CN103453062B - 零刚度磁悬浮主动隔振器及其构成的六自由度隔振系统 - Google Patents

零刚度磁悬浮主动隔振器及其构成的六自由度隔振系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种结构紧凑的零刚度磁悬浮主动隔振器及其构成的六自由度隔振系统，属于精密隔振领域。该零刚度磁悬浮主动隔振器包括永磁被动隔振单元、主动隔振单元和安全限位组件。永磁被动隔振单元包括上部磁铁、下部磁铁、中间磁铁及其相关连接部件，磁铁为矩形磁铁。主动隔振单元可施加垂向和水平向的定位控制与振动主动控制，包括洛伦兹电机、速度传感器和位移传感器。安全限位组件具有机械水平调节和限位安全保护作用。本发明所提供的零刚度磁悬浮主动隔振器在水平向具有零刚度且在垂向具有承载力的同时具有准零刚度的特点，其构成的六自由度隔振系统适用于对低频振动敏感的精密加工与测量设备。

Description

零刚度磁悬浮主动隔振器及其构成的六自由度隔振系统
技术领域
本发明属于精密隔振领域，具体涉及一种零刚度磁悬浮主动隔振器及其构成的六自由度隔振系统。本发明所涉及的零刚度磁悬浮主动隔振器结构紧凑，其构成的六自由度隔振系统具有准零刚度的特点。
背景技术
随着精密加工与测量设备对振动的要求越来越严格，提高隔振器的性能变得越来越重要。引入振动主动控制和降低隔振器刚度是提高隔振性能的两种有效的方法。
振动主动控制能有效衰减系统固有频率附近频带范围内的振动，但对高频振动的衰减无作用。降低隔振器刚度可以提高整个隔振带宽，提升对高频振动的衰减作用。随着EUV极紫外光刻技术的发展，采用磁悬浮隔振的技术方案克服了一般隔振器难以实现真空环境应用的缺陷。传统的磁悬浮隔振器采用电磁控制实现其承载与振动主动控制，电磁控制的稳定性限制了电磁悬浮隔振器的实际应用，使得其无法实现更加优良的隔振性能。而一般的空气弹簧隔振器或者气浮隔振器虽然具有较大的承载力，但由于其存在气体的泄露，制约了其在真空环境中的应用。
美国专利US7290642B2提供了一种负刚度磁弹簧，该负刚度磁弹簧利用磁铁的相互吸引作用形成负的刚度特性，但其不稳定，必须与正刚度弹簧并联进行隔振。这种正负刚度并联隔振器可实现较低的系统固有频率，有利于提高隔振性能。
美国专利US6226075B1提供了一种气浮式隔振器，垂向采用圆锥面气浮轴承与空气弹簧相结合，刚度由空气弹簧决定;水平向采用端面止推气浮轴承，具有准零刚度的特点。但由于其存在气体泄漏，无法在真空环境中应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种零刚度磁悬浮主动隔振器及其构成的六自由度隔振系统，该零刚度磁悬浮主动隔振器结构紧凑，其构成的六自由度隔振系统具有准零刚度的特点，不仅对高频振动干扰具有良好的隔振效果，还能够有效地隔离地基和环境的超低频振动，为超精密加工与测量设备提供平稳的工作环境。
本发明提供的一种零刚度磁悬浮主动隔振器，其特征在于，它包括上部磁铁、中间磁铁和下部磁铁，上部磁铁和下部磁铁固定，中间磁铁能够在(x，y，z)三个方向上运动，上部磁铁和中间磁铁的磁化方向相同，下部磁铁与中间磁铁的磁化方向相反。
作为上述技术方案的改进，所述零刚度磁悬浮主动隔振器包括永磁被动隔振单元、主动隔振单元和安全限位组件;其中，永磁被动隔振单元除包括所述上部磁铁、下部磁铁和中间磁铁外，还包括上部磁扼、下部磁钝、中间磁铁盒、中间磁铁盒盖、负载连接杆、上限位块、下限位块以及磁扼固定连接杆;上部磁铁固定安装在上部磁扼上，组成永磁被动隔振单元的第一磁极部分;下部磁铁固定安装在下部磁扼上，组成永磁被动隔振单元的第二磁极部分;上部磁钝通过三角形布置的三个磁钝固定连接杆与下部磁扼固连，磁扼固定连接杆还用于中间磁铁盒的水平向限位;下部磁扼固定安装在底板上;底板与外部基础框架相连;中间磁铁、上部磁铁、下部磁铁三者的数量相同;中间磁铁安置在中间磁铁盒中，中间磁铁盒盖与中间磁铁盒固连，使得中间磁铁固定在中间磁铁盒中;中间磁铁盒通过负载连接杆与负载连接板相连，负载连接杆与负载连接板相连使中间磁铁盒的安装方向唯一;上限位块和下限位块用于中间磁铁盒在垂向的限位;三个上限位块呈三角形安装在上部磁钝上，三个下限位块呈三角形安装在下部磁扼上;主动隔振单元包括垂向洛伦兹电机定子、垂向洛伦兹电机动子、水平向洛伦兹电机定子、水平向洛伦兹电机动子、垂向速度传感器、水平向速度传感器、垂向位移传感器和水平向位移传感器;垂向速度传感器检测负载连接板的垂向振动速度，通过垂向洛伦兹电机反馈控制对负载连接板施加主动阻尼控制;垂向位移传感器检测负载连接板的垂向振动位移，通过垂向洛伦兹电机反馈控制对负载连接板施加垂向定位控制，水平向速度传感器检测负载连接板的水平向振动速度，通过水平向洛伦兹电机反馈控制对负载连接板施加主动阻尼控制;水平向位移传感器检测负载连接板的水平向振动位移，通过水平向洛伦兹电机反馈控制对负载连接板施加水平定位控制;垂向洛伦兹电机定子安装在垂向电机定子安装座上，垂向电机定子安装座固定安装在底板上;垂向洛伦兹电机动子与负载连接板固连;水平向洛伦兹电机定子安装在水平向电机定子安装座上，水平向电机定子安装座固定安装在底板上，水平向洛伦兹电机动子与负载连接板固连;垂向速度传感器安装在垂向速度传感器安装座内，垂向速度传感器安装座与负载连接板固连，用于检测负载连接板在垂向的绝对振动速度;水平向速度传感器安装在水平向速度传感器安装座内，水平向速度传感器安装座与负载连接板固连，用于检测负载连接板在水平向的绝对振动速度;垂向位移传感器与水平向位移传感器安装在位移传感器安装板上，位移传感器安装板安装在立柱上;垂向位移传感器检测负载连接板在垂向的振动位移，水平向位移传感器通过水平向位移检测靶板检测负载连接板在水平向的振动位移，水平向位移检测靶板固定安装在负载连接板上;负载连接板通过三个呈三角形布置的立柱与底板相连;负载连接板通过所述安全限位组件实现机械调平定位和限位。
由零刚度磁悬浮主动隔振器构成的六自由度零刚度主动隔振系统，其特征在于，该隔振系统包括三个或四个零刚度磁悬浮主动隔振器、主基板、基础框架以及调整支腿;三个零刚度磁悬浮主动隔振器分别位于等腰三角形的三个角点，或者四个零刚度磁悬浮主动隔振器分别位于长方形的四个角点，并固定安装在基础框架上，基础框架设置有调整支腿，主基板与各零刚度磁悬浮主动隔振器相连;通过调节调整支腿实现主基板的水平度调节。
本发明采用正负刚度并联的永磁磁悬浮主动隔振技术不仅可以克服电磁悬浮主动控制的缺陷，而且使得隔振器具有准零刚度的特点。本发明提供的零刚度磁悬浮主动隔振器及其构成的六自由度隔振系统应用于超低频精密隔振领域，具有准零刚度的特点，克服了一般隔振器无法实现或难以实现超低频隔振的缺点，能为精密加工与测量设备提供平稳的工作环境，适用于对低频振动敏感的精密加工与测量设备。
附图说明
图1为本发明所提供的零刚度磁悬浮主动隔振器的原理图;
图2为本发明图1所述隔振器原理图中z向的刚度曲线;
图3为本发明实例所提供的零刚度磁悬浮主动隔振器永磁被动隔振单元的局部剖视图;
图4为本发明实例所提供的零刚度磁悬浮主动隔振器永磁被动隔振单元的三维结构图;
图5为本发明实例所提供的零刚度磁悬浮主动隔振器永磁被动隔振单元的三维结构图;
图6为本发明实例所提供的零刚度磁悬浮主动隔振器永磁被动隔振单元磁铁的结构布置图;
图7为本发明实例所提供的零刚度磁悬浮主动隔振器的三维结构图;
图8为本发明实例所提供的零刚度磁悬浮主动隔振器的三维结构图;
图9为本发明实例所提供的六自由度零刚度主动隔振系统的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实例所提供的零刚度磁悬浮主动隔振器包括上部磁铁1、中间磁铁3和下部磁铁2，上部磁铁1和下部磁铁2固定，中间磁铁3可在x、y、z三个方向上运动。图中箭头所示方向为磁铁的磁化方向，即上部磁铁1和中间磁铁3的磁化方向相同，下部磁铁2与中间磁铁3的磁化方向相反。当中间磁铁3处于上部磁铁1和下部磁铁2的对称中间位置时，中间磁铁3受到上部磁铁1的吸力，同时受到下部磁铁2的斥力，在z向具有向上的合力，用于支承负载。负载与该合力平衡，使得中间磁铁3刚好处于上部磁铁1和下部磁铁2的中间位置。当中间磁铁3处于上部磁铁1和下部磁铁2的对称中间位置并且在x和y方向运动时，由于对称性其在x和y方向上受到上部磁铁1和下部磁铁2的合力为零，力与位移无关，水平向具有零刚度特性。由于本发明所提供的零刚度磁悬浮隔振器的刚度与磁铁尺寸以及磁铁间距h有关，且磁铁尺寸大小决定了其刚度大小。本发明实例综合考虑承载能力和整个结构大小，上部磁铁1和下部磁铁2在(x，y，z)方向上的尺寸均固定为50mm×50mm×10mm，中间磁铁3在x和y方向上的尺寸相同，数值在20mm到50mm之间，其在z方向上的尺寸在10mm到20mm之间，而磁铁间距h在18mm到25mm之间。另外，为了获得较为理想的零刚度特性，本发明中优化选择上部磁铁1和下部磁铁2在(x，y，z)方向上的尺寸均为50mm×50mm×10mm，中间磁铁3在(x，y，z)方向上的尺寸为30mm×30mm×17mm，磁铁间距h为20mm。
图2为本发明图1所述隔振器原理图中z向的刚度曲线。其中磁铁的几何参数和磁铁间距h如上所述。从图2中可以看出，在z向具有较小的振幅(±1mm以内)的条件下，z向刚度趋于零，具有准零刚度的特点。在精密隔振领域，振幅通常在微米级别，因此所述隔振器在z向上具有承载力的同时刚度几乎为零。
图3为本发明所提供零刚度磁悬浮主动隔振器永磁被动隔振单元的局部剖视图。图4和图5为本发明所提供的零刚度磁悬浮主动隔振器永磁被动隔振单元的三维结构图。图6为本发明所提供的零刚度磁悬浮主动隔振器永磁被动隔振单元磁铁的结构布置图。图7和图8为本发明所提供的零刚度磁悬浮主动隔振器的三维结构图。
本发明所提供的零刚度磁悬浮主动隔振器包括永磁被动隔振单元、主动隔振单元和安全限位组件。
如图3、图4、图5和图8所示，永磁被动隔振单元包括上部磁铁1、下部磁铁2、中间磁铁3、上部磁扼4、下部磁扼5、中间磁铁盒6、中间磁铁盒盖7、负载连接杆8、上限位块9a、下限位块9b以及磁扼固定连接杆10。一个或者多个上部磁铁1固定安装在上部磁扼4上，组成永磁被动隔振单元的第一磁极部分;一个或者多个下部磁铁2固定安装在下部磁扼5上，组成永磁被动隔振单元的第二磁极部分。上部磁扼4通过三角形布置的三个磁扼固定连接杆10与下部磁钝5固连，磁扼固定连接杆10还可用于中间磁铁盒6的水平向限位。下部磁扼5通过螺钉固定安装在底板25上。底板25通过螺钉与外部基础框架相连。中间磁铁3、上部磁铁1、下部磁铁2三者的数量相同。中间磁铁3安置在中间磁铁盒6中，中间磁铁盒盖7与中间磁铁盒6通过螺钉固连，使得中间磁铁3固定在中间磁铁盒6中。中间磁铁盒6通过负载连接杆8与负载连接板24相连，负载连接杆8与负载连接板24通过两个螺钉相连，确保中间磁铁盒6的安装方向唯一。上限位块9a和下限位块9b用于中间磁铁盒6在垂向的限位。三个上限位块9a呈三角形安装在上部磁扼4上，三个下限位块9b呈三角形安装在下部磁钝5上。
如图6所示，本发明所提供的磁铁部分可采用一个磁铁，或多个磁铁呈△型或者口字型布置，为了使得隔振器结构紧凑且具有较大的承载力，本实施例中采用八个磁铁呈口字型的布置形式。如图7和图8所示，主动隔振单元包括垂向洛伦兹电机定子11、垂向洛伦兹电机动子12、水平向洛伦兹电机定子13、水平向洛伦兹电机动子14、垂向速度传感器15、水平向速度传感器17、垂向位移传感器19和水平向位移传感器20。垂向速度传感器15检测负载连接板24的垂向振动速度，通过垂向洛伦兹电机反馈控制对负载连接板24施加主动阻尼控制;垂向位移传感器19检测负载连接板24的垂向振动位移，通过垂向洛伦兹电机反馈控制对负载连接板24施加垂向定位控制，保证永磁悬浮隔振器的稳定性。水平向速度传感器17检测负载连接板24的水平向振动速度，通过水平向洛伦兹电机反馈控制对负载连接板24施加主动阻尼控制;水平向位移传感器20检测负载连接板24的水平向振动位移，通过水平向洛伦兹电机反馈控制对负载连接板24施加水平定位控制。
垂向洛伦兹电机定子11安装在垂向电机定子安装座110上，垂向电机定子安装座110通过螺钉固定安装在底板25上。垂向洛伦兹电机动子12与负载连接板24固连。水平向洛伦兹电机定子13安装在水平向电机定子安装座130上，水平向电机定子安装座130通过螺钉固定安装在底板25上，水平向洛伦兹电机动子12与负载连接板24固连。
垂向速度传感器15通过紧定螺钉安装在垂向速度传感器安装座16内，垂向速度传感器安装座16通过螺钉与负载连接板24固连，用于检测负载连接板24在垂向的绝对振动速度。水平向速度传感器17通过紧定螺钉安装在水平向速度传感器安装座18内，水平向速度传感器安装座18通过螺钉与负载连接板24固连，用于检测负载连接板24在水平向的绝对振动速度。
垂向位移传感器19与水平向位移传感器20安装在位移传感器安装板22上，位移传感器安装板22是一种饭金结构，安装在立柱23上。垂向位移传感器19检测负载连接板25在垂向的振动位移，水平向位移传感器20通过水平向位移检测靶板21检测负载连接板25在水平向的振动位移，水平向位移检测靶板21固定安装在负载连接板25上。负载连接板24通过三个呈三角形布置的立柱23与底板25相连。
安全限位组件包括螺栓240和锁紧螺母241。锁紧螺母241通过螺纹与螺栓240相连。螺栓240通过螺纹与立柱23相连。安全限位组件可实现负载连接板24的机械调平定位。此外，安全限位组件还用于安全保护作用，限制隔振器工作中负载在垂向和水平向的位移，防止出现过大的振幅，在运输过程中还能起到锁紧隔振器，防止负载连接板24振动的作用。
图9为本发明所提供六自由度零刚度主动隔振系统的结构图。如图9所示，该隔振系统由三个零刚度磁悬浮主动隔振器100、主基板101、基础框架102以及调整支腿103组成，且呈等腰三角形布置。三个零刚度磁悬浮主动隔振器100分别位于等腰三角形的三个角点，固定安装在基础框架102上，基础框架通过三个调整支腿103放置在地基上，主基板101与三个零刚度磁悬浮主动隔振器100相连。通过调节调整支腿103可以实现主基板101的水平度调节。主基板101用于安置外部精密仪器与设备等需要精密隔振的部件。除了图9所示的采用三个零刚度磁悬浮主动隔振器100组成的隔振系统之外，为了进一步增大隔振系统承载能力，还可采用由四个零刚度磁悬浮主动隔振器100构成长方形的布置形式。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以，凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种零刚度磁悬浮主动隔振器，其特征在于，它包括永磁被动隔振单元、主动隔振单元和安全限位组件；
其中，永磁被动隔振单元包括上部磁铁(1)、下部磁铁(2)和中间磁铁(3)、上部磁轭(4)、下部磁轭(5)、中间磁铁盒(6)、中间磁铁盒盖(7)、负载连接杆(8)、上限位块(9a)、下限位块(9b)以及磁轭固定连接杆(10)；
上部磁铁(1)固定安装在上部磁轭(4)上，组成永磁被动隔振单元的第一磁极部分；下部磁铁(2)固定安装在下部磁轭(5)上，组成永磁被动隔振单元的第二磁极部分；上部磁轭(4)通过三角形布置的三个磁轭固定连接杆(10)与下部磁轭(5)固连，磁轭固定连接杆(10)还用于中间磁铁盒(6)的水平向限位；下部磁轭(5)固定安装在底板(25)上；底板(25)与外部基础框架相连；中间磁铁(3)、上部磁铁(1)、下部磁铁(2)三者的数量相同；中间磁铁(3)能够在(x，y，z)三个方向上运动，上部磁铁(1)和中间磁铁(3)的磁化方向相同，下部磁铁(2)与中间磁铁(3)的磁化方向相反；中间磁铁(3)安置在中间磁铁盒(6)中，中间磁铁盒盖(7)与中间磁铁盒(6)固连，使得中间磁铁(3)固定在中间磁铁盒(6)中；中间磁铁盒(6)通过负载连接杆(8)与负载连接板(24)相连，负载连接杆(8)与负载连接板(24)相连使中间磁铁盒(6)的安装方向唯一；上限位块(9a)和下限位块(9b)用于中间磁铁盒(6)在垂向的限位；三个上限位块(9a)呈三角形安装在上部磁轭(4)上，三个下限位块(9b)呈三角形安装在下部磁轭(5)上；
主动隔振单元包括垂向洛伦兹电机定子(11)、垂向洛伦兹电机动子(12)、水平向洛伦兹电机定子(13)、水平向洛伦兹电机动子(14)、垂向速度传感器(15)、水平向速度传感器(17)、垂向位移传感器(19)和水 平向位移传感器(20)；垂向速度传感器(15)检测负载连接板(24)的垂向振动速度，通过垂向洛伦兹电机反馈控制对负载连接板(24)施加主动阻尼控制；垂向位移传感器(19)检测负载连接板(24)的垂向振动位移，通过垂向洛伦兹电机反馈控制对负载连接板(24)施加垂向定位控制，水平向速度传感器(17)检测负载连接板(24)的水平向振动速度，通过水平向洛伦兹电机反馈控制对负载连接板(24)施加主动阻尼控制；水平向位移传感器(20)检测负载连接板(24)的水平向振动位移，通过水平向洛伦兹电机反馈控制对负载连接板(24)施加水平定位控制；
垂向洛伦兹电机定子(11)安装在垂向电机定子安装座(110)上，垂向电机定子安装座(110)固定安装在底板(25)上；垂向洛伦兹电机动子(12)与负载连接板(24)固连；水平向洛伦兹电机定子(13)安装在水平向电机定子安装座(130)上，水平向电机定子安装座(130)固定安装在底板(25)上，水平向洛伦兹电机动子(12)与负载连接板(24)固连；
垂向速度传感器(15)安装在垂向速度传感器安装座(16)内，垂向速度传感器安装座(16)与负载连接板(24)固连，用于检测负载连接板(24)在垂向的绝对振动速度；水平向速度传感器(17)安装在水平向速度传感器安装座(18)内，水平向速度传感器安装座(18)与负载连接板(24)固连，用于检测负载连接板(24)在水平向的绝对振动速度；
垂向位移传感器(19)与水平向位移传感器(20)安装在位移传感器安装板(22)上，位移传感器安装板(22)安装在立柱(23)上；垂向位移传感器(19)检测负载连接板(24)在垂向的振动位移，水平向位移传感器(20)通过水平向位移检测靶板(21)检测负载连接板(24)在水平向的振动位移，水平向位移检测靶板(21)固定安装在负载连接板(24)上；负载连接板(24)通过三个呈三角形布置的立柱(23)与底板(25)相连；
负载连接板(24)通过所述安全限位组件实现机械调平定位。
2.根据权利要求1所述的零刚度磁悬浮主动隔振器，其特征在于，上部磁铁(1)和下部磁铁(2)在(x，y，z)方向上的尺寸均为50mm×50mm×10mm，中间磁铁(3)在x和y方向上的尺寸相同，数值在20mm到50mm之间，其在z方向上的尺寸在10mm到20mm之间，上部磁铁(1)和中间磁铁(3)，以及中间磁铁(3)和下部磁铁(2)之间的间距均在18mm到25mm之间。
3.根据权利要求1所述的零刚度磁悬浮主动隔振器，其特征在于，上部磁铁(1)和下部磁铁(2)在(x，y，z)方向上的尺寸均为50mm×50mm×10mm，中间磁铁(3)在(x，y，z)方向上的尺寸为30mm×30mm×17mm，上部磁铁(1)和中间磁铁(3)，以及中间磁铁(3)和下部磁铁(2)之间的间距均为20mm。
4.根据权利要求1所述的零刚度磁悬浮主动隔振器，所述安全限位组件包括螺栓(240)和锁紧螺母(241)；锁紧螺母(241)通过螺纹与螺栓(240)相连；螺栓(240)通过螺纹与立柱(23)相连。
5.根据权利要求1所述的零刚度磁悬浮主动隔振器，其特征在于，所述上部磁铁(1)、下部磁铁(2)和中间磁铁(3)均采用一个磁铁，或由多个磁铁呈△型或者口字型布置构成。
6.一种由权利要求1至5中任一所述的零刚度磁悬浮主动隔振器构成的六自由度零刚度主动隔振系统，其特征在于，该隔振系统包括主基板(101)、基础框架(102)、调整支腿(103)和三个零刚度磁悬浮主动隔振器(100)，三个零刚度磁悬浮主动隔振器(100)分别位于等腰三角形的三个角点，固 定安装在基础框架(102)上，基础框架(102)设置有三个调整支腿(103)，主基板(101)与三个零刚度磁悬浮主动隔振器(100)相连；通过调节调整支腿(103)实现主基板(101)的水平度调节和限位。
7.一种由权利要求1至5中任一所述的零刚度磁悬浮主动隔振器构成的六自由度零刚度主动隔振系统，其特征在于，该隔振系统包括主基板(101)、基础框架(102)、调整支腿(103)和四个零刚度磁悬浮主动隔振器(100)、四个零刚度磁悬浮主动隔振器(100)分别位于长方形的四个角点，固定安装在基础框架(102)上，基础框架(102)设置有四个调整支腿(103)，主基板(101)与四个零刚度磁悬浮主动隔振器(100)相连。
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