中文摘要：

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。

结论摘要：

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