CN115681379B - 一种三向准零刚度的磁浮隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三向准零刚度的磁浮隔振装置，属于隔振领域，包括定子框架、动子框架、I型磁浮单元、II型磁浮单元和刚度补偿单元，I型磁浮单元由z向I型磁浮模块构成，Ⅱ型磁浮单元由水平正交的x向II型磁浮模块和y向II型磁浮模块构成，z向I型磁浮模块的z向为正刚度，沿水平的x、y方向为负刚度，x向II型磁浮模块和y向II型磁浮模块沿z方向均为负刚度，且分别沿水平x、y方向为正刚度，刚度补偿单元具有三向低刚度特性。通过匹配动子磁体和定子磁体，能使磁浮隔振装置在x、y和z方向的总刚度均接近零、且三向刚度总和为零的同时z方向承载力尽可能大。本发明的磁浮隔振装置具备三向准零刚度和垂向大承载特性，隔振效果好。

Description

一种三向准零刚度的磁浮隔振装置

技术领域

本发明属于隔振领域，更具体地，涉及一种三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置。

背景技术

隔振技术为精密加工装备、光学设备、微纳操作装置等提供了环境保障和正常工作的条件，同时更加精密的仪器设备对减振技术提出了更高的要求。传统形式的减振器，如金属弹簧、橡胶弹簧、金属-橡胶复合结构、气体弹簧等，都存在承载性能和减振性能互相矛盾的问题，主要体现在减小系统刚度时，可以提高系统的减振性能，但是会降低系统的承载性能。与传统隔振装置相比，磁浮隔振平台具有无机械接触、无摩擦、无磨损、兼容真空环境等优点，在集成电路制造、航空航天、生物医学、微纳操作等现代精密装备领域具有广阔的应用前景。

磁浮隔振平台的特殊之处在于其工作时被隔离对象处于悬浮状态，从而消除了被隔离对象与振动源之间的机械耦合，理论上具有优越的振动抑制性能；同时，由于没有机械接触，磁浮隔振平台的运动部件与固定部件之间没有摩擦，也就不存在磨损，并且无需润滑，因此不会产生污染真空环境的金属颗粒和润滑剂，这使磁浮隔振平台非常适用于真空环境。

对于隔振系统的评价，大承载性能和低刚度是其中两个关键指标。目前，磁浮隔振技术应用于减振领域存在一些技术难题，难以保证在大承载的情况下满足较低的刚度，难以实现多维度多方向的隔振。当前，要实现刚度准零的减振，通常是将正刚度特性的机构和具有负刚度的机构并联，正刚度特性保证承载能力，负刚度特性实现减振效果，在保证系统承载性能不降低的情况下提升系统的减振性能。利用磁体代替传统的机械减振机构，由于磁场力为非接触力，不会引入摩擦及其带来的非线性问题。

目前，已有的磁浮隔振平台，大多结构复杂，占用空间大，仅能隔离承载方向的振动，并且没有只利用磁体排列组合就既能实现大承载，又能实现三向准零的低频隔振机构。因此，针对磁浮隔振技术难点，需要开发出一种新型的磁浮隔振装置，既能满足三个方向刚度同时达到近零的效果，又能实现较大载荷的承载。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种三向准零刚度的磁浮隔振装置，通过巧妙的结构设计和组合，使得磁浮隔振装置结构简单，承载大，且能实现多个方向刚度同时达到近零效果。

为实现上述发明目的，本发明提供一种三向准零刚度的磁浮隔振装置，其特征在于，其包括定子框架、动子框架、Ⅰ型磁浮单元、Ⅱ型磁浮单元，其中， I型磁浮单元包括z向I型磁浮模块，Ⅱ型磁浮单元包括x向II型磁浮模块和y 向II型磁浮模块，其中，z向I型磁浮模块包括至少一对沿z向上下相对布置的定子磁体和动子磁体，沿z向上下相对布置的定子磁体和动子磁体沿z向反向励磁，沿x方向同向励磁或者沿y方向同向励磁，x向II型磁浮模块和y向 II型磁浮模块两者水平正交布置，x向II型磁浮模块和y向II型磁浮模块均包括动子磁体和定子磁体，x向II型磁浮模块和y向II型磁浮模块各自的动子磁体数量和定子磁体数量相差为1，x向II型磁浮模块中定子磁体和动子磁体沿x 方向交替排列，y向II型磁浮模块中定子磁体和动子磁体沿y方向交替排列，x 向II型磁浮模块和y向II型磁浮模块中的磁体沿各自排列方向反向励磁或均沿 z向同向励磁，所有的定子磁体固定于定子框架上，所有的动子磁体固定于动子框架上，z向I型磁浮模块垂向为正刚度，且沿水平的x方向、y方向为负刚度，x向II型磁浮模块和y向II型磁浮模块沿z方向均为负刚度，且分别沿水平x方向、y方向为正刚度，通过匹配动子磁体和定子磁体的尺寸以及间距，使I型磁浮单元和II型磁浮单元组成的整体在x方向、y方向和z方向的总刚度均接近零、且三向刚度总和为零同时z方向承载力尽可能大。

进一步的，其还包括刚度补偿单元，刚度补偿单元设置在定子框架和动子框架之间，刚度补偿单元是具有三向正刚度的弹性元件，刚度补偿单元的正刚度和与该正刚度相对应方向上磁体间相互作用产生的负刚度相并联，用于实现 x方向、y方向和z方向上均具有接近零的较小正刚度，最终实现x方向、y方向和z方向各方向的稳定隔振。

进一步的，基于磁荷模型，磁场对引入磁场中的点磁荷会施加作用力，对永磁体之间的磁力进行求导，得到磁体由磁力产生的x、y、z三个方向刚度之和近似为零，即k_x+k_y+k_z≈0。

进一步的，利用两类磁浮单元及不同布置方式的组合，使得两类磁浮单元的刚度特性满足以下关系：

z向I型磁浮模块中，由m对定子磁体与动子磁体组成，在x方向刚度特性为在y方向刚度特性为/>在z方向刚度特性为/>其中z向为承载方向，z向I型磁浮模块在x、y、z三方向刚度特性之和为/>其中m为正整数，m表示z向I型磁浮模块中定子磁体与动子磁体的对数，/>表示z向I型磁浮模块在x方向的刚度特性，/>表示z向I型磁浮模块在y方向的刚度特性，/>表示z向I型磁浮模块在z方向的刚度特性。

x向II型磁浮模块中，沿x方向布置的磁体由2n个动子磁体和(2n+1)个定子磁体组成，在x方向刚度特性为在y方向刚度特性为/>在z方向刚度特性为x向II型磁浮模块在x、y、z三方向刚度特性之和为/>其中，n为正整数，2n表示x向II型磁浮模块中动子磁体的个数，/>表示x向Ⅱ型磁浮模块在x方向的刚度特性，/>表示为x向Ⅱ型磁浮模块在y方向的刚度特性，/>表示x向Ⅱ型磁浮模块在z方向的刚度特性。

y向Ⅱ型磁浮模块布置的磁体由2p个动子磁体和(2p+1)个定子磁体组成， y向Ⅱ型磁浮模块在x方向刚度特性为在y方向刚度特性为/>在z方向刚度特性为y向Ⅱ型磁浮模块在x、y、z三方向刚度特性之和为/>其中，p为正整数，2p表示y 向Ⅱ型磁浮模块中动子磁体的个数，/>为y向Ⅱ型磁浮模块在x方向的刚度特性，/>为y向Ⅱ型磁浮模块在y方向的刚度特性，/>为y向Ⅱ型磁浮模块在z方向的刚度特性。

本发明的三向准零刚度的大承载磁浮装置在x方向上，各磁浮模块呈现的正刚度特性为呈现的负刚度特性为/>在本发明的三向准零刚度的大承载磁浮装置在y方向上，各磁浮模块呈现的正刚度特性为/>呈现的负刚度特性为/>本发明的三向准零刚度的大承载磁浮装置在z方向上，呈现的正刚度特性为/>呈现的负刚度特性为/>

进一步的，通过合理配置磁体尺寸、定子磁体和动子磁体间距(通过配置磁体尺寸、间距，能调节磁力大小，通过不同磁力大小的组合进而最终能调节刚度特性)，使得本发明的三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置在x方向、y 方向、z方向上的正刚度特性与负刚度特性的数值均接近，在x、y、z三个相互正交的方向刚度均接近零，即刚度特性满足如下关系：

进一步的，定子磁体和动子磁体形状可为长方体形、圆柱体形、圆环柱形或非规则形状。

进一步的，定子磁体和动子磁体分别固定在定子框架和动子框架上，固定方式为胶粘但不限于胶粘。

进一步的，定子框架通过机械结构与外界所匹配的隔振器定框架或与隔振器定框架固定连接的振源固定连接，动子框架通过机械结构与负载平台或与外界隔振器动框架固定连接的被隔振设备固定连接。

进一步的，z向I型磁浮模块、x向Ⅱ型磁浮模块和y向II型磁浮模块中，可由一整块动子磁体和一整块定子磁体构成，也可以由m行n列个动子磁体与对应的定子磁体阵列构成，阵列构成方式能够提升磁体的承载密度，其中m与 n为正整数。

进一步的，每种类型的磁浮模块的定子磁体与动子磁体可为一层或多层。

进一步的，z向I型磁浮模块中，定子磁体与动子磁体沿z向反向励磁。x 向II型磁浮模块和y向II型磁浮模块中，定子磁体与动子磁体沿各自的排列方向反向励磁，同一层磁体中，相邻的定子磁体或动子磁体间的励磁方向可为相同方向，也可为相反方向。其中，同一层中相邻的定子磁体或动子磁体的励磁方向相反能够产生更大的承载密度，是更优的磁体布置方式。

进一步的，同一层的阵列中，相邻的定子磁体或动子磁体的间距可以为零，也可以为w，其中w为正数。

进一步的，在x、y、z三个相互正交的方向中，若需隔离其中某一方向的振动，为使得隔振性能稳定，可在该刚度准零的方向上再并联上较小的正刚度装置。

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，具有以下有益效果：

本发明中，通过多组合适尺寸的Ⅰ型磁浮单元和沿x方向、y方向布置的Ⅱ型磁浮单元组合，合理配置定子与动子的间距，使得本发明的三向准零刚度的大承载磁浮隔振机构在x、y、z三方向的正刚度特性与负刚度特性数值近似相等，三方向上的总刚度都近似为零且垂向承载力大，具有良好的三向隔振性能。Ⅰ型磁浮单元是垂向承载力的主要来源，可以承受较大的静载荷。本发明的三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置不仅可以同时实现三个相互正交方向上的超低频非接触式隔振，也可以承受较大载荷。相比于结构复杂、只利用主动控制的磁浮主动隔振系统，磁浮电机承载小，电机温升高，只采用主动控制实现承受载荷将导致隔振系统非常复杂，持续的大功率输出将影响隔振系统工作的稳定性。本发明的结构更加简洁、易于实现，能满足目前大型精密制造装备、精密仪器与设备对低频隔振的要求。

附图说明

图1为本发明所述三向准零刚度的磁浮隔振装置的一种整体结构示意图；

图2为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例1的主视图示意图；

图3为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例1沿着图2中 A-A方向的剖视示意图；

图4为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例2的主视图示意图；

图5为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例2沿着图4中 B-B方向的剖视示意图；

图6为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例3的主视图示意图；

图7为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例3沿着图6中 C-C方向的剖视示意图；

图8为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例4中磁体部分俯视示意图；

图9为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例5的主视图示意图；

图10为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例5沿着图9 中D-D方向的剖视示意图；

图11为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例6的主视图示意图；

图12为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例6沿着图11 中E-E方向的剖视示意图；

图13为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例7的主视图示意图；

图14为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例7沿着图13 中F-F方向的剖视示意图；

图15为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例7沿着图14中G-G方向的剖视示意图；

图16为本发明所提供的三向准零刚度的磁浮隔振装置实施例1并联刚度补偿单元的示意图。

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。

针对现有磁浮隔振系统大多基于主动控制抵消承载质量，其结构复杂，承载较小且大多只可实现单方向的隔振的问题，本发明提出了一种三向准零刚度的大承载磁浮隔振机构。

本发明的一种三向准零刚度的大承载磁浮隔振机构，其利用多组磁体按照特定的励磁方向和位置进行布置，将由永磁体构成的动子与定子分别固定在动子框架和定子框架上，通过不同尺寸、不同励磁方向磁体的组合布置，合理配置各方向的磁体间距，使得多组磁体间的作用力在三个正交方向，也即x、y、 z方向产生的正刚度特性和负刚度特性的数值均接近，即整个磁浮隔振机构在x、 y、z每个方向上达到刚度接近零的状态，同时在垂向能够承受较大载荷。

本发明提出了一种三向准零刚度的磁浮隔振装置，它由定子框架、动子框架、I型磁浮单元、II型磁浮单元、刚度补偿单元构成。I型磁浮单元包括z向 I型磁浮模块，z向I型磁浮模块由沿z向反向励磁、上下布置的定子永磁体与动子永磁体组成。II型磁浮单元包括沿x向布置的x向II型磁浮模块和沿y向布置的y向II型磁浮模块，x向II型磁浮模块包括定子磁体和动子磁体，定子磁体和动子磁体均为永磁体，定子磁体与动子磁体沿x向反向励磁且交替排列，定子与动子数量差为1。II型磁浮单元的y向II型磁浮模块同样也包括定子磁体和动子磁体，动子磁体和动子磁体也同样为永磁体，定子磁体与动子磁体沿 y向反向励磁且交替排列，定子磁体与动子磁体数量相差为1。II型磁浮单元中， x向II型磁浮模块与y向II型磁浮模块两者呈水平正交布置。x向II型磁浮模块与y向II型磁浮模块各自的定子磁体与动子磁体数量差为1且沿同一水平方向交替排列，各自的定子磁体与动子磁体沿排列方向反向励磁或均沿垂向同向励磁。I型磁浮单元z向为正刚度、水平向为负刚度，II型磁浮单元z向为负刚度、x方向和y方向为正刚度，通过合适的尺寸和间距配置可使二者在每个方向的总刚度均接近零、三向刚度总和为零且垂向承载力大。刚度补偿单元为具有三向正刚度的弹性元件，且两端分别与定子框架和动子框架固定连接。所述磁浮隔振机构具备三向准零刚度和垂向大承载特性，隔振效果好。

图1为本发明实施例的一种三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置的整体结构示意图，包括动子框架1、I型磁浮单元、II型磁浮单元、刚度补偿单元4和定子框架5，其中，II型磁浮单元中沿x向布置有x向II型磁浮模块6，II型磁浮单元中沿y向布置有y向II型磁浮模块3。I型磁浮单元布置有z向I型磁浮模块2，z向I型磁浮模块2包含沿z向布置、由永磁体构成的定子和动子，z 向I型磁浮模块2中永磁体构成的定子和动子沿z向反向励磁或沿水平向同向励磁。所述II型磁浮单元中沿y向布置的y向II型磁浮模块3也包括定子和动子，定子与动子沿y向交替排列且数量差为1，定子与动子沿y向反向励磁或均沿z向同向励磁。所述II型磁浮单元中沿x向布置的x向II型磁浮模块6中定子与动子沿x向交替排列且数量差为1，定子与动子沿x向反向励磁或均沿z 向同向励磁。x向II型磁浮模块6、y向II型磁浮模块3和z向I型磁浮模块2 共同作用，形成三向准零刚度。

所述刚度补偿单元4一端与动子框架1相连，另一端与定子框架5相连。所述z向I型磁浮模块2、II型磁浮单元中沿y向布置的y向II型磁浮模块3、II型磁浮单元中沿x向布置的x向II型磁浮模块6这三者中的动子通过动子框架1与承载平台相连，z向I型磁浮模块2、II型磁浮单元中沿y向布置的y向 II型磁浮模块3、II型磁浮单元中沿x向布置的x向II型磁浮模块6这三者中的定子通过定子框架5与基座相连且固定不动。

图2与图3为本发明实施例1提供的三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置的原理图。由两图可知，其中，阴影磁体代表定子磁体，白色无阴影磁体代表动子磁体。本实施例中，将x方向、y方向、z方向分别对应三个阵列方向，三个阵列方向相互正交。图2所示为本实施例的主视图，图3为图2沿A-A方向的剖视图，本实施例，z向I型磁浮模块2、II型磁浮单元中沿y向布置的y向 II型磁浮模块3、II型磁浮单元中沿x向布置的x向II型磁浮模块6这三者中的动子通过动子框架1与承载平台相连，z向I型磁浮模块2、II型磁浮单元中沿y向布置的y向II型磁浮模块3、II型磁浮单元中沿x向布置的x向II型磁浮模块6这三者中的定子通过定子框架5与基座7相连且固定不动。结合图2 和图3可知，z向I型磁浮模块2中包括一个动子磁体和一个定子磁体，两者相对设置，y向II型磁浮模块3中包括三个磁体，三个磁体沿y向排列，包括一个动子磁体和两个定子磁体，动子磁体位于两个定子磁体之间，x向II型磁浮模块6包括三个磁体，三个磁体沿x向排列，包括一个动子磁体和两个定子磁体，动子磁体位于两个定子磁体之间。

图3所示为图2中实施例沿A-A方向的剖视图，由图可知，本发明的磁浮隔振装置中的磁浮单元分为两种类型，I型磁浮单元包含的z向I型磁浮模块2 中设置有沿z向布置、由永磁体构成的定子磁体和动子磁体，二者沿z向反向励磁，z向I型磁浮模块2中定子磁体与动子磁体间磁力在z方向上呈现正刚度特性，且在x方向、y方向上均呈现负刚度特性。II型磁浮单元沿y向布置的y 向II型磁浮模块中，由永磁体构成的第一定子磁体、动子磁体和第二定子磁体沿y向交替排列，且沿y向反向励磁，II型磁浮单元沿y向布置的II型磁浮模块中定子磁体与动子磁体间磁力在y方向上呈现正刚度特性，在x方向、z方向上呈现负刚度特性。II型磁浮单元沿x向布置的x向II型磁浮模块中，由永磁体构成的第一定子磁体、动子磁体、第二定子磁体沿x向交替排列，且沿x 向反向励磁，II型磁浮单元沿x向布置的x向II型磁浮模块中定子磁体与动子磁体间磁力在x方向上呈现正刚度特性，在y方向、z方向上呈现负刚度特性。 I型磁浮单元和II型磁浮单元这两种类型的磁浮单元中，同种磁浮单元中的定子磁体与动子磁体交替排列且数量差为1，通过合适的尺寸和间距配置可使得I 型磁浮单元和II型磁浮单元在x方向、y方向、z方向的每个方向的总刚度均接近零且垂向承载力大。

图4与图5为本发明提供的三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置的实施例 2的原理图(图2和图3所示为实施例1的三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置原理图)。其中，阴影磁体代表定子磁体，白色无阴影磁体代表动子磁体。本实施例2中，将x方向、y方向、z方向分别对应三个阵列方向，三个阵列方向相互正交。图4所示为本实施例2的主视图，图5为图2沿B-B方向的剖视图，本实施例2中动子磁体通过动子框架1与承载平台4相连，定子磁体通过定子框架5与基座7相连。结合图4和图5可知，z向I型磁浮模块2中包括一个动子磁体和一个定子磁体，两者相对设置，y向II型磁浮模块中包括三个磁体，三个磁体沿y向排列，包括一个动子磁体和两个定子磁体，动子磁体位于两个定子磁体之间，x向II型磁浮模块包括三个磁体，三个磁体沿x向排列，包括一个动子磁体和两个定子磁体，动子磁体位于两个定子磁体之间。

图5所示的实施例2沿B-B方向的剖视图中，本发明的磁浮隔振装置中的磁浮单元分为两种类型，I型磁浮单元包含的z向I型磁浮模块2中设置有沿z 向布置、由永磁体构成的定子磁体和动子磁体，定子磁体和动子磁体二者均沿 x向同向励磁，I型磁浮单元中定子磁体与动子磁体间磁力在z方向上呈现正刚度特性，在x方向、y方向上呈现负刚度特性。II型磁浮单元沿y向布置的y 向II型磁浮模块中，由永磁体构成的第一定子磁体、动子磁体、第二定子磁体沿y向交替排列，且均沿z向同向励磁，II型磁浮单元沿y向布置的II型磁浮模块中定子磁体与动子磁体间磁力在y方向上呈现正刚度特性，在x方向、z 方向上呈现负刚度特性。II型磁浮单元沿x向布置的x向II型磁浮模块中，由永磁体构成的第一定子磁体、动子磁体、第二定子磁体沿x向交替排列，且均沿z向同向励磁，II型磁浮单元沿x向布置的II型磁浮模块中定子磁体与动子磁体间磁力在x方向上呈现正刚度特性，在y方向、z方向上呈现负刚度特性。I型磁浮单元和II型磁浮单元这两种类型的磁浮单元中，同类磁浮单元中的定子磁体与动子磁体交替排列且数量差为1，通过合适的尺寸和间距配置可使得I 型磁浮单元和II型磁浮单元在x、y、z每个方向的总刚度均接近零且垂向承载力大。

图6与图7为本发明提供的三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置实施例3 的原理图。本实施例3中，将x方向、y方向、z方向分别对应三个阵列方向，三个阵列方向相互正交。图6为本实施例3的主视图，图7为图6沿C-C方向的剖视图，实施例3中，阴影磁体代表定子磁体，白色无阴影磁体代表动子磁体。z向I型磁浮模块2中定子磁体和动子磁体数量相同，均设置成4列×8排的阵列式布置，所用的定子磁体设置在一个层面中，所有的动子磁体也设置在同一个层面中。y向II型磁浮模块具有三层，每一层的布置是同相同的，均为两个条状的定子磁体之间设置一个动子磁体，在每一层中所有的磁体相距间隔并且平行设置。x向II型磁浮模块同样设置了三层，每一层的布置是相同的，均为两个定子磁铁之间设置有一个动子磁铁，在每一层中，所有磁体相距间隔并平行排列。本实施例3中动子磁体通过动子框架1与承载平台4相连，定子磁体通过定子框架5与基座7相连。

更具体的，图7所示的实施例3沿C-C方向的剖视图中，本发明的磁浮隔振装置中的磁浮单元分为两种类型，z向I型磁浮模块2包含沿z向布置、由永磁体构成的定子磁体和动子磁体，定子磁体与动子磁体沿水平方向呈阵列布置，上下对应的定子磁体与动子磁体均沿z向反向励磁，同层相邻的定子或动子励磁方向均相反，z向I型磁浮模块2中定子磁体与动子磁体间磁力在z方向上呈现正刚度特性，在x方向、y方向上呈现负刚度特性。II型磁浮单元沿y向II 型磁浮模块中，由永磁体构成的第一定子磁体、动子磁体、第二定子磁体均沿z向呈阵列布设，在z向处于同层的定子磁体与动子磁体沿y向交替排列且数量差为1，定子磁体与动子磁体沿y向反向励磁，在z向处于同列的相邻定子或动子的励磁方向均相反。II型磁浮单元沿y向布置的II型磁浮模块中定子磁体与动子磁体间磁力在y方向上呈现正刚度特性，在x、z方向上呈现负刚度特性。II型磁浮单元中，x向II型磁浮模块中，由永磁体构成的第一定子磁体、动子磁体、第二定子磁体均沿z向阵列，在z向处于同层的定子磁体与动子磁体沿x向交替排列且数量差为1，定子磁体与动子磁体沿x向反向励磁，在z 向处于同列的相邻定子磁体或动子磁体的励磁方向均相反，II型磁浮单元中x 向II型磁浮模块中定子磁体与动子磁体间磁力在x方向上呈现正刚度特性，在 y、z方向上呈现负刚度特性。通过合适的尺寸和间距配置可使得I型磁浮单元和II型磁浮单元在x、y、z每个方向的总刚度均接近零且垂向承载力大。

相比于实施例1中各磁体为板状长方体形，本实施例3中各磁浮单元整体结构外形与实施例1中类似，但实施例3中将励磁方向截面为正方形的磁体进行阵列设置，相邻磁体励磁方向相反。基于磁体的分子电流模型，这种阵列构型可以有效地减少面电流的相互抵消效应，以最终形成更多的等效表面电流，相邻磁体按相反方向的励磁方式使得磁场的梯度更大，相应产生的刚度特性更大，单位空间的磁体承载密度更大，在本发明的三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置中产生更好的隔振效果与大承载。

图8所示为本发明提供的三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置实施例4的原理图。其中，以实施例3为基础，本发明的磁浮隔振装置中，z向I型磁浮模块2的定子磁体与动子磁体沿水平x、y向阵列扩展，也即，其沿x、y平面呈层状设置，在该层内，各个磁体呈阵列布置，其阵列为q行r列。整个动子磁体和整个定子磁体的布置相同，数量也相同。y向II型磁浮模块中，定子磁体与动子磁体均沿y向阵列扩展总数为(2s+1)个，s为自然数，且定子磁体数量和动子磁体数量相差1个，同一层中，定子磁体和动子磁体相隔间距交替布置。x向II型磁浮模块中，定子磁体与动子磁体均沿x向阵列扩展总数为(2t+1) 个，t为自然数，同一层中，定子磁体数量和动子磁体数量相差1，并且定子磁体和动子磁体相隔间距交替布置。实施例4中，x向II型磁浮模块中沿z向设置有一层或多层，y向II型磁浮模块中沿z向设置有一层或多层。

图9与图10为本发明提供的三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置实施例5 的原理图。本实施例5中，将x方向、y方向、z方向分别对应三个阵列方向，三个阵列方向相互正交，阴影磁体代表定子磁体，白色无阴影磁体代表动子磁体。图9为本实施例5的主视图，图10为图9沿D-D方向的剖视图。实施例5 中，图10中视图的四角为四个磁体组合，y向II型磁浮模块和x向II型磁浮模块分别设置在两两相对的磁体组合之间。四个磁体组合用作z向I型磁浮模块2，其具有两层，一层是动子磁体，一层是定子磁体。y向II型磁浮模块和x 向II型磁浮模块各自只有一层，每层中定子磁体和动子磁体相隔间距交替布置。所有的动子磁体通过动子框架1与承载平台4相连，所有的定子磁体通过定子框架5与基座7相连。

图10所示的实施例5沿D-D方向的剖视图中，本实施例5在水平x、y方向上整体为对称结构。本发明的磁浮隔振装置中，z向I型磁浮模块2包含沿z 向布置、由永磁体构成的定子磁体组合和动子磁体组合，所有的定子磁体组合和所有的动子磁体组合均由u行v列个正方体磁体组成，其中u、v均为正整数，磁体组合中的定子磁体与动子磁体沿水平方向呈阵列布置，上下对应的定子磁体与动子磁体均沿z向反向励磁，同层相邻的定子或动子励磁方向均相反，z 向I型磁浮模块2中定子磁体与动子磁体间磁力在z方向上呈现正刚度特性，在x、y方向上呈现负刚度特性。y向II型磁浮模块中包含两个相对设置且结构相同的磁体组合，由永磁体构成的定子磁体和动子磁体y向交替排列，且沿y 向反向励磁，y向II型磁浮模块中定子磁体与动子磁体间磁力在y方向上呈现正刚度特性，在x、z方向上呈现负刚度特性。x向II型磁浮模块包括两个相对设置且结构相同的磁体组合，在每个磁体组合中，由永磁体构成的定子磁体和动子磁体沿x向交替排列且相隔间距，且沿x向反向励磁，x向II型磁浮模块中定子磁体与动子磁体间磁力在x方向上呈现正刚度特性，在y、z方向上呈现负刚度特性。通过合适的尺寸和间距配置可使得I型磁浮单元和II型磁浮单元在x、y、z每个方向的总刚度均接近零且垂向承载力大。

图11与图12为本发明提供的三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置实施例 6的原理图。本实施例6中，将x方向、y方向、z方向分别对应三个阵列方向，三个阵列方向相互正交，阴影磁体代表定子磁体，白色无阴影磁体代表动子磁体。图11为本实施例6的主视图，图12为图11沿E-E方向的剖视图。本实施例6中动子磁体通过动子框架1与承载平台4相连，定子磁体通过定子框架5 与基座7相连。

图12所示的实施例6沿E-E方向的剖视图中，本实施例与实施例5类似，在水平x、y方向上整体为对称结构。相比于实施例5，本实施例6中布置在四角处的z向I型磁浮模块2由圆柱形磁体组成，四角处的圆柱形磁体结构相同。 z向I型磁浮模块2包含沿z向布置、由永磁体构成的定子磁体组合和动子磁体组合，上下对应的定子磁体与动子磁体均沿z向反向励磁，z向I型磁浮模块2 中定子磁体与动子磁体间磁力在z方向上呈现正刚度特性，在x、y方向上呈现负刚度特性。同理，x向II型磁浮模块、y向II型磁浮模块也可以由圆柱形磁体组成。通过合适的尺寸和间距配置可使得I型磁浮单元和II型磁浮单元在x、 y、z每个方向的总刚度均接近零且垂向承载力大。

图13、图14与图15为本发明提供的三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置实施例7的原理图。本实施例7中，将x方向、y方向、z方向分别对应三个阵列方向，三个阵列方向相互正交，阴影磁体代表定子磁体，白色无阴影磁体代表动子磁体。图13为本实施例7的主视图，图14为图13沿F-F方向的剖视图，图15为图14沿G-G方向的剖视图。本实施例7中动子磁体固定于第一层动子平台8，动子磁体固定于第二层动子平台9，第一层动子平台8和第二层动子平台9通过动子连接框架10相连接。定子磁体固定于第一层定子平台11，定子磁体固定于第二层定子平台12，第一层定子平台11和第二层定子平台12通过定子连接框架13相连接。图14所示图13沿F-F的剖视图中，本实施例7在水平x、y方向上整体为对称结构。本发明的磁浮隔振装置中的磁浮单元分为两种类型，为I型磁浮单元和II型磁浮单元，I性磁浮单元由z向I型磁浮模块构成， II型磁浮单元由水平正交的x向II型磁浮模块和y向II型磁浮模块构成。z向 I型磁浮模块呈矩形阵列排布，具有两层，每一层的结构均相同，每一层中动子磁体和定子磁体相对设置，动子磁体和定子磁体的数量相同，两层磁体在z 向上相隔间距且相互层叠。同一层中定子磁体与动子磁体沿水平方向呈矩形阵列，同层相邻的定子磁体或动子磁体励磁方向均相反，每对上下对应的定子磁体与动子磁体均沿z向反向励磁，z向I型磁浮模块中定子磁体与动子磁体间磁力在z方向上呈现正刚度特性，在x、y方向上呈现负刚度特性。y向II型磁浮模块和x向II型磁浮模块同样具有多层，每层磁体排布相同，y向II型磁浮模块和x向II型磁浮模块的动子磁体和定子磁体共同围成多个从大到小围合而成的矩形，同一层的矩形共用同一个中心，组成同一个矩形的磁体均为动子磁体或者均为定子磁体。在同一层中，隶属于矩形同一个边向的磁体为动子磁体和定子磁体相互交替层叠而成。同一层的y向II型磁浮模块中，动子磁体和定子磁体沿y向交替排列，且沿y向反向励磁，II型磁浮单元的y向II型磁浮模块中定子磁体与动子磁体间磁力在y方向上呈现正刚度特性，在x、z方向上呈现负刚度特性。II型磁浮单元的x向II型磁浮模块中，同属于一层且同属于矩形一个边向的动子磁体和定子磁体沿x向交替排列，且沿x向反向励磁，II型磁浮单元的x向II型磁浮模块中定子磁体与动子磁体间磁力在x方向上呈现正刚度特性，在y、z方向上呈现负刚度特性。通过合适的尺寸和间距配置可使得I 型磁浮单元和II型磁浮单元在x、y、z每个方向的总刚度均接近零且垂向承载力大。

基于本实施例原理，定子与动子可以为一层或多层。若为多层时，各层动子平台通过框架相连接，起到增大承载力的作用。

图16为本发明三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置实施例1并联刚度补偿单元的示意图。刚度补偿单元为具有三向正刚度的弹性元件。本实施例1中，装置沿着相互正交的三个方向x、y、z的刚度均接近零，其中阴影磁体代表定子磁体，白色无阴影磁体代表动子磁体。由于当磁浮隔振装置刚度处于负刚度状态时具有不稳定性，因此将刚度补偿单元与磁浮单元(该处的磁浮单元为I 型磁浮单元和II型磁浮单元的组合体)并联使用。本发明的磁浮隔振装置中的磁浮单元分为两种类型，I型磁浮单元2由沿z向反向励磁、上下布置的定子永磁体与动子永磁体组成。II型磁浮单元包括沿x向布置的x向II型磁浮模块6 和沿y向布置的y向II型磁浮模块3，x向II型磁浮模块包括定子磁体和动子磁体，定子磁体和动子磁体均为永磁体，定子磁体与动子磁体沿x向反向励磁且交替排列，定子与动子数量差为1。II型磁浮单元的y向II型磁浮模块同样也包括定子磁体和动子磁体，动子磁体和动子磁体也同样为永磁体，定子磁体与动子磁体沿y向反向励磁且交替排列，定子磁体与动子磁体数量相差为1。I 型磁浮单元与II型磁浮单元中的所有的动子通过动子框架与承载平台相连，所有的定子通过定子框架与基座相连。I型磁浮单元、II型磁浮单元与刚度补偿单元并联，刚度补偿单元一端与基座相连，一端与承载平台相连。所述刚度补偿单元4在相互正交的x、y、z三个方向均提供较小的正刚度，通过将其与I型磁浮单元与II型磁浮单元并联，可构成性能较稳定的具有大承载能力的低频磁浮隔振装置。所述刚度补偿单元4可由一个或多个机械弹簧组成，也可以是空气弹簧等其他提供正刚度的物体。

本发明中的其他实施例或其他基于本发明精神的三向准零刚度的大承载磁浮隔振装置均可并联正刚度弹簧机构或具有正刚度特性的装置，达到提升隔振稳定性的效果。

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 (6)

1.一种三向准零刚度的磁浮隔振装置，其特征在于，其包括定子框架（5）、动子框架（1）、Ⅰ型磁浮单元和Ⅱ型磁浮单元，其中，I型磁浮单元包括z向I型磁浮模块（2），Ⅱ型磁浮单元包括x向II型磁浮模块（6）和y向II型磁浮模块（3），其中，

z向I型磁浮模块（2）包括至少一对沿z向上下相对布置的定子磁体和动子磁体，沿z向上下相对布置的定子磁体和动子磁体沿z向反向励磁，沿x方向同向励磁或者沿y方向同向励磁，

x向II型磁浮模块（6）和y向II型磁浮模块（3）两者水平正交布置，x向II型磁浮模块（6）和y向II型磁浮模块（3）均包括动子磁体和定子磁体，x向II型磁浮模块（6）和y向II型磁浮模块（3）各自的动子磁体数量和定子磁体数量相差为1，x向II型磁浮模块（6）中定子磁体和动子磁体沿x方向交替排列，y向II型磁浮模块（6）中定子磁体和动子磁体沿y方向交替排列，x向II型磁浮模块（6）和y向II型磁浮模块（3）中的磁体沿各自排列方向反向励磁或均沿z向同向励磁，

所有的定子磁体固定于定子框架上，所有的动子磁体固定于动子框架上，z向I型磁浮模块（2）垂向为正刚度，且沿水平的x方向、y方向为负刚度，x向II型磁浮模块（6）和y向II型磁浮模块（3）沿z方向均为负刚度，且分别沿水平x方向、y方向为正刚度，通过匹配动子磁体和定子磁体的尺寸以及间距，使Ⅰ型磁浮单元和Ⅱ型磁浮单元组成的整体在x方向、y方向和z方向的总刚度均接近零、且三向刚度总和为零同时z方向承载力尽可能大，

其还包括刚度补偿单元（4），刚度补偿单元设置在定子框架和动子框架之间，刚度补偿单元是具有三向正刚度的弹性元件，刚度补偿单元的正刚度和与该正刚度相对应方向上磁体间相互作用产生的负刚度相并联，用于实现x方向、y方向和z方向上均具有接近零的较小正刚度，最终实现x方向、y方向和z方向各方向的稳定隔振，

z向I型磁浮模块中，由m对定子磁体与动子磁体组成，在x方向刚度特性为，在y方向刚度特性为/>，在z方向刚度特性为/>，其中，z向为承载方向，z向I型磁浮模块在x、y、z三方向刚度特性之和为/>，其中m为正整数，m表示z向I型磁浮模块中定子磁体与动子磁体的对数，/>表示z向I型磁浮模块在x方向的刚度特性，/>表示z向I型磁浮模块在y方向的刚度特性，/>表示z向I型磁浮模块在z方向的刚度特性，

x向Ⅱ型磁浮模块中，沿x方向布置的磁体由2n个动子磁体和（2n+1）个定子磁体组成，在x方向刚度特性为，在y方向刚度特性为/>，在z方向刚度特性为，x向Ⅱ型磁浮模块在x、y、z三方向刚度特性之和为/>，其中，n为正整数，2n表示x向Ⅱ型磁浮模块中动子磁体的个数，/>表示x向Ⅱ型磁浮模块在x方向的刚度特性，/>表示为x向Ⅱ型磁浮模块在y方向的刚度特性，/>表示x向Ⅱ型磁浮模块在z方向的刚度特性，

y向Ⅱ型磁浮模块布置的磁体由2p个动子磁体和（2p+1）个定子磁体组成，y向Ⅱ型磁浮模块在x方向刚度特性为，在y方向刚度特性为/>，在z方向刚度特性为，y向Ⅱ型磁浮模块在x、y、z三方向刚度特性之和为/>，其中，p为正整数，2p表示y向Ⅱ型磁浮模块中动子磁体的个数，/>为y向Ⅱ型磁浮模块在x方向的刚度特性，/>为y向Ⅱ型磁浮模块在y方向的刚度特性，/>为y向Ⅱ型磁浮模块在z方向的刚度特性。

2.如权利要求1所述的三向准零刚度的磁浮隔振装置，其特征在于，在Ⅰ型磁浮单元和Ⅱ型磁浮单元共同配合下，在x方向上，磁浮隔振装置整体呈现的正刚度特性为，呈现的负刚度特性为/>，

在y方向上，磁浮隔振装置整体呈现的正刚度特性为，呈现的负刚度特性为，

在z方向上，磁浮隔振装置整体呈现的正刚度特性为，呈现的负刚度特性为，

通过配置磁体尺寸、定子磁体和动子磁体间距，使得磁浮隔振装置整体在x方向、y方向、z方向上的正刚度特性与负刚度特性的数值均接近，且在x方向、y方向、z方向上刚度特性满足如下关系：

。

3.如权利要求2所述的三向准零刚度的磁浮隔振装置，其特征在于，定子磁体和动子磁体形状为长方体形、正方体形、圆柱体形或/和圆环柱形。

4.如权利要求3所述的三向准零刚度的磁浮隔振装置，其特征在于，z向I型磁浮模块由一整块动子磁体和一整块定子磁体构成，或者由r行、s列的动子磁体阵列与相同排布的定子磁体阵列构成，

x向Ⅱ型磁浮模块中定子磁体构成阵列形成，动子磁体同样也构成阵列形式，

y向II型磁浮模块中，定子磁体构成阵列形成，动子磁体同样也构成阵列形式。

5.如权利要求4所述的三向准零刚度的磁浮隔振装置，其特征在于，z向I型磁浮模块、x向II型磁浮模块（6）和y向II型磁浮模块（3）在承载方向为一层或者多层，

当z向I型磁浮模块具有多层中，定子磁体与动子磁体沿z向反向励磁，

当x向II型磁浮模块和y向II型磁浮模块为多层时，定子磁体与动子磁体沿各自的排列方向反向励磁，同一层磁体中，相邻的定子磁体或动子磁体间的励磁方向为相同方向或者为相反方向。

6.如权利要求5所述的三向准零刚度的磁浮隔振装置，其特征在于，位于同一层阵列形式的磁体中，相邻的定子磁体或动子磁体的间距为零或者不为零。