CN110880888A - 二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器 - Google Patents

二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器 Download PDF

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Abstract

二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器，属于磁悬浮技术领域，本发明为解决大型载荷非接触支撑采用悬吊方式或气浮方式进行重力卸载，存在寄生力大、系统结构复杂的问题。本发明包括定子和动子，定子包括上层定子和下层定子，相互平行且固定连接的上层定子和下层定子之间设置动子，两层定子和动子之间存在垂向气隙；两层定子和动子均为N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；永磁体充磁方向为垂向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；动子与上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。

Description

二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器
技术领域
本发明属于磁悬浮技术领域。
背景技术
目前，在一些大型精密仪器设备中，需要对关键部件或有效载荷进行非接触支撑。如光刻机中的计量框架，一方面需要实现对外界振动进行有效隔离，另一方面，需要对整个计量框架进行有效支撑。再比如，大型空间光学载荷在进行航天发射之前需要进行地面实验验证，需要对大型光学载荷进行重力卸载。传统的重力卸载方案采用悬吊方式或气浮方式，存在寄生力大、系统结构复杂等缺点，另外，产生的微小颗粒不适用于真空环境。
发明内容
本发明目的是为了解决大型载荷非接触支撑采用悬吊方式或气浮方式进行重力卸载，存在寄生力大、系统结构复杂的问题，提供了一种二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器。
本发明所述二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器包括七个技术方案：
第一个技术方案：所述二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器包括定子和动子，定子包括上层定子和下层定子，相互平行且固定连接的上层定子和下层定子之间设置动子，两层定子和动子之间存在垂向气隙；两层定子和动子均为N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；永磁体充磁方向为垂向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；动子与上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
第二个技术方案：所述二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器包括定子和动子，动子包括上层动子和下层动子，相互平行且固定连接的上层动子和下层动子之间设置定子，两层动子和定子之间存在垂向气隙；两层动子和定子均为N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；永磁体充磁方向为垂向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相反；定子与下层动子相对位置永磁体的充磁方向相同。
第三个技术方案：所述二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层动子和两层定子均为由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔，任意相邻两层平板结构之间存在垂向气隙；永磁体充磁方向为垂向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相同；两层动子和上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
第四个技术方案：所述二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层定子和两层动子均为由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔，任意相邻两层平板结构之间存在垂向气隙；永磁体充磁方向为垂向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相同；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相反；两层定子和上层动子相对位置永磁体的充磁方向相同。
优选地，定子永磁体的宽度大于、等于或小于动子永磁体的宽度，动子与定子相对位置永磁体为中心对称位置关系或以悬浮力刚度最小为设计原则的水平偏移位置关系。
第五个技术方案：所述二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器括定子和动子，定子包括上层定子和下层定子，相互平行且固定连接的上层定子和下层定子之间设置动子，两层定子和动子之间存在垂向气隙；两层定子和动子均为二维Halbach永磁阵列平板结构；上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；动子与上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
第六个技术方案：所述二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层动子和两层定子均为二维Halbach永磁阵列平板结构，任意相邻两层平板结构之间存在垂向气隙；上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相同；两层动子和上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
第七个技术方案：所述二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层动子和两层定子均为二维Halbach永磁阵列平板结构，任意相邻两层平板结构之间存在垂向气隙；上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相同；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相反；上层动子和上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
优选地，所述二维Halbach永磁阵列平板结构包括N×N个垂向充磁的矩形永磁体和2N(N-1)个水平充磁的矩形永磁体构成，任意相邻两个垂向充磁永磁体之间设置一个水平充磁永磁体，且水平充磁永磁体的充磁方向为从一个垂向充磁永磁体指向相邻的另一个垂向充磁永磁体，任意相邻两个水平充磁永磁体的充磁方向相反。
本发明的有益效果：
(1)采用二维永磁阵列式重力补偿方案，悬浮力密度大；(2)采用双边结构，上、下定子对中间动子在水平方向的作用力相互抵消，装置的侧向寄生力较小；(3)二维永磁阵列形式多样，优化空间大，通过选取合理的结构方案与尺寸参数，能够实现较低的悬浮力刚度，有利于提升隔振性能。
采用本发明磁悬浮技术的补偿器具有非接触、无摩擦、无磨损、无需润滑等特点，可广泛应用于轨道交通、磁悬浮轴承、精密定位平台等领域。实现对载荷的被动悬浮，具有结构简单、易于实现、无损耗等优势，结合主动控制，能够实现大质量载荷的六自由度稳定悬浮。
附图说明
图1是实施例一补偿器的立体结构示意图；
图2是实施例一中单层动子、单层定子补偿器的结构示意图；
图3是定子永磁体和动子永磁体宽度关系与相对位置示意图；
图4是双层动子补偿器的结构示意图，图4(a)是动子在定子内部，图4(b)是动子在定子外部；
图5是图4(a)动子永磁体比定子永磁体宽度小的结构示意图；
图6是图4(b)定子永磁体比动子永磁体宽度小的结构示意图；
图7是二维Halbach永磁阵列；
图8是二维Halbach永磁阵列对应的单层动子结构与双层动子补偿器结构示意图；
图9是其它二维永磁阵列补偿器结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本实施方式采用二维永磁阵列式重力补偿方案，悬浮力密度大；采用双边结构，上、下定子对中间动子在水平方向的作用力相互抵消，装置的侧向寄生力较小；二维永磁阵列形式多样，优化空间大，通过选取合理的结构方案与尺寸参数，能够实现较低的悬浮力刚度，有利于提升隔振性能。
实施例一：参见图1、图2和图3，二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器包括定子和动子，本实施例的补偿器分单动子(参见图2(a)所示)或单定子(参见图2(b)所示)。
第一种单动子补偿器(参见图2(a)所示)：定子包括上层定子和下层定子，相互平行且固定连接的上层定子和下层定子之间设置动子，两层定子和动子之间存在垂向气隙；两层定子和动子均为N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；
永磁体充磁方向为垂向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；动子与上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
相邻永磁体之间的中心距离大于或等于永磁体的宽度。上层定子与下层定子固定连接以保持相对位置不变。
第二种单定子补偿器(参见图2(b)所示)：动子包括上层动子和下层动子，相互平行且固定连接的上层动子和下层动子之间设置定子，两层动子和定子之间存在垂向气隙；两层动子和定子均为N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；
永磁体充磁方向为垂向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相反；定子与下层动子相对位置永磁体的充磁方向相同。
相邻永磁体之间的中心距离大于或等于永磁体的宽度。上层动子与下层动子固定连接以保持相对位置不变。
上述两种结构中，补偿器包括三层平板结构，每层平板结构的永磁体布局方式相同(位置布局，非充磁方向)，定子层平板结构与动子层平板结构的变动之处为单个永磁体的尺寸差别，定子永磁体的宽度可以大于、等于或小于动子永磁体的宽度，各动子永磁体与各定子永磁体的相对位置，可以中心对称，也可以有一定水平偏移，以悬浮力刚度最小为设计原则。
定子和动子还可进一步包括永磁体支撑框架、防撞与限位机构以及锁紧机构。
实施例二：参见图4至图6进行说明，二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层定子和两层动子均为由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔，任意相邻两层平板结构之间存在垂向气隙；
永磁体充磁方向为垂向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；
定子和动子的永磁体的充磁方向分两种：
图4(a)：上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相同；两层动子和上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
图4(b)：上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相同；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相反；两层定子和上层动子相对位置永磁体的充磁方向相同。
相邻永磁体之间的中心距离大于或等于永磁体的宽度。上层定子与下层定子固定连接以保持相对位置不变。上层动子与下层动子固定连接以保持相对位置不变。
本实施例中共四层平板结构，相邻两层平板结构之间存在垂向气隙，每层平板结构的布局方式相同(位置布局，非充磁方向)，定子层平板结构与动子层平板结构的变动之处为单个永磁体的尺寸差别，定子永磁体的宽度可以大于、等于或小于动子永磁体的宽度，各动子永磁体与各定子永磁体的相对位置，可以中心对称，也可以有一定水平偏移，以悬浮力刚度最小为设计原则。图5为力4(a)的变体，图6为力4(b)的变体，动子的永磁体小于定子的永磁体。
定子和动子还可进一步包括永磁体支撑框架、防撞与限位机构以及锁紧机构。
实施例三：参见图7和图8进行说明，该实施例中的补偿器每个平板结构为二维Halbach永磁阵列平板结构，所述二维Halbach永磁阵列平板结构包括N×N个垂向充磁的矩形永磁体和2N(N-1)个水平充磁的矩形永磁体构成，任意相邻两个垂向充磁永磁体之间设置一个水平充磁永磁体，且水平充磁永磁体的充磁方向为从一个垂向充磁永磁体指向相邻的另一个垂向充磁永磁体，任意相邻两个水平充磁永磁体的充磁方向相反。
二维Halbach永磁阵列均以相邻垂向定子永磁体充磁方向相反的规律分布，水平充磁定子永磁体与垂向充磁定子永磁体在水平面内的两个正交方向上交替分布。
图8(a)为单动子结构：补偿器包括定子和动子，定子包括上层定子和下层定子，相互平行且固定连接的上层定子和下层定子之间设置动子，两层定子和动子之间存在垂向气隙；两层定子和动子均为二维Halbach永磁阵列平板结构；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；动子与上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
图8(b)和图8(c)中定动子充磁方向有区别：
图8(b)补偿器包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层动子和两层定子均为二维Halbach永磁阵列平板结构，任意相邻两层平板结构之间存在垂向气隙；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相同；两层动子和上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
图8(c)补偿器包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层动子和两层定子均为二维Halbach永磁阵列平板结构，任意相邻两层平板结构之间存在垂向气隙；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相同；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相反；上层动子和上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
定子和动子还可进一步包括永磁体支撑框架、防撞与限位机构以及锁紧机构。
实施例四：参见图9，补偿器还进一步包括图9(a)～(f)结构。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器，其特征在于，包括定子和动子，定子包括上层定子和下层定子，相互平行且固定连接的上层定子和下层定子之间设置动子，两层定子和动子之间存在垂向气隙；两层定子和动子均为N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；
永磁体充磁方向为垂向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；动子与上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
2.二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器，其特征在于，包括定子和动子，动子包括上层动子和下层动子，相互平行且固定连接的上层动子和下层动子之间设置定子，两层动子和定子之间存在垂向气隙；两层动子和定子均为N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔；
永磁体充磁方向为垂向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相反；定子与下层动子相对位置永磁体的充磁方向相同。
3.二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器，其特征在于，包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层动子和两层定子均为由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔，任意相邻两层平板结构之间存在垂向气隙；
永磁体充磁方向为垂向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相同；两层动子和上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
4.二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器，其特征在于，包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层定子和两层动子均为由N×N个矩形永磁体构成的二维阵列平板结构，每层平板结构中任意相邻两个永磁体之间存在间隔，任意相邻两层平板结构之间存在垂向气隙；
永磁体充磁方向为垂向，每层平板结构中任意相邻两个永磁体的充磁方向相反；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相同；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相反；两层定子和上层动子相对位置永磁体的充磁方向相同。
5.根据权利要求1至4所述二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器，其特征在于，定子永磁体的宽度大于、等于或小于动子永磁体的宽度，动子与定子相对位置永磁体为中心对称位置关系或以悬浮力刚度最小为设计原则的水平偏移位置关系。
6.二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器，其特征在于，包括定子和动子，定子包括上层定子和下层定子，相互平行且固定连接的上层定子和下层定子之间设置动子，两层定子和动子之间存在垂向气隙；两层定子和动子均为二维Halbach永磁阵列平板结构；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；动子与上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
7.二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器，其特征在于，包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层动子和两层定子均为二维Halbach永磁阵列平板结构，任意相邻两层平板结构之间存在垂向气隙；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相反；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相同；两层动子和上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
8.二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器，其特征在于，包括定子和动子，定子包括相互平行且固定连接的上层定子和下层定子，动子包括相互平行且固定连接的上层动子和下层动子，两层动子设置在上层定子和下层定子之间，两层动子和两层定子均为二维Halbach永磁阵列平板结构，任意相邻两层平板结构之间存在垂向气隙；
上层定子和下层定子相对位置永磁体的充磁方向相同；上层动子和下层动子相对位置永磁体的充磁方向相反；上层动子和上层定子相对位置永磁体的充磁方向相同。
9.根据权利要求6、7或8所述二维永磁阵列式磁悬浮重力补偿器，其特征在于，所述二维Halbach永磁阵列平板结构包括N×N个垂向充磁的矩形永磁体和2N(N-1)个水平充磁的矩形永磁体构成，任意相邻两个垂向充磁永磁体之间设置一个水平充磁永磁体，且水平充磁永磁体的充磁方向为从一个垂向充磁永磁体指向相邻的另一个垂向充磁永磁体，任意相邻两个水平充磁永磁体的充磁方向相反。
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