CN116006627B - 一种磁浮重载零刚度隔振系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁浮高承载零刚度隔振系统，其磁浮支撑件中的静、动磁铁单元呈夹心结构，且竖直方向相互错开，磁铁竖直方向紧密排布，磁化方向左右交错，动磁铁单元采用Halbach阵列，增大中部磁场，充分利用的磁铁性能。强磁场中的结构选用小电导率且不导磁的材料，在产生较小磁阻负刚度的情况下，减小了涡流阻尼以保证高频隔振性能。限定磁铁尺寸关系以提高承载力、降低垂向刚度，扩大零刚度行程，形成垂向正刚度，水平向负刚度特性。设置弹簧系统组件抵消了磁阻水平负刚度，解决了垂向、水平向难以兼顾的问题，使系统六自由度刚度都近零。本系统是高承载，低刚度，低阻尼，且有较广的零刚度工作区间，能隔离六自由度振动的被动隔振系统。
Description
技术领域
本发明属于零刚度隔振技术领域，更具体地，涉及一种磁浮重载零刚度隔振系统。
背景技术
以光刻机为代表的超精密装备在工作时，微小的环境振动也会影响装备的精度，需要隔振器隔离外部环境振动，为装备提供超静工作环境。外部环境振动频率越低，其隔离难度越大。目前，一般是通过减低隔振系统的刚度来提高对低频率振动的隔振效果。
磁浮零刚度隔振系统利用永磁磁浮技术实现大承载和零刚度，使系统6自由度固有频率均低于0.5Hz，具有结构简单、适合真空环境等优点。磁浮系统目前所共有问题是：磁阻会产生负刚度影响系统稳定性，垂向和水平向刚度难以兼顾、强磁场导致的涡流阻尼会降低高频隔振性能，而且当进一步提高承载能力时，这些问题会更加明显，同时也会导致隔离系统零刚度的工作区域变小。因此，需要开发一种新的磁浮零刚度隔振系统，既具有较大的承载能力，且具有较广的六自由度零刚度工作区间及小涡流阻尼。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁浮重载零刚度隔振系统，其目的在于提高承载能力的同时增大零刚度工作区间，同时也解决解决磁阻负刚度和涡流问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种磁浮重载零刚度隔振系统，包括基座、顶板以及支撑于所述基座和顶板之间的一个或多个磁浮支撑件；
其中，每个磁浮支撑件包括：
内侧静磁铁单元，包括沿Z轴方向延伸且支撑于所述基座上的内侧板以及对称固定于所述内侧板两侧的两个定磁铁阵列，每个定磁铁阵列包括沿Z轴方向叠设且内磁化方向为Y轴方向的多个定磁铁，Y轴方向与Z轴方向正交且垂直于内侧板板面，相邻定磁铁的内磁化方向相反，两个所述定磁铁阵列中位于同一高度的定磁铁的内磁化方向相同，每个定磁铁阵列非端部的定磁铁的厚度相同且大于两端端部定磁铁的厚度；
两个外侧动磁铁单元，对称设置于所述内侧静磁铁单元的两侧，每个所述外侧动磁铁单元包括沿Z轴方向延伸且顶端与所述顶板固定的外侧板以及固定于所述外侧板上的动磁铁阵列，所述动磁铁阵列与所述定磁铁阵列相对设置且留有空隙，每个动磁铁阵列包括沿Z轴方向根据Halbach阵列规律布置的多个动磁铁，两个所述动磁铁阵列中位于同一高度且内磁化方向为Y轴方向的动磁铁的内磁化方向相同、位于同一高度且内磁化方向为Z轴方向的动磁铁的内磁化方向相反，每个动磁铁阵列非端部的动磁铁的厚度大于两端端部动磁铁的厚度，定磁铁阵列非端部的每个定磁铁的厚度在Z轴方向上从底部到顶部依次跨越三种动磁铁、分别为与之内磁化方向相同的动磁铁的部分、内磁化方向为Z轴方向的整个动磁铁以及与之内磁化方向相反的动磁铁块的部分；其中，所述内侧板和所述外侧板均采用电导率低于铝的材料制成；
弹簧组件，将两个所述外侧动磁铁单元支撑于所述基座上，用于抵消磁阻产生的水平负刚度，使系统六自由度刚度近零。
在其中一个实施例中，所述定磁铁的厚度在Z轴方向上从底部到顶部依次跨越三种动磁铁，其中，所述定磁铁的底端高度位于与之内磁化方向相同的动磁铁块的中心位置、定磁铁的顶端高度位于与之内磁化方向相反的动磁铁块的中心位置。
在其中一个实施例中，每个动磁铁阵列非端部的内磁化方向为Y轴方向的动磁铁的厚度相同为Dd.l，每个动磁铁阵列非端部的内磁化方向为Z轴方向的动磁铁的厚度相同为Dd.v，Dd.l>Dd.v。
在其中一个实施例中，每个磁浮支撑件还包括背板，所述弹簧组件包括两个弹簧单元，其中，
所述背板与两所述外侧板和所述顶板围合；
两个弹簧单元重的每个弹簧单元结构相同且呈弯折状，其中一个弹簧单元的一端固定于一个所述外侧板的外侧面上、另一端支撑于所述基座上，其中另一个弹簧单元的一端固定于所述背板的外侧、另一端支撑于所述基座上。
在其中一个实施例中，与外侧板相连的弹簧单元为第一弹簧单元，与背板相连的弹簧单元为第二弹簧单元，其中，所述第一弹簧单元包括沿Z轴方向延伸并支撑于所述基座上的片弹簧以及沿Y轴方向延伸且固定于外侧板和对应的片弹簧之间的柔性杆外；所述第二弹簧单元包括沿Z轴方向延伸并支撑于所述基座上的片弹簧以及沿X轴方向延伸且固定于所述背板和对应的片弹簧之间的柔性杆；
其中，所述柔性杆两头靠近端部的区域具有对称的应力缓冲结构，所述应力缓冲结构包括朝Z轴方向的正向和负向对称开口的弧形薄片以及朝垂直于Z轴方向的正向和负向对称开口的弧形薄片，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向两两正交。
在其中一个实施例中，内侧板和所述外侧板均选择不锈钢板，所述内侧板固定定磁铁阵列的一侧以及所述外侧板固定动磁铁阵列的一侧均开设有横槽以降低因涡流产生的阻尼。
在其中一个实施例中，定磁铁阵列中非端部的定磁铁的厚度区间为[38mm，42mm]，定磁铁阵列中两端端部的定磁铁的厚度区间为[13mm，17mm]；动磁铁阵列非端部的内磁化方向为Y轴方向的动磁铁的厚度区间为[26mm，30mm]，动磁铁阵列非端部的内磁化方向为Z轴方向的动磁铁的厚度区间为[10mm，14mm]，动磁铁阵列两端端部的动磁铁的厚度区间为[5mm，7mm]。
在其中一个实施例中，内侧静磁铁单元中的定磁铁通过胶水粘贴在对应的内侧板上，外侧动磁铁单元中的动磁铁通过胶水粘贴在对应的外侧板上。
在其中一个实施例中，所述基座和顶板之间设置有三个相同的所述磁浮支撑件，三个所述磁浮支撑件对应的三个支撑重心距离两两相等。
在其中一个实施例中，所述基座和顶板之间设置有三个相同的磁浮支撑组合，三个所述磁浮支撑组合对应的三个支撑重心距离两两相等，其中，每个所述磁浮支撑组件包括四个相同的所述磁浮支撑件，且各磁浮支撑组合中的四个所述磁浮支撑件对应的四个支撑重心位置围成正方形。
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，能够取得下列有益效果：
本发明提出了一种磁浮重载零刚度隔振系统，一方面，为了提高承载能力并扩大零刚度工作区间，对基座与顶板之间的磁浮支撑件进行优化。该磁浮支撑件包括具有特殊排布的内侧静磁铁单元和外侧动磁铁单元。其中，内侧静磁铁单元具有对称设置的两个定磁铁阵列，定磁铁阵列中的每个定磁铁的磁化方向均为Y轴方向，且按照Y轴正向、Y轴负向交替分布。两个外侧动磁铁单元对称设置于内侧静磁铁单元的两侧，每个动磁铁阵列中的动磁铁按照Halbach阵列规律分布。并且，两个Halbach动磁铁阵列的分布呈现一定的规律，即，位于同一高度且内磁化方向为Y轴方向的动磁铁的内磁化方向相同，位于同一高度且内磁化方向为Z轴方向的动磁铁的内磁化方向相反。且，动磁铁和定磁铁之间也具有一定的分布规律，即，定磁铁的厚度在Z轴方向上从底部到顶部依次跨越三种动磁铁、分别为与之内磁化方向相同的动磁铁的部分、内磁化方向为Z轴方向的整个动磁铁以及与之内磁化方向相反的动磁铁块的部分。上述动定磁铁的设计，所有动磁铁受到的力方向均为Z轴正向，相互叠加，因此能产生大的支撑力。而且，基于上述设计，通过对定磁铁阵列和动磁铁阵列端部磁铁厚度的限制，非端部的定磁铁的厚度相同且大于两端端部定磁铁的厚度，非端部的动磁铁的厚度大于两端端部动磁铁的厚度，可以扩大零刚度的工作区域。另一方面为抵消磁阻产生的水平负刚度，使系统六自由度刚度都近零，在水平方向(垂直于Z轴的方向)设计有弹簧组件。而且，内侧板和外侧板均采用电导率低于铝的材料，可以减小涡流阻尼。综合整体设计，使得磁浮重载零刚度隔振系统既具有较大的承载能力，有具有较广的零刚度工作区间，并且解决磁阻负刚度和涡流阻尼问题。
进一步的，选用不锈钢板作为侧板并通过在侧板上加工横槽，减小涡流阻尼，进一步提高了系统的高频振动衰减率，而由不锈钢侧板附加产生的水平负刚度由弹簧组件平衡。
进一步的，弹簧柔性杆由于其特殊的薄片结构，在振动幅度很小的情况下，可以视作一个沿杆长方向刚性而垂直杆长方向零刚度的连接件，并联水平方向的正刚度弹簧，抵消水平方向磁阻负刚度，使系统水平方向整体刚度近似零。
附图说明
图1为一实施例的磁浮重载零刚度隔振系统的结构立体图；
图2为对应图1的磁浮重载零刚度隔振系统的主视图；
图3为对应图1的磁浮重载零刚度隔振系统的去除顶板后的俯视图；
图4为一实施例的定磁铁阵列和动磁铁阵列的分布示意图；
图5为一实施例的柔性杆的结构示意图；
图6为一实施例的三个磁浮支撑件的位置关系图；
图7(a)为一实施例的三个磁浮支撑组合的位置关系图；
图7(b)为一实施例的三个磁浮支撑组合的磁铁立体结构图；
图7(c)为一实施例的三个磁浮支撑组合的磁铁俯视图。
其中，附图标记说明如下：
1、顶板；2、外侧板；3、动磁铁阵列；4、内侧板；5、定磁铁阵列；6、柔性杆；7、连接头；8、片弹簧；9、基座；10～11、定磁铁；12～14、动磁铁；15、背板。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为一实施例中的磁浮重载零刚度隔振系统的结构立体图，图2为对应图1的磁浮重载零刚度隔振系统的主视图，图3为对应图1的磁浮重载零刚度隔振系统的去除顶板后的俯视图。参见图1、图2和图3所示，磁浮重载零刚度隔振系统包括顶板1、基座9和支撑于基座9和顶板1之间的一个或多个磁浮支撑件，每个磁浮支撑件包括内侧静磁铁单元和两个外侧动磁铁单元以及弹簧组件。
内侧静磁铁单元包括内侧板4以及对称固定于内侧板4两侧的两个定磁铁阵列5，内侧板4沿Z轴方向延伸且支撑于基座9上。每个定磁铁阵列5包括沿Z轴方向叠设的多个定磁铁。两个外侧动磁铁单元对称设置于内侧静磁铁单元的两侧，每个外侧动磁铁单元包括沿Z轴方向延伸且顶端与顶板1固定的外侧板2以及固定于外侧板2面对内侧静磁铁单元的侧面上的动磁铁阵列3。
图4为一实施例中的定磁铁阵列和动磁铁阵列的分布示意图。
如图4所示，定磁铁的内磁化方向均为Y轴方向，Y轴方向为与Z轴方向正交且垂直于内侧板4板面。相邻定磁铁的内磁化方向相反，即定磁铁阵列5中各定磁铁的磁化方向为Y轴正向与Y轴负向交替设置。两个定磁铁阵列5中位于同一高度的定磁铁的内磁化方向相同，要么均为Y轴正向，要么均为Y轴负向。每个定磁铁阵列5非端部的定磁铁的厚度相同且大于两端端部定磁铁的厚度，可以理解的，厚度指的是Z轴方向上的厚度，非端部的定磁铁指的是除两端端部定磁铁以外的定磁铁，即位于中间区域的定磁铁。也就是说，中间区域的定磁铁的厚度相同，记为Ds，顶端定磁铁的厚度记为Ds，底端定磁铁的厚度记为D s，其满足，Ds>Ds，Ds>D s。
如图4所示，两个动磁铁阵列3相对于内侧静磁铁单元对称布置。动磁铁阵列3与定磁铁阵列5相对设置且留有空隙，每个动磁铁阵列3包括沿Z轴方向根据Halbach(海尔贝克)阵列规律布置的多个动磁铁，Halbach磁铁阵列为目前已有的结构设计，目的在于用少量的磁体产生最强的磁场。本发明中的两个动磁铁阵列(Halbach磁铁阵列)3具有特定的相对位置关系，即两个动磁铁阵列中位于同一高度且内磁化方向为Y轴方向的动磁铁的内磁化方向相同，要么均为Y轴正向，要么均为Y轴负向；位于同一高度且内磁化方向为Z轴方向的动磁铁的内磁化方向相反，其中一个为Z轴正向，另一个为Z轴负向。且每个动磁铁阵列非端部的动磁铁的厚度大于两端端部动磁铁的厚度，记动磁铁阵列非端部的动磁铁的厚度为Dd，顶端动磁铁的厚度记为Dd，底端动磁铁的厚度记为D d，其满足，Dd>Dd，Dd>D d。
动磁铁和定磁铁之间的位置关系满足：定磁铁阵列5非端部的每个定磁铁的厚度在Z轴方向上从底部到顶部依次跨越三种动磁铁、分别为与之内磁化方向相同的动磁铁的部分、内磁化方向为Z轴方向的整个动磁铁以及与之内磁化方向相反的动磁铁块的部分。例如，如图4所示，两个相邻的定磁铁10和定磁铁11，定磁铁10的内磁化方向为Y轴正向，定磁铁11的内磁化方向为Y轴负向。定磁铁10在Z轴方向依次跨越三种动磁铁，从底部到顶部依次为动磁铁12的部分、动磁铁13的全部以及动磁铁14的部分，也就是说，于Y轴方向的投影而言，定磁铁10覆盖了动磁铁13的全部以及部分动磁铁12和部分动磁铁14，其中，动磁铁12的内磁化方向与定磁铁10相同，动磁铁14的内磁化方向与定磁铁10相反，按此规律设置，则动磁铁14跨越了部分定磁铁10和部分定磁铁11。可以理解的，文中所指的底端为靠近基座9的一端，顶端为靠近顶板1的一端。
弹簧组件将两个外侧动磁铁单元支撑于基座9上，用于抵消磁阻产生的水平负刚度，使系统六自由度刚度近零，既等于零或者趋近于零。
上述动定磁铁的设计，定磁铁紧密交错排布，动磁铁阵列使用Halbach阵列，提高了磁场强度，充分利用材料性能，进一步提高了承载力，相比于外侧不采用Halbach阵列的一般交错排布方式，承载力提高接近60％。当位于初始位置时，通过电流片等效法，把内侧静单元磁铁等效化为产生同样磁场的通电线圈，所有动磁铁受到的力方向均为Z轴正向，相互叠加，因此能产生大的支撑力。结合定磁铁阵列和动磁铁阵列磁铁厚度的关系设置，可以扩大零刚度的工作区域。加之弹簧组件的设计，可以抵消磁阻产生的水平负刚度，使系统六自由度刚度近零。综合整体设计，使得磁浮重载零刚度隔振系统既具有较大的承载能力，又有具有较广的零刚度工作区间，还能解决磁阻负刚度问题。
在一实施例中，定磁铁的厚度在Z轴方向上从底部到顶部依次跨越三种动磁铁，在每组该类相对关系中，定磁铁的底端高度位于与之内磁化方向相同的动磁铁块的中心位置、定磁铁的顶端高度位于与之内磁化方向相反的动磁铁块的中心位置。继续参见图4，定磁铁10和动磁铁12、动磁铁13和动磁铁14构成一组相对关系，其中，定磁铁10的顶端高度与动磁铁14的中心高度齐平，定磁铁10的底端高度与动磁铁12的中心高度齐平。仿真表明，动、定磁铁的高度按此关系设置，可以进一步提高支撑件的承载能力。
在一实施例中，进一步优化动磁铁阵列3中非端部的动磁铁的尺寸以进一步提高承载能力并扩大工作区域，具体为，在每个动磁铁阵列中，非端部的内磁化方向为Y轴方向的动磁铁的厚度相同为Dd.l，非端部的内磁化方向为Z轴方向的动磁铁的厚度相同为Dd.v，则满足Dd.l>Dd.v。
更进一步的，在定磁铁阵列中，其底端定磁铁厚等于顶端定磁铁厚度，具体可以为中间区域定磁铁尺寸的1/3～1/2，以增大承载力、减小垂向刚度。在动磁铁阵列中，其底端定磁铁厚大于顶端定磁铁厚度，以减小磁阻导致的垂向负刚度。
在一实施例中，每个磁浮支撑件还包括背板，弹簧组件包含两个弹簧单元。如图3所示，背板15与两个外侧板2以及顶板(图中未示出)围合。两个弹簧单元于XY平面上的投影成正交设置，每个弹簧单元结构相同且呈弯折状，其中一个弹簧单元的一端固定于一个外侧板2的外侧面上、另一端支撑于基座9上，其中另一个弹簧单元的一端固定于背板15的外侧、另一端支撑于基座9上。沿X轴和沿Y轴布置的正交弹簧单元提供的正刚度抵消了这两个方向上的磁阻负刚度，水平方向受力方向交错反向，互相抵消，且合力为零，使机构在水平任意方向上都有近零刚度特性。当偏离初始位置时，水平方向可能产生的负刚度由正交的片弹簧单元对补偿。
具体的，定义与外侧板相连的弹簧单元为第一弹簧单元，与背板相连的弹簧单元为第二弹簧单元。参见图1，第一弹簧单元包括沿Z轴方向延伸并支撑于基座上的片弹簧8和Y轴方向延伸的柔性杆6，柔性杆6的一端固定于一个外侧板2上、另一端通过连接头7固定于片弹簧8上。第二弹簧单元(图中未示出)包括沿Z轴方向延伸并支撑于基座上的片弹簧和沿X轴方向延伸的柔性杆，柔性杆的一端固定于背板上、另一端通过连接头固定于对应的片弹簧上。其中，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向两两正交。
图5为一实施例中的柔性杆的结构示意图。如图5所示，柔性杆中间为均匀的长条形结构，两头靠近端部的区域具有对称的应力缓冲结构，应力缓冲结构包括朝Z轴方向的正向和负向对称开口的弧形薄片以及朝垂直于Z轴方向的正向和负向对称开口的弧形薄片。其中，第一弹簧单元的应力缓冲结构包括朝Z轴方向的正向和负向对称开口的弧形薄片以及朝垂直于X轴方向的正向和负向对称开口的弧形薄片，第二弹簧单元的应力缓冲结构包括朝Z轴方向的正向和负向对称开口的弧形薄片以及朝垂直于Y轴方向的正向和负向对称开口的弧形薄片，第二弹簧单元实则可视为第一弹簧单元旋转90°的结构。柔性杆在两头靠近端部的区域，分别在正交方向通过挖去材料的方式制造了薄片结构，使柔性杆只传递沿杆长方向的力，而不传递垂向力。柔性杆沿杆长方向刚度很大，可以视作刚性连接，而垂直杆长方向刚度很小，在微振动小行程范围内可视作零刚度连接。两个弹簧单元正交分布，在微振动小行程下可以认为它们的并联等效于一个水平各方向刚度相同的的弹性元件。
一般磁浮减振结构部分用铝材料，以降低结构的磁阻负刚度，增加系统稳定性，但缺点是涡流较大，高频隔振效果差，本发明内侧板4和外侧板2均可以电导率低于铝的材料，例如不锈钢板，其电导率低，涡流小，系统高频隔振好，配合弹簧组件，又能解决了磁阻负刚度问题。进一步的，内侧板4固定定磁铁阵列5的一侧以及外侧板2固定动磁铁阵列3的一侧均开设有横槽以降低因涡流产生的阻尼，从而进一步提高系统的振动衰减率，受外界振动影响后系统能快速恢复稳定。横槽的尺寸可以结合具体情况通过仿真优化。
在一实施例中，定磁铁和动磁铁均通过胶水粘贴在对应的侧板上。
基于上述设计原则，改变磁铁厚度和动磁铁水平和竖直方向磁铁厚度可以改变承载力大小，选择合适的端部磁铁厚度可以有效增大工作区域，减小系统刚度。各结构的尺寸可以结合所需要的支撑力基于ANSYS仿真优化。以一具体的例子说明，当本系统需产生2479N支撑力时，各结构的尺寸设计如下：定磁铁阵列中非端部的定磁铁的厚度区间为[38mm，42mm]，具体可以为40mm；定磁铁阵列中两端端部的定磁铁的厚度区间为[13mm，17mm]具体可以为15mm；动磁铁阵列非端部的内磁化方向为Y轴方向的动磁铁的厚度区间为[26mm，30mm]，具体可以为28mm；动磁铁阵列非端部的内磁化方向为Z轴方向的动磁铁的厚度区间为[10mm，14mm]，具体可以为12mm；动磁铁阵列两端端部的的动磁铁的厚度区间为[5mm，7mm]，具体可以为顶端动磁铁的厚度为6mm、低端动磁铁的厚度为6.6mm。在该尺寸设计下，支撑件能产生2479N支撑力，且具有较大的零刚度工作区间。
可以理解的，基座和顶板之间可以用多个磁浮支撑件，也可以用多个磁浮支撑件。
在一实施例中，基座和顶板之间设置有三个相同的磁浮支撑件，如图6所示为三个磁浮支撑件的位置关系图，三个磁浮支撑件对应的三个支撑重心距离两两相等，即，三个磁浮支撑件的支撑重心位于圆周上，每两个支撑重心与圆心连线的夹角为120°，由此提高支撑效果。
在一实施例中，基座和顶板之间设置有三个相同的磁浮支撑组合，如图7(a)所示为三个磁浮支撑组合的位置关系图，如图7(b)所示为三个磁浮支撑组合的磁铁立体结构图，如图7(c)所示为三个磁浮支撑组合的磁铁俯视图，三个磁浮支撑组合对应的三个支撑重心距离两两相等，即三个磁浮支撑组合对应的三个支撑重心位于圆周上，每两个支撑重心与圆心连线的夹角为120°。其中，每个磁浮支撑组合包括四个相同的磁浮支撑件，且各磁浮支撑组合中的四个磁浮支撑件对应的四个支撑重心位置围成正方形。
本系统是一种被动隔振系统，用于隔离外部环境振动向仪器设备的传递。将仪器设备放置于顶板之上，再将本系统放置于地基之上。Halbach阵列(动磁铁阵列)产生向上的磁力支撑仪器设备的重量，使仪器设备及外侧动磁铁单元与地基悬浮分离，仅有背板和外侧板通过一对正交的柔性杆和弹簧组件连接到地基上。本系统设计特殊的磁铁位置关系，且限定端部与中间区域磁铁的厚度关系，在竖直方向有近零刚度、具有较大的支撑力以及具有较大的零刚度的工作区域，对低频振动有很好的隔振效果。同时，通过设计弹簧组件，可以抵消水平方向的负刚度，使系统六自由度刚度近零。而且，侧板选择电导率低于铝的材料并通过在侧板上加工横槽，可以减小涡流阻尼，进一步提高了系统的高频振动衰减率，使系统快速恢复稳定。进一步的，弹簧柔性杆由于其特殊的薄片结构，在振动幅度很小的情况下，可以视作一个沿杆长方向刚性而垂直杆长方向零刚度的连接件，并联水平方向的正刚度弹簧，抵消水平方向磁阻负刚度，使系统水平方向整体刚度近似零。
综上，本系统是被动减振系统，无需主动控制就能稳定工作，结构紧凑、承载能力高，能够抑制磁阻负刚度、涡流阻尼对隔振能力的削弱，具有6自由度超低频隔振能力，且无气体或液体介质，无需额外密封结构，可适用于真空环境。
本领域的技术人员容易理解，以上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 (7)
1.一种磁浮重载零刚度隔振系统，其特征在于，包括基座、顶板以及支撑于所述基座和顶板之间的一个或多个磁浮支撑件；
其中，每个磁浮支撑件包括：
内侧静磁铁单元，包括沿Z轴方向延伸且支撑于所述基座上的内侧板以及对称固定于所述内侧板两侧的两个定磁铁阵列，每个定磁铁阵列包括沿Z轴方向叠设且内磁化方向为Y轴方向的多个定磁铁，Y轴方向与Z轴方向正交且垂直于内侧板板面，相邻定磁铁的内磁化方向相反，两个所述定磁铁阵列中位于同一高度的定磁铁的内磁化方向相同，每个定磁铁阵列非端部的定磁铁的厚度相同且大于两端端部定磁铁的厚度；
两个外侧动磁铁单元，对称设置于所述内侧静磁铁单元的两侧，每个所述外侧动磁铁单元包括沿Z轴方向延伸且顶端与所述顶板固定的外侧板以及固定于所述外侧板上的动磁铁阵列，所述动磁铁阵列与所述定磁铁阵列相对设置且留有空隙，每个动磁铁阵列包括沿Z轴方向根据Halbach阵列规律布置的多个动磁铁，两个所述动磁铁阵列中位于同一高度且内磁化方向为Y轴方向的动磁铁的内磁化方向相同、位于同一高度且内磁化方向为Z轴方向的动磁铁的内磁化方向相反，每个动磁铁阵列非端部的动磁铁的厚度大于两端端部动磁铁的厚度，定磁铁阵列非端部的每个定磁铁的厚度在Z轴方向上从底部到顶部依次跨越三种动磁铁、分别为与之内磁化方向相同的动磁铁的部分、内磁化方向为Z轴方向的整个动磁铁以及与之内磁化方向相反的动磁铁块的部分；其中，所述内侧板和所述外侧板均采用电导率低于铝的材料制成；
弹簧组件，将两个所述外侧动磁铁单元支撑于所述基座上，用于抵消磁阻产生的水平负刚度，使系统六自由度刚度近零；
所述定磁铁的厚度在Z轴方向上从底部到顶部依次跨越三种动磁铁，其中，所述定磁铁的底端高度位于与之内磁化方向相同的动磁铁块的中心位置、定磁铁的顶端高度位于与之内磁化方向相反的动磁铁块的中心位置；
每个动磁铁阵列非端部的内磁化方向为Y轴方向的动磁铁的厚度相同为，每个动磁铁阵列非端部的内磁化方向为Z轴方向的动磁铁的厚度相同为，/>；
每个磁浮支撑件还包括背板，所述弹簧组件包括两个弹簧单元，其中，
所述背板与两所述外侧板和所述顶板围合；两个弹簧单元重的每个弹簧单元结构相同且呈弯折状，其中一个弹簧单元的一端固定于一个所述外侧板的外侧面上、另一端支撑于所述基座上，其中另一个弹簧单元的一端固定于所述背板的外侧、另一端支撑于所述基座上。
2.如权利要求1所述的磁浮重载零刚度隔振系统，其特征在于，与外侧板相连的弹簧单元为第一弹簧单元，与背板相连的弹簧单元为第二弹簧单元，其中，所述第一弹簧单元包括沿Z轴方向延伸并支撑于所述基座上的片弹簧以及沿Y轴方向延伸且固定于外侧板和对应的片弹簧之间的柔性杆外；所述第二弹簧单元包括沿Z轴方向延伸并支撑于所述基座上的片弹簧以及沿X轴方向延伸且固定于所述背板和对应的片弹簧之间的柔性杆；
其中，所述柔性杆两头靠近端部的区域具有对称的应力缓冲结构，所述应力缓冲结构包括朝Z轴方向的正向和负向对称开口的弧形薄片以及朝垂直于Z轴方向的正向和负向对称开口的弧形薄片，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向两两正交。
3.如权利要求1所述的磁浮重载零刚度隔振系统，其特征在于，内侧板和所述外侧板均选择不锈钢板，所述内侧板固定定磁铁阵列的一侧以及所述外侧板固定动磁铁阵列的一侧均开设有横槽以降低因涡流产生的阻尼。
4.如权利要求1所述的磁浮重载零刚度隔振系统，其特征在于，定磁铁阵列中非端部的定磁铁的厚度区间为[38mm，42mm]，定磁铁阵列中两端端部的定磁铁的厚度区间为[13mm，17mm]；动磁铁阵列非端部的内磁化方向为Y轴方向的动磁铁的厚度区间为[26mm，30mm]，动磁铁阵列非端部的内磁化方向为Z轴方向的动磁铁的厚度区间为[10mm，14mm]，动磁铁阵列两端端部的动磁铁的厚度区间为[5 mm，7mm]。
5.如权利要求1所述的磁浮重载零刚度隔振系统，其特征在于，内侧静磁铁单元中的定磁铁通过胶水粘贴在对应的内侧板上，外侧动磁铁单元中的动磁铁通过胶水粘贴在对应的外侧板上。
6.如权利要求1~5任一项所述的磁浮重载零刚度隔振系统，其特征在于，所述基座和顶板之间设置有三个相同的所述磁浮支撑件，三个所述磁浮支撑件对应的三个支撑重心距离两两相等。
7.如权利要求1~5任一项所述的磁浮重载零刚度隔振系统，其特征在于，所述基座和顶板之间设置有三个相同的磁浮支撑组合，三个所述磁浮支撑组合对应的三个支撑重心距离两两相等，其中，每个所述磁浮支撑组合包括四个相同的所述磁浮支撑件，且各磁浮支撑组合中的四个所述磁浮支撑件对应的四个支撑重心位置围成正方形。
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