CN104847825B - 阵列式磁浮重力补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阵列式高输出磁浮重力补偿器，包括两个定子结构和一个动子结构，两个所述定子结构分别从所述动子结构的上、下两侧对所述动子结构施加磁吸力和磁斥力，实现所述动子结构的重力补偿，且使得所述定子结构对所述动子结构所施加的水平向分力均抵消。本发明提出了一种新结构，首先利用两个定子从上、下两侧对动子施加磁力，进而利用该磁力形成悬浮力，起到了补偿重力的作用；其次，通过合理设置磁钢阵列，消除或减小一般磁浮重力补偿器固有的水平向寄生拉力和水平向刚度；再次，使得动子结构垂向受力恒定，垂向力输出增加，从而减少垂向刚度；最后，本发明中的阵列式磁浮重力补偿器磁钢均为长方体，大大改善了安装难度和精度情况。

Description

阵列式磁浮重力补偿器

技术领域

本发明涉及精密仪器加工领域，尤其涉及一种阵列式磁浮重力补偿器。

背景技术

高精度平台在精密机械加工，集成电路IC及精密元器件制造领域是极其重要的组成部分。以IC制造的光刻设备为例，随着大规模继承电路器件集成度不断提高，光刻加工的分辨率不断提高，光刻系统对精密运动平台各自由度方向控制精度要求的指标也在不断提升。其系统也已发展成为内部世界和外部世界的结合体，其中工件台、掩膜台及其照明系统三个独立的世界分别进行减振。而工件台中的微动模块，又需要对承片台或承版台进行有效的减振，以减少曝光过程中受到其他系统的干扰。重力补偿器是应此需要发展的新型结构，通过主动或被动减振技术，对承片台或承版台调平调焦，使微动模块形成一个独立的内部世界。

正因如此，减振器的研究目标即实现高承载力、低刚度、低共振频率、高衰减率，从而实现较低的振动传递率，使得外部扰动对内部世界的影响最小化。

请参考图1和图2，其为现有技术中常用的环式磁浮重力补偿电机，其电机结构主要包括：定子磁钢1、动子磁环2，由瓦型磁钢拼接安装在外壳上，可视负载要求增加磁环数)，线圈3。主磁极磁场及线圈排布如图中所示(图中箭头表示充磁方向，圆圈表示电流方向)，因此图1和图2中电机出力垂直向上，但无对动子及动子所承负载水平向刚度保证和补偿功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何消除或减小一般磁浮重力补偿器固有的水平向寄生拉力和水平向刚度。

为了解决这一问题，本发明提供了一种阵列式磁浮重力补偿器，包括两个定子结构和一个动子结构，两个所述定子结构分别从所述动子结构的上、下两侧对所述动子结构施加磁斥力和磁吸力，实现所述动子结构的重力补偿，且使得所述定子结构对所述动子结构所施加的水平向分力均抵消。

所述动子结构包括动子磁阵列，两个所述定子结构分别为高位定子结构和低位定子结构，所述高位定子结构包括高位磁阵列，所述低位定子结构包括低位磁阵列，所述高位磁阵列从所述动子磁阵列的上侧对所述动子磁阵列施加磁吸力，所述低位磁阵列从所述动子磁阵列的下侧对所述动子磁阵列施加磁斥力，从而实现所述动子结构的重力补偿。

所述高位定子结构包括高位定子框架，所述低位定子结构包括低位定子框架，所述动子结构包括动子框架，所述动子磁阵列设在所述动子框架上，所述高位磁阵列与低位磁阵列分别嵌于所述高位定子框架与低位定子框架上，所述动子磁阵列分别与所述高位磁阵列与低位磁阵列相对设置。

所述高位定子框架和低位定子框架均水平放置，且所述高位定子框架嵌套于所述低位定子框架上方内侧，两者嵌套形成一完整腔体，所述动子框架平行设于所述高位定子框架与低位定子框架之间。

所述动子磁阵列、高位磁阵列与低位磁阵列分别由多个对称分布的磁钢形成。

所述低位定子结构还包括垂向线圈阵列，所述垂向线圈阵列包括若干线圈。

所述线圈位于所述低位磁阵列的对应的所述磁钢的上表面，所述线圈依据所述动子结构的垂向波动所要补偿的方向来输出相应的电流，以增强或减弱对应磁钢的磁场强度。

所述磁钢为圆柱体或长方体。

所述低位磁阵列、高位磁阵列和动子磁阵列中磁钢的排布方式相同，且磁钢的位置在垂向上相互对应。

所述低位磁阵列中的磁钢与所述动子磁阵列中对应位置的磁钢的磁极方向相反，所述高位磁阵列中的磁钢与所述动子磁阵列中对应位置的磁钢的磁极方向相同。

所述低位磁阵列、高位磁阵列和动子磁阵列中的磁钢数量为2N，且N大于等于2。

在所述低位磁阵列、高位磁阵列和动子磁阵列中，相邻的两个磁钢的磁极方向相反。

所述低位磁阵列、高位磁阵列和动子磁阵列中的磁钢的数量均为4个、6个或8个。

在所述低位磁阵列和高位磁阵列中，相邻的磁钢间通过海尔贝克磁钢连接，形成海尔贝克磁阵列。

所述海尔贝克（halbach）磁钢的充磁方向均是沿其所连接的一个磁钢指向另一个磁钢，且同一磁阵列中的各海尔贝克（halbach）磁钢的充磁方向均不相同。

本发明提出了一种新结构，首先利用两个定子从上、下两侧对动子施加磁力，进而利用该磁力形成悬浮力，起到了补偿重力的作用；其次，通过合理设置磁钢阵列，消除或减小一般磁浮重力补偿器固有的水平向寄生拉力和水平向刚度；再次，使得动子结构垂向受力恒定，垂向力输出增加，从而减少垂向刚度；最后，本发明中的阵列式磁浮重力补偿器磁钢均为长方体，大大改善了安装难度和精度情况。

附图说明

图1是现有技术中环式磁浮重力补偿电机的结构示意图；

图2是现有技术中环式磁浮重力补偿电机的剖面结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的阵列式高输出磁浮重力补偿器的基本结构示意图；

图4是本发明实施例1中阵列式高输出磁浮重力补偿器的磁路示意图；

图5是不同磁钢间距下水平位移与寄生拉力关系曲线；

图6是本发明实施例1中高位磁阵列的布置示意图；

图7是本发明实施例1中动子磁阵列的布置示意图；

图8是本发明实施例1中低位磁阵列的布置示意图；

图9是本发明实施例1中阵列式高输出磁浮重力补偿器的立体结构示意图；

图10是本发明实施例2中高位磁阵列的布置示意图；

图11是本发明实施例2中动子磁阵列的布置示意图；

图12是本发明实施例2中低位磁阵列的布置示意图；

图13是本发明实施例2中阵列式高输出磁浮重力补偿器的立体结构示意图；

图14是本发明实施例3中高位磁阵列的布置示意图；

图15是本发明实施例3中动子磁阵列的布置示意图；

图16是本发明实施例3中低位磁阵列的布置示意图；

图17是本发明实施例3中阵列式高输出磁浮重力补偿器的立体结构示意图；

图18是本发明实施例4中动子磁阵列的布置示意图；

图19是本发明实施例5中动子磁阵列的布置示意图；

图中，1-定子磁钢；2-动子磁环；3-线圈；

101-高位磁阵列；102-动子磁阵列；103-低位磁阵列；104-垂向线圈阵列；105-高位定子框架；106-动子框架；107-低位定子框架；108-海尔贝克（halbach）磁钢；111、121、112、122、113、123、201、202-磁钢。

具体实施方式

以下将结合图3至图19通过5个实施例对本发明提供的阵列式高输出磁浮重力补偿器进行详细的描述，其均为本发明可选的实施例，可以认为本领域的技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

实施例1

请参考图3和图9，本实施例提供了一种阵列式高输出磁浮重力补偿器，包括两个定子结构和一个动子结构，两个所述定子结构分别从所述动子结构的上、下两侧对所述动子结构施加磁斥力和磁吸力，实现所述动子结构的重力补偿，且使得所述定子结构对所述动子结构所施加的的水平向分力均抵消。所述动子结构包括动子磁阵列102，两个所述定子结构分别为高位定子结构和低位定子结构，所述高位定子结构包括高位磁阵列101，所述低位定子结构包括低位磁阵列101，所述高位磁阵列101从所述动子磁阵列102的上侧对所述动子磁阵列102施加磁吸力，所述低位磁阵列103从所述动子磁阵列102的下侧对所述动子磁阵列102施加磁斥力，从而实现所述动子结构的重力补偿。

本实施例一方面利用两个定子从上、下两侧对动子施加磁力，进而利用该磁力形成悬浮力，起到了补偿重力的作用，摆脱了现有技术中的环状结构，从而克服了该环状结构无法对动子及动子所承负载进行水平向刚度保证和补偿的缺陷，另一方面，本实施例使得所述定子结构对所述动子结构所施加的的水平向分力相抵消，消除或减小了一般磁浮重力补偿器固有的水平向寄生拉力和水平向刚度。

在本实施例中，请着重参考图3，所述高位定子结构包括高位定子框架105，所述低位定子结构包括低位定子框架107，所述动子结构包括动子框架106，所述动子磁阵列102设在所述动子框架106上，所述高位磁阵列101与低位磁阵列103分别嵌于所述高位定子框架105与低位定子框架107上，所述动子磁阵列分别与所述高位磁阵列与低位磁阵列相对设置，具体来说，所述高位磁阵列101与低位磁阵列107正对所述动子磁阵列102的一侧均暴露在空气中，所述动子磁阵列102穿透所述动子框架106的壳体，上下两侧均暴露在空气中，以实现动子磁阵列102与高位磁阵列101和低位磁阵列103之间的磁力作用。本实施例中，高位定子框架105与低位定子框架107均水平放置，优选的，所述高位定子框架105和低位定子框架107均水平放置，且所述高位定子框架105嵌套于所述低位定子框架107上方内侧，两者嵌套形成一完整腔体，该定子框架由不导磁材料制成。所述动子框架106平行设于所述高位定子框架105与低位定子框架107之间。

所述动子磁阵列102、高位磁阵列101与低位磁阵列103分别由多个磁钢按照一定规律对称分布形成。磁钢在必要时也可增加单边磁密高的海尔贝克（halbach）磁阵列，提供更高的垂向力输出。

请参考图3和图9，所述低位定子结构还包括垂向线圈阵列104，所述垂向线圈阵列104包括若干线圈，所述线圈通电产生的磁场方向可根据不同需要与对应磁块的磁极方向相同或者相反。在本实施例中，所述线圈位于所述低位磁阵列103的对应的所述磁钢的上表面，在其他可选的实施例中亦可如图9所示绕在所述磁钢的外侧。该线圈在本实施例为正方形无铁芯线圈，所述线圈根据动子磁阵列102的垂向波动需要补偿的方向输出相应的电流，增强或减弱相应磁极的磁场强度。

本实施例中，每个磁阵列中的磁钢均在同一水平面上。低位磁阵列103、垂向线圈阵列104、动子磁阵列102和高位磁钢阵列101从低到高依次平行设置。

本实施例中，所述磁钢为长方体。

所述低位磁阵列103、高位磁阵列101和动子磁阵列102中磁钢的排布方式相同，且磁钢的位置在垂向上相互对应，即三个磁阵列内对应位置的磁钢沿竖直方向上的中心线重合。

所述低位磁阵列103中的磁钢与所述动子磁阵列102中对应位置的磁钢的磁极方向相反，所述高位磁阵列101中的磁钢与所述动子磁阵列102中对应位置的磁钢的磁极方向相同。从而能够保证磁斥力与磁吸力的实现。具体来说，在本实施例中，请参考图6至图8，磁钢111、121分别与磁钢112、122的磁极方向同向，磁钢112、122分别与磁钢113、123的磁极方向反向，磁钢111与其相邻的磁钢121的磁极方向相反。当动子磁阵列102向上移，低位磁阵列103对动子磁阵列102的托力减小，但同时高位磁阵列101对动子磁阵列102的拉力增加，从而抵消了动子磁阵列102所受到的垂向力的变化，使垂向出力更恒定。

为了保证了动子磁钢所受水平向寄生拉力互相抵消，当磁钢间距满足一定尺寸要求时，该水平向寄生拉力在一定行程范围内为很小常数，几乎为零，水平向刚度亦然。如图5有限元分析结果显示，在磁钢间距变化时，其水平向位移与水平向寄生拉力关系曲线（a、b、c）的斜率是变化的，可以看到磁钢间距b线正负位移的寄生拉力相互抵消，几乎为0，即水平向刚度近似为0。

所以，在本实施例中，所述低位磁阵列103、高位磁阵列101和动子磁阵列102中的多个磁钢均对称设置，每个磁阵列的磁钢数量为2N，N大于等于2。。通过空间上对称设置的多个磁钢，可有效实现动子结构和定子结构之间的水平寄生拉力的抵消或减少。

在本实施例中，在所述低位磁阵列103、高位磁阵列101和动子磁阵列102中，相邻的两个磁钢的磁极方向相反。在本实施例中，所述低位磁阵列103、高位磁阵列101和动子磁阵列102中的磁钢的数量均为4个，即本实施例中磁钢呈正四边形排布。具体来说，请参考图6至图8，磁钢112与其相邻的磁钢122的磁极方向相反，磁钢113与其相邻的磁钢123的磁极方向相反。亦可认为在该多边形中，处于对角位置的磁钢的磁极方向相同。

实施例2

本实施例与实施例1唯一的区别在于本实施例采用了圆柱体的磁钢，具体的结构可参照如图13所示，其具体的磁钢的分布及磁钢的磁极设置均与实施例1相同，可比照图10至12与图6至8清楚的看到，其磁极方向、磁路均是类似的。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：在所述低位磁阵列103和高位磁阵列101中，相邻的磁钢间通过海尔贝克磁钢连接，形成海尔贝克磁阵列。海尔贝克（halbach）磁钢的使用可以增强气隙磁密，提高输出补偿力。其具体的结构布置可参考图14至图17。

在本实施例中，所述海尔贝克（halbach）磁钢的充磁方向为S极指向N极。其具体的方向可参考图14至图16中示意性地得到。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中的磁阵列中磁钢分布为正多边形，具体的，磁钢的数量为6个，进而呈正六边形的图形排布。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中的磁阵列中磁钢分布为正多边形，具体的，磁钢的数量为8个，进而呈正八边形的图形排布。

综合实施例4与实施例5，相较于四个磁钢的对称阵列，其增加了磁阵列中磁钢数目，且保证结构对称，使其相邻磁钢都能形成如图4所示的磁路。可以拓展本发明的阵列式高输出磁浮重力补偿器的应用场合，增强输出补偿力。

综上所述，本发明提出了一种新结构，首先利用两个定子从上、下两侧对动子施加磁力，进而利用该磁力形成悬浮力，起到了补偿重力的作用；其次，通过合理设置磁钢阵列，消除或减小一般磁浮重力补偿器固有的水平向寄生拉力和水平向刚度；再次，使得动子结构垂向受力恒定，垂向力输出增加，从而减少垂向刚度；最后，本发明中的阵列式磁浮重力补偿器磁钢均为长方体，大大改善了安装难度和精度情况。

本发明替换光刻系统中原来水平刚度很大的磁浮重力补偿器，降低补偿器水平刚度，降低对用于补偿水平力的波动的音圈电机及其控制的性能要求。另外在其结构中可以直接增加水平出力（洛伦兹力），用较少的电机解决光刻平台系统中各个方向上的主动出力补偿。同时水平向刚度小，易于控制。其垂向出力波动的波动范围在可接受范围内(<3%)。与现有技术相比，其降低水平刚度；可实现单台电机多自由度控制，节省机构空间。此外，相较于现有技术中的环式磁浮重力补偿电机，本发明安装难度和精度情况大大改善，可以实现批量生产。

Claims (10)

1.一种阵列式磁浮重力补偿器，其特征在于：包括两个定子结构和一个动子结构，两个所述定子结构分别从所述动子结构的上、下两侧对所述动子结构施加磁吸力和磁斥力，实现所述动子结构的重力补偿，且使得所述定子结构对所述动子结构所施加的水平向分力均抵消；所述动子结构包括动子磁阵列，两个所述定子结构分别为高位定子结构和低位定子结构，所述高位定子结构包括高位磁阵列，所述低位定子结构包括低位磁阵列，所述高位磁阵列从所述动子磁阵列的上侧对所述动子磁阵列施加磁吸力，所述低位磁阵列从所述动子磁阵列的下侧对所述动子磁阵列施加磁斥力，从而实现所述动子结构的重力补偿；所述动子磁阵列、高位磁阵列与低位磁阵列分别由多个中心对称分布的磁钢形成；所述低位磁阵列、高位磁阵列和动子磁阵列中的磁钢数量为2N，且N大于等于2，在所述低位磁阵列、高位磁阵列和动子磁阵列中，相邻的两个磁钢的磁极方向相反。

2.如权利要求1所述的阵列式磁浮重力补偿器，其特征在于：所述高位定子结构包括高位定子框架，所述低位定子结构包括低位定子框架，所述动子结构包括动子框架，所述动子磁阵列设在所述动子框架上，所述高位磁阵列与低位磁阵列分别嵌于所述高位定子框架与低位定子框架上，所述动子磁阵列分别与所述高位磁阵列与低位磁阵列相对设置。

3.如权利要求2所述的阵列式磁浮重力补偿器，其特征在于：所述高位定子框架和低位定子框架均水平放置，且所述高位定子框架嵌套于所述低位定子框架上方内侧，两者嵌套形成一完整腔体，所述动子框架平行设于所述高位定子框架与低位定子框架之间。

4.如权利要求1所述的阵列式磁浮重力补偿器，其特征在于：所述低位定子结构还包括垂向线圈阵列，所述垂向线圈阵列包括若干线圈。

5.如权利要求4所述的阵列式磁浮重力补偿器，其特征在于：所述线圈位于所述低位磁阵列的对应的所述磁钢的上表面，所述线圈依据所述动子结构的垂向波动所要补偿的方向来输出相应的电流，以增强或减弱对应磁钢的磁场强度。

6.如权利要求1所述的阵列式磁浮重力补偿器，其特征在于：所述磁钢为圆柱体或长方体。

7.如权利要求1所述的阵列式磁浮重力补偿器，其特征在于：所述低位磁阵列、高位磁阵列和动子磁阵列中磁钢的排布方式相同，且磁钢的位置在垂向上相互对应。

8.如权利要求7所述的阵列式磁浮重力补偿器，其特征在于：所述低位磁阵列中的磁钢与所述动子磁阵列中对应位置的磁钢的磁极方向相反，所述高位磁阵列中的磁钢与所述动子磁阵列中对应位置的磁钢的磁极方向相同。

9.如权利要求1所述的阵列式磁浮重力补偿器，其特征在于：所述低位磁阵列、高位磁阵列和动子磁阵列中的磁钢的数量为4个、6个或8个。

10.如权利要求1所述的阵列式磁浮重力补偿器，其特征在于：在所述低位磁阵列和高位磁阵列中，相邻的磁钢间通过海尔贝克磁钢连接，形成海尔贝克磁阵列。