微纳定位技术在精密制造、微操纵、超精测量等诸多领域有着广泛的应用。超精密加工、纳米光刻、激光焊接、高密度数据存储、光纤对准、生物医学操纵、光学仪器调整和原子力显微镜、扫描隧道显微镜等均以微纳定位技术作为基础支撑技术，而基于微纳定位技术的精密运动平台是精密检测、精密成像和光刻机等整机设备的关键核心子系统。诸如高通量基因测序仪、光刻机、超分辨显微成像仪和工业快速检测仪等一类精密仪器设备指标的提高，对运动平台的空间、加速度和精度等特性提出了更高的要求。

　　音圈电机（Voice Coil Motor，VCM）是一种特殊形式的直接驱动电机，属于微特电机，因其原理与扬声器类似而得名，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，与三相永磁直线电机相比，具有推力线性度高、控制简单及响应快等特点，是实现毫米级行程微纳米级定位的首选。

　　近年来，中国科学院宁波材料技术与工程研究所所属先进制造所精密运动与先进机器人团队在音圈电机的设计、制造、控制等方面进行系统研究，研究了不同结构类型、不同运行场合的高性能音圈电机，提出了基于双边Halbach阵列永磁体的动圈式音圈电机、动磁式音圈电机和基于柔性支撑结构的音圈电机等多种拓扑结构类型。为了实现高端IC制造光刻机的紧凑、高精密及多轴独立运行要求，团队提出了无铁心多层夹心阵列音圈电机结构，巧妙实现了在13cm长的空间内布局29个直线运动音圈电机单元。该结构每个单元音圈电机具有双层气隙，显著提高单元音圈电机的推力。通过采用参数化有限元建模优化铁心、永磁体及线圈等参数，进一步实现各单元电机性能参数一致且大推力（峰值推力＞7N），优化冷却结构实现阵列音圈电机的连续低温运行，所研发电机在13cm×6cm×5cm空间内实现29个音圈电机无电磁干扰的独立运行，加速度超过1g，精度＜1um（行程±4mm）。

　　此项研究得到NSFC-浙江两化融合联合基金（U1609206）、国家自然科学基金（51807194）、浙江省公益基金项目（LGG18E070007）和宁波市创新团队（2016B10016）项目资助。

a)二维模型，b)磁力线，c)磁密云图（二维），d)磁密云图（三维）

图1 阵列音圈电机模型及有限元分析

a)各单元电机推力与电流关系，b)额定电流与不通电流下气隙磁密误差值

图2 各个单元音圈电机推力及气隙磁密情况

　　（先进制造所 陈进华）