同心式绕组永磁同步平面电机的基础研究

摘要

永磁同步平面电机（Synchronous Permanent Magnet Planar Motor，SPMPM）是一种能够直接将电磁能转换为平面运动的电磁装置，具有推力密度高、损耗低、精度高、动态性能好、结构简单等优点，在光刻机、半导体加工等现代精密、超精密加工装备中具有广阔的应用前景，引起国内外学术界的广泛关注。本文以光刻机中工件台系统为应用背景，提出了一种同心式绕组永磁同步平面电机方案，针对该电机的次级Halbach永磁阵列磁场分析、数学模型建立、设计方法研究以及冷却结构设计等方面开展了相应的研究工作。
　　首先，为了满足光刻机中工件台系统对电机的需求，本文提出了一种同心式绕组永磁同步平面电机方案，分析了该平面电机的结构特点及工作原理，阐述了同心式绕组的优势。建立了次级Halbach永磁阵列的解析模型，采用傅里叶级数法，利用标量磁位对Halbach永磁阵列的磁场进行了分析，根据边界条件获得了气隙磁密 x、y、z三个方向分量的表达式，为进一步建立电机的数学模型奠定了理论基础。通过对比分析得知，由解析、仿真和实验三种方法得到的Halbach永磁阵列气隙磁密分布曲线吻合，验证了磁场解析的正确性。
　　其次，为了便于电机的设计、优化及控制，建立了同心式绕组永磁同步平面电机的数学模型。根据同心式绕组的结构特点，对其等效短距因数进行了分析计算。在对Halbach永磁阵列的磁场和同心式绕组进行简化的基础上，利用洛伦兹力法对同心式绕组永磁同步平面电机的电磁力、偏转转矩和相关电磁参数进行了分析计算，得到了电机在各个方向的电磁力、偏转转矩，反电动势以及电阻和电感的简化计算公式，为建立同心式绕组永磁同步平面电机的控制模型提供了理论基础。通过有限元仿真和实验测试原理样机的静态电磁力、反电动势波形以及电阻、电感等电磁参数，验证了解析计算结果的准确性。
　　再次，在电机数学模型的基础上，研究了以光刻机工件台系统为应用背景的基于多场耦合的永磁同步平面电机设计方法。分析了永磁同步平面电机在设计时应遵循的设计原则，并提出了一种基于多场耦合的永磁同步平面电机设计流程。确定了同心式绕组永磁同步平面电机的主要尺寸，并推导出其计算公式。分析了同心式绕组永磁同步平面电机的初级、次级结构参数对电机性能的影响，并得到电机性能指标随各结构参数的变化曲线，通过对电机初级进行模态分析，研究了初级结构对电机动态刚度的影响，同时分析了冷却结构形式对电机动态性能以及结构强度的影响，为永磁同步平面电机电磁方案的优化设计提供了重要依据。
　　最后，针对光刻机中对电机发热的严格约束限制，研究了同心式绕组永磁同步平面电机的温度场及冷却结构。分析了同心式绕组永磁同步平面电机的损耗和温升特性，建立了电机的三维温度场计算模型，对同心式绕组永磁同步平面电机的温度场进行了计算，指出配备冷却结构对保证电机性能及正常运行的必要性。提出了一种改进的串联冷却结构，通过有限元仿真分析，证明该结构在提高电机表面温度分布均匀性方面的优势。通过开展电机样机的温升和冷却实验研究，验证了电机温度场的计算结果以及改进的串联冷却结构有利于提高电机表面温度分布的均匀性。

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第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 永磁同步平面电机的国内外研究现状

1.3 永磁同步平面电机的关键问题

1.4 本文的主要研究内容

第2章 同心式绕组SPMPM的磁场分析

2.1 引言

2.2 同心式绕组SPMPM的结构及工作原理

2.3 Halbach永磁阵列的磁场解析分析

2.4 磁场的坐标变换

2.5 磁场计算结果的验证和分析

2.6 本章小结

第3章 同心式绕组SPMPM的数学模型建立

3.1 引言

3.2 同心式结构绕组的绕组因数分析

3.3 同心式绕组SPMPM电磁力和偏转转矩的计算

3.4 同心式绕组SPMPM电磁参数计算

3.5 本章小结

第4章 基于多场耦合的同心式绕组SPMPM设计方法研究

4.1 引言

4.2 设计原则和设计流程

4.3 主要尺寸计算公式的推导

4.4 同心式绕组SPMPM的初级结构参数设计及模态分析

4.5 同心式绕组SPMPM的次级结构参数设计

4.6 本章小结

第5章 同心式绕组SPMPM的冷却结构分析与设计

5.1 引言

5.2 同心式绕组SPMPM的损耗和热分析

5.3 同心式绕组SPMPM冷却结构的分析与设计

5.4 同心式绕组SPMPM样机的温升及冷却实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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