多级绕组高动态纳米级定位音圈电机系统的基础研究

音圈电机具有结构简单、近零推力波动、高动态响应及高可靠性等优点，与压电陶瓷、超磁致伸缩等短行程、高精度的执行器相比，具有非接触传动和长行程的特点，广泛应用在超精密定位伺服系统中。 首先，针对推力密度高、推力波动低的需求提出了一种Halbach阵列、串并联磁路结合的次级结构，具有超薄冷却结构的音圈电机。Halbach阵列及串、并联磁路结构有效地减小了电机轭板厚度，提高了直流直线电机的推力密度；采用增添冷却结构的方式可提高无铁心电机绕组电流，进一步提高电机推力密度，并且可有效抑制电机温升，从而实现电机与外界环境无热交换。 基于音圈电机电磁边界简单的特点，采用镜像法与等效磁荷法结合的方式建立起音圈电机的气隙磁场的三维数学模型。在磁场模型中，通过等效磁路法搭建起电机导磁材料的饱和系数模型，有效地提高了该类电机磁场模型的精度，为电机精确推力计算奠定理论基础。目前，上述研究成果已经应用在典型超精密伺服系统（光刻机）样机中。 首次提出了推力系数刚度这一概念描述推力系数随电机初级、次级相对位置变化时的衰减规律，从而作为评价该类电机性能优劣的标准。首次提出了反接串联感应电动势方法从根源上抑制冷却结构的电涡流阻尼力，得到了一种新型抑制电涡流阻尼力的超薄型冷却结构，并推导了阻尼系数的数学模型。通过实验证明了上述模型的准确性。打破了视电机为同一刚体的模型束缚，揭示了音圈电机机械结构振荡引发的推力波动的产生机理，并建立电机初级的多刚体多自由度动力学模型。在以上电机推力及扰动力的分析及数学模型指导下，建立了高精度的音圈电机动力学模型，为其控制系统的前馈补偿模型奠定了理论基础，通过系统仿真证明了前馈补偿方法的可行性。提出了一种双绕组拓扑结构的推力波动抑制方案。 搭建音圈电机热网络法数学模型，并成功预测了电机初级侧表面的高温区，提出了增加导热支路方法降低音圈电机初级的侧表面温度，通过温度场仿真及冷却实验验证了该方法的可行性。冷却结构不仅提高了绕组持续电流的密度，满足电机高推力密度的需求，同时突破了超精定位系统中电机近零散热的技术瓶颈。 以音圈电机的电磁模型、散热功率模型及尺寸参数化模型为基础，采用遗传算法构建该电机多目标优化函数，以电机行程、表面温升和外形尺寸等为约束条件，对音圈电机进行多物理场综合设计、优化研究。该方法实现了电磁性能、冷却性能及外形尺寸的兼顾设计，解决了音圈电机的多物理场耦合、多 2100433B

微纳操作系统是人类连接宏观世界与微观世界的桥梁。随着微纳操作系统行程需求升至毫米级，音圈电机作为纳米执行器的优势凸显出来。微纳操作系统中，不仅要求所使用音圈电机定位到达纳米级精度，还要求具有足够的推力以满足加速度的需要，从而保证系统带载后定位的快速性。高速高精度的背景需求为音圈电机理论体系的完善、分析、设计和制造技术提出了更高的要求，本项目的申请旨在探索跨尺度音圈电机电磁场的分布与演化，损耗、传热、温度的精确调控，电机机构构型及其动力学等非线性因素与定位精度、调速的内在联系。在推导音圈电机纳米级连续气隙磁场的数学模型的基础上，分析热效应、柔性多体机构引起推力波动和系统运动变化的机理，最终，建立起更为接近真实系统的跨尺度、纳米级定位音圈电机的数学模型和分析方法。提出了一种多级绕组定子结构实现电机大推力、高推力分辨率特性共存的音圈电机系统解决方案。

在定位运动中，音圈电机根据偏转角计算位置误差进行定位补偿，其运动方式属于高精度点对点定位运动控制（Point-to-point positioning control），其运动控制目标：音圈电机实现点对点精确定位，只关注响应时间以及目标位置的定位精度，其运动伺服控制系统应具有快速响应、无超调量和鲁棒性强等特点，通常快速响应和无超调量是一对相互制约的指标。

为了解决快速性和超调量的矛盾，有学者首先提出复合非线性反馈控制策略（CNF），该控制策略包括线性部分和非线性部分，线性部分通过减小系统阻尼来提高系统的响应速度，而非线性部分使电机在临近目标点时逐渐加大系统阻尼来抑制超调量的产生。有学者将复合非线性反馈控制算法拓展至输出反馈控制。然而，上述控制策略只适用于定常参考指令跟踪，不能满足时变参考跟踪控制，为此，辅助信号发生器被引入到CNF中，解决时变输入跟踪控制。针对多变量饱和线性系统时变参考输入跟踪问题，一种推广的组合非线性反馈控制被提出。

针对复合非线性反馈控制对参数扰动和负载扰动自适应差的问题，模型自适应补偿算法加入到该算法中，有效提高系统鲁棒性 。2100433B

对盘式绕组旋转式音圈电机的工作原理进行分析以及结构分析可以得出以下结论:

（1）式绕组旋转式音圈电机的工作原理和其他型式的音圈电机相似。线圈绕组中通以电流在磁场中受到电磁力的作用而产生两种不同的运动形式。但盘式绕组旋转式音圈电机有其特殊的结构特点:包括旋转方向没有机械限制，装配时无机械祸合，轴向尺寸大大降低等等，这对某些特殊场合具有重要的工程意义。

（2)盘式绕组旋转式音圈电机的结构约束体现在轴向厚度主要取决于磁钢厚度，电机径向高度取决于所需最大力矩。通过电机空载等效磁路的分析可以发现:盘式绕组旋转式音圈电机音圈电机的气隙磁密主要取决于永磁体剩磁、永磁体厚度、气隙宽度等等，在设计盘式绕组旋转式音圈电机时需综合考虑这些因素。

(3)盘式绕组旋转式音圈电机中的结构参数对电机的性能具有较大的影响。定子扼厚度增加一倍时，气隙磁密幅值增大9.9 %，电机扼部磁密下降22.3%，同时电机定子扼重量增加一倍。当盘式绕组旋转式音圈电机隔磁宽度增加一倍时，气隙磁密幅值增大4.1 %，气隙磁密平均值变化不大，电机扼部磁密下降3.6%，同时电机旋转方向上宽度增加。这些为此类电机的设计提供大的方向，具体参数的选择必须根据具体应用场合选择。

(4)完成盘式绕组旋转式音圈电机本体方面的基本设计。通过有限元分析软件仿真音圈电机本体中关键性的结构参数对电机性能的影响，综合各方面考虑因素求解出音圈电机本体的基本结构参数，为接下来的理论研究工作提供模型基础。2100433B

一般地，旋转式音圈电机主要用来驱动有限转角惯性负载，所以其动子只是在有限转角范围内做往复摆动。普通磁路结构的旋转式音圈电机是轴向对称双层结构，像图1中显示的那样。该类结构主要有两个缺点:

1)轴向尺寸较大，相当于两个单元电机并列，个别时候给部件装配带来不便。

2)中间有一个磁扼需要套在动子中，不但使定子部件、动子部件互相约束，而且侧而的支撑底座使得动子只能有限转角运动，而不能360度自由旋转。在一些精粗祸合的精密仪器中，粗瞄和精瞄是分阶段操作的，往往需要音圈电机动子随着系统轴系做360度旋转，这时候普通结构的旋转式音圈电机就不能满足要求了。

一个盘式绕组旋转式音圈电机的结构示意图如图2所示。和图1中单极性磁路结构不同的是，这里采用双极性磁路设计，所以电机是单层结构，轴向尺寸大大压缩。另外，由于定子扼已经给主磁通提供足够的磁路，左右两个侧而不需要铁磁性材料支撑，所以动子部件可以360度自由旋转，满足特殊设备需要。