寧波材料所在陣列音圈電機(jī)方面取得進(jìn)展
微納定位技術(shù)在精密制造、微操縱、超精測量等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。超精密加工、納米光刻、激光焊接、高密度數(shù)據(jù)存儲、光纖對準(zhǔn)、生物醫(yī)學(xué)操縱、光學(xué)儀器調(diào)整和原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等均以微納定位技術(shù)作為基礎(chǔ)支撐技術(shù)，而基于微納定位技術(shù)的精密運(yùn)動平臺是精密檢測、精密成像和光刻機(jī)等整機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵核心子系統(tǒng)。諸如高通量基因測序儀、光刻機(jī)、超分辨顯微成像儀和工業(yè)快速檢測儀等一類精密儀器設(shè)備指標(biāo)的提高，對運(yùn)動平臺的空間、加速度和精度等特性提出了更高的要求。
音圈電機(jī)（Voice Coil Motor，VCM）是一種特殊形式的直接驅(qū)動電機(jī)，屬于微特電機(jī)，因其原理與揚(yáng)聲器類似而得名，具有結(jié)構(gòu)簡單、近零推力波動、高動態(tài)響應(yīng)及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。與壓電陶瓷、超磁致伸縮等短行程、高精度的執(zhí)行器相比，具有非接觸傳動和長行程的特點(diǎn)，與三相永磁直線電機(jī)相比，具有推力線性度高、控制簡單及響應(yīng)快等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)毫米級行程微納米級定位的首選。
近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬先進(jìn)制造所精密運(yùn)動與先進(jìn)機(jī)器人團(tuán)隊在音圈電機(jī)的設(shè)計、制造、控制等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，研究了不同結(jié)構(gòu)類型、不同運(yùn)行場合的高性能音圈電機(jī)，提出了基于雙邊Halbach陣列永磁體的動圈式音圈電機(jī)、動磁式音圈電機(jī)和基于柔性支撐結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型。為了實(shí)現(xiàn)高端IC制造光刻機(jī)的緊湊、高精密及多軸獨(dú)立運(yùn)行要求，團(tuán)隊提出了無鐵心多層夾心陣列音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)，巧妙實(shí)現(xiàn)了在13cm長的空間內(nèi)布局29個直線運(yùn)動音圈電機(jī)單元。該結(jié)構(gòu)每個單元音圈電機(jī)具有雙層氣隙，顯著提高單元音圈電機(jī)的推力。通過采用參數(shù)化有限元建模優(yōu)化鐵心、永磁體及線圈等參數(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)各單元電機(jī)性能參數(shù)一致且大推力（峰值推力＞7N），優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)陣列音圈電機(jī)的連續(xù)低溫運(yùn)行，所研發(fā)電機(jī)在13cm×6cm×5cm空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)29個音圈電機(jī)無電磁干擾的獨(dú)立運(yùn)行，加速度超過1g，精度＜1um（行程±4mm）。
此項(xiàng)研究得到NSFC-浙江兩化融合聯(lián)合基金（U1609206）、國家自然科學(xué)基金（51807194）、浙江省公益基金項(xiàng)目（LGG18E070007）和寧波市創(chuàng)新團(tuán)隊（2016B10016）項(xiàng)目資助。
a)二維模型，b)磁力線，c)磁密云圖（二維），d)磁密云圖（三維）
圖1 陣列音圈電機(jī)模型及有限元分析
a)各單元電機(jī)推力與電流關(guān)系，b)額定電流與不通電流下氣隙磁密誤差值
圖2 各個單元音圈電機(jī)推力及氣隙磁密情況
?。ㄏ冗M(jìn)制造所 陳進(jìn)華）