开关磁阻平面电动机设计与仿真
马春燕，王振民，李更新，陈燕
(太原理工大学，山西太原030024)
摘要：随着半导体及精密加工技术的快速发展，对平面定位、加工和装配机械的要求越来越高。设计了一种结构新颖的开关磁阻平面电动机，采用直接驱动方式，省去了传统平面电动机中复杂的机械传动机构。在对开关磁阻平面电动机运动机理分析与研究的基础上，设计了实验样机的基本结构和具体参数。并在Ansoft xwell 3D环境下进行了仿真实验，验证了理论分析和计算结果的正确性，为开关磁阻平面电动机的进一步研究奠定了理论基础。
关键词：开关磁阻平面电动机；直接驱动；Maxwell 3D仿真
中图分类号：TM352 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2008)07—0015—03
0引 言
半导体技术及精密加工制造领域，如IC芯片加工、定位、装配机械以及机器人驱动装置，都需要高速度、高精度的平面定位与运动控制。而传统的平面加工装置由两套直线电动机(上下两层)组成，从本质上没有摆脱“低维运动机构叠加形成高维运动机构”的模式。对于底层的直线电动机而言，仍然要承载上层直线电动机及其相关机械部件的总质量，从而严重影响了定位精度[1]。为此，本文依据磁阻最小原理，设计了直驱式开关磁阻平面电动机，确定了结构参数，并在Ansort Maxwell 3D环境下进行了仿真研究，绘制了位移与电磁力、位移与电磁推力的关系曲线，验证了设计理论的正确性。
1基本结构
开关磁阻平面电动机(以下简称SRPM)由旋转式开关磁阻电动机演变而来。将开关磁阻电动机延径向剖开，并向x和y两个方向延展，就形成了SRPM的雏形。旋转式开关磁阻电动机的转子和定子即为SRPM的动子和定子。SRPM的动子和定子均由铁磁材料构成，动子上安装集中绕组，而定子无需绕组，也不需要永磁体。
SRPM由动子、定子、位置检测装置和支撑部件组成，如图1所示[1]。
1.1定子结构
定子由多个形状相同的定子块互相插接而成，并用环氧胶粘接在一起。每一个定子块由硅钢片叠装而成，硅钢片的叠装厚度与齿宽相同，这样，在x和y方向上形成多条相同的磁路通道。定子的叠片形状及形成的网状结构如图2所示。
1．2动子结构
动子由两套三相动子线圈组成，为了减小x与y方向上的磁路耦合作用，六个相同的动子线圈相互垂直地固定在动子台架上，一套负责x方向的运动，另一套负责y方向的运动。动子的结构及布置情况如图3所示。
2 SPRM电磁特性及运动特性
2.1电磁特性
SPRM第k相的电压平衡方程式为：
等式右端第一项为电阻压降；第二项是电流变化产生的感应电动势；第三项由动子位置变化产生的感应电动势(称为运动电动势)。
六个线圈中的自感可以用一阶傅立叶级数表示为：
2.2运动特性
SPRM动子台架的平面运动是由x和y方向上直线运动合成的。当给某一方向的绕组(x或y方向)通电时，磁储能为：
式(6)表明电磁力的大小取决于相电流的大小和动子的位移，方向与z轴相反。若电流不变，那么，电磁力与位移成正弦变化规律。由式(6)可知，
3 SRPM的结构设计
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