CN103277409A - 一种新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨，其包括导轨、悬浮平台、设于悬浮平台上的多块电磁铁、及用于检测悬浮平台各方向运动状态的气隙检测位移传感器组。多块电磁铁成对且两两相对地设置在悬浮平台上，每组电磁铁对的励磁均采用差动控制模式，以提供平稳的悬浮力和导向力。各电磁铁的工作磁路所在的平面分别与悬浮平台的运行方向平行；处于悬浮平台一角的三个电磁铁的绕组电流方向相同。本发明利用电磁铁产生的电磁吸力实现悬浮平台的五自由度悬浮，解决了电磁铁之间的磁场耦合问题，磁悬浮平台具有无接触、无润滑、长行程、高精度、高速度和可调动静态刚度等优点，适合高档数控机床和光刻机等要求超洁净、高精密等性能的直线进给设备。

Description

一种新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨

技术领域

本发明属于精密加工领域，具体涉及一种新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨。

背景技术

现代制造领域对精密加工的设备要求逐步提高，特别是对高速、高精度的直线进给平台要求越来越高，例如高档数控机床和IC制造设备的光刻机等。传统的直线进给平台利用机械支撑技术，如滑动导轨和滚动导轨等，这些机械导轨存在摩擦损耗、带来金属粉尘、需要润滑维护等问题，不适用于一些高速高精度和超洁净环境要求的场合。

近年来气浮支撑技术逐步应用于直线进给平台中，解决了机械摩擦和维护等问题，但气浮平台的工作原理限制了其承载能力和动静态刚度，不能应用于真空场合，而且其要求空气压缩机等辅助设备，成本高和体积大。与上述支撑技术相比，磁浮支撑技术具有无摩擦、高精度、高速度、易于维护、适用真空环境、承载能力大和可调动静态刚度等优点，配合现代控制技术，磁浮导轨具有巨大的研究价值和应用前景。

目前，磁浮导轨的相近电磁铁分布多采用电磁铁磁路在同一平面的分布结构，这带来了电磁铁磁场之间相互耦合的问题。如上海大学在申请号为200310107944.0专利中提出一种工业应用型主动磁悬浮机床导轨直线电机进给平台，其采用的U型结构电磁铁磁路在同一平面内，使得承载电磁铁和导向电磁铁磁路耦合，影响悬浮机构模型的建立和控制的精度。

南通大学在申请号为200710026069.1中提出一种智能型磁悬浮直线进给单元，其未给出电磁铁磁路的分布形式。

中南大学在申请号为201010242033.9中提出一种采用磁悬浮技术的光刻机掩模台，其上下面采用U型电磁铁，侧面采用E型电磁铁，这种电磁铁的组合形式能够减少磁场之间的耦合，但由于临近电磁铁磁路仍然在同一平面内，磁场耦合依旧存在。

发明内容

本发明是为了解决磁浮导轨中相邻电磁铁之间磁场相互耦合问题，提出一种新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨。

本发明的技术解决方案如下：一种新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨，包括基座、固设在基座上的导轨、套设在导轨外侧的悬浮平台，设置于悬浮平台上的多块电磁铁、以及设置在悬浮平台上用于检测悬浮平台各方向运动状态的气隙检测位移传感器组；所述悬浮平台在电磁铁的悬浮力、以及气隙检测位移传感器组的反馈作用下稳定悬浮于导轨上；所述悬浮平台上设置有构成第一组电磁铁对的第一电磁铁和第二电磁铁，构成第二组电磁铁对的第三电磁铁和第四电磁铁，构成第三组电磁铁对的第五电磁铁和第六电磁铁，构成第四组电磁铁对的第七电磁铁和第八电磁铁，构成第五组电磁铁对的第九电磁铁和第十电磁铁，构成第六组电磁铁对的第十一电磁铁和第十二电磁铁；各组所述电磁铁对的励磁均采用差动控制模式：每一个电磁铁对中的一个电磁铁以偏置电流I₀与控制电流i之和励磁，而另一个电磁铁则以偏置电流I₀与控制电流i之差励磁；其特点是，

所述悬浮平台包括通过相应的连接板连接的上支板、固装在上支板左端的左侧支板、固装在上支板右端的右侧支板、位于上支板的下方且固装在左侧支板自由端的左侧下支板、以及位于上支板的下方且固装在右侧支板自由端的右侧下支板，相邻两块支板相互垂直；

所述第一、第三、第五和第七电磁铁分别固装在上支板下表面的四角，固装在左侧下支板上表面的第二和第八电磁铁分别对应地与第一和第三电磁铁垂直对应，固装在右侧下支板上表面的第四和第六电磁铁分别对应地与第三和第五电磁铁垂直对应；所述第九和第十一电磁铁分别固装在左侧支板的右侧表面上，且第九和第十一电磁铁的连线经过左侧支板的中心且与上支板平行，固装在右侧支板的左侧表面的第十和第十二电磁铁分别对应地与第九和第十一电磁铁水平对应；并且，

各所述电磁铁的工作磁路所在的平面分别与悬浮平台的运行方向平行；第一电磁铁、第二电磁铁和第九电磁铁的绕组电流方向相同，第三电磁铁、第四电磁铁和第十电磁铁的绕组电流方向相同；第五电磁铁、第六电磁铁和第十二电磁铁的绕组电流方向相同；第七电磁铁、第八电磁铁和第十一电磁铁的绕组电流方向相同。

优选的是，所述气隙检测位移传感器组包括六个气隙检测位移传感器，其中四个气隙检测位移传感器分别固装在所述上支板上表面的对应第一、第三、第五和第七电磁铁的位置，其余两个气隙检测位移传感器分别固装在所述左侧支板左侧表面的对应第九和第十一电磁铁的位置。

优选的是，各所述电磁铁为U型电磁铁，所述U型电磁铁的铁芯采用叠片式硅钢片结构，在铜绕组两侧紧贴有冷却管。

优选的是，所述新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨还包括两个悬浮平台辅助支撑定子和两个悬浮平台辅助支撑动子，其中，悬浮平台辅助支撑定子的上表面沿其长度方向设置有与悬浮平台辅助支撑动子相匹配的滑槽；两个所述悬浮平台辅助支撑定子固装在基座上且位于导轨的两侧，两个悬浮平台辅助支撑动子分别固装在所述左侧下支板下表面的左端，和所述右侧下支板下表面的右端；并且，

当各电磁铁未给电时，两个所述悬浮平台辅助支撑动子分别相对应地落入两个所述悬浮平台辅助支撑定子的滑槽内，以支撑所述悬浮平台；所述滑槽的深度还需满足：当悬浮平台辅助支撑动子落入悬浮平台辅助支撑定子的滑槽内时，所述悬浮平台与导轨的各面之间仍留有一定的气隙量。

优选的是，所述新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨还包括第一悬浮平台辅助支撑定子、第二悬浮平台辅助支撑定子、第一悬浮平台辅助支撑动子和第二悬浮平台辅助支撑动子，其中，第一悬浮平台辅助支撑定子的上表面沿其长度方向设置有与第一悬浮平台辅助支撑动子相匹配的滑槽；第二悬浮平台辅助支撑定子的上表面为平面，第二悬浮平台辅助支撑动子的下表面为平面；固装在基座上的第一和第二悬浮平台辅助支撑定子分别位于导轨的左右两侧，第一和第二悬浮平台辅助支撑动子分别固装在所述左侧下支板下表面的左端，和所述右侧下支板下表面的右端；并且，

当各电磁铁未给电时，第一和第二悬浮平台辅助支撑动子分别相对应地落在第一悬浮平台辅助支撑定子的滑槽内和第二悬浮平台辅助支撑定子上；所述第一和第二悬浮平台辅助支撑定子的上表面还需满足：当第一悬浮平台辅助支撑动子落入第一悬浮平台辅助支撑定子的滑槽内，且第二悬浮平台辅助支撑动子落在第二悬浮平台辅助支撑定子的上表面时，所述悬浮平台与导轨的各面之间仍留有一定的气隙量。

本发明的有益效果在于，本发明在具有磁浮导轨无摩擦、高速、高精度和五自由度悬浮的同时，通过对电磁铁分布进行设计，使得相邻电磁铁之间磁路不在同一平面内，解决了电磁铁磁场相互耦合的问题，提高了磁浮导轨的控制精度。

附图说明

图1示出了本发明所述的新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨的整体结构示意图。

图2示出了图1所示的新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨的正视图。

图3示出了图1中所示的电磁铁、位置传感器和连接板之间的空间分布图。

图4示出了图1中所示的十二个电磁铁在工作平台上的分布图。

图5示出了图1、图3和图4中示出的电磁铁的结构示意图。

图6示出了图1中所示的相邻的（位于工作平台一角上的）三个电磁铁的磁场分布图，其中，图6a和6b分别为上述磁场分布的三维视图以及该三维视图的正视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式。本实施方式所述的新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨，包括基座1、固设在基座1上的导轨2、套设在导轨2外侧的悬浮平台3，设置于悬浮平台3上的12块电磁铁、以及设置在悬浮平台3上用于检测悬浮平台3各方向运动状态的气隙检测位移传感器组；所述悬浮平台3在12块电磁铁的悬浮力、以及气隙检测位移传感器组的反馈作用下稳定悬浮于导轨2上（以包住导轨2的形式）。

提供五自由度悬浮的12块电磁铁包括：构成第一组电磁铁对的第一电磁铁311A和第二电磁铁311B，构成第二组电磁铁对的第三电磁铁312A和第四电磁铁312B，构成第三组电磁铁对的第五电磁铁313A和第六电磁铁313B，构成第四组电磁铁对的第七电磁铁314A和第八电磁铁314B，构成第五组电磁铁对的第九电磁铁315A和第十电磁铁315B，构成第六组电磁铁对的第十一电磁铁316A和第十二电磁铁316B。

所述气隙检测位移传感器组包括六个气隙检测位移传感器，其中四个气隙检测位移传感器321、322、323、324分别固装在所述上支板301上表面的对应第一电磁铁311A、第三电磁铁312A、第五电磁铁313A和第七电磁铁314A的位置，其余两个气隙检测位移传感器325、326分别固装在所述左侧支板302左侧表面的对应第九电磁铁315A和第十一电磁铁316A的位置。

具体实施方式二：结合图3和图4说明本实施方式。所述悬浮平台3包括通过相应的连接板331、332、333、334、335、336、337、338连接的上支板301、固装在上支板301左端的左侧支板302、固装在上支板301右端的右侧支板303、位于上支板301的下方且固装在左侧支板302自由端的左侧下支板304、以及位于上支板301的下方且固装在右侧支板303自由端的右侧下支板305，相邻两块支板之间相互垂直。

所述第一电磁铁311A、第三电磁铁312A、第五电磁铁313A和第七电磁铁314A分别固装在上支板301下表面的四角，固装在左侧下支板304上表面的第二电磁铁311B和第八电磁铁312B分别对应地与第一电磁铁311A和第三电磁铁312A垂直对应，固装在右侧下支板305上表面的第四电磁铁312B和第六电磁铁313B分别对应地与第三电磁铁312A和第五电磁铁313A垂直对应；所述第九电磁铁315A和第十一电磁铁316A分别固装在左侧支板302的右侧表面上，且第九电磁铁315A和第十一电磁铁316A的连线经过左侧支板302的中心且与上支板301平行，固装在右侧支板303的左侧表面的第十电磁铁15B和第十二电磁铁316B分别对应地与第九电磁铁315A和第十一电磁铁316A水平对应。

上述六组电磁铁对中，各组所述电磁铁对的励磁均采用差动控制模式：每一个电磁铁对中的一个电磁铁以偏置电流I₀与控制电流i之和励磁，而另一个电磁铁则以偏置电流I₀与控制电流i之差励磁。并且，各个包括有垂直对应设置的两块电磁铁的第一组电磁铁对、第二组电磁铁对、第三组电磁铁对和第四组电磁铁对提供Z方向平动、绕X轴翻滚和绕Y轴俯仰三个自由度控制，各个包括有水平对应设置的两个电磁铁的第五组电磁铁对和第六组电磁铁对提供Y方向平动和绕Z轴转动两个自由度控制。

具体实施方式三：结合图5说明本实施方式。图5为本发明中各所述电磁铁结构图，所有的电磁铁均采用U型结构，铁芯采用硅钢片341叠加而成，在铜绕组343两侧紧贴冷却管344，固定件342将电磁铁固定于悬浮平台33的各支板上。

具体实施方式四：结合图3、图4和图6说明本实施方式。各所述电磁铁的工作磁路所在的平面分别与悬浮平台3的运行方向平行；第一电磁铁311A、第二电磁铁311B和第九电磁铁315A的绕组电流方向相同，第三电磁铁312A、第四电磁铁312B和第十电磁铁315B的绕组电流方向相同；第五电磁铁313A、第六电磁铁313B和第十二电磁铁316B的绕组电流方向相同；第七电磁铁314A、第八电磁铁314B和第十一电磁铁316A的绕组电流方向相同。

以第一电磁铁311A、第二电磁铁311B和第九电磁铁315A为例，第一电磁铁311A、第二电磁铁311B和第九电磁铁315A按照各自的工作磁路所在的平面与悬浮平台33的运动方向平行安装，图6b中第一电磁铁311A、第二电磁铁311B和第九电磁铁315A的绕组电流方向相同，从而使得第一电磁铁311A、第二电磁铁311B和第九电磁铁315A的等效磁极方向相同。由图5b中磁密的移动方向可以看出，第一电磁铁311A、第二电磁铁311B和第九电磁铁315A的等效磁极N分别在一侧，同时上述三个电磁铁的等效磁极S分布在另一侧，从而可以实现第一电磁铁311A、第二电磁铁311B和第九电磁铁315A之间完全解耦。同理，也可以实现第三电磁铁312A、第四电磁铁312B和第十电磁铁315B之间的完全解耦、第五电磁铁313A、第六电磁铁313B和第十二电磁铁316B之间的完全解耦、以及第七电磁铁314A、第八电磁铁314B和第十一电磁铁316A之间的完全解耦。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式。所述新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨还包括第一悬浮平台辅助支撑定子401A、第二悬浮平台辅助支撑定子402A、第一悬浮平台辅助支撑动子401B和第二悬浮平台辅助支撑动子402B，用于在本装置不工作时，对悬浮平台3起支撑作用。

其中，第一悬浮平台辅助支撑定子401A的上表面沿其长度方向设置有与第一悬浮平台辅助支撑动子401B相匹配的滑槽；第二悬浮平台辅助支撑定子402A的上表面为平面，第二悬浮平台辅助支撑动子402B的下表面为平面；固装在基座1上的第一悬浮平台辅助支撑定子401A和第二悬浮平台辅助支撑定子402A分别位于导轨2的左右两侧，第一悬浮平台辅助支撑动子401B和第二悬浮平台辅助支撑动子402B分别固装在所述左侧下支板304下表面的左端，和所述右侧下支板305下表面的右端。当各电磁铁未给电时，第一悬浮平台辅助支撑动子401B和第二悬浮平台辅助支撑动子402B分别相对应地落在第一悬浮平台辅助支撑定子401A的滑槽内和第二悬浮平台辅助支撑定子402A上；所述第一悬浮平台辅助支撑定子401A和第二悬浮平台辅助支撑定子402A的上表面还需满足：当第一悬浮平台辅助支撑动子401B落入第一悬浮平台辅助支撑定子401A的滑槽内，且第二悬浮平台辅助支撑动子402B落在第二悬浮平台辅助支撑定子402A的上表面时，所述悬浮平台3与导轨2的各面之间仍留有一定的气隙量。

值得注意的是，上述第二悬浮平台辅助支撑定子402A和与其相匹配的第二悬浮平台辅助支撑动子402B也可以跟第一悬浮平台辅助支撑定子401A和与其相匹配的第一悬浮平台辅助支撑动子401B具有相同的结构。即：

所述新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨还包括两个悬浮平台辅助支撑定子和两个悬浮平台辅助支撑动子，其中，悬浮平台辅助支撑定子的上表面沿其长度方向设置有与悬浮平台辅助支撑动子相匹配的滑槽；两个所述悬浮平台辅助支撑定子固装在基座1上且位于导轨2的两侧，两个悬浮平台辅助支撑动子分别固装在所述左侧下支板304下表面的左端，和所述右侧下支板305下表面的右端。当各电磁铁未给电时，两个所述悬浮平台辅助支撑动子分别相对应地落入两个所述悬浮平台辅助支撑定子的滑槽内，以支撑所述悬浮平台3；所述滑槽的深度还需满足：当悬浮平台辅助支撑动子落入悬浮平台辅助支撑定子的滑槽内时，所述悬浮平台3与导轨2的各面之间仍留有一定的气隙量。

综上，本发明利用电磁铁产生的电磁吸力实现悬浮平台的五自由度悬浮，解决了电磁铁之间的磁场耦合问题，使得磁悬浮平台具有无接触、无润滑、长行程、高精度、高速度和可调动静态刚度等优点，适合高档数控机床和光刻机等要求超洁净、高精密等性能的直线进给设备。

综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims (5)

1.一种新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨，包括基座、固设在基座上的导轨、套设在导轨外侧的悬浮平台，设置于悬浮平台上的多块电磁铁、以及设置在悬浮平台上用于检测悬浮平台各方向运动状态的气隙检测位移传感器组；所述悬浮平台在电磁铁的悬浮力、以及气隙检测位移传感器组的反馈作用下稳定悬浮于导轨上；所述悬浮平台上设置有构成第一组电磁铁对的第一电磁铁和第二电磁铁，构成第二组电磁铁对的第三电磁铁和第四电磁铁，构成第三组电磁铁对的第五电磁铁和第六电磁铁，构成第四组电磁铁对的第七电磁铁和第八电磁铁，构成第五组电磁铁对的第九电磁铁和第十电磁铁，构成第六组电磁铁对的第十一电磁铁和第十二电磁铁；各组所述电磁铁对的励磁均采用差动控制模式：每一个电磁铁对中的一个电磁铁以偏置电流I₀与控制电流i之和励磁，而另一个电磁铁则以偏置电流I₀与控制电流i之差励磁；其特征在于：

所述悬浮平台包括通过相应的连接板连接的上支板、固装在上支板左端的左侧支板、固装在上支板右端的右侧支板、位于上支板的下方且固装在左侧支板自由端的左侧下支板、以及位于上支板的下方且固装在右侧支板自由端的右侧下支板，相邻两块支板相互垂直；

所述第一、第三、第五和第七电磁铁分别固装在上支板下表面的四角，固装在左侧下支板上表面的第二和第八电磁铁分别对应地与第一和第三电磁铁垂直对应，固装在右侧下支板上表面的第四和第六电磁铁分别对应地与第三和第五电磁铁垂直对应；所述第九和第十一电磁铁分别固装在左侧支板的右侧表面上，且第九和第十一电磁铁的连线经过左侧支板的中心且与上支板平行，固装在右侧支板的左侧表面的第十和第十二电磁铁分别对应地与第九和第十一电磁铁水平对应；并且，

各所述电磁铁的工作磁路所在的平面分别与悬浮平台的运行方向平行；第一电磁铁、第二电磁铁和第九电磁铁的绕组电流方向相同，第三电磁铁、第四电磁铁和第十电磁铁的绕组电流方向相同；第五电磁铁、第六电磁铁和第十二电磁铁的绕组电流方向相同；第七电磁铁、第八电磁铁和第十一电磁铁的绕组电流方向相同。

2.根据权利要求1所述的新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨，其特征在于：所述气隙检测位移传感器组包括六个气隙检测位移传感器，其中四个气隙检测位移传感器分别固装在所述上支板上表面的对应第一、第三、第五和第七电磁铁的位置，其余两个气隙检测位移传感器分别固装在所述左侧支板左侧表面的对应第九和第十一电磁铁的位置。

3.根据权利要求1或2所述的新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨，其特征在于：各所述电磁铁为U型电磁铁，所述U型电磁铁的铁芯采用叠片式硅钢片结构，在铜绕组两侧紧贴有冷却管。

4.根据权利要求1或2所述的新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨，其特征在于：所述新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨还包括两个悬浮平台辅助支撑定子和两个悬浮平台辅助支撑动子，其中，悬浮平台辅助支撑定子的上表面沿其长度方向设置有与悬浮平台辅助支撑动子相匹配的滑槽；两个所述悬浮平台辅助支撑定子固装在基座上且位于导轨的两侧，两个悬浮平台辅助支撑动子分别固装在所述左侧下支板下表面的左端，和所述右侧下支板下表面的右端；并且，

当各电磁铁未给电时，两个所述悬浮平台辅助支撑动子分别相对应地落入两个所述悬浮平台辅助支撑定子的滑槽内，以支撑所述悬浮平台；所述滑槽的深度还需满足：当悬浮平台辅助支撑动子落入悬浮平台辅助支撑定子的滑槽内时，所述悬浮平台与导轨的各面之间仍留有一定的气隙量。

5.根据权利要求1或2所述的新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨，其特征在于：所述新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨还包括第一悬浮平台辅助支撑定子、第二悬浮平台辅助支撑定子、第一悬浮平台辅助支撑动子和第二悬浮平台辅助支撑动子，其中，第一悬浮平台辅助支撑定子的上表面沿其长度方向设置有与第一悬浮平台辅助支撑动子相匹配的滑槽；第二悬浮平台辅助支撑定子的上表面为平面，第二悬浮平台辅助支撑动子的下表面为平面；固装在基座上的第一和第二悬浮平台辅助支撑定子分别位于导轨的左右两侧，第一和第二悬浮平台辅助支撑动子分别固装在所述左侧下支板下表面的左端，和所述右侧下支板下表面的右端；并且，

当各电磁铁未给电时，第一和第二悬浮平台辅助支撑动子分别相对应地落在第一悬浮平台辅助支撑定子的滑槽内和第二悬浮平台辅助支撑定子上；所述第一和第二悬浮平台辅助支撑定子的上表面还需满足：当第一悬浮平台辅助支撑动子落入第一悬浮平台辅助支撑定子的滑槽内，且第二悬浮平台辅助支撑动子落在第二悬浮平台辅助支撑定子的上表面时，所述悬浮平台与导轨的各面之间仍留有一定的气隙量。

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