開關磁阻平面電動機設計與仿真
馬春燕，王振民，李更新，陳燕
(太原理工大學，山西太原030024)
摘要：隨著半導體及精密加工技術的快速發展，對平面定位、加工和裝配機械的要求越來越高。設計了一種結構新穎的開關磁阻平面電動機，采用直接驅動方式，省去了傳統平面電動機中復雜的機械傳動機構。在對開關磁阻平面電動機運動機理分析與研究的基礎上，設計了實驗樣機的基本結構和具體參數。并在Ansoft xwell 3D環境下進行了仿真實驗，驗證了理論分析和計算結果的正確性，為開關磁阻平面電動機的進一步研究奠定了理論基礎。
關鍵詞：開關磁阻平面電動機；直接驅動；Maxwell 3D仿真
中圖分類號：TM352 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)07—0015—03
0引 言
半導體技術及精密加工制造領域，如IC芯片加工、定位、裝配機械以及機器人驅動裝置，都需要高速度、高精度的平面定位與運動控制。而傳統的平面加工裝置由兩套直線電動機(上下兩層)組成，從本質上沒有擺脫“低維運動機構疊加形成高維運動機構”的模式。對于底層的直線電動機而言，仍然要承載上層直線電動機及其相關機械部件的總質量，從而嚴重影響了定位精度[1]。為此，本文依據磁阻最小原理，設計了直驅式開關磁阻平面電動機，確定了結構參數，并在Ansort Maxwell 3D環境下進行了仿真研究，繪制了位移與電磁力、位移與電磁推力的關系曲線，驗證了設計理論的正確性。
1基本結構
開關磁阻平面電動機(以下簡稱SRPM)由旋轉式開關磁阻電動機演變而來。將開關磁阻電動機延徑向剖開，并向x和y兩個方向延展，就形成了SRPM的雛形。旋轉式開關磁阻電動機的轉子和定子即為SRPM的動子和定子。SRPM的動子和定子均由鐵磁材料構成，動子上安裝集中繞組，而定子無需繞組，也不需要永磁體。
SRPM由動子、定子、位置檢測裝置和支撐部件組成，如圖1所示[1]。
1.1定子結構
定子由多個形狀相同的定子塊互相插接而成，并用環氧膠粘接在一起。每一個定子塊由硅鋼片疊裝而成，硅鋼片的疊裝厚度與齒寬相同，這樣，在x和y方向上形成多條相同的磁路通道。定子的疊片形狀及形成的網狀結構如圖2所示。
1．2動子結構
動子由兩套三相動子線圈組成，為了減小x與y方向上的磁路耦合作用，六個相同的動子線圈相互垂直地固定在動子臺架上，一套負責x方向的運動，另一套負責y方向的運動。動子的結構及布置情況如圖3所示。
2 SPRM電磁特性及運動特性
2.1電磁特性
SPRM第k相的電壓平衡方程式為：
等式右端第一項為電阻壓降；第二項是電流變化產生的感應電動勢；第三項由動子位置變化產生的感應電動勢(稱為運動電動勢)。
六個線圈中的自感可以用一階傅立葉級數表示為：
2.2運動特性
SPRM動子臺架的平面運動是由x和y方向上直線運動合成的。當給某一方向的繞組(x或y方向)通電時，磁儲能為：
式(6)表明電磁力的大小取決于相電流的大小和動子的位移，方向與z軸相反。若電流不變，那么，電磁力與位移成正弦變化規律。由式(6)可知，
3 SRPM的結構設計
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