CN108386481B - 基于Halbach永磁阵列的高线性磁悬浮隔振装置及作动器、方法 - Google Patents
基于Halbach永磁阵列的高线性磁悬浮隔振装置及作动器、方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于Halbach永磁阵列的高线性磁悬浮隔振装置及作动器、方法，所述磁悬浮作动器包括固定部和悬浮部，所述悬浮部包括磁体基座和位于磁体基座下方的第一Halbach永磁阵列体和第二Halbach永磁阵列体；所述固定部包括线圈基座和设置在线圈基座上的线圈体，所述线圈体位于第一Halbach永磁阵列体和第二Halbach永磁阵列体之间形成的磁场中，当固定部受扰动使线圈体运动切割磁感线，产生主动控制力，实现隔振。本发明有效解决当前磁悬浮隔振系统在地面重力场中承载力小和控制分辨率不足的问题，满足地面重力场环境中大承载力和高控制分辨率的要求；通过采用多个磁悬浮作动器分布布局，实现多自由度微振动隔振。
Description
技术领域
本发明涉及微振动隔振技术领域，具体涉及一种基于Halbach永磁阵列的高线性磁悬浮隔振装置及其磁悬浮作动器、设计方法及隔振方法。
背景技术
随着微电子技术、半导体技术以及精密光刻技术的提升，超精密加工精度逐渐从亚微米级向纳米级、亚纳米级发展，而环境中存在的加速度量级为μg～mg、频带为0.1Hz～100Hz的微振动对超精密加工设备的影响十分显著，精密制造设备的工作环境成为制约加工精度的主要因素。精密雷达、高精度光学元件、超小型电子计算机等尖端产品的加工都需要对微振动进行隔振控制。主动控制是实现低频微振动隔振的唯一途径。磁悬浮隔振技术具有频带宽、行程大、控制精度高等优点，能利用非接触式的磁场力抵消外部扰动，有效隔离低频微振动，在空间低频微振动隔振领域具有较好的隔振效果。但与空间环境不同，地面环境下磁悬浮隔振系统不仅需要抵消重力场的影响，同时还要保证较高的控制分辨率，以实现对微振动的精确控制。但现有磁悬浮作动器的承载力都很小，难以满足地面重力场对承载力和控制分辨率的应用需求；此外，当前的磁悬浮隔振器控制行程小、非线性较强，在应用时增加了控制的复杂度。
专利CN101067432A“带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础”针对超低频隔振的应用需求，提出了一种包含磁悬浮单元和空气弹簧的隔振基础，通过将磁悬浮单元置于空气弹簧之上，可以解决空气弹簧隔振基础因空气弹簧横纵向刚度相互耦合导致横纵向超低频隔振性能无法兼顾的问题，在不改变隔振系统承载能力的条件下，适用于超大型空气弹簧隔振基础。但是该隔振基础由于包含空气弹簧，仍然属于接触式隔振，没有充分利用磁悬浮隔振技术的非接触式隔振特性，不利于提高超低频隔振性能。
专利CN102710180A“低功耗主动式磁悬浮隔振平台”采用三个或四个隔振元件实现主动控制，每个隔振元件的动子与动基板的下表面固定连接，每个隔振元件的定子与定基板的上表面固定连接，动基板与定基板所在平面相互平行。隔振元件具有承重和主动控制的双重功能，可以解决现有隔振平台固有频率的缺点。另外，隔振平台结构简单、功率损耗较低。但是该平台适用于真空环境，将其应用于地面微振动环境中无法满足重力场对隔振单元控制分辨率和承载力的要求。
专利CN103453062A“零刚度磁悬浮主动隔振器及其构成的六自由度隔振系统”提出了一种由永磁被动隔振单元、主动隔振单元和安全限位组件都成的零刚度磁悬浮作动器。该隔振器可以施加水平和垂直方向的控制力，在水平方向具有零刚度，在垂直方向具有准零刚度，此外可承受一定的负载，基于该隔振器的六自由度隔振系统适用于低频振动领域。但是该隔振器结构复杂，采用的磁体数量多，质量大，有效载荷承载能力相对较小。
专利CN106917844A“大推力主动隔振装置”提出了一种大推力的主动隔振装置，基于直线电机原理，采用海尔贝克永磁体产生磁场，借助于主动被混合隔振的思想进行隔振控制。虽然该装置较同等体积的设计具有更大的输出力，但是该装置本身体积较大，并且仅能实现单自由度隔振，无法实现多自由度扰动的隔振控制。由于其采用主被动混合隔振，并未充分利用磁悬浮技术非接触式的特点，非线性较强。
此外，国内外很多学者提出采用磁悬浮隔振技术实现微振动隔振(1.Estevez P,Mulder A,Schmidt R M.6-Dof Miniature Maglev Positioning Stage for Applicationin Haptic Micro-Manipulation.Mechatronics,2012,22(7):1015-1022.2.Verma S,KimW,Shakir H.Multiaxis Maglev Nanopositioner for Precision Manufacturing andManipulation Applications.39th IAS Annual Meeting Conference Record of the2004IEEE,2004:2084-2091.)，但这些研究中均存在系统承载力小的缺点，并且系统磁场耦合严重，非线性较强。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于Halbach永磁阵列的高线性磁悬浮隔振装置及其磁悬浮作动器、方法，有效解决当前磁悬浮隔振系统在地面重力场中承载力小和控制分辨率不足的问题，满足地面重力场环境中大承载力和高控制分辨率的要求；通过采用多个磁悬浮作动器分布布局，实现多自由度微振动隔振。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于Halbach永磁阵列的磁悬浮作动器，所述磁悬浮作动器包括固定部和悬浮部，所述悬浮部包括磁体基座和设置在磁体基座两边的第一Halbach永磁阵列体和第二Halbach永磁阵列体；所述固定部包括线圈基座和设置在线圈基座上的线圈体，所述线圈体位于第一Halbach永磁阵列体和第二Halbach永磁阵列体之间形成的磁场中，当固定部受扰动使线圈体运动切割磁感线，产生主动控制力，实现隔振。
进一步的，所述第一Halbach永磁阵列体包括U型的第一连接板、第一磁轭和第一Halbach永磁阵列，所述第一连接板的顶端与磁体基座固定连接，所述第一磁轭和第一Halbach永磁阵列嵌入在所述第一连接板内；所述第二Halbach永磁阵列体包括U型的第二连接板、第二磁轭和第二Halbach永磁阵列，所述第二连接板的顶端与磁体基座固定连接，所述第二磁轭和第二Halbach永磁阵列嵌入在所述第二连接板内。
进一步的，所述第一Halbach永磁阵列和第二Halbach永磁阵列分别包括多块尺寸参数相同、充磁强度相同、充磁方向不同的永磁体；所述第一Halbach永磁阵列、第一磁轭、第二Halbach永磁阵列和第二磁轭形成磁回路。
进一步的，所述线圈体由矩形空心线圈、线圈外壳和线圈内壳组成，线圈缠绕在线圈内壳的矩形框上，再由线圈外壳和线圈内壳通过螺钉连接固定。
如上述的基于Halbach永磁阵列的磁悬浮作动器的设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：采用多块磁化方向不同的永磁体依次排列组成Halbach永磁阵列；
步骤2：利用两组Halbach永磁阵列，合理排列永磁体的磁化方向，形成一个磁回路；
步骤3：分析磁回路的磁场分布，根据磁回路的磁场分布和气隙长度，计算气隙中的磁感应强度的大小；
步骤4：分析每块永磁体的尺寸对气隙中磁感应强度大小的影响，确定永磁体和Halbach永磁阵列的尺寸；
步骤5：分析气隙长度对磁感应强度大小的影响；
步骤6：分析Halbach作动器的线性度；
步骤7：基于Halbach永磁阵列与线圈之间的相对位置关系，计算线圈的匝数、层数、圈数、质量、体积等参数；
步骤8：根据Halbach永磁阵列的尺寸，设计连接永磁体阵列的连接板和磁轭，根据线圈的参数，制作线圈的内壳和外壳，最后组装形成磁悬浮作动器；
步骤9：测试磁悬浮作动器的力-电流之间的关系，验证其线性度。
进一步的，所述Halbach永磁阵列由四块永磁体组成，两组Halbach永磁阵列中永磁体的磁化方向为：永磁体Ⅰ和永磁体Ⅴ的磁化方向沿着+x方向，永磁体Ⅱ和永磁体Ⅲ的磁化方向沿着+z方向，永磁体Ⅳ和永磁体Ⅷ的磁化方向沿着-x方向，永磁体Ⅵ和永磁体Ⅶ的磁化方向沿着-z方向。
一种基于Halbach永磁阵列的高线性磁悬浮隔振装置，该装置包括定子、浮子和若干个设置在定子与浮子之间的如权利要求1-4中任一项所述的磁悬浮作动器；每个磁悬浮作动器的固定部与定子连接，每个磁悬浮作动器的悬浮部与浮子连接，定子位于扰动源中，有效载荷安装在浮子上；通过磁悬浮作动器产生主动控制力抵消从定子传递到浮子上的扰动，实现隔振。
进一步的，在浮子上安装有第一加速度传感器、第一陀螺仪和位置传感器；在定子上安装有激光源、第二加速度传感器、第二陀螺仪、信号采集模块、控制器、运动控制卡和电源；
其中，所述第一加速度传感器和第二加速度传感器，分别用于测量浮子和定子的绝对加速度，并通过信号采集模块输入到控制器中；所述第一陀螺仪和第二陀螺仪，分别用于测量浮子和定子的姿态信息，并通过信号采集模块输入到控制器中；所述位置传感器和激光源相对设置，通过激光源发射激光至位置传感器的光敏面来测量浮子与定子之间的相对位置，并通过信号采集模块输入到控制器中；所述控制器接收测量到的浮子和定子加速度信息、姿态信息以及浮子与定子之间的相对位置信息，通过运动控制卡控制磁悬浮作动器。
进一步的，所述磁悬浮隔振装置采用磁悬浮作动器为如下任一种结构：
所述磁悬浮作动器为一个，用于保证磁悬浮隔振装置仅沿轴向运动，形成单自动度隔振系统；
所述磁悬浮作动器为多个，多个磁悬浮作动器采用分布式布局，组成六自由度磁悬浮隔振装置。
采用上述的基于Halbach永磁阵列的高线性磁悬浮隔振装置的隔振方法，该方法包括以下步骤：
(1)将磁悬浮隔振装置的定子位于扰动源中，当定子受到扰动后，采用第一加速度传感器采集浮子的加速度信息，采用第一陀螺仪采集浮子的姿态信息，采用第二加速度传感器采集定子的加速度信息，采用第二陀螺仪采集定子的姿态信息，采用位置传感器采集浮子与定子之间的相对位置信息，并将采集到的信息传输至控制器；
(2)控制器对接收到的浮子和定子的加速度信息、相对位置信息以及姿态信息进行滤波处理，采用双闭环控制和滑模控制算法，得到相应的控制量；
(3)将控制量分配给每个磁悬浮作动器，通过多个磁悬浮作动器共同作用在浮子上，从而实现隔振。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出的磁悬浮作动器利用两组四块Halbach永磁阵列，采用新型的磁路布局方式，使得磁场分布较为均匀、漏磁较少；线圈受扰动后，在有效行程内，可以近似认为磁场强度是常量；该磁悬浮作动器具有良好的线性度，进行隔振控制时，可以大大地简化控制过程；
(2)本发明提出的磁悬浮作动器基于Halbach永磁阵列，可以在线圈的有效行程范围内产生较强的磁场，从而使隔振器在相同的电流条件下，产生更大的承载力；另外通过优化设计Halbach永磁阵列的参数，使得隔振器的力常数较小，从而满足当前控制系统的电流分辨率要求，用于低频微振动的控制；
(3)本发明提出的磁悬浮作动器利用轻量化、模块化结构将悬浮部分和固定部分组合到一起；基体结构均采用蜂窝铝板材料，有效地减少隔振器的重量；将Halbach永磁阵列及其基体作为悬浮部分，将线圈及其基体作为固定部分，有利于减少浮动部分与定子之间的连接线缆，减少扰动的传递路径，提高隔振器的稳定性；
(4)本发明提出的磁悬浮作动器可以提供较大的控制行程，基于磁感应强度大的特点，可以根据应用需求满足微振动的控制行程，使得磁悬浮作动器可以适用于地面环境中低频微振动；控制行程越大，低频隔振的频率可以越低，不会影响磁悬作动器的线性度；
(5)本发明提出的基于Halbach永磁阵列的高线性磁悬浮隔振装置将模块化的磁悬浮作动器的永磁体部分和线圈部分分别与浮子和定子相连，每个磁悬浮作动器具有1个自由度，通过改变作动器的方位，可以产生其他自由度的控制；磁悬浮作动器的数量可根据隔振装置所需的自由度来定，各作动器耦合作用小；
(6)本发明提出的基于Halbach永磁阵列的多自由度磁悬浮隔振装置具有承载力高、线性度好的特点，通过采用多个磁悬浮作动器分布布局，可以实现空间多自由度的振动隔离；该磁悬浮隔振装置结构简单，各作动器之间耦合作用小；优化设计后的隔振装置可以有效解决高承载力和高控制分辨率的需求，实现地面重力场环境下的微振动隔振控制。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是基于Halbach永磁阵列的磁悬浮作动器整体结构示意图；
图2是磁悬浮作动器的悬浮部分结构示意图；
图3a和图3b是第一Halbach永磁阵列体结构示意图；
图4a和图4b是第二Halbach永磁阵列体结构示意图；
图5a和图5b是磁悬浮作动器的固定部分结构示意图；
图6是基于Halbach永磁阵列的多自由度磁悬浮隔振装置结构示意图；
图7a是多自由度磁悬浮隔振装置的浮子结构示意图；
图7b是多自由度磁悬浮隔振装置的定子结构示意图；
图8是Halbach永磁阵列的充磁方向示意图；
图9a、9b、9c和9d是不同数量的永磁阵列布局图；
图10a和图10b是不同位置的磁场强度变化图；
图11a和11b是磁悬浮作动器的磁感线和磁场分布示意图；
图12a和12b是磁悬浮作动器磁感应强度随着气隙距离的变化量示意图；
图13a和13b是磁悬浮作动器参数优化设计示意图；
图14是多个磁悬浮作动器布局方案示意图；
其中，1、磁体基座，2、第一连接板，3、第一磁轭，4、永磁体Ⅰ，5、永磁体Ⅱ，6、永磁体Ⅲ，7、永磁体Ⅳ，8、第二连接板，9、第二磁轭，10、永磁体Ⅴ，11、永磁体Ⅵ，12、永磁体Ⅶ，13、永磁体Ⅷ，14、线圈外壳，15、线圈内壳，16、线圈，17、线圈基座，18、浮子，19、定子，20、第一加速度传感器，21、位置传感器，22、激光源，23、电路板，24、悬浮部，25、固定部，26、第二加速度传感器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在当前磁悬浮隔振系统在地面重力场中承载力小和控制分辨率不足的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于Halbach永磁阵列的磁悬浮作动器及多自由度磁悬浮隔振装置、制作方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种基于Halbach永磁阵列的磁悬浮作动器，该磁悬浮作动器由固定部分和悬浮部分组成，该悬浮部分用于与浮子连接，该固定部分用于与定子连接；所述悬浮部分包括磁体基座1、第一连接板2、第一磁轭3、第一Halbach永磁阵列、第二连接板8、第二磁轭9和第二Halbach永磁阵列；所述固定部分包括线圈基座17、线圈外壳14、线圈内壳15和矩形空心线圈16，固定部分位于扰动源中，线圈16处于由第一Halbach永磁阵列和第二Halbach永磁阵列产生的磁场中，当磁悬浮作动器的固定部分受扰动使得线圈运动切割磁感线，基于洛伦兹力原理，线圈就会受到洛伦兹力的作用，通过改变电流的大小和方向可以改变洛伦兹力的大小和方向，使线圈产生与扰动大小相同、方向相反的主动控制力，达到隔振的目的；本发明可实现较大控制行程内的宽频带微振动隔振，同时保证该隔振器具有较大的承载力和较低的热耗，并且其磁场分布在控制行程范围内较为均匀；本发明提出的磁悬浮作动器不仅可以隔离来自定子的扰动，还可以对直接抑制作用于浮子上的扰动。
如图2所示，磁悬浮作动器的悬浮部分中，采用第一连接板2将第一Halbach永磁阵列及第一磁轭3嵌入进去，采用第二连接板8将第二Halbach永磁阵列及其第二磁轭9嵌入进去，利用磁体基座1连接第一连接板2和第二连接板8，第一连接板2和第二连接板8位于磁体基座1的两侧。
为了实现地面环境下的大承载力大行程微振动隔振控制，对永磁体的数量和布局进行参数化设计；分别采用2块、3块、4块、5块永磁体组成Halabch阵列，每块永磁体尺寸相同，利用磁轭形成磁回路，如图9a、9b、9c、9d所示；仿真计算气隙处的磁感应强度对位置的变化情况，结果如图10a和10b所示。发现4块永磁阵列和5块永磁阵列的气隙处的磁感应强度大于2块和3块的永磁阵列的磁感应强度。由于4块永磁阵列和5块永磁阵列的气隙处的磁感应强度基本相等，但是5块永磁阵列的体积更大。综合分析选用4块永磁阵列形成磁悬浮作动器的磁场，该磁悬浮作动器可以利用较少的磁体产生较强、线性度较好的磁场，并且漏磁较少，承载力较大。
如图3a和3b所示，第一Halbach永磁阵列由4块尺寸参数相同、充磁强度相同、充磁方向不同的永磁体Ⅰ4、永磁体Ⅱ5、永磁体Ⅲ6和永磁体Ⅳ7组成；如图4a和4b所示，第二Halbach永磁阵列由4块尺寸参数相同、充磁强度相同、充磁方向不同的永磁体Ⅴ10、永磁体Ⅵ11、永磁体Ⅶ12和永磁体Ⅷ13组成。其中每块永磁体的充磁强度相同，并且按图8所示的充磁方向进行充磁。两组Halbach永磁阵列中永磁体的磁化方向为：永磁体Ⅰ和永磁体Ⅴ的磁化方向沿着+x方向，永磁体Ⅱ和永磁体Ⅲ的磁化方向沿着+z方向，永磁体Ⅳ和永磁体Ⅷ的磁化方向沿着-x方向，永磁体Ⅵ和永磁体Ⅶ的磁化方向沿着-z方向。利用Halbach永磁阵列可以提升磁场强度，满足对作动器大承载力的要求。
在本实施例中，永磁体采用型号为N40H钕铁硼材料烧结而成，每块永磁体的尺寸都为尺寸参数为30mm×80mm×30mm。第一磁轭和第二磁轭分别采用导磁率较高的纯铁制成，尺寸参数为10mm×80mm×120mm。第一连接板、第二连接板及磁体基座均选用正六边形蜂窝铝板材料，尽量减少悬浮部分的重量。
第一Halbach永磁阵列与第一Halbach永磁阵列，连同第一磁轭3和第二磁轭9共同形成磁回路。左右两部分的第一Halbach永磁阵列与第一Halbach永磁阵列之间的气隙长度为28mm，通过这种布局方式，使得左右两侧的第一Halbach永磁阵列和第二Halbach永磁阵列之间的气隙磁场中磁场分布较为均匀，可以提高作动器的控制行程，并且使磁悬浮作动器具有良好的线性度。
如图5a和5b所示，磁悬浮作动器的固定部分中，利用线圈基座17连接矩形空心线圈16、线圈外壳14和线圈内壳15，将线圈16缠绕在线圈内壳的矩形框上，再由线圈内外壳通过螺钉连接固定，线圈内壳15、线圈外壳14采用尼龙材料制成，线圈16采用铜线制成；将由线圈16、线圈外壳14和线圈内壳15组成的线圈体置于左右两侧的第一Halbach永磁阵列和第二Halbach永磁阵列形成的气隙磁场中，当线圈通电之后，线圈会受到洛伦兹力的作用，通过调整线圈的通电电流的大小和方向，可以使隔振器产生大小和方向不同的主动控制力，从而达到隔振的目的。通过合理的设计铜线的直径、线圈的匝数，可以使隔振器具有较优的力常数，从而满足隔振器应用在地面环境中时，可以提供较大的承载力和较高的控制分辨率。
每个磁悬浮作动器具有1个自由度，通过调整每个作动器的位姿，并且组合多个作动器协同工作，可以使得磁悬浮隔振装置具有多自由度隔振功能。
本发明实施例提出的磁悬浮作动器，以满足地面重力场环境中大承载力和高控制分辨率的要求，可以有效解决当前磁悬浮隔振系统在地面重力场中承载力小的问题，在满足较高控制分辨率的前提下，大幅度提高隔振器的承载力，并且优化磁悬浮作动器的磁回路，使其具有良好的线性度。其基本原理是：当磁悬浮作动器固定部分受扰动使得线圈运动切割磁感线，基于洛伦兹力原理，线圈就会受到洛伦兹力的作用，通过改变电流的大小和方向可以改变洛伦兹力的大小和方向，使线圈产生与扰动大小相同、方向相反的主动控制力，达到隔振的目的。本发明可实现较大控制行程内的宽频带微振动隔振，同时保证该磁悬浮作动器具有较大的承载力和较低的热耗，并且其磁场分布在控制行程范围内较为均匀。设计的隔振器不仅可以隔离来自定子的扰动，还可以对直接抑制作用于浮子上的扰动。
本发明实施例提出的磁悬浮作动器利用两组四块Halbach永磁阵列，采用新型的磁路布局方式，使得磁场分布较为均匀、漏磁较少。线圈受扰动后，在有效行程内，可以近似认为磁场强度是常量。因此该隔振器具有良好的线性度，进行隔振控制时，可以大大地简化控制过程。
本发明实施例提出的磁悬浮作动器基于Halbach永磁阵列，可以在线圈的有效行程范围内产生较强的磁场，从而使隔振器在相同的电流条件下，产生更大的承载力。另外通过优化设计Halbach永磁阵列的参数，使得隔振器的力常数较小，从而满足当前控制系统的电流分辨率要求，用于低频微振动的控制。
本发明实施例提出的磁悬浮作动器利用轻量化、模块化结构将悬浮部分和固定部分组合到一起，基体结构均采用蜂窝铝板材料，有效地减少磁悬浮作动器的重量；将Halbach永磁阵列及其基体作为悬浮部分，将线圈及其基体作为固定部分，有利于减少浮子与定子之间的连接线缆，减少扰动的传递路径，提高磁悬浮作动器的稳定性。
本申请的另一种典型实施方式，提供了一种基于Halbach永磁阵列的磁悬浮作动器的制作方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：采用多块磁化方向不同的永磁体依次排列组成Halbach永磁阵列；
步骤2：利用两组Halbach永磁阵列，合理排列永磁体的磁化方向，形成一个磁回路；
步骤3：分析磁回路的磁场分布，根据磁回路的磁场分布和气隙长度，计算气隙中的磁感应强度的大小；
步骤4：分析每块永磁体的尺寸对气隙中磁感应强度大小的影响，确定永磁体和Halbach永磁阵列的尺寸；
步骤5：分析气隙长度对磁感应强度大小的影响；
步骤6：分析Halbach作动器的线性度；
步骤7：基于Halbach永磁阵列与线圈之间的相对位置关系，计算线圈的匝数、层数、圈数、质量、体积等参数；
步骤8：根据Halbach永磁阵列的尺寸，设计连接永磁体阵列的连接板和磁轭，根据线圈的参数，制作线圈的内壳和外壳，最后组装形成磁悬浮作动器；
步骤9：测试磁悬浮作动器的力-电流之间的关系，验证其线性度。
本实施例中采用两组Halbach永磁阵列，每组Halbach永磁阵列由4块磁化方向不同的永磁体依次排列布局而成，每块永磁体的充磁强度相同，永磁体Ⅰ4和永磁体Ⅴ10的磁化方向沿着+x方向，永磁体Ⅱ5和永磁体Ⅲ6的磁化方向沿着+z方向，永磁体Ⅳ7和永磁体Ⅷ13的磁化方向沿着-x方向，永磁体Ⅵ11和永磁体Ⅶ12的磁化方向沿着-z方向。
假设控制形成为±5mm，两组Halbach永磁阵列之间的气隙长度为30mm，则线圈的厚度为20mm，在这种布局方式下，两组Halbach永磁阵列之间的气隙中磁场分布较为均匀，经计算磁感应强度在0-20mm内的变化量仅为1％左右。将线圈组件置于两组Halbach永磁阵列产生的较为均匀的磁场中，可以使磁悬浮作动器具有较好的线性度。制作的磁悬浮作动器的线圈缠绕在内壳的矩形框上，再由内外壳通过螺钉连接固定。通过合理的设计铜线的直径、线圈的匝数，可以使磁悬浮作动器具有较优的力常数，从而满足磁悬浮作动器应用在地面环境中时，可以提供较大的承载力和较高的控制分辨率。线圈的内壳、外壳采用尼龙材料制成，线圈采用铜线制成。选铜线直径为1.63mm，其允许的正常电流为8.2A，最大电流为9.4A。
利用Ansys/Maxwell软件对Halbach永磁阵列的磁感线分布和磁场强度进行仿真，获得其磁感线分布示意图和磁场云图，如图11a和11b所示。由仿真结果可知，磁悬浮作动器磁场分布集中，漏磁较少，气隙内磁感线分布较为均匀，磁场强度较强。将线圈绕组置于磁感线分布较为均匀的气隙中，有利于提高作动器的线性度，提高承载力和控制分辨率。
提取气隙中的磁感应强度变化情况，得到磁感应强度变化曲线，如图12a和图12b所示。图12a表明在行程为20mm的范围内，磁感应强度的变化量效应1％。图12b表明在行程30mm范围内磁感应强度变化量约30％，但是在5-30mm范围内，磁感应强度变化量小于1％。分析结果验证了制作的磁悬浮作动器具有良好的线性。
如图13a和13b所示建立磁悬浮作动器的参数化设计模型，Halbach永磁阵列与线圈之间的相对位置关系约束如下：
g≥tcoil+2s
wm≥wcoil+2s
q≥lm+2wcoil+2s
p≥2wcoil+p0+2s
总体尺寸约束如下：
优化目标：
式中；
N＝F/2BIlm线圈匝数计算公式
K＝t/1.63*1000线圈层数
L＝N/K线圈每层圈数
通过多目标优化，可以获得最优的力常数、线圈层数和圈数。根据线圈的厚度限制以及直径，初步计算得到线圈的最多层数为12层，每层圈数最多为10，则线圈最多共120匝。经计算气隙处的磁感应强度平均值约0.935T。设计的力常数为2×120×0.08×0.935＝17.952N/A。此时，线圈电阻为0.38欧姆，热耗为25.7w，单个作动器可产生147.2N的控制力，最大可提供168.7N的控制力。当电流分辨率达到0.03A时，作动器最小可提供0.5386N的控制力。
假设要求每个磁悬浮作动器需要能提供60N的控制力，通过优化设计可得线圈的层数为12，每层圈数为5，匝数为60，作动器的力常数为8.9N/A，线圈电阻为0.17欧姆，热耗为11.7w。当电流分辨率为0.03A时，最小可提供0.26N的控制力。
按照本发明制作的磁悬浮作动器既可以实现大承载力的需求，也可以在满足当前控制分辨率的条件下提供较小的控制力需求。
按照上述方法设计的磁悬浮作动器具有以下几个优点：1)Halabch永磁阵列产生较强和较为均匀的稳定磁场；2)线圈置于较为均匀的磁场中，当固定部分受扰动运动后，线圈所处位置的磁感应强度变化较小，可以看作恒定磁场；3)通过合理设计线圈参数，使隔振器具有较优的力常数，从而可以提供较大的承载力和较高的控制分辨率。
本申请的另一种典型实施方式，如图6所示，提供了一种基于Halbach永磁阵列的高线性磁悬浮隔振装置，该装置包括定子19、浮子18和若干个设置在定子与浮子之间的磁悬浮作动器；所述磁悬浮作动器的固定部25与定子19连接，所述磁悬浮作动器的悬浮部24与浮子18连接，定子位于扰动源中，浮子上设置有外部有效载荷接口，有效载荷安装在浮子上，当定子受扰动，通过磁悬浮作动器产生主动控制力抵消从定子传递到浮子上的扰动，实现隔振，为浮子上的有效载荷提供超静的环境。每个磁悬浮作动器具有1个自由度，通过采用多个磁悬浮作动器协同作用，可以实现多自由度的微振动隔振。本发明可实现较大控制行程内的宽频带微振动隔振，同时保证该隔振器具有较大的承载力和较高的控制分辨率，并且作动器在控制行程范围内具有较好的线性度；本发明提出的多自由度磁悬浮隔振装置不仅可以隔离来自定子的扰动，还可以直接抑制作用于浮子上的扰动。
每个磁悬浮作动器具有1个沿着z方向的控制自由度，通过把磁悬浮作动器旋转90度，可以产生沿着x方向和y方向的控制自由度。该磁悬浮隔振装置所述磁悬浮隔振装置采用磁悬浮作动器为如下任一种结构：
所述磁悬浮作动器为一个，用于保证磁悬浮隔振装置仅沿轴向运动，形成单自动度隔振系统；
所述磁悬浮作动器为多个，多个磁悬浮作动器采用分布式布局，组成六自由度磁悬浮隔振装置。在本实施例中，该磁悬浮隔振装置采用8个磁悬浮作动器，共同实现六自由度振动控制。8个磁悬浮作动器布局方式如图14所示，其中磁悬浮作动器Ⅰ和磁悬浮作动器Ⅴ用于提供沿着x方向和绕着z方向的控制力；磁悬浮作动器Ⅱ、磁悬浮作动器Ⅳ、磁悬浮作动器Ⅵ和磁悬浮作动器Ⅶ用于提供沿着z方向和绕着x/y方向的控制力，磁悬浮作动器Ⅲ和磁悬浮作动器Ⅷ用于提供沿着y方向和绕着z方向的控制力。通过合理布置磁悬浮作动器的方位，使得各方向之间的控制耦合度小。
如图7a所示，在浮子18上安装有第一加速度传感器20、第一陀螺仪和位置传感器21；所述第一加速度传感器20、第一陀螺仪和位置传感器21分别通过信号采集模块与控制器连接；所述第一加速度传感器20，用于测量浮子的绝对加速度，并通过信号采集模块输入到控制器中；所述第一陀螺仪，用于测量浮子的姿态信息，并输入到控制器中；所述位置传感器21，用于通过激光源发射激光至位置传感器光敏面来测量浮子与定子之间的相对位置，并通过信号采集模块输入到控制器中，所述位置传感器21采用PSD位置传感器；第一加速度传感器和第二加速度传感器分别采用加速度计。
如图7b所示，在定子上安装有激光源22、第二加速度传感器26、第二陀螺仪、信号采集模块、控制器、运动控制卡和电源；所述电源为各模块提供所需电源，所述第二加速度传感器和第二陀螺仪分别通过信号采集模块与控制器连接，所述控制器与运动控制卡连接，所述信号采集模块和控制器集成设置在电路板23上；所述激光源22与位置传感器21相对设置，用于测试浮子与定子之间的相对位置；第二加速度传感器26，用于测量定子的绝对加速度，并通过信号采集模块输入到控制器中；所述第二陀螺仪，用于测量定子的姿态信息，并通过信号采集模块输入到控制器中；所述控制器接收测量到的浮子和定子加速度信息、姿态信息和浮子与定子之间的相对位置信息，通过运动控制卡控制磁悬浮作动器。
本发明实施例提出的基于Halbach永磁阵列的多自由度磁悬浮隔振装置利用磁悬浮作动器的固定部分与定子连接，磁悬浮作动器的悬浮部分与浮子连接，有利于减少浮动部分与定子之间的连接线缆，减少扰动的传递路径，提高隔振器的稳定性。需要实现多个自由度方向上的隔振控制，可以采用多个磁悬浮作动器协同布局，把磁悬浮作动器旋转90度安装，也可以产生沿着x方向和y方向的主动控制力。
按照上述实施方式设计的磁悬浮隔振装置具有以下几个优点：1)Halabch永磁阵列产生较强和较为均匀的稳定磁场；2)线圈置于较为均匀的磁场中，当固定部分受扰动运动后，线圈所处位置的磁感应强度变化较小，可以看作恒定磁场；3)通过合理设计线圈参数，使隔振器具有较优的力常数，从而可以提供较大的承载力和较高的控制分辨率；4)通过采用多个Halbach作动器协同作用，可以使磁悬浮装置具有多自由度隔振功能。
本发明实施例提出的基于Halbach永磁阵列的多自由度磁悬浮隔振装置可实现较大控制行程内的宽频带微振动隔振，同时保证该隔振器具有较大的承载力和较低的热耗，并且其磁场分布在控制行程范围内较为均匀。设计的隔振器不仅可以隔离来自定子的扰动，还可以直接抑制作用于浮子上的扰动。
本发明实施例提出的基于Halbach永磁阵列的多自由度磁悬浮隔振装置具有承载力高、线性度好的特点，通过采用多个磁悬浮作动器分布布局，可以实现空间多自由度的振动隔离。该磁悬浮隔振装置结构简单，各作动器之间耦合作用小；优化设计后的多自由度磁悬浮隔振装置可以有效解决高承载力和高控制分辨率的需求，实现地面重力场环境下的微振动隔振控制。
本申请的另一种典型实施方式中，提供了一种采用上述的基于Halbach永磁阵列的多自由度磁悬浮隔振装置进行隔振的方法，该隔振方法包括以下步骤：
(1)将磁悬浮隔振装置的定子位于扰动源中，当定子受到扰动后，分别利用定子和浮子上的加速度传感器、陀螺仪测试出定子受到的扰动量，即采用第一加速度传感器采集浮子的加速度信息，采用第一陀螺仪采集浮子的姿态信息，采用第二加速度传感器采集定子的加速度信息，采用第二陀螺仪采集定子的姿态信息，采用位置传感器采集浮子与定子之间的相对位置信息，并将采集到的扰动量信息传输至控制器；
(2)控制器对接收到的浮子和定子的加速度信息、相对位置信息以及姿态信息进行滤波处理，根据采集的浮子和定子的加速度信息、相对位置信息以及姿态信息，采用双闭环控制策略，利用滑模控制算法，将扰动量转换为相应的控制量；
(3)将控制量分配给每个磁悬浮作动器，通过多个磁悬浮作动器共同作用在浮子上，从而实现隔振。
在本实施例中，控制器一方面用于加强浮子与惯性空间的联系，以隔振控制为目的；一方面用于保持定子和浮子之间的相对位姿，削弱基座与浮动平台之间的联系。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种基于Halbach永磁阵列的磁悬浮作动器，其特征是，所述磁悬浮作动器包括固定部和悬浮部，所述悬浮部包括磁体基座和设置在磁体基座两边的第一Halbach永磁阵列体和第二Halbach永磁阵列体；所述固定部包括线圈基座和设置在线圈基座上的线圈体，所述线圈体位于第一Halbach永磁阵列体和第二Halbach永磁阵列体之间形成的磁场中，当固定部受扰动使线圈体运动切割磁感线，产生主动控制力，实现隔振；
所述第一Halbach永磁阵列体包括U型的第一连接板、第一磁轭和第一Halbach永磁阵列，所述第一连接板的顶端与磁体基座固定连接，所述第一磁轭和第一Halbach永磁阵列嵌入在所述第一连接板内；所述第二Halbach永磁阵列体包括U型的第二连接板、第二磁轭和第二Halbach永磁阵列，所述第二连接板的顶端与磁体基座固定连接，所述第二磁轭和第二Halbach永磁阵列嵌入在所述第二连接板内。
2.根据权利要求1所述的基于Halbach永磁阵列的磁悬浮作动器，其特征是，所述第一Halbach永磁阵列和第二Halbach永磁阵列分别包括多块尺寸参数相同、充磁强度相同、充磁方向不同的永磁体；所述第一Halbach永磁阵列、第一磁轭、第二Halbach永磁阵列和第二磁轭形成磁回路。
3.根据权利要求1所述的基于Halbach永磁阵列的磁悬浮作动器，其特征是，所述线圈体由矩形空心线圈、线圈外壳和线圈内壳组成，线圈缠绕在线圈内壳的矩形框上，再由线圈外壳和线圈内壳通过螺钉连接固定。
4.如权利要求1-3中任一项所述的基于Halbach永磁阵列的磁悬浮作动器的设计方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1：采用多块磁化方向不同的永磁体依次排列组成Halbach永磁阵列；
步骤2：利用两组Halbach永磁阵列，合理排列永磁体的磁化方向，形成一个磁回路；
步骤3：分析磁回路的磁场分布，根据磁回路的磁场分布和气隙长度，计算气隙中的磁感应强度的大小；
步骤4：分析每块永磁体的尺寸对气隙中磁感应强度大小的影响，确定永磁体和Halbach永磁阵列的尺寸；
步骤5：分析气隙长度对磁感应强度大小的影响；
步骤6：分析Halbach作动器的线性度；
步骤7：基于Halbach永磁阵列与线圈之间的相对位置关系，计算线圈的匝数、层数、圈数、质量、体积参数；
步骤8：根据Halbach永磁阵列的尺寸，设计连接永磁体阵列的连接板和磁轭，根据线圈的参数，制作线圈的内壳和外壳，最后组装形成磁悬浮作动器；
步骤9：测试磁悬浮作动器的力-电流之间的关系，验证其线性度。
5.一种基于Halbach永磁阵列的高线性磁悬浮隔振装置，其特征是，包括定子、浮子和若干个设置在定子与浮子之间的如权利要求1-3中任一项所述的磁悬浮作动器；每个磁悬浮作动器的固定部与定子连接，每个磁悬浮作动器的悬浮部与浮子连接，定子位于扰动源中，有效载荷安装在浮子上；通过磁悬浮作动器产生主动控制力抵消从定子传递到浮子上的扰动，实现隔振。
6.根据权利要求5所述的基于Halbach永磁阵列的高线性磁悬浮隔振装置，其特征是，在浮子上安装有第一加速度传感器、第一陀螺仪和位置传感器；在定子上安装有激光源、第二加速度传感器、第二陀螺仪、信号采集模块、控制器、运动控制卡和电源；
其中，所述第一加速度传感器和第二加速度传感器，分别用于测量浮子和定子的绝对加速度，并通过信号采集模块输入到控制器中；所述第一陀螺仪和第二陀螺仪，分别用于测量浮子和定子的姿态信息，并通过信号采集模块输入到控制器中；所述位置传感器和激光源相对设置，通过激光源发射激光至位置传感器的光敏面来测量浮子与定子之间的相对位置，并通过信号采集模块输入到控制器中；所述控制器接收测量到的浮子和定子加速度信息、姿态信息和浮子与定子之间的相对位置信息，通过运动控制卡控制磁悬浮作动器。
7.根据权利要求5所述的基于Halbach永磁阵列的高线性磁悬浮隔振装置，其特征是，所述磁悬浮隔振装置采用磁悬浮作动器为如下任一种结构：
所述磁悬浮作动器为一个，用于保证磁悬浮隔振装置仅沿轴向运动，形成单自动度隔振系统；
所述磁悬浮作动器为多个，多个磁悬浮作动器采用分布式布局，组成多自由度磁悬浮隔振装置。
8.采用权利要求5所述的基于Halbach永磁阵列的高线性磁悬浮隔振装置的隔振方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)将磁悬浮隔振装置的定子位于扰动源中，当定子受到扰动后，采用第一加速度传感器采集浮子的加速度信息，采用第一陀螺仪采集浮子的姿态信息，采用第二加速度传感器采集定子的加速度信息，采用第二陀螺仪采集定子的姿态信息，采用位置传感器采集浮子与定子之间的相对位置信息，并将采集到的信息传输至控制器；
(2)控制器对接收到的浮子和定子的加速度信息、相对位置信息以及姿态信息进行滤波处理，采用双闭环控制和滑模控制算法，得到相应的控制量；
(3)将控制量分配给每个磁悬浮作动器，通过多个磁悬浮作动器共同作用在浮子上，从而实现隔振。
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