CN102758875A - 磁悬浮平衡质量框架 - Google Patents
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Abstract
磁悬浮平衡质量框架，涉及一种平衡质量框架。本发明解决了现有的平衡质量框架存在的问题，本发明提出一种新型的磁悬浮平衡质量框架。本发明的基础框架是平面矩形框架结构，所述框架结构上表面的四个角位置分别设置有四个磁悬浮支撑单元的定子，平衡质量框架位于所述基础框架的正上方，并且与四个磁悬浮支撑单元的动子固定连接；组成一对磁力恢复机构的两个磁力恢复机构的定子分别固定安装在基础框架相对的两个边上；组成一对电磁阻尼器的两个电磁阻尼器的定子分别固定安装在基础框架相对的两个边上；每个磁力恢复机构的动子与平衡质量框架固定连接，每个电磁阻尼器的动子均与平衡质量框架固定连。本发明可适用于真空环境。
Description
技术领域
本发明是涉及一种平衡质量框架。
背景技术
在光刻机工件台中，为了提高运动控制精度、减小冲击和振动，通常采用平衡质量框架来缓冲直线电机高速运动产生的反作用力，平衡质量框架一般采用静压气浮。当平衡质量框架偏离平衡位置后，需要采用恢复机构，使平衡质量框架回到平衡位置，特别是当作用到平衡质量框架上力存在高频力，由于平衡质量框架自身的阻尼小，需要外加阻尼力来快速衰减平衡质量框架的振动，以保证系统的稳定性。传统的恢复机构以及阻尼力的产生一般采用旋转电机来实现，通过检测平衡质量框架的位置和速度，采用闭环控制来使平衡质量框架快速、准确地回到平衡位置。
但是上述平衡质量框架存在如下问题：一是静压气浮系统复杂，且不能在真空环境下使用；二是恢复机构以及阻尼力的产生装置复杂，控制难度大。
发明内容
为了解决现有的平衡质量框架存在的问题，本发明提出一种新型的磁悬浮平衡质量框架。
本发明所述的磁悬浮平衡质量框架包括基础框架、平衡质量框架、四个磁悬浮支撑单元、一对磁力恢复机构以及一对电磁阻尼器；基础框架是平面矩形框架结构，所述框架结构上表面的四个角位置分别设置有四个磁悬浮支撑单元的定子，该四个磁悬浮支撑单元的定子均与基础框架由固定连接；平衡质量框架与基础框架相互平行设置，且位于所述基础框架的正上方，四个磁悬浮支撑单元的动子均与该平衡质量框架固定连接；组成一对磁力恢复机构的两个磁力恢复机构的定子分别固定安装在基础框架相对的两个边上；组成一对电磁阻尼器的两个电磁阻尼器的定子分别固定安装在基础框架相对的两个边上；并且，在基础框架的同一个边上同时设置有磁力恢复机构的定子和电磁阻尼器的定子；每个磁力恢复机构的动子与平衡质量框架固定连接，每个电磁阻尼器的动子均与平衡质量框架固定连。
本发明所述的磁悬浮支撑单元可以采用下述结构：
磁悬浮支撑单元包括定子和动子，定子由定子永磁体和定子永磁体固定板构成，定子永磁体粘贴固定在定子永磁体固定板的气隙侧，定子永磁体为平行充磁的平板形永磁体，所述充磁方向垂直于与该定子永磁体相邻气隙所在平面；动子由动子永磁体和动子永磁体固定板构成，动子永磁体粘贴固定在动子永磁体固定板的气隙侧，动子永磁体为平行充磁的平板形永磁体，该动子永磁体的充磁方向垂直于与该动子永磁体相邻气隙所在平面；定子永磁体和动子永磁体的充磁方向相反。
本发明所述的磁力恢复机构可以采用下述结构：
磁力恢复机构包括外励磁部件和内励磁部件，所述外励磁部件为筒形结构，内励磁部件位于外励磁部件内部，内励磁部件与外励磁部件之间为气隙；所述外励磁部件和内励磁部件之间产生沿水平方向相互排斥的力。
本发明所述的电磁阻尼器可以采用下述结构：
电磁阻尼器由初级和次级构成，初级包括低电阻率非磁性金属板；次级为双边次级结构，初级与双边次级之间为气隙；每边次级包括轭板、(n+1)组X向励磁单元与n组Y向励磁单元，n为大于或等于1的自然数，X向励磁单元由多块长条形X向永磁体构成，所述X向永磁体沿X向均匀排列并固定在平板形的轭板上，永磁体垂直于X-Y平面平行充磁，每相邻两块永磁体的充磁方向相反；Y向励磁单元由多块长条形Y向永磁体构成，所述Y向永磁体沿Y向均匀排列并固定在平板形的轭板上，永磁体垂直于X-Y平面平行充磁，每相邻两块永磁体的充磁方向相反；初级的低电阻率非磁性金属板的面积覆盖X向励磁单元和Y向励磁单元的运动范围。
本发明所述的磁悬浮平衡质量框架还可以包括间隙控制装置，该间隙控制装置用于调整磁悬浮支撑单元的定子和动子之间的气隙的宽度，间隙控制装置由电磁力发生单元和控制单元构成，所述电磁力发生单元由定子和动子组成，所述动子与基础框架固定连接，所述电磁力发生单元的动子与平衡质量框架固定连接，所述电励磁发生单元的定子和动子之间产生电磁力，所述控制单元用于发出控制信号给电磁力发生单元，用于控制电磁力发生单元的定子和动子之间所产生的电磁力的大小，以调整。
本发明的主要优点：（1）平衡质量框架采用磁悬浮支撑，干扰小、精度高，且可以在真空环境下使用；（2）恢复机构采用磁力恢复机构，实现了平衡质量框架与基础框架之间的完全非接触，且结构简单，不需要主动控制；（3）阻尼系统采用电磁阻尼器，确保了平衡质量框架与基础框架之间的完全非接触，且结构简单，不需要主动控制，降低了能量消耗，提高了环境温度控制精度。
附图说明
图1是本发明所述的磁悬浮平衡质量框架的总体结构示意图。
图2是图1的左视图。
图3和图4是基础框架1、平衡质量框架2和四个磁悬浮支撑单元3组合之后的结构示意图，其中，图3是基础框架1和四个磁悬浮支撑单元3的定子3-1组合之后的结构示意图；图4是组合之后的整体结构示意图。
图5至7是电磁阻尼器5的结构示意图，其中图5是整体结构示意图，图6是图5的正视图，图7是双边次级结构中的下次级的俯视图。
图8是具体实施方式四所述的磁力恢复机构4的结构示意图。
图9是具体实施方式六所述的磁力恢复机构4中的内励磁部件的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的磁悬浮平衡质量框架包括基础框架1、平衡质量框架2、四个磁悬浮支撑单元3、一对磁力恢复机构4以及一对电磁阻尼器5；
基础框架1是平面矩形框架结构，所述框架结构上表面的四个角位置分别设置有四个磁悬浮支撑单元3的定子3-1，该四个磁悬浮支撑单元的定子3-1均与基础框架1由固定连接；
平衡质量框架2与基础框架1相互平行设置，且位于所述基础框架的正上方，四个磁悬浮支撑单元的动子3-3均与该平衡质量框架2固定连接；
组成一对磁力恢复机构4的两个磁力恢复机构4的定子4-1分别固定安装在基础框架1相对的两个边上；
组成一对电磁阻尼器5的两个电磁阻尼器5的定子5-1分别固定安装在基础框架1相对的两个边上；并且，在基础框架1的同一个边上同时设置有磁力恢复机构4的定子4-1和电磁阻尼器5的定子5-1；
每个磁力恢复机构4的动子4-2与平衡质量框架2固定连接，每个电磁阻尼器5的动子5-2均与平衡质量框架2固定连。
参见图1和2所示，图1是本发明所述的磁悬浮平衡质量框架的结构示意图，图2是图1的左视图，从图2中可以看到，一个磁力恢复机构4和一个电磁阻尼器5位于同一侧。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的磁悬浮平衡质量框架的进一步限定，本实施方式中，磁悬浮支撑单元3包括定子和动子，定子由定子永磁体和定子永磁体固定板构成，定子永磁体粘贴固定在定子永磁体固定板的气隙侧，定子永磁体为平行充磁的平板形永磁体，所述充磁方向垂直于与该定子永磁体相邻气隙所在平面；动子由动子永磁体和动子永磁体固定板构成，动子永磁体粘贴固定在动子永磁体固定板的气隙侧，动子永磁体为平行充磁的平板形永磁体，该动子永磁体的充磁方向垂直于与该动子永磁体相邻气隙所在平面；定子永磁体和动子永磁体的充磁方向相反。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的磁悬浮平衡质量框架的进一步限定，本实施方式中，磁力恢复机构4包括外励磁部件和内励磁部件，所述外励磁部件为筒形结构，内励磁部件位于外励磁部件内部，内励磁部件与外励磁部件之间为气隙；所述外励磁部件和内励磁部件之间产生沿水平方向相互排斥的力。
本实施方式中，外励磁部件为筒形结构，一般采用矩形筒结构。
具体实施方式四：参见图8说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式三所述的磁悬浮平衡质量框架的进一步限定，本实施方式中，外励磁部件由外方形框架4-3和永磁体4-1构成，所述外方形框架4-3的四个内侧壁上均粘贴固定永磁体4-1，内励磁部件由内方形框架4-4和永磁体4-1构成，所述内方形框架的四个外侧壁上均粘贴固定有永磁体4-1；所述永磁体4-1为平行充磁的平板形永磁体。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的磁悬浮平衡质量框架的进一步限定，本实施方式中，所有永磁体4-1的充磁方向均为向内或向外，并且隔气隙相对的两块永磁体4-1的充磁方向相反；或者，所有永磁体4-1的充磁方向均为向上或向下，并且充磁方向均相同。
具体实施方式六：参见图9说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式三所述的磁悬浮平衡质量框架的进一步限定，本实施方式中，所述外励磁部件由外方形框架4-3和永磁体4-2构成，所述外方形框架4-3的四个内侧壁上均粘贴固定永磁体4-2，所述内励磁部件由两块平板形永磁体4-6与一块聚磁板4-5沿垂向叠加组成，所述聚磁板4-5位于两块平板形永磁体4-6之间，所述两块平板形永磁体4-6沿垂向平行充磁，并且充磁方向相反。
本实施方式中，內励磁部件采用两块平板形永磁体夹固一块聚磁板实现的，所述两块永磁体的永磁方向相反。使得两块永磁体产生的磁力线在聚磁板中的向四周扩散的，与其外部的外部励磁部件上的永磁体产生相互排斥的力。
在实际应用时，根据工艺需要，应该在该永磁体4-1的上下侧增加固定板，该固定板采用非导磁材料制作，所述固定板用于夹固两块永磁体及其中间的聚磁板。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的磁悬浮平衡质量框架的进一步限定，本实施方式中，电磁阻尼器5由初级5-1和次级5-2构成，初级5-1包括低电阻率非磁性金属板；次级5-2为双边次级结构，初级与双边次级之间为气隙；每边次级包括轭板、(n+1)组X向励磁单元与n组Y向励磁单元，n为大于或等于1的自然数，X向励磁单元由多块长条形X向永磁体构成，所述X向永磁体沿X向均匀排列并固定在平板形的轭板上，永磁体垂直于X-Y平面平行充磁，每相邻两块永磁体的充磁方向相反；Y向励磁单元由多块长条形Y向永磁体构成，所述Y向永磁体沿Y向均匀排列并固定在平板形的轭板上，永磁体垂直于X-Y平面平行充磁，每相邻两块永磁体的充磁方向相反；初级5-1的低电阻率非磁性金属板的面积覆盖X向励磁单元和Y向励磁单元的运动范围。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七所述的磁悬浮平衡质量框架的进一步限定，本实施方式中，所述电磁阻尼器5初级采用液体冷却结构，在初级金属板内沿其运动方向开有相互平行的冷却液通道。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式七所述的磁悬浮平衡质量框架的进一步限定，本实施方式中，所述电磁阻尼器5为动次级结构或者动初级结构。
具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式七所述的磁悬浮平衡质量框架的进一步限定，本实施方式中，它还包括间隙控制装置，该间隙控制装置用于调整磁悬浮支撑单元3的定子和动子之间的气隙的宽度，间隙控制装置由电磁力发生单元和控制单元构成，所述电磁力发生单元由定子和动子组成，所述定子与基础框架1固定连接，所述电磁力发生单元的动子与平衡质量框架2固定连接，所述电励磁发生单元的定子和动子之间产生电磁力，所述控制单元用于控制电磁力发生单元中定子与动子之间所产生的电磁力的大小。
本实施方式中所增加的间隙控制装置用于实现控制磁悬浮支撑单元的定子和动子之间的间隙的大小。其中，所述电磁力发生单元可以采用基于电磁铁原理的部件实现，例如：动子可以采用导磁块或永磁体块实现，定子采用电磁线圈实现，然后，通过控制单元控制电磁线圈中的电流来控制所述电磁线圈产生的磁场的大小，进而控制电磁线圈与导磁块之间的吸引力的大小，进而实现控制磁悬浮支撑单元3的定子和动子之间的间隙的目的。
当上述结构中的动子采用永磁体实现时，通过控制单元调整作为定子的电磁线圈中电流的方向，实现对动子和定子之间产生吸引力或排斥力的调整。
上述结构中，所述动子也可以采用电磁线圈实现。
本发明中的平衡质量框架可以采用非磁性材料构成。
Claims (10)
1.磁悬浮平衡质量框架，其特征在于，它包括基础框架（1）、平衡质量框架（2）、四个磁悬浮支撑单元（3）、一对磁力恢复机构（4）以及一对电磁阻尼器（5）；
基础框架（1）是平面矩形框架结构，所述框架结构上表面的四个角位置分别设置有四个磁悬浮支撑单元（3）的定子（3-1），该四个磁悬浮支撑单元的定子（3-1）均与基础框架（1）由固定连接；
平衡质量框架（2）与基础框架（1）相互平行设置，且位于所述基础框架的正上方，四个磁悬浮支撑单元的动子3-2均与该平衡质量框架（2）固定连接；
组成一对磁力恢复机构（4）的两个磁力恢复机构（4）的定子（4-1）分别固定安装在基础框架（1）相对的两个边上；
组成一对电磁阻尼器（5）的两个电磁阻尼器（5）的定子（5-1）分别固定安装在基础框架（1）相对的两个边上；并且，在基础框架（1）的同一个边上同时设置有磁力恢复机构（4）的定子（4-1）和电磁阻尼器（5）的定子（5-1）；
每个磁力恢复机构（4）的动子4-2与平衡质量框架（2）固定连接，每个电磁阻尼器（5）的动子5-2均与平衡质量框架（2）固定连。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮平衡质量框架，其特征在于，磁悬浮支撑单元（3）包括定子和动子，定子由定子永磁体和定子永磁体固定板构成，定子永磁体粘贴固定在定子永磁体固定板的气隙侧，定子永磁体为平行充磁的平板形永磁体，所述充磁方向垂直于与该定子永磁体相邻气隙所在平面；动子由动子永磁体和动子永磁体固定板构成，动子永磁体粘贴固定在动子永磁体固定板的气隙侧，动子永磁体为平行充磁的平板形永磁体，该动子永磁体的充磁方向垂直于与该动子永磁体相邻气隙所在平面；定子永磁体和动子永磁体的充磁方向相反。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮平衡质量框架，其特征在于，磁力恢复机构（4）包括外励磁部件和内励磁部件，所述外励磁部件为筒形结构，内励磁部件位于外励磁部件内部，内励磁部件与外励磁部件之间为气隙；所述外励磁部件和内励磁部件之间产生沿水平方向相互排斥的力。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮平衡质量框架，其特征在于，所述外励磁部件由外方形框架（4-3）和永磁体（4-2）构成，所述外方形框架（4-3）的四个内侧壁上均粘贴固定永磁体（4-2），内励磁部件由内方形框架（4-4）和永磁体（4-2）构成，所述内方形框架的四个外侧壁上均粘贴固定有永磁体（4-2）；所述永磁体（4-2）为平行充磁的平板形永磁体。
5.根据权利要求4所述的磁悬浮平衡质量框架，其特征在于，所有永磁体（4-2）的充磁方向均为向内或向外，并且隔气隙相对的两块永磁体（4-2）的充磁方向相反；或者，所有永磁体（4-2）的充磁方向均为向上或向下，并且充磁方向均相同。
6.根据权利要求3所述的磁悬浮平衡质量框架，其特征在于，所述外励磁部件由外方形框架（4-3）和永磁体（4-2）构成，所述外方形框架（4-3）的四个内侧壁上均粘贴固定永磁体（4-2），所述内励磁部件由两块平板形永磁体（4-6）与一块聚磁板（4-5）沿垂向叠加组成，所述聚磁板（4-5）位于两块平板形永磁体（4-6）之间，所述两块平板形永磁体（4-6）沿垂向平行充磁，并且充磁方向相反。
7.根据权利要求1所述的磁悬浮平衡质量框架，其特征在于，电磁阻尼器（5）由初级（5-1）和次级（5-2）构成，初级（5-1）包括低电阻率非磁性金属板；次级（5-2）为双边次级结构，初级与双边次级之间为气隙；每边次级包括轭板（5-1-1）、(n+1)组X向励磁单元（5-1-2）与n组Y向励磁单元（5-1-3），n为大于或等于1的自然数，X向励磁单元由多块长条形X向永磁体构成，所述X向永磁体沿X向均匀排列并固定在平板形的轭板上，永磁体垂直于X-Y平面平行充磁，每相邻两块永磁体的充磁方向相反；Y向励磁单元由多块长条形Y向永磁体构成，所述Y向永磁体沿Y向均匀排列并固定在平板形的轭板上，永磁体垂直于X-Y平面平行充磁，每相邻两块永磁体的充磁方向相反；初级（5-1）的低电阻率非磁性金属板的面积覆盖X向励磁单元和Y向励磁单元的运动范围。
8.根据权利要求7所述的磁悬浮平衡质量框架，其特征在于，所述电磁阻尼器（5）初级采用液体冷却结构，在初级金属板内沿其运动方向开有相互平行的冷却液通道。
9.根据权利要求7所述的磁悬浮平衡质量框架，其特征在于，所述电磁阻尼器（5）为动次级结构或者动初级结构。
10.根据权利要求1所述的磁悬浮平衡质量框架，其特征在于，它还包括间隙控制装置，该间隙控制装置用于调整磁悬浮支撑单元（3）的定子和动子之间的气隙的宽度，间隙控制装置由电磁力发生单元和控制单元构成，所述电磁力发生单元由定子和动子组成，所述定子与基础框架（1）固定连接，所述电磁力发生单元的动子与平衡质量框架（2）固定连接，所述电励磁发生单元的定子和动子之间产生电磁力，所述控制单元用于控制电磁力发生单元中定子与动子之间所产生的电磁力的大小。
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