CN110939683A - 大载荷低功耗磁悬浮隔振平台 - Google Patents
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Abstract
一种大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，属于磁悬浮隔振技术领域。本发明针对现有磁悬浮隔振系统完全基于主动控制来抵消承载质量，造成系统结构庞大和复杂的问题。它的主动控制单元和重力补偿单元支撑在基座与载荷平台之间，重力补偿单元处于中心位置，主动控制单元为多个，均匀分散在重力补偿单元的外围；主动控制单元包括主动控制动子分部和主动控制定子分部；重力补偿单元包括重力补偿动子分部和重力补偿定子分部；重力补偿单元的磁浮弹簧动子与磁浮弹簧定子一一对应构成磁浮弹簧；主动控制动子分部与主动控制定子分部相对应构成双边动磁式结构的洛伦兹平面电机；多个洛伦兹平面电机相配合带动载荷平台实现六自由度运动。本发明实现了非接触隔振。
Description
技术领域
本发明涉及一种大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，属于磁悬浮隔振技术领域。
背景技术
随着半导体制造、超精密测量以及航天技术的不断发展和进步，隔振问题变得越来越重要。振动的来源复杂且随机性强，大部分振动干扰无法从源头消除，当控制精度接近极限水平时，系统的隔振性能将成为决定其最终性能的关键因素。
以集成电路产业的核心设备--光刻机为例，它所能实现的特征尺寸直接决定了集成电路的性能极限。一方面，随着最小线宽的逐渐递减，系统对精度指标的要求更为苛刻，投影物镜等关键单元对环境振动也越来越敏感。另一方面，光刻机对产片率的极致追求迫使工件台的加速度进一步提高，产生的内部干扰越来越大，消除其影响也越来越难。此外，极紫外光刻作为最具有发展潜力的下一代光刻技术，其采用的全反射式光学系统对光刻环境的高真空度又提出了非常高的要求。以上这些需求使得基于机械弹簧和空气弹簧的传统接触式隔振技术难以满足要求。
磁悬浮隔振是一种利用电磁力实现悬浮与隔振的先进隔振技术，具有非接触、无摩擦、无磨损等特点，大大减少了金属颗粒与微小物质的来源，有利于维持高真空光刻环境，非常适用于超精密定位与隔振领域。然而，完全基于主动控制的磁悬浮隔振系统并不能直接应用在大型制造装备与精密测量仪器中，主要原因是隔振系统需要承载的质量较大，一般从数百公斤到数千公斤。如果完全采用主动控制来抵消隔振系统的承载质量，将导致系统极为庞大和复杂。更严重的影响在于，持续的功率损耗将引起环境温度升高和机械结构变形等一系列问题，严重影响系统定位精度与隔振性能。
因此，如何实现兼顾大承载能力、低功率损耗以及真空兼容性等性能的磁悬浮隔振系统将成为高端制造装备与超精密测量系统所面临的重大课题。
发明内容
针对现有磁悬浮隔振系统完全基于主动控制来抵消承载质量，造成系统结构庞大和复杂，进而定位精度与隔振性能差的问题，本发明提供一种大载荷低功耗磁悬浮隔振平台。
本发明的一种大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，包括主动控制单元、重力补偿单元、载荷平台及基座，
主动控制单元和重力补偿单元支撑在基座与载荷平台之间，重力补偿单元处于中心位置，主动控制单元为多个，均匀分散在重力补偿单元的外围；
所述主动控制单元包括主动控制动子分部和主动控制定子分部；
所述重力补偿单元包括重力补偿动子分部和重力补偿定子分部；
主动控制动子分部和重力补偿动子分部与载荷平台的下表面连接，主动控制定子分部与重力补偿定子分部与基座的上表面连接；
重力补偿动子分部包括至少一个磁浮弹簧动子，磁浮弹簧动子的固定端连接于载荷平台的下表面；重力补偿定子分部包括至少一个磁浮弹簧定子，磁浮弹簧定子的底端连接于基座的上表面；磁浮弹簧动子与磁浮弹簧定子一一对应构成磁浮弹簧；
每个主动控制动子分部包括双边轭板，每边轭板上设置永磁体；每个主动控制定子分部包括冷却板，冷却板上设置驱动线圈；主动控制动子分部与主动控制定子分部相对应构成双边动磁式结构的洛伦兹平面电机；每个洛伦兹平面电机用于产生水平和竖直两个方向的作用力，多个洛伦兹平面电机相配合带动载荷平台实现六自由度运动。
根据本发明的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，
所述磁浮弹簧包括垂向气隙结构的圆筒型磁浮弹簧，磁浮弹簧动子处于磁浮弹簧定子的外围；磁浮弹簧动子与磁浮弹簧定子相互作用用于产生竖直向上的被动悬浮力。
根据本发明的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，磁浮弹簧定子为轴向充磁永磁环，所述磁浮弹簧动子为径向充磁永磁环。
根据本发明的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，
所述磁浮弹簧定子和磁浮弹簧动子的充磁方向还包括以下任一种：
一)磁浮弹簧定子为轴向充磁，所述磁浮弹簧动子包括三段，中间段为径向充磁，上下两段为轴向充磁，并且充磁方向相反；
二)磁浮弹簧定子为径向充磁，磁浮弹簧动子为轴向充磁；
三)磁浮弹簧定子为径向充磁，所述磁浮弹簧动子包括三段，中间段为轴向充磁，上下两段为径向充磁，并且充磁方向相反；
四)磁浮弹簧定子为轴向充磁，所述磁浮弹簧动子包括两段，两段均为轴向充磁，并且充磁方向相反；
五)磁浮弹簧定子包括三段，三段均为轴向充磁，并且中间段与上下两段的充磁方向相反；磁浮弹簧动子包括两段，两段均为轴向充磁，并且充磁方向相反；
六)磁浮弹簧定子为径向充磁；磁浮弹簧动子包括两段，两段均为径向充磁，并且充磁方向相反；
七)磁浮弹簧定子包括三段，三段均为径向充磁，并且中间段与上下两段的充磁方向相反；磁浮弹簧动子包括两段，两段均为径向充磁，并且充磁方向相反。
根据本发明的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，
所述磁浮弹簧还包括水平气隙结构的平板型永磁阵列式磁浮弹簧；所述磁浮弹簧定子包括上层定子永磁阵列和下层定子永磁阵列，磁浮弹簧动子包括中间层动子永磁阵列，中间层动子永磁阵列处于上层定子永磁阵列和下层定子永磁阵列之间；
每个所述永磁阵列包含P×P个呈二维阵列布置的永磁体，P为自然数；相邻永磁体充磁方向相反；上层定子永磁阵列与动子永磁阵列相互吸引，下层定子永磁阵列与动子永磁阵列相互排斥，使磁浮弹簧动子受到竖直向上的被动悬浮力。
根据本发明的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，所述磁浮弹簧在有效行程内的刚度趋近零。
根据本发明的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，
所述洛伦兹平面电机包括三个，呈等边三角形分布。
根据本发明的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，
所述洛伦兹平面电机包括四个，在正方形四条边的中点对称分布，或者在正方形的四角对称分布。
根据本发明的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，
所述洛伦兹平面电机包括六个，呈正六边形对称分布。
本发明的有益效果：本发明中，摒弃了传统的机械弹簧与空气弹簧，采用磁浮弹簧对隔振系统运动部分及载荷的重力作用进行被动补偿，从而实现非接触隔振且兼容真空环境，满足目前大型制造装备及精密测量仪器对隔振系统提出的要求；主动控制单元采用平面电机作为作动器，将洛伦兹电机进一步集成，不仅可以减小系统的体积和重量，也可以降低冷却系统及控制系统的设计难度，此外，多组电机的冗余驱动方式能够降低每个电机的损耗与温升；隔振系统的重力补偿单元与主动控制单元均采用动磁式结构，从根本上消除了线缆扰动对定位精度及隔振性能的影响，而且重力补偿单元结构简单，易于实现，最大限度削弱了加工、装配等误差对重力补偿性能的影响。
附图说明
图1是本发明所述大载荷低功耗磁悬浮隔振平台的整体结构示意图；
图2是大载荷低功耗磁悬浮隔振平台一种视角的分解结构示意图；
图3是大载荷低功耗磁悬浮隔振平台另一种视角的分解结构示意图；
图4是本发明的定子部分的结构示意图；
图5是是本发明的动子部分的结构示意图；
图6是洛伦兹平面电机一种视角的结构示意图；
图7是洛伦兹平面电机另一种视角的结构示意图；
图8是圆筒型磁浮弹簧的充磁方向示意图；
图9是圆筒型磁浮弹簧其它形式的充磁方向示意图；其中(a)为轴径向充磁；(b)为轴径向扩展充磁；(c)为径轴向充磁；(d)为径轴向扩展充磁；(e)为轴向充磁；(f)为轴向充磁阵列；(g)为径向充磁；(h)为径向充磁阵列；
图10是平板型永磁阵列式磁浮弹簧的充磁方向示意图；
图11是图10中每层永磁阵列的充磁方向示意图；
图12洛伦兹平面电机包括三个的分布方式示意图；
图13洛伦兹平面电机包括四个的一种分布方式示意图；
图14洛伦兹平面电机包括四个的另一种分布方式示意图；
图15洛伦兹平面电机包括六个的分布方式示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1至图7所示，本发明提供了一种大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，包括主动控制单元100、重力补偿单元200、载荷平台300及基座400，
主动控制单元100和重力补偿单元200支撑在基座400与载荷平台300之间，重力补偿单元200处于中心位置，主动控制单元100为多个，均匀分散在重力补偿单元200的外围；
所述主动控制单元100包括主动控制动子分部110和主动控制定子分部120；
所述重力补偿单元200包括重力补偿动子分部210和重力补偿定子分部220；
主动控制动子分部110和重力补偿动子分部210与载荷平台300的下表面连接，主动控制定子分部120与重力补偿定子分部220与基座400的上表面连接；
重力补偿动子分部210包括至少一个磁浮弹簧动子，磁浮弹簧动子的固定端连接于载荷平台300的下表面；重力补偿定子分部220包括至少一个磁浮弹簧定子，磁浮弹簧定子的底端连接于基座400的上表面；磁浮弹簧动子与磁浮弹簧定子一一对应构成磁浮弹簧；
每个主动控制动子分部110包括双边轭板，每边轭板上设置永磁体；每个主动控制定子分部120包括冷却板，冷却板上设置驱动线圈；主动控制动子分部110与主动控制定子分部120相对应构成双边动磁式结构的洛伦兹平面电机；每个洛伦兹平面电机用于产生水平和竖直两个方向的作用力，多个洛伦兹平面电机相配合带动载荷平台300实现六自由度运动。
本实施方式中，重力补偿单元200位于隔振平台中央，可包括多组低刚度磁浮弹簧，多组低刚度磁浮弹簧在隔振平台中央均匀分布；磁浮弹簧可以产生竖直向上的被动悬浮力，用于补偿整个隔振平台运动部分及载荷的重力作用。主动控制单元100位于隔振平台的外围，主动控制单元100至少设置为3个，每个主动控制单元100包括作动器，本实施方式中的作动器采用洛伦兹平面电机，因此至少包括三组洛伦兹平面电机组成。冷却板上的驱动线圈包括水平方向和竖直方向，由于在冷却板上将水平和竖直两个方向的驱动线圈集成一体，因此每个洛伦兹平面电机均可以产生水平和竖直两个方向的作用力，多个平面电机配合使用可以控制隔振平台的六自由度稳定运行。
所述主动控制单元100还可以包括驱动器、控制器及传感器等部分；驱动器用于为驱动线圈提供电能，控制单元用于实现对隔振平台运动方位的控制；传感器用来检测载荷平台的六自由度相对运动姿态以及绝对加速度。
本实施方式中，各磁悬浮重力补偿器的动子与各洛伦兹平面电机的动子与顶部载荷平台固定连接，作为磁悬浮隔振平台的动子，各磁悬浮重力补偿器的定子与各洛伦兹平面电机的定子与底部基座固定连接，作为磁悬浮隔振平台的定子。
本实施方式中所述洛伦兹平面电机的具体设置形式如图6及图7所示，双边轭板包括上磁钢板111、线圈板112及下磁钢板113，上磁钢板111和下磁钢板113分别包括轭板及设置在轭板上的永磁体；线圈板112包括线圈安装板框架和设置在其上的驱动线圈。线圈板112上两侧的驱动线圈配合相应位置的永磁体，可用于产生X向或Y向的运动；线圈板112上中间设置的三个驱动线圈配合相应位置的永磁体，可用于产生Z向的运动。
进一步，结合图2至图5所示，所述磁浮弹簧包括垂向气隙结构的圆筒型磁浮弹簧，磁浮弹簧动子处于磁浮弹簧定子的外围；磁浮弹簧动子与磁浮弹簧定子相互作用用于产生竖直向上的被动悬浮力。
所述磁浮弹簧可以由两个永磁环构成。采用垂向气隙结构的圆筒型磁浮弹簧，与水平气隙结构的磁浮弹簧相比较，永磁环之间的作用力随各向位移的敏感度降低，因此悬浮力刚度及各向寄生力将会大大减小，有利于提升系统隔振性能。
作为示例，结合图8所示，磁浮弹簧定子为内部轴向充磁永磁环，所述磁浮弹簧动子为外部径向充磁永磁环。两个永磁环的中心线重合，相互作用可以使磁浮弹簧动子产生竖直向上的被动悬浮力，
作为示例，结合图9所示，所述磁浮弹簧定子和磁浮弹簧动子的充磁方向还包括以下任一种：
一)磁浮弹簧定子为轴向充磁，所述磁浮弹簧动子包括三段，中间段为径向充磁，上下两段为轴向充磁，并且充磁方向相反；
二)磁浮弹簧定子为径向充磁，磁浮弹簧动子为轴向充磁；
三)磁浮弹簧定子为径向充磁，所述磁浮弹簧动子包括三段，中间段为轴向充磁，上下两段为径向充磁，并且充磁方向相反；
四)磁浮弹簧定子为轴向充磁，所述磁浮弹簧动子包括两段，两段均为轴向充磁，并且充磁方向相反；
五)磁浮弹簧定子包括三段，三段均为轴向充磁，并且中间段与上下两段的充磁方向相反；磁浮弹簧动子包括两段，两段均为轴向充磁，并且充磁方向相反；
六)磁浮弹簧定子为径向充磁；磁浮弹簧动子包括两段，两段均为径向充磁，并且充磁方向相反；
七)磁浮弹簧定子包括三段，三段均为径向充磁，并且中间段与上下两段的充磁方向相反；磁浮弹簧动子包括两段，两段均为径向充磁，并且充磁方向相反。
再进一步，结合图10及图11所示，所述磁浮弹簧还包括水平气隙结构的平板型永磁阵列式磁浮弹簧；所述磁浮弹簧定子包括上层定子永磁阵列和下层定子永磁阵列，磁浮弹簧动子包括中间层动子永磁阵列，中间层动子永磁阵列处于上层定子永磁阵列和下层定子永磁阵列之间；
每个所述永磁阵列包含P×P个呈二维阵列布置的永磁体，P为自然数；相邻永磁体充磁方向相反；上层定子永磁阵列与动子永磁阵列相互吸引，下层定子永磁阵列与动子永磁阵列相互排斥，使磁浮弹簧动子受到竖直向上的被动悬浮力，用于补偿整个隔振平台运动部分及载荷的重力作用。
本实施方式中，上层定子永磁阵列和下层定子永磁阵列可分别设置于两个定子板上，两个定子板通过外围的连接件连接在一起；中间层动子永磁阵列可设置在动子板上，并处于两层定子板之间，载荷平台300通过中间层动子永磁阵列支撑。
图10中，第一层表示上层定子永磁阵列的充磁方式，中间层表示中间层动子永磁阵列的充磁方式，第三层表示下层定子永磁阵列的充磁方式。由充磁方向可以看出，上层定子永磁阵列与中间层动子永磁阵列相互吸引，下层定子永磁阵列与动子永磁阵列相互排斥。
再进一步，所述磁浮弹簧在有效行程内的刚度趋近零。
为了实现良好的隔振性能，磁浮弹簧在有效行程内的刚度应尽可能接近零刚度。
本发明中，主动控制单元与重力补偿单元的布局形式可以多种多样：
作为示例，结合图12所示，所述洛伦兹平面电机可以包括三个，呈等边三角形对称分布。
作为示例，结合图13和图14所示，所述洛伦兹平面电机包括四个，在正方形四条边的中点对称分布，或者在正方形的四角对称分布。
作为示例，结合图15所示，所述洛伦兹平面电机包括六个，呈正六边形对称分布。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (9)
1.一种大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，其特征在于，包括主动控制单元(100)、重力补偿单元(200)、载荷平台(300)及基座(400)，
主动控制单元(100)和重力补偿单元(200)支撑在基座(400)与载荷平台(300)之间，重力补偿单元(200)处于中心位置，主动控制单元(100)为多个，均匀分散在重力补偿单元(200)的外围；
所述主动控制单元(100)包括主动控制动子分部(110)和主动控制定子分部(120)；
所述重力补偿单元(200)包括重力补偿动子分部(210)和重力补偿定子分部(220)；
主动控制动子分部(110)和重力补偿动子分部(210)与载荷平台(300)的下表面连接，主动控制定子分部(120)与重力补偿定子分部(220)与基座(400)的上表面连接；
重力补偿动子分部(210)包括至少一个磁浮弹簧动子，磁浮弹簧动子的固定端连接于载荷平台(300)的下表面；重力补偿定子分部(220)包括至少一个磁浮弹簧定子，磁浮弹簧定子的底端连接于基座(400)的上表面；磁浮弹簧动子与磁浮弹簧定子一一对应构成磁浮弹簧；
每个主动控制动子分部(110)包括双边轭板，每边轭板上设置永磁体；每个主动控制定子分部(120)包括冷却板，冷却板上设置驱动线圈；主动控制动子分部(110)与主动控制定子分部(120)相对应构成双边动磁式结构的洛伦兹平面电机；每个洛伦兹平面电机用于产生水平和竖直两个方向的作用力，多个洛伦兹平面电机相配合带动载荷平台(300)实现六自由度运动。
2.根据权利要求1所述的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，其特征在于，
所述磁浮弹簧包括垂向气隙结构的圆筒型磁浮弹簧，磁浮弹簧动子处于磁浮弹簧定子的外围；磁浮弹簧动子与磁浮弹簧定子相互作用用于产生竖直向上的被动悬浮力。
3.根据权利要求2所述的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，其特征在于，磁浮弹簧定子为轴向充磁永磁环，所述磁浮弹簧动子为径向充磁永磁环。
4.根据权利要求2所述的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，其特征在于，
所述磁浮弹簧定子和磁浮弹簧动子的充磁方向还包括以下任一种：
一)磁浮弹簧定子为轴向充磁，所述磁浮弹簧动子包括三段，中间段为径向充磁，上下两段为轴向充磁，并且充磁方向相反；
二)磁浮弹簧定子为径向充磁，磁浮弹簧动子为轴向充磁；
三)磁浮弹簧定子为径向充磁，所述磁浮弹簧动子包括三段，中间段为轴向充磁，上下两段为径向充磁，并且充磁方向相反；
四)磁浮弹簧定子为轴向充磁，所述磁浮弹簧动子包括两段，两段均为轴向充磁，并且充磁方向相反；
五)磁浮弹簧定子包括三段，三段均为轴向充磁，并且中间段与上下两段的充磁方向相反；磁浮弹簧动子包括两段，两段均为轴向充磁，并且充磁方向相反；
六)磁浮弹簧定子为径向充磁；磁浮弹簧动子包括两段，两段均为径向充磁，并且充磁方向相反；
七)磁浮弹簧定子包括三段，三段均为径向充磁，并且中间段与上下两段的充磁方向相反；磁浮弹簧动子包括两段，两段均为径向充磁，并且充磁方向相反。
5.根据权利要求1所述的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，其特征在于，
所述磁浮弹簧还包括水平气隙结构的平板型永磁阵列式磁浮弹簧；所述磁浮弹簧定子包括上层定子永磁阵列和下层定子永磁阵列，磁浮弹簧动子包括中间层动子永磁阵列，中间层动子永磁阵列处于上层定子永磁阵列和下层定子永磁阵列之间；
每个所述永磁阵列包含P×P个呈二维阵列布置的永磁体，P为自然数；相邻永磁体充磁方向相反；上层定子永磁阵列与动子永磁阵列相互吸引，下层定子永磁阵列与动子永磁阵列相互排斥，使磁浮弹簧动子受到竖直向上的被动悬浮力。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，其特征在于，所述磁浮弹簧在有效行程内的刚度趋近零。
7.根据权利要求6所述的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，其特征在于，
所述洛伦兹平面电机包括三个，呈等边三角形分布。
8.根据权利要求6所述的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，其特征在于，
所述洛伦兹平面电机包括四个，在正方形四条边的中点对称分布，或者在正方形的四角对称分布。
9.根据权利要求6所述的大载荷低功耗磁悬浮隔振平台，其特征在于，
所述洛伦兹平面电机包括六个，呈正六边形对称分布。
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