[0019](2)本發(fā)明由于存在2個(gè)獨(dú)立的電氣單元，實(shí)現(xiàn)了微電機(jī)的雙余度。
[0020](3)本發(fā)明將永磁體的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)改為Halbach結(jié)構(gòu)，增大氣隙磁通密度的同時(shí)減小轉(zhuǎn)子軛部的體積，增大了電機(jī)的輸出功率密度。
[0021](4)本發(fā)明由于改變了永磁體的結(jié)構(gòu)，增大了轉(zhuǎn)子材料的選擇余地，轉(zhuǎn)子可采用非鐵心材料。
[0022](5)本發(fā)明由于定子兩端直接與氣隙接觸，使得本電機(jī)有利于線圈散熱，可以承載更高的負(fù)荷。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為基于MEMS工藝的同軸兩段式Halbach永磁同步微電機(jī)平面裝配圖。
[0024]圖2為基于MEMS工藝的同軸兩段式Halbach永磁同步微電機(jī)定子繞組。
[0025]圖3為基于MEMS工藝的同軸兩段式Halbach永磁同步微電機(jī)轉(zhuǎn)子平面圖。
[0026]圖4a為徑向式磁鐵磁場(chǎng)排列分布示意圖。
[0027]圖4b為平行式磁鐵磁場(chǎng)排列分布示意圖。
[0028]圖4c為Halbach排列磁場(chǎng)分布不意圖。
[0029]圖4d為Halbach排列磁場(chǎng)分布不意圖。
[0030]圖1平面裝配圖各組件的名稱即順序分別為:
[0031]1.軸；2.轉(zhuǎn)子組件；3.隔磁板；4.電機(jī)引出線；
[0032]5.軸承；6.定子組件；7.機(jī)殼；8.保護(hù)蓋。
【具體實(shí)施方式】
:
[0033]—種基于MEMS工藝的同軸兩段式Halbach永磁同步微電機(jī):在一跟軸上串聯(lián)2個(gè)獨(dú)立的單定子-雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，形成2個(gè)獨(dú)立的電氣單元。段間采用隔磁板隔絕電磁耦合回路，電機(jī)通電時(shí)，2個(gè)電氣單元獨(dú)立工作，將4個(gè)力矩通過(guò)軸綜合為一個(gè)力矩輸出。實(shí)現(xiàn)了在不改變徑向尺寸的同時(shí)增加電機(jī)的輸出功率。電機(jī)基于MEMS工藝，定子線圈制造在以硅為底的基片上，采用三相繞組，正反各9個(gè)繞組，正反2面通過(guò)過(guò)線孔連接。轉(zhuǎn)子軸向充6對(duì)磁極，采用Halbach結(jié)構(gòu)，提高了氣隙磁通密度的同時(shí)可以減小轉(zhuǎn)子軛部的體積，實(shí)現(xiàn)了增大電機(jī)的輸出功率密度。獨(dú)立的定子繞組通過(guò)電機(jī)引出線引至機(jī)殼外，每一時(shí)刻給三項(xiàng)繞組中的兩相通電，設(shè)ABC三相，具體通電順序?yàn)锳B-BC-CA，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
[0034]圖1為本發(fā)明電機(jī)的平面裝配圖，定子組件6與轉(zhuǎn)子組件2采用平面結(jié)構(gòu)串聯(lián)在一根軸I上，右側(cè)軸突做成軸套便于隔磁板3和轉(zhuǎn)子組件2的安裝，軸I的端部由軸承5支撐，各組件由軸肩和機(jī)殼7實(shí)現(xiàn)定位，裝配完成后，通過(guò)電機(jī)引出線4給電機(jī)通電，設(shè)定子組件6AB C三相，通電順序?yàn)锳B-BC-CA (任意時(shí)刻給兩相通電)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子上的永磁體，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
[0035]圖2為本發(fā)明電機(jī)定子繞組裝配圖；圖3為本發(fā)明電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配圖；
[0036]圖4a為徑向式磁鐵磁場(chǎng)排列分布示意圖，圖4b為平行式磁鐵磁場(chǎng)排列分布示意圖，
[0037]圖4c為Halbach排列磁場(chǎng)分布不意圖，圖4d為Halbach排列磁場(chǎng)分布不意圖。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于MEMS工藝的同軸兩段式Halbach永磁同步微電機(jī)，其特征在于:在一跟軸上串聯(lián)兩個(gè)獨(dú)立的單定子-雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，形成兩個(gè)獨(dú)立的電氣單元；段間采用隔磁板隔絕電磁耦合回路，電機(jī)通電時(shí)，兩個(gè)電氣單元獨(dú)立工作，將四個(gè)力矩通過(guò)軸綜合為一個(gè)力矩輸出，實(shí)現(xiàn)了在不改變徑向尺寸的同時(shí)增加電機(jī)的輸出功率；電機(jī)基于MEMS工藝，定子線圈制造在以硅為底的基片上，采用三相繞組，正反各9個(gè)繞組，正反兩面通過(guò)過(guò)線孔連接；轉(zhuǎn)子軸向充六對(duì)磁極，采用Halbach結(jié)構(gòu)，提高了氣隙磁通密度的同時(shí)減小轉(zhuǎn)子軛部的體積，實(shí)現(xiàn)了增大電機(jī)的輸出功率密度；獨(dú)立的定子繞組通過(guò)電機(jī)引出線引至機(jī)殼外，每一時(shí)刻給三項(xiàng)繞組中的兩相通電，設(shè)ABC三相，具體通電順序?yàn)锳B-BC-CA，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；永磁體結(jié)構(gòu)采用Halbach結(jié)構(gòu)，軸向六對(duì)磁極并在相鄰磁極間充切向磁，定子采用無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)，以硅為襯底，正反兩面各三組三項(xiàng)繞組，呈放射狀附在硅的表面上，為隔絕電磁耦合回路，在兩個(gè)電氣單元之間安放一個(gè)薄隔磁板，兩軸承分別置于機(jī)殼和端蓋之間的軸承室中分別位于軸的兩端實(shí)現(xiàn)對(duì)軸的支撐，后端保護(hù)蓋與機(jī)殼連接，并將上述組件封裝在內(nèi)；定子繞組通過(guò)機(jī)殼引出線引出機(jī)殼外；各組件通過(guò)軸肩和機(jī)殼進(jìn)行定位，其中軸承，轉(zhuǎn)子組件通過(guò)軸肩定位，定子，隔磁板，保護(hù)蓋通過(guò)機(jī)殼定位；為了便于裝配的合理性，將右側(cè)定子處軸突改為軸套，便于隔磁板和中間部分轉(zhuǎn)子的裝配；各組件從左到右安裝順序?yàn)檩S承-轉(zhuǎn)子-軸-定子-轉(zhuǎn)子-隔磁板-轉(zhuǎn)子-軸套-定子-轉(zhuǎn)子-軸承-保護(hù)至ΠΠ O
【專利摘要】一種基于MEMS工藝的同軸兩段式Halbach永磁同步微電機(jī)，包括機(jī)殼、2個(gè)定子組件、4個(gè)轉(zhuǎn)子組件、軸、軸承、隔磁板、保護(hù)蓋和電機(jī)引出線。定子轉(zhuǎn)子采用同軸兩段式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，定子固定在機(jī)殼上，定子繞組采用MEMS工藝制成，無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)，對(duì)稱分布于硅基片兩側(cè)，正反線圈采用過(guò)線孔連接。轉(zhuǎn)子對(duì)稱分布于定子兩側(cè)，轉(zhuǎn)子表面永磁體磁采用Halbach結(jié)構(gòu)，中間相鄰轉(zhuǎn)子間安裝隔磁板隔斷電磁耦合回路，形成兩個(gè)獨(dú)立的電氣單元并同軸串聯(lián)，從而使得兩個(gè)單元的力矩通過(guò)軸綜合為一個(gè)力矩輸出。兩軸承分別置于機(jī)殼和端蓋之間的軸承室中實(shí)現(xiàn)對(duì)軸的支撐，后端蓋與機(jī)殼連接，并將上述組件封裝在內(nèi)；定子繞組通過(guò)機(jī)殼引出線引出機(jī)殼外。
【IPC分類】H02K1-27, H02K16-02, H02K15-00
【公開號(hào)】CN104868671
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510237756
【發(fā)明人】丁曉峰, 趙林林
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年5月12日