CN113991967B - 一种非接触式永磁支撑装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种非接触式永磁支撑装置，包括：定子，所述定子为竖向的圆柱形的永磁体，所述定子沿轴线方向充磁，且上部为第一磁极，下部为与所述第一磁极相反的第二磁极；动子，所述动子为环形永磁体，所述动子同轴设置在所述定子的外围，所述动子沿径向充磁，且外侧圆周为第一磁极，内侧圆周为与所述第一磁极相反的第二磁极；支撑体，所述支撑体与动子固定连接，悬置于所述定子上方。本发明的非接触式的方式在适用于晶圆的旋转运动的同时避免了因接触工作产生颗粒、震动、噪音；动子与定子安装时存在一定间隙，在动子与定子进行相对旋转过程中，无摩擦损伤，大大提升了动子的使用寿命，避免了微细杂质对晶圆应用场景的二次污染。

Description

一种非接触式永磁支撑装置
技术领域
本发明涉及一种支撑结构，特别是一种非接触式永磁支撑装置，主要应用于精密制造设备技术领域。
背景技术
当前，很多工业设备需要驱动零部件进行多自由度运动，并对其进行精确定位，例如光刻机中的硅片台和掩模台、3D打印机的打印头等。为实现多自由度运动及其精确定位，需要使用支撑结构。在一些运动精度要求不高的场合，常采用多套直线导轨或者滚珠丝杠传动结构沿不同方向进行叠加实现多自由度运动，这类结构在工作时会发生机械摩擦产生颗粒，影响真空内的清洁度。在很多超精密工作台中，气浮轴承被广泛使用以实现多自由度高精度运动，但气浮轴承需要压缩气体供气并往外排气，不适合在真空环境中使用。另一种支撑结构是非接触式永磁支撑装置，利用永磁体间的磁力作为无接触支撑和传动。采用永磁非接触式的支撑结构具有结构简单、零部件表面无需精密加工、适用于真空环境等优点。对于非接触式永磁支撑装置，需要固定部分和支撑部分之间沿轴线方向具有较小的刚度和较大的承载力。而截至目前，暂未有较好的解决方案。
发明内容
为解决以上问题，本发明公开一种非接触式永磁支撑装置，包括：
定子，所述定子为竖向的圆柱形的永磁体，所述定子沿轴线方向充磁，且上部为第一磁极，下部为与所述第一磁极相反的第二磁极；
动子，所述动子为环形永磁体，所述动子同轴设置在所述定子的外围，所述动子沿径向充磁，且外侧圆周为第一磁极，内侧圆周为与所述第一磁极相反的第二磁极；
支撑体，所述支撑体与动子固定连接，悬置于所述定子上方。
可选地，所述第一磁极为N极，所述第二磁极为S极。
可选地，所述第一磁极为S极，所述第二磁极为N极。
可选地，所述定子由一个实心圆柱形磁铁单体或多段磁铁沿竖向堆叠构成。
可选地，所述动子为环形磁铁单体或多段磁铁沿圆周向连接构成。
可选地，所述动子为环形磁铁单体或磁铁与纯铁沿圆周向交替连接构成。
可选地，所述支撑体与所述动子通过螺栓连接、销连接和粘接中任一种方式连接。
可选地，所述定子是由铁氧体或稀土永磁体制成的圆柱体。
可选地，所述支撑体为非磁性材料。
可选地，所述定子与动子之间的径向间隙均匀。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
1、采用了非接触式的方式，动子能够相对于定子进行相对运动，在适用于晶圆的旋转运动的应用场景的同时避免了因接触工作产生颗粒、震动、噪音问题，运动控制效果好；
2、动子的内部的磁力线是N指向S,大部分磁力线和定子顶面N极，形成闭合回路，使得动子的受磁力面积更大，承载能力更强，动子支撑运动更加平稳；
3、动子与定子安装时存在一定间隙，在动子与定子进行相对旋转过程中，无摩擦损伤，大大提升了动子的使用寿命；
4、本发明仅依靠纯机械部件的磁场力进行推力运动，不采用工业电机，避免了微细杂质对晶圆应用场景的二次污染，优化整套机组的工艺运行和最终产品良品率；
5、非接触式永磁机械结构简单，便于更换和维修，提高了工作效率。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是本发明实施例的非接触式永磁支撑装置的三维视图；
图2是本发明实施例的非接触式永磁支撑装置一种形式的二维截面视图；
图3是本发明实施例的非接触式永磁支撑装置另一种形式的二维截面视图；
图4是本发明实施例的非接触式永磁支撑装置的磁力支撑平衡原理图；
图5是本发明实施例的非接触式永磁支撑装置的磁力线分布图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
图1是本发明实施例的非接触式永磁支撑装置的三维视图，图2是本发明实施例的非接触式永磁支撑装置一种形式的二维截面视图。如图1、图2所示，本实施例的非接触式永磁支撑装置包括动子1、定子2、支撑体3，所述定子2为竖向的圆柱形的永磁体，定子2作为中间支撑支撑在固定构件上，例如地面，所述定子2沿轴线方向充磁，且上部为第一磁极，下部为与所述第一磁极相反的第二磁极。所述动子1为环形永磁体，所述动子1同轴设置在所述定子2的外围，所述动子1沿径向充磁，且外侧圆周为第一磁极，内侧圆周为与所述第一磁极相反的第二磁极。支撑体3与动子1固定连接，悬置于所述定子2上方。支撑体3可以是上端封闭的筒体，其悬置于定子2的上端，与定子2上端面之间具有一定的距离。动子1的环形上端面连接在支撑体3的环形下端面上。支撑体3可以是通过螺栓连接、销连接和粘接中任一种方式与动子1连接。
如图2所示，所述第一磁极可以是N极，则第二磁极为S极，当然也可以如图3所示，所述第一磁极可以是S极，则第二磁极为N极。动子1与定子2之间的形成的磁力支撑平衡原理如图4所示。动子1与定子2之间沿圆周切向方向的相互作用力很小可以忽略，只存在沿轴线方向的相互作用力，并且动子1与定子2沿圆周方向磁力处处相等，使得支撑体3受力均衡。具体说，定子2的上部与动子1的内侧圆周之间磁极相反，定子2的上部具有吸引动子1的内侧圆周的向上的斜向力F1，该斜向力F1的水平分力与径向对称位置的水平分力相互抵消，定子2的下部具有排斥动子1的内侧圆周的斜向力F2，同样的，其水平分力与径向对称位置的水平分力也相互抵消。由此只有向上的支撑力来支撑动子1和支撑体3。
动子1下降到一定位置时，动子1和定子2产生的相互磁感力等于动子1和支撑体3的重力和G时，动子1停止下降，并在平衡位置保持平衡稳定，此时动子1和定子2保持一定间隙，实现动子1平稳运动，达到非接触式支撑动子运动的功能。并且定子2和动子1沿圆周方向磁力处处相等，因此定子2和动子1之间沿轴线方向具有较好的对中度，且承载力均匀，是一种理想的非接触式永磁支承结构。
其中，所述定子2可以是由一个实心圆柱形磁铁单体或多段磁铁沿竖向堆叠构成，多段磁铁之间可以通过粘接连接。
其中，所述动子1可以是环形磁铁单体或多段磁铁沿圆周向连接构成，或者也可以是磁铁与纯铁沿圆周向交替连接构成，多段之间可以通过粘接连接。
图5示出了第一磁极是N极，第二磁极为S极时，动子1与定子2之间形成的磁力线分布图。定子2固定在底面，动子1在水平放置情况下，动子1下降到一定位置时即动子1和定子2产生相互磁感力F相等于动子1自身重力G时，动子1停止下降，并在平衡位置保持平衡稳定，此时动子1和定子2保持一定间隙，实现动子1平稳运动，达到非接触式支撑动子运动功能。动子1的S极更密集的磁力线在定子2的上部N极所处空间产生的磁场增强，密集的磁力线分布使得磁力增强，因此动子获得了更大的磁力平衡，更大的磁力平衡增强了动子1的稳定性，因而提高了动子1和定子2之间的轴向相互作用力。并且，也使定子2与动子1之间的上下边缘处的磁场分布更为均匀，由此使得当动子1与定子2沿轴向发生相对位移时，动子移动导致其所处的磁场变化较小，从而减小了动子1与定子2发生相对位移时沿轴线方向相互作用力的变化程度，因此使得该非接触式永磁支撑装置具有更小的轴向刚度。
进一步地，所述定子为由铁氧体或稀土永磁体制成的圆柱体。
进一步地，所述支撑体为非磁性材料。
进一步地，所述定子与动子之间的径向间隙均匀。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非接触式永磁支撑装置，其特征在于，包括：
定子，所述定子为竖向的圆柱形的永磁体，所述定子沿轴线方向充磁，且上部为第一磁极，下部为与所述第一磁极相反的第二磁极；
动子，所述动子为环形永磁体，所述动子同轴设置在所述定子的外围，所述动子沿径向充磁，且外侧圆周为所述第一磁极，内侧圆周为与所述第一磁极相反的第二磁极；
支撑体，所述支撑体与动子固定连接，悬置于所述定子上方，
所述定子由一个实心圆柱形磁铁单体或多段磁铁沿竖向堆叠构成，
所述动子为环形磁铁单体或磁铁与纯铁沿圆周向交替连接构成。
2.根据权利要求1所述的非接触式永磁支撑装置，其特征在于，所述第一磁极为N极，所述第二磁极为S极。
3.根据权利要求1所述的非接触式永磁支撑装置，其特征在于，所述第一磁极为S极，所述第二磁极为N极。
4.根据权利要求1所述的非接触式永磁支撑装置，其特征在于，所述支撑体与所述动子通过螺栓连接、销连接和粘接中任一种方式连接。
5.根据权利要求1所述的非接触式永磁支撑装置，其特征在于，所述定子是由铁氧体或稀土永磁体制成的圆柱体。
6.根据权利要求1所述的非接触式永磁支撑装置，其特征在于，所述支撑体为非磁性材料。
7.根据权利要求1所述的非接触式永磁支撑装置，其特征在于，所述定子与动子之间的径向间隙均匀。
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