CN116247973B - 一种动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器。磁浮重力补偿器包括定子部分、调节部分以及动子部分，三部分均为回转体结构。所述定子部分包括定子端盖、定子外壳、三号定子永磁体以及线圈，所述三号定子永磁体和所述线圈固定于所述定子外壳外部；所述调节部分包括锁紧螺母、可调定子外壳以及二号定子永磁体，所述二号定子永磁体固定于所述可调定子外壳外部；所述动子部分与定子部分同轴设置，包括四号动子永磁体、一号动子永磁体以及动子外壳，所述一号动子永磁体和所述四号动子永磁体固定于所述动子外壳内部。该磁浮重力补偿器具有出力可调节、出力稳定、动态力静态力可分离、隔振效果好、空间利用率高、以及大悬浮力等优点。

Description

一种动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器

技术领域

本发明属于磁吸技术领域，特别是涉及一种动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器。

背景技术

超精密仪器仪表在航空航天、微电子等领域起着重要作用。在集成电路制造业中，光刻机是最重要的制造装备之一，我国集成电路制造技术的发展离不开光刻机技术的突破。极紫外光刻机是一种对真空、散热及振动等工作环境要求非常高的超精密装备，在曝光过程中，光刻机硅片承载台会受到外部噪声及内部装置的干扰，影响其加工精度。为解决这一问题，设计重力补偿装置对设备进行主动隔振成为行业必要。

现有的磁浮重力补偿器采用竖直气隙结构，主要由动子结构和定子结构组成，其中动子由内外永磁环和动子框架组成，定子由永磁环、线圈和定子框架组成，其静态悬浮力主要由动子种永磁环和定子中永磁环相互作用产生，另一部分动态悬浮力由线圈与动子永磁环产生，用于对悬浮力进行微调，由于结构紧凑，导致产生动态力和静态力互相干扰、且悬浮力较低的问题。因此，需要发展一种动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器，满足更严苛的环境需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术中磁浮重力补偿器动态力和静态力互相干扰以及补偿器占用空间较大的问题，目的是提供一种动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器，在占用较小空间的同时尽可能提供更大的悬浮力。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器，所述补偿器包括：定子部分、调节部分以及动子部分；

定子部分包括定子端盖、定子外壳、三号定子永磁体以及线圈，三号定子永磁体和线圈固定于定子外壳外壁，三号定子永磁体固定于线圈上部，定子端盖固定于定子外壳上部；

调节部分包括锁紧螺母、可调定子外壳以及二号定子永磁体，二号定子永磁体固定于可调定子外壳外部；

动子部分包括四号动子永磁体、一号动子永磁体以及动子外壳，一号动子永磁体和四号动子永磁体固定于动子外壳内部。

进一步地，定子部分、调节部分和动子部分均为回转体结构，对其进行同轴设置，动子外壳套于可调定子外壳上，一号动子永磁体、四号动子永磁体和所述二号定子永磁体、三号定子永磁体之间设有间隙，所述动子永磁体和定子永磁体之间相互作用产生静态悬浮力；

动子部分沿轴向移动，二号定子永磁体受磁场轴向的吸引力逐渐线性增大或减小，三号定子永磁体受磁场轴向的吸引力逐渐线性减小或增大，二号定子永磁体受磁场轴向的吸引力与三号定子永磁体受磁场轴向的吸引力变化速率相同，磁浮重力补偿器的出力大小保持恒定不变。

进一步地，通过调节部分的作用对所述静态力出力大小进行调节，通过转动调节螺纹位置，可调定子外壳及定子外壳的相对位置，可调定子外壳部分沿轴向移动，通过锁紧螺母进行固定，二号定子永磁体和三号定子永磁体与四号动子永磁体和一号动子永磁体之间留有空隙，二号定子永磁体和三号定子永磁体受磁场轴向的吸引力同时线性增大/减小，且所述吸引力线性变化速率相同，通过此调节方法对所述静态力出力大小进行调节，使重力补偿器的负载重力可调。

进一步地，一号动子永磁体采用辐射充磁方式，充磁方向为由内向外辐射充磁，四号动子永磁体采用辐射充磁方式，充磁方向为由外向内辐射充磁，二号定子永磁体的充磁方向为轴向的正方向，三号定子永磁体的充磁方向为轴向的负方向。

进一步地，对定子部分中的线圈进行通电，线圈会对所述动子部分的四号动子永磁体产生沿轴向的作用力，通过改变电流大小及方向，可以调节线圈对四号动子永磁体产生的轴向作用力的大小和方向。

进一步地，动子部分的一号动子永磁体与四号动子永磁体采用上下分布结构固定，充磁方向相反；定子部分的二号定子永磁体、三号定子永磁体与线圈采用上下分布结构固定，永磁体充磁方向相反；

对定子部分中的线圈进行通电，线圈会对所述动子部分的四号动子永磁体产生沿轴向的作用力，在重力补偿器工作的微位移范围内，所述线圈对所述四号动子永磁体产生沿轴向的作用力波动微小，实现动态力与静态力分离。

进一步地，定子部分内径为20mm，动子部分外径为60mm，所述动子部分、定子部分及调节部分组合后，轴向长度为130mm，则所述磁浮重力补偿器的内径为20mm，外径为60mm，长度为130mm。

进一步地，包括：

静态力：动子部分沿轴向移动，一号动子永磁体、四号动子永磁体和所述二号定子永磁体、三号定子永磁体之间设有间隙，动子永磁体和定子永磁体之间相互作用产生静态悬浮力；

调节出力：通过调节部分的作用对所述静态力出力大小进行调节，通过转动调节螺纹位置，二号定子永磁体和三号定子永磁体受磁场轴向的吸引力同时线性增大/减小，使静态力发生变化；

动态力：对定子部分中的线圈进行通电，线圈会对所述动子部分的四号动子永磁体产生沿轴向的作用力，通过改变电流大小及方向，可以调节线圈对四号动子永磁体产生的轴向作用力的大小和方向。

本发明的有益效果为：

本发明提供的磁浮重力补偿器具有动态力静态力可分离、出力可调节、出力稳定、隔振效果好、空间利用率高、以及大悬浮力等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器的结构示意图；

图2为本发明提供的动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器的剖面图；

图3为本发明提供的动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器的二号定子永磁体和三号定子永磁体受力方向示意图；

图4为本发明提供的动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器的二号定子永磁体受力仿真示意图；

图5为本发明提供的动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器的三号定子永磁体受力仿真示意图；

图6为本发明提供的动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器的定子部分受力(静态力)仿真示意图；

图7为本发明提供的动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器的通电线圈受力方向示意图；

图8为本发明提供的动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器的通电线圈受力(动态力)仿真示意图；

图9为本发明提供的动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器的调节部分可调节出力仿真示意图。

附图标记说明：

1-定子部分；2-定子端盖；3-定子外壳；4-三号定子永磁体；5-线圈；

6-调节部分；7-锁紧螺母；8-可调定子外壳；9-二号定子永磁体；

10-动子部分；11-四号动子永磁体；12-一号动子永磁体；13-动子外壳。

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做出创造性劳动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。

在本发明的描述中，由上而下指沿永磁体的轴向向上，自下而上指沿永磁体的轴向向上。

结合图1至图9，本发明提供了一种动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器，包括定子部分1、调节部分6以及动子部分10。所述定子部分1包括定子端盖2、定子外壳3、三号定子永磁体4以及线圈5，所述三号定子永磁体4和所述线圈5固定于所述定子外壳3外壁，所述三号定子永磁体4固定于所述线圈5上部，所述定子端盖2固定于所述定子外壳3上部；所述调节部分6包括锁紧螺母7、可调定子外壳8以及二号定子永磁体9，所述二号定子永磁体9固定于所述可调定子外壳8外部；所述可调定子外壳8与所述二号定子永磁体9相对位置保持恒定；所述动子部分10包括四号动子永磁体11、一号动子永磁体12以及动子外壳13，所述一号动子永磁体12和所述四号动子永磁体10固定于所述动子外壳13内部。所述定子部分1、调节部分6和动子部分10均为回转体结构，对其进行同轴设置，所述动子外壳13套于所述可调定子外壳8上，所述一号动子永磁体12、所述四号动子永磁体10和所述二号定子永磁体9、所述三号定子永磁体4之间设有间隙，所述动子永磁体和定子永磁体之间相互作用产生静态悬浮力。所述一号动子永磁体12和四号动子永磁体11之间形成对称的磁场，所述动子部分10沿轴向移动，所述二号定子永磁体9受磁场轴向的吸引力逐渐线性增大(减小)，所述三号定子永磁体4受磁场轴向的吸引力逐渐线性减小(增大)，所述二号定子永磁体9受磁场轴向的吸引力与所述三号定子永磁体4受磁场轴向的吸引力变化速率相同，磁浮重力补偿器的出力大小保持恒定不变。

所述定子外壳3内壁设有螺纹，所述可调定子外壳8外壁设有螺纹，所述调节部分6与所述定子部分1通过螺纹进行固定与连接。

通过调节部分6的作用对所述静态力出力大小进行调节，所述调节部分6包括锁紧螺母7、可调定子外壳8以及二号定子永磁体9，实际使用过程中，将动子部分10套接在定子部分1外部，将三号定子永磁体4、线圈5固定在定子外壳3外壁上，通过螺纹将定子部分1与调节部分6进行连接，通过调节螺纹位置，转动所述可调定子外壳8及所述定子外壳3的相对位置，所述可调定子外壳部分8沿轴向移动，通过所述锁紧螺母7对位置进行固定，所述二号定子永磁体9和所述三号定子永磁体4与所述四号动子永磁体11和一号动子永磁体12之间留有空隙，所述二号定子永磁体9受磁场轴向的吸引力同时线性(增大/减小)，且所述吸引力线性变化速率相同，通过此调节方法对所述静态力出力大小进行调节，使重力补偿器的负载重力可调。

对定子部分1中的线圈5进行通电，线圈5会对所述动子部分10的四号动子永磁体11产生沿轴向的作用力，通过改变电流大小及方向，可以调节线圈5对四号动子永磁体11产生的轴向作用力的大小和方向。

在一些可选的实施例中，所述一号动子永磁体12采用辐射充磁方式，充磁方向为由内向外辐射充磁，所述四号动子永磁体11采用辐射充磁方式，充磁方向为由外向内辐射充磁，所述二号定子永磁体9的充磁方向为轴向的正方向，所述三号定子永磁体4的充磁方向为轴向的负方向。动子部分10沿轴向方向自上而下运动的过程中，所述一号动子永磁体12会对二号定子永磁体9产生逐渐增大的轴向的吸引力，所述四号动子永磁体11会对三号定子永磁体4产生轴向逐渐减小的吸引力，减小到一定范围会变成逐渐增大的排斥力，所述二号定子永磁体9和三号定子永磁体4所受作用力变化趋势相反且变化率相同，使得动子部分相对于定子部分微动时，重力补偿器静态力出力保持恒定。

在一些可选的实施例中，保持动子部分10和定子部分1的相对位置不变，通过旋转调节部分6的螺纹改变定子部分1与调节部分6的相对位置，使调节部分6自上而下移动，在运动的过程中，所述一号动子永磁体12会对二号定子永磁体9产生逐渐增大的轴向的吸引力，所述四号动子永磁体11会对三号定子永磁体4产生轴向逐渐增大的吸引力，所述二号定子永磁体9和三号定子永磁体4所受作用力变化趋势相反且变化率相同，使得调整调节部分6位置时，重力补偿器静态力初始出力增加，且在动子部分10运动时出力保持恒定。

在一些可选的实施例中，所述动子部分10的一号动子永磁体12与四号动子永磁体11采用上下分布结构固定，充磁方向相反；所述定子部分的二号定子永磁体9、三号定子永磁体4与线圈5采用上下分布结构固定，永磁体充磁方向相反；保持定子部分1与调节部分6相对位置不变，自上而下移动动子部分10的同时对定子部分1中的线圈5进行通电，线圈5会对所述动子部分10的四号动子永磁体11产生沿轴向的作用力，在重力补偿器工作的微位移范围内，所述线圈对所述四号动子永磁体11产生沿轴向的作用力波动微小，实现了动态力与静态力分离。通过改变电流大小及方向，可以调节线圈5对四号动子永磁体11产生的轴向作用力的大小和方向。

所述定子外壳3外壁设有线圈5和三号定子永磁体4，所述三号定子永磁体4位于所述线圈5上部，对定子外壳3上的线圈5通电，线圈5会对所述动子部分1的四号动子永磁体11产生沿轴向的作用力，通过改变电流大小及方向，可以调节线圈5对四号动子永磁体11产生的轴向作用力的大小和方向。

在一些可选的实施例中，所述定子部分1内径为20mm，所述动子部分10外径为60mm，所述动子部分10、定子部分1及调节部分6组合后，轴向长度为130mm，则所述磁浮重力补偿器的内径为20mm，外径为60mm，长度为130mm。此结构优化了永磁体分布结构，在增大内径、减小外径的同时增大了整体长度，提高了空间利用率，在占用较小空间的同时可提供更大的悬浮力。

在一些可选的实施例中，所述动子部分10的一号动子永磁体12与四号动子永磁体11的宽度为6mm，所述定子部分的二号定子永磁体9的宽度为6mm，三号定子永磁体4的宽度为5.05mm，线圈5的宽度为6.3mm，此时在重力补偿器工作初始位置出力为137N，自上而下移动动子部分10的距离为0-2.5mm，重力补偿器工作出力范围为137N-177N。增大所述定子部分的二号定子永磁体9的宽度至7mm，三号定子永磁体4的宽度为5.7mm，此时在重力补偿器工作初始位置出力为185N，自上而下移动动子部分10的距离为0-2.5mm，重力补偿器静态力工作出力范围为185N-240N。

在一些可选的实施例中，所述定子部分的线圈5的宽度为6.3mm，长度为29mm，保持定子部分1与调节部分6相对位置不变，自上而下移动动子部分10的同时对定子部分1中的线圈5进行通电，通电方向为逆时针，通电电流大小为1A，自上而下移动动子部分10的位移为0-1mm，此时重力补偿器动态力出力大小为12N。

本发明提供的动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器可提供稳定的可调节静态力进行重力补偿：所述定子部分包括定子端盖、定子外壳、三号定子永磁体和线圈，所述三号定子永磁体和线圈固定于所述定子外壳外壁上，所述三号定子永磁体位于所述线圈上部；所述动子部分包括四号动子永磁体、一号动子永磁体和动子外壳，所述一号动子永磁体和所述四号动子永磁体固定于所述动子外壳内壁上；所述动子外壳与所述定子外壳同轴设置，且所述定子外壳外壁上永磁体与所述动子外壳内壁上永磁体之间设有空隙，通过所述一号动子永磁体和所述四号动子永磁体与所述二号定子永磁体和所述三号定子永磁体之间作用力提供重力补偿器的静态力。所述动子部分沿轴向移动，所述二号定子永磁体受磁场轴向的吸引力线性(增大/减小)与所述三号定子永磁体受磁场轴向的吸引力线性(减小/增大)变化速率相同，可使所述静态力出力波动小，大小保持恒定。

通过调节部分的作用，可对所述静态力出力大小进行调节。所述调节部分由锁紧螺母、可调定子外壳以及二号定子永磁体组成，所述可调定子外壳以及所述二号定子永磁体相对位置保持不变，所述定子外壳内壁设有螺纹，所述可调定子外壳外壁设有螺纹，通过调节螺纹位置调节所述可调定子外壳及所述定子外壳的相对位置，通过所述锁紧螺母对位置进行固定，从而调节二号定子永磁体与三号定子永磁体相对位置，所述可调定子外壳部分沿轴向移动，所述二号定子永磁体与所述三号定子永磁体受磁场轴向的吸引力同时(增大/减小)，且所述吸引力线性变化速率相同，通过此调节方法对所述静态力出力大小进行调节，从而使重力补偿器的负载重力可调。

本发明提供的动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器可提供稳定的可调节动态力进行重力补偿：对所述定子部分中的线圈进行通电，线圈会对所述动子部分的四号动子永磁体产生沿轴向的作用力，通过改变电流大小及方向，可以调节线圈对四号动子永磁体产生的轴向作用力的大小和方向。

本发明提供的动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器克服了传统重力补偿器动态力和静态力互相干扰的缺点，实现了动态力与静态力分离，提高重力补偿器出力稳定性：对所述动子部分的一号动子永磁体与四号动子永磁体采用上下分布结构固定，充磁方向相反；对所述定子部分的二号定子永磁体、三号定子永磁体与线圈采用上下分布结构固定，永磁体充磁方向相反；所述动子部分沿轴向移动时，对所述线圈通电，在重力补偿器工作的微位移范围内，所述线圈对所述四号动子永磁体产生沿轴向的作用力波动微小，实现了磁浮重力补偿器的动态力与静态力分离。

本发明提供的动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器在结构上进行了优化调整，优化了永磁体分布结构，增大内径、减小外径的同时增大了整体长度，提高了空间利用率，在占用较小空间的同时可提供更大的悬浮力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种动态力静态力可分离的大悬浮力磁浮重力补偿器，其特征在于：所述补偿器包括：定子部分、调节部分以及动子部分；

定子部分包括定子端盖、定子外壳、三号定子永磁体以及线圈，三号定子永磁体和线圈固定于定子外壳外壁，三号定子永磁体固定于线圈上部，定子端盖固定于定子外壳上部；

调节部分包括锁紧螺母、可调定子外壳以及二号定子永磁体，二号定子永磁体固定于可调定子外壳外部；

动子部分包括四号动子永磁体、一号动子永磁体以及动子外壳，一号动子永磁体和四号动子永磁体固定于动子外壳内部；

定子部分、调节部分和动子部分均为回转体结构，对其进行同轴设置，动子外壳套于可调定子外壳上，一号动子永磁体、四号动子永磁体和所述二号定子永磁体、三号定子永磁体之间设有间隙，所述动子永磁体和定子永磁体之间相互作用产生静态悬浮力；

动子部分沿轴向移动，二号定子永磁体受磁场轴向的吸引力逐渐线性增大或减小，三号定子永磁体受磁场轴向的吸引力逐渐线性减小或增大，二号定子永磁体受磁场轴向的吸引力与三号定子永磁体受磁场轴向的吸引力变化速率相同，磁浮重力补偿器的出力大小保持恒定不变；

通过调节部分的作用对所述静态力出力大小进行调节，通过转动调节螺纹位置，可调定子外壳及定子外壳的相对位置，可调定子外壳部分沿轴向移动，通过锁紧螺母进行固定，二号定子永磁体和三号定子永磁体与四号动子永磁体和一号动子永磁体之间留有空隙，二号定子永磁体和三号定子永磁体受磁场轴向的吸引力同时线性增大/减小，且所述吸引力线性变化速率相同，通过此调节方法对所述静态力出力大小进行调节，使重力补偿器的负载重力可调。

2.根据权利要求1所述的补偿器，其特征在于，一号动子永磁体采用辐射充磁方式，充磁方向为由内向外辐射充磁，四号动子永磁体采用辐射充磁方式，充磁方向为由外向内辐射充磁，二号定子永磁体的充磁方向为轴向的正方向，三号定子永磁体的充磁方向为轴向的负方向。

3.根据权利要求2所述的补偿器，其特征在于，对定子部分中的线圈进行通电，线圈会对所述动子部分的四号动子永磁体产生沿轴向的作用力，通过改变电流大小及方向，可以调节线圈对四号动子永磁体产生的轴向作用力的大小和方向。

4.根据权利要求1所述的补偿器，其特征在于，动子部分的一号动子永磁体与四号动子永磁体采用上下分布结构固定，充磁方向相反；定子部分的二号定子永磁体、三号定子永磁体与线圈采用上下分布结构固定，永磁体充磁方向相反；

对定子部分中的线圈进行通电，线圈会对所述动子部分的四号动子永磁体产生沿轴向的作用力，在重力补偿器工作的微位移范围内，所述线圈对所述四号动子永磁体产生沿轴向的作用力波动微小，实现动态力与静态力分离。

5.根据权利要求4所述的补偿器，其特征在于，定子部分内径为20mm，动子部分外径为60mm，所述动子部分、定子部分及调节部分组合后，轴向长度为130mm，则所述磁浮重力补偿器的内径为20mm，外径为60mm，长度为130mm。

6.根据权利要求1所述的补偿器，其特征在于，包括：

静态力：动子部分沿轴向移动，一号动子永磁体、四号动子永磁体和所述二号定子永磁体、三号定子永磁体之间设有间隙，动子永磁体和定子永磁体之间相互作用产生静态悬浮力；

调节出力：通过调节部分的作用对所述静态力出力大小进行调节，通过转动调节螺纹位置，二号定子永磁体和三号定子永磁体受磁场轴向的吸引力同时线性增大/减小，使静态力发生变化；

动态力：对定子部分中的线圈进行通电，线圈会对所述动子部分的四号动子永磁体产生沿轴向的作用力，通过改变电流大小及方向，可以调节线圈对四号动子永磁体产生的轴向作用力的大小和方向。