CN106997155A - 一种低刚度的磁悬浮重力补偿器及微动台结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于重力补偿结构相关技术领域，其公开了一种低刚度的磁悬浮重力补偿器，其包括动子结构及定子结构，动子结构包括外永磁阵列环、内永磁阵列环及动子支撑框架，外永磁阵列环及内永磁阵列环分别设置在动子支撑架的环形槽相对的两个侧壁上，内永磁阵列环的厚度大于外永磁阵列环的厚度；定子结构包括收容于环形槽内的线圈支架及嵌设在线圈支架上的定子永磁环，所述定子永磁环的高度大于厚度，定子永磁环与内永磁阵列环的间距小于定子永磁环与外永磁阵列环的间距。本发明还提供了具有上述的磁悬浮重力补偿器的微动台结构。本发明实现了动子结构在较宽运动范围内的近零刚度磁力悬浮，且结构简单，适用范围广。

Description

一种低刚度的磁悬浮重力补偿器及微动台结构
技术领域
本发明属于重力补偿结构相关技术领域，更具体地，涉及一种低刚度的磁悬浮重力补偿器及微动台结构。
背景技术
在许多先进的工业设备中，需要实现运动部件的六自由度运动，并对其进行精密定位，例如光刻机中的掩膜台和工件台等，其中Z向执行机构多采用洛伦兹线圈或者电磁铁，二者分别利用洛伦兹力或者磁阻力控制运动部件的法向偏移和俯仰偏转。对于光刻机中的超精密定位工件台，如何使承载硅片的微动台部件在曝光过程中免受由基础框架振动引起的干扰至关重要，因此需要对微动台进行减振和隔振，这就要求Z向执行机构在定位运动的同时应具有很低的法向刚度。
以工作台分系统为例，如何使微动台在曝光过程中免受工作台系统和基础框架振动的干扰至关重要，需要采取行之有效的方案对微动台模块进行减振和隔振。磁悬浮重力补偿器正是在此背景下出现的新型Z向电磁执行机构，其利用永磁体时间的作用力对运动部件的质量进行补偿，同时利用洛伦兹线圈进行动态调整，通过被动隔振与主动减震相结合的方式，使运动部件形成一个独立的内部系统。
目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如专利CN104847825A公开了一种阵列式磁悬浮重力补偿器，所述阵列式磁悬浮重力补偿器包括两个定子结构及一个动子结构，两个所述动子结构分别从所述动子结构的上、下两侧对所述动子机构施加磁吸力及磁斥力，来实现所述动子结构的重力补偿；然而，所述阵列式磁浮重力补偿器的法向刚度较高。相应地，本领域存在着发展一种低刚度的磁悬浮重力补偿器的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低刚度的磁悬浮重力补偿器及微动台结构，其基于磁悬浮重力补偿器的工作特点，针对磁悬浮重力补偿器的部件及部件联接关系进行了设计。所述低刚度的磁悬浮重力补偿器的内永磁阵列环的厚度大于所述外永磁阵列环的厚度，使得动子磁场径向分量在所述外永磁阵列环与所述内永磁阵列环之间的间隙中部具有沿轴向线性变化特性；通过控制所述定子磁环的壁厚可获得高次动子悬浮力-轴向位移特性曲线，使得动子结构在工作范围内可近零刚度磁力悬浮，实现动子重力补偿及位置调节。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种低刚度的磁悬浮重力补偿器，其包括动子结构及定子结构，所述动子结构包括外永磁阵列环、内永磁阵列环及动子支撑框架，所述动子支撑框架形成有环形槽，所述外永磁阵列环及所述内永磁阵列环分别设置在所述环形槽相对的两个侧壁上，其特征在于：
所述内永磁阵列环的厚度大于所述外永磁阵列环的厚度，且所述内永磁阵列环与所述外永磁阵列环之间形成有环形的间隙；
所述定子结构包括收容于所述环形槽内的线圈支架及嵌设在所述线圈支架上的定子永磁环，所述定子永磁环的高度大于厚度，所述定子永磁环位于所述间隙内，且所述定子永磁环与所述内永磁阵列环的间距小于所述定子永磁环与所述外永磁阵列环的间距。
进一步地，所述定子永磁环的厚度大于等于4毫米且小于等于4.5毫米。
进一步地，所述定子永磁环的厚度为4.2毫米。
进一步地，所述定子永磁环的最大高度为6毫米。
进一步地，所述外永磁阵列环及所述内永磁阵列环均是由三个充磁方向依次旋转90°的环形永磁体叠加构成。
进一步地，所述定子结构还包括第一组线圈及第二组线圈，所述第一组线圈及所述第二组线圈分别设置在所述线圈支架相背的两端，且两者相对于所述线圈支架的几何中心对称设置。
进一步地，所述线圈支架呈环形；所述第一组线圈及所述第二组线圈均包括有两个线圈，同组的两个线圈分别嵌设在所述线圈支架的内壁及外壁上。
进一步地，所述内永磁阵列环位于所述外永磁阵列环之内；所述线圈支架开设有与所述环形槽相连通的环形收容槽，所述定子永磁环收容于所述环形收容槽内。
按照本发明的另一方面，提供了一种微动台结构，其其包括承载件，其特征在于：所述微动台结构还包括如上所述的低刚度的磁悬浮重力补偿器，所述磁悬浮重力补偿器设置在所述承载件上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的低刚度的磁悬浮重力补偿器及微动台结构主要具有以下有益效果：
(1)内永磁阵列环的厚度大于外永磁阵列环的厚度，使得动子磁场径向分量在所述外永磁阵列环与所述内永磁阵列环之间的间隙中部具有沿轴向线性变化特性，且定子永磁环与内永磁阵列环的间距小于定子永磁环与外永磁阵列环的间距，使得定子永磁环在一定工作范围内位移时，其所处的磁场变化较小；
(2)通过控制定子永磁环的壁厚可获得高次动子悬浮力-轴向位移特性曲线，使得动子结构在工作范围内可近零刚度磁力悬浮，实现动子重力补偿及位置调节；
(3)磁悬浮重力补偿器的结构简单，适用范围较广，如可适用于加工设备、测量仪器等需要隔振、定位的超精密平台；
(4)所述微动台结构具有的磁悬浮重力补偿器具有很低的法向刚度，使得所述微动台结构具有较好的减振和隔振效果，进而使得所述微动台承载的产品免受基础框架振动引起的干扰。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式提供的低刚度的磁悬浮重力补偿器的剖视图；
图2是图1中的低刚度的磁悬浮重力补偿器的永磁体和线圈的分布图；
图3是图1中的低刚度的磁悬浮重力补偿器的定子永磁环的等效电流模型图；
图4是图1中的低刚度的磁悬浮重力补偿器的动子永磁阵列的磁感线分布图；
图5是图1中的低刚度的磁悬浮重力补偿器的两组动子永磁阵列环之间的五条直线处的磁场径向分量与轴向位置之间的关系图；
图6是图1中的低刚度的磁悬浮重力补偿器的两组动子永磁阵列之间的五条直线处的磁场径向分量变化率与轴向位置之间的关系图；
图7是图1中的低刚度的磁悬浮重力补偿器在不同定子永磁环厚度时的磁悬浮力与定子结构的法向位移之间的关系图；
图8是图1中的低刚度的磁悬浮重力补偿器在不同定子永磁环厚度时的法向刚度与定子结构的法向位移之间的关系图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一永磁体，2-第二永磁体，3-第三永磁体，4-第四永磁体，5-第五永磁体，6-第六永磁体，7-第七永磁体，8-第一组线圈，9-第二组线圈，23-线圈，10-动子结构，11-动子永磁阵列环，12-动子支撑框架，20-定子结构，21-线圈支架，22-定子永磁环，24-基座。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。
请参阅图1及图2，本发明较佳实施方式提供的低刚度的磁悬浮重力补偿器，所述磁悬浮重力补偿器包括动子结构10及定子结构20，所述定子结构20分别自所述动子结构10的上、下两侧对所述动子结构10施加磁吸力和磁斥力，以实现所述动子结构10的重力补偿。
所述动子结构10包括两组动子永磁阵列环11及动子支撑框架12，所述动子支撑框架12形成有环形槽，两组所述动子永磁阵列环11分别设置在所述环形槽相对的两个壁面上，且两个所述动子永磁阵列环11相对间隔设置。本实施方式中，两组所述动子永磁阵列环11分别为外永磁阵列环及内永磁阵列环，所述外永磁阵列环及所述内永磁阵列环均为Halbach永磁阵列环，所述内永磁阵列环位于所述外永磁阵列环之内。
所述动子结构10产生的磁场(称动子磁场)集中于所述外永磁阵列环及所述内永磁阵列环之间的间隙，调整所述外永磁阵列环及所述内永磁阵列环的厚度的比值来使得动子磁场径向分量在所述外永磁阵列环及所述内永磁阵列环之间的间隙中部具有沿轴向线性变化特性。本实施方式中，所述内永磁阵列环的厚度与所述外永磁阵列环的厚度之比大于1，即所述内永磁阵列环的厚度大于所述外永磁阵列环的厚度。
请参阅图3，所述外永磁阵列环及所述内永磁阵列环均是由三个充磁方向依次旋转90°的环形永磁体构成。所述内永磁阵列环包括第一永磁体1、第三永磁体3及第六永磁体6，所述第一永磁体1及所述第三永磁体3及所述第六永磁体6自上而下依次叠加设置，且充磁方向依次旋转90°。本实施方式中，所述第一永磁体1、所述第三永磁体3及所述第六永磁体6均为环形的永磁体。
所述外永磁阵列环包括第二永磁体2、第五永磁体5及第七永磁体7，所述第二永磁体2、所述第五永磁体5及所述第七永磁体7自上而下叠加设置，且充磁方向依次旋转90°，如图3所示(图内箭头表示充磁方向)。本实施方式中，所述第二永磁体2、所述第五永磁体5及所述第七永磁体7均为环形的永磁体。
所述定子结构20包括收容于所述环形槽内的线圈支架21、嵌设在所述线圈支架21上的定子永磁环22及连接所述线圈支架21的基座24。所述线圈支架21基本呈环形，其形成有与所述环形槽相连通的环形收容槽。所述定子永磁环22收容于所述环形收容槽内，其位于所述外永磁阵列环及所述内永磁阵列环之间。本实施方式中，所述定子永磁环22的中心轴距离所述内永磁阵列环的距离小于所述定子永磁环22的中心轴距离所述外永磁阵列环的距离；所述定子永磁环22包括第四永磁体4，所述第四永磁体4为环形。所述定子永磁环22的厚度与高度之比小于1。所述定子永磁环22在一定工作范围内位移，其所处的磁场变化小并可产生高次的悬浮力。所述定子永磁环22的厚度大于等于4毫米且小于等于4.5毫米。
所述定子结构20还包括第一组线圈8及所述第二组线圈9，所述第一组线圈8及所述第二组线圈9分别设置在所述线圈支架21相背的两端，且两者相对于所述线圈支架21的几何中心对称设置。本实施方式中，所述第一组线圈8及所述第二组线圈9均包括两个线圈23，同组的两个所述线圈23分别嵌设在所述线圈支架21的内壁及外壁上。
请参阅图3，环形永磁体可以用等效电流模型进行解析，对于均匀变化的环形永磁体，永磁体内部的等效体电流密度为零，仅存在面电路密度。由于磁化强度与环形永磁体的两个侧面的法向量平行，故两个侧面无等效电流分布，而在环形永磁体的底面和顶面存在面电流。
假设等效电流模型的长度为L，底面和顶面存在的面电流为I，底面存在的电流与底面存在的电流的方向相反，在底面有磁场轴向分量By1和径向分量BX1，在顶面有有轴向分量By2和径向分量BX2，则该永磁体产生的悬浮力为：
F＝Bx1IL+Bx2IL (1)
由公式(1)可以看出，悬浮力大小与所处的磁场径向分量有关，而所述定子结构20在工作范围内位移时，永磁体的底面和顶面的磁场也会产生变化，设底面产生磁场径向分量变化量为ΔBX1，顶面产生磁场径向分量变化量为ΔBX2，则定子产生的悬浮力为：
F＝(Bx1+ΔBc1)IL+(Bx2+ΔBx2)IL (2)
由公式(2)可以看出，为了实现近零刚度磁力悬浮，悬浮力应该保持不变，则ΔBX1＝-ΔBX2，磁场径向分量应该具有沿轴向线性变化特性，本实施方式是通过调整所述外永磁阵列环的厚度与所述内永磁阵列环的厚度之间的比值来实现的。
请参阅图4，将所述外永磁阵列环与所述内永磁阵列环之间的间隙从左向右每隔2毫米做一条长20毫米的线条，一共有五条，分别为101、102、103、104、105，其中第三条直线103位于所述外永磁阵列环与所述内永磁阵列环之间的间隙的正中间。自图4可以看出所述外永磁阵列环与所述内永磁阵列环之间的磁感线的分布。
请参阅图5及图6，B1、B2、B3、B4、B5分别是动子磁场内第一直线101、第二直线102、第三直线103、第四直线104、第五直线105上的磁场径向分量，dB1、dB2、dB3、dB4、dB5分别是是动子磁场内第一直线101、第二直线102、第三直线103、第四直线104、第五直线105上的磁场径向分量变化率。可以看出，所述外永磁阵列环与所述内永磁阵列环之间的间隙的中间区域内存在线性的磁场，且距离所述间隙的中间区域越远，磁场变化越剧烈。
在一定范围内，所述第二直线102上的磁场变化率的值小于所述第四直线104上的磁场变化率的值，所述间隙的中心线与所述内永磁阵列环之间的磁场变化幅度小于所述间隙的中心线与所述外永磁阵列磁环之间的磁场的变化幅度，而所述定子永磁环22与所述内永磁阵列环的间距稍小于所述定子永磁环22与所述外永磁阵列环的间距。
在轴向位移(即法向位移)[-4,4]mm的区域内，所述间隙的中间区域处的磁场变化线性。本实施方式中，所述定子结构20的工作范围是[-1,1]mm，所述定子永磁环22的最大高度为6毫米，且所述定子永磁环的厚度与高度之比小于1。
请参阅图7及图8，图内的曲线1、2、3分别对应所述定子永磁环22的厚度为4毫米、4.1毫米、4.2毫米时，通过有限元分析在法向位移[-1，1]毫米的工作范围内得到三组悬浮力数据，三组数据进行拟合获得不同阶次动子悬浮力-法向位移特性曲线1、2、3；不同阶次的悬浮力-法向位移特性曲线得到的法向刚度-法向位移特性曲线不同，而高次的悬浮力-法向位移特性曲线得到的法向刚度更小且变化更缓慢，形成了刚度台阶。经过实验获得：在悬浮力为40N时，所述磁悬浮重力补偿器在-1mm到+1mm的工作范围内的法向刚度为[-10,+10]N/m。
本发明还提供了微动台结构，所述微动台结构包括承载件。所述微动台结构还包括如上所述的低刚度的磁悬浮重力补偿器，所述磁悬浮重力补偿器设置在所述承载件上。
本发明提供的低刚度的磁悬浮重力补偿器及微动台结构，其内永磁阵列环的厚度大于所述外永磁阵列环的厚度，使得动子磁场径向分量在所述外永磁阵列环与所述内永磁阵列环之间的间隙中部具有沿轴向线性变化特性；通过控制所述定子磁环的壁厚可获得高次动子悬浮力-轴向位移特性曲线，使得动子结构在工作范围内可近零刚度磁力悬浮，实现动子重力补偿及位置调节。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低刚度的磁悬浮重力补偿器，其包括动子结构及定子结构，所述动子结构包括外永磁阵列环、内永磁阵列环及动子支撑框架，所述动子支撑框架形成有环形槽，所述外永磁阵列环及所述内永磁阵列环分别设置在所述环形槽相对的两个侧壁上，其特征在于：
所述内永磁阵列环的厚度大于所述外永磁阵列环的厚度，且所述内永磁阵列环与所述外永磁阵列环之间形成有环形的间隙；
所述定子结构包括收容于所述环形槽内的线圈支架及嵌设在所述线圈支架上的定子永磁环，所述定子永磁环的高度大于厚度，所述定子永磁环位于所述间隙内，且所述定子永磁环与所述内永磁阵列环的间距小于所述定子永磁环与所述外永磁阵列环的间距。
2.如权利要求1所述的低刚度的磁悬浮重力补偿器，其特征在于：所述定子永磁环的厚度大于等于4毫米且小于等于4.5毫米。
3.如权利要求2所述的低刚度的磁悬浮重力补偿器，其特征在于：所述定子永磁环的厚度为4.2毫米。
4.如权利要求1所述的低刚度的磁悬浮重力补偿器，其特征在于：所述定子永磁环的最大高度为6毫米。
5.如权利要求1所述的低刚度的磁悬浮重力补偿器，其特征在于：所述外永磁阵列环及所述内永磁阵列环均是由三个充磁方向依次旋转90°的环形永磁体叠加构成。
6.如权利要求1-5任一项所述的低刚度的磁悬浮重力补偿器，其特征在于：所述定子结构还包括第一组线圈及第二组线圈，所述第一组线圈及所述第二组线圈分别设置在所述线圈支架相背的两端，且两者相对于所述线圈支架的几何中心对称设置。
7.如权利要求6所述的低刚度的磁悬浮重力补偿器，其特征在于：所述线圈支架呈环形；所述第一组线圈及所述第二组线圈均包括有两个线圈，同组的两个线圈分别嵌设在所述线圈支架的内壁及外壁上。
8.如权利要求1所述的低刚度的磁悬浮重力补偿器，其特征在于：所述内永磁阵列环位于所述外永磁阵列环之内；所述线圈支架开设有与所述环形槽相连通的环形收容槽，所述定子永磁环收容于所述环形收容槽内。
9.一种微动台结构，其包括承载件，其特征在于：所述微动台结构还包括如权利要求1-8任一项所述的低刚度的磁悬浮重力补偿器，所述磁悬浮重力补偿器设置在所述承载件上。
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