一种定子磁铁交错排列的磁悬浮重力补偿器的制作方法

本发明属于重力补偿器领域，更具体地，涉及一种定子磁铁交错排列的磁悬浮重力补偿器。

背景技术：

高精度平台在精密机械加工,集成电路工及精密元器件制造领域是极其重要的组成部分。以精工制造的光刻设备为例,随着大规模继承电路器件集成度不断提高，光刻加工的分辨率不断提高,光刻系统对精密运动平台各自由度方向控制精度要求的指标也在不断提升。对于光刻机中的超精密定位工件台，如何使承载硅片的微动台部件在曝光过程中免受由基础框架振动引起的干扰至关重要,需要对承片台或承版台进行有效的减振,使其在曝光过程中免受其他系统的干扰。重力补偿器就是在此背景下发展起来的新型结构,通过主被动减振技术,完成对承片台或承版台的调平调焦,使微动模块形成一个独立的内部世界。

目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，公开了一种阵列式磁悬浮重力补偿器，所述阵列式磁悬浮重力补偿器包括两个定子结构及一个动子结构，两个所述动子结构分别从所述动子结构的上、下两侧对所述动子机构施加磁吸力及磁斥力，来实现所述动子结构的重力补偿；然而，所述阵列式磁浮重力补偿器的法向刚度较高。相应地，本领域存在着发展一种低刚度磁悬浮重力补偿器的技术需求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种定子磁铁交错排列的磁悬浮重力补偿器，通过永磁体定子的磁铁交错排列的设置，从而形成两组方向相反的悬浮力，使得定子形成的两组刚度近似抵消，由此解决重力补偿器刚度高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种定子磁铁交错排列的磁悬浮重力补偿器，所述重力补偿器包括下模和上模，其特征在于，

所述上模上设置有凹槽，该凹槽的内侧壁上设置有呈永磁阵列磁环的外动子，同时，该凹槽中心还设置有凸柱，该凸柱的外表面设置有与所述外动子相对应的永磁阵列磁环内动子；所述下模上设置有与所述凹槽配合的凸台，该凸台的外表面从上至下依此设置有上端线圈、呈环状的永磁体定子和下端线圈，其中，所述永磁体定子沿圆周方向被等分为多块弧形永磁铁，相邻的两块弧形永磁体前后交错排列，且相邻的两块弧形永磁体的半径长度差小于所述永磁体定子的厚度。

进一步优选地，所述外动子和内动子的永磁阵列磁环均采用halbach永磁阵列磁环，其中，所述外动子和内动子均由三块永磁磁环自上而下叠加而成，且相邻的两块磁环的充磁方向相互垂直。

进一步优选地，所述外动子永磁阵列磁环的厚度小于所述内动子永磁阵列磁环的厚度。

进一步优选地，所述上端线圈和下端线圈关于所述凸台的中心线对称，且上端线圈和下端线圈串联，此外，所述上端线圈和下端线圈均包括内线圈和外线圈。

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：

1、本发明通过采用halbach永磁阵列磁环的外动子和内动子形成并联结构，每组halbach永磁体阵列环均由三个充磁方向依次旋转90°的环形永磁体构成，动子磁场集中于内外磁环之间的间隙；

2、本发明通过采用交错排列的永磁体作为定子，靠近外动子的磁铁为一组，靠近内动子的磁铁为另外一组，从而形成两组不同方向的悬浮力，靠近外动子的永磁体定子产生的悬浮力开口向上，其法向刚度斜率大于0且过x轴，靠近内动子的永磁体定子产生的悬浮力开口向下，其法向刚度斜率小于0且过x轴，两组不同的悬浮力之和则是该永磁体定子在磁场中所受的悬浮力，两组永磁体刚度并联能近似抵消，从而使得在工作范围内动子可近零刚度磁力悬浮，进而实现动子重力补偿及位置调节；

3、本发明通过采用外动子的磁铁厚度小于内动子磁铁的厚度，调整内外磁环壁厚的比值，使动子磁场径向分量在内外磁环间隙中部具有沿轴向线性变化特性；

4、本发明通过采用瓦片状永磁体的定子，所述定子磁铁交错排列，根据磁场叠加原理，定子产生的磁场力可近似抵消成一个水平直线，则法向刚度近似为零；

5、本发明通过采用上端线圈和下端线圈的对称设置，与所述动子结构里的四个径向充磁永磁环形成的径向磁场相互作用，产生动态悬浮力，由于线圈对称布置，因此动态力仅有z向分量，合力矩为零；

6、本发明通过提供一种定子永磁体交错排列的磁悬浮重力补偿器，结构简单，适合于需要振动小和精度高的仪器上，适用范围广，如可适用于加工设备、测量仪器等需要隔振、定位的超精密平台。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的磁悬浮重力补偿器动子磁铁和定子磁铁的俯视图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的磁悬浮重力补偿器的剖视图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的动子和定子充磁方向示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的磁悬浮重力补偿器的悬浮力与定子法向位移之间的示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的磁悬浮重力补偿器的法向刚度与定子法向位移之间的示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的磁悬浮重力补偿器的法向刚度与定子法向位移之间的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-下模2-上模3-第一永磁体4-第二永磁体5-第三永磁体6-第五永磁体7-第六永磁体8-第七永磁体11-凸台12-上端线圈13-永磁体定子14-下端线圈15-内线圈16-外线圈21-凹槽22-外动子23-凸柱24-内动子

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是按照本发明的优选实施例所构建的磁悬浮重力补偿器定子和定子的俯视图，图2是按照本发明的优选实施例所构建的磁悬浮重力补偿器的剖视图，如图1和2所示，重力补偿器包括下模1和上模2，上模2上设置有凹槽21，该凹槽的内侧壁上设置有呈永磁阵列磁环的外动子22，同时，该凹槽中心还设置有凸柱23，该凸柱的外表面设置有与外动子相对应的永磁阵列磁环内动子24；下模1上设置有与凹槽配合的凸台11，该凸台的外表面从上至下依此设置有上端线圈12、呈环状的永磁体定子13和下端线圈14，其中，永磁体定子13沿圆周方向被等分为多块弧形永磁铁，相邻的两块弧形永磁体前后交错排列，且相邻的两块弧形永磁体的半径长度差小于永磁体定子的厚度；定子13对外动子22和内动子24两侧施加磁吸力和磁斥力，以实现动子结构10的重力补偿。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的动子和定子充磁方向示意图如图3所示，所述外动子和内动子均采用halbach永磁阵列磁环，其中，所述外动子和内动子均由三块永磁磁环自上而下叠加而成，且相邻的两块磁环的充磁方向相互垂直，永磁阵列磁环均是由三个充磁方向依次旋转90°的环形永磁体构成，内动子包括第一永磁体3、第三永磁体5及第六永磁体7，第一永磁体3及所述第三永磁体5及所述第六永磁体7自上而下依次叠加设置，且充磁方向依次旋转90°，本实施方式中，所述第一永磁体3、所述第三永磁体5及所述第六永磁体7均为环形的永磁体。

外动子包括第二永磁体4、第五永磁体6及第七永磁体8，所述第二永磁体4、所述第五永磁体6及所述第七永磁体8自上而下叠加设置，且充磁方向依次旋转90°，图3所示中的箭头表示充磁方向，本实施方式中，第二永磁体4、所述第五永磁体6及所述第七永磁体8均为环形的永磁体。内动子磁铁的厚度大于外动子磁铁的厚度。

下模1上端和下端设置环形线圈槽用于放置上端线圈12和下端线圈14，中部设置有收容槽，用于放置永磁体定子13，上端线圈12和下端线圈14均包含有内线圈15和外线圈16，上端线圈和下端线圈关于凸台的中心轴对称，所有线圈串联。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的磁悬浮重力补偿器的悬浮力与定子法向位移之间的示意图，图5是按照本发明的优选实施例所构建的磁悬浮重力补偿器的法向刚度与定子法向位移之间的示意图，如图4和5所示，可以看出两组悬浮力曲线一组开口向上，一组开口向下，根据磁场叠加原理，本发明的永磁体定子在内外动子之间里所受的悬浮力，即为图4和图5里悬浮力之和。如图5所示，本发明的永磁体定子在内外动子之间里所受的法向刚度，即为图4和图5里法向刚度之和。

图6是按照本发明的优选实施例所构建的磁悬浮重力补偿器的法向刚度与定子法向位移之间的示意图，如图6所示，可以看出内外动子在工作范围内可近零刚度磁力悬浮，实现动子重力补偿及位置调节。

下面将对本发明的工作原理和过程进行说明。

定子磁铁交错排列的磁悬浮重力补偿器，其内永磁阵列环的厚度大于外永磁阵列环的厚度，使得动子磁场径向分量在外永磁阵列环与内永磁阵列环之间的间隙中部具有沿轴向线性变化特性；通过采用交错排列的定子结构，由磁场叠加原理，可获得近似水平直线的动子悬浮力-法向位移特性曲线，使得动子结构在工作范围内可近零刚度磁力悬浮，实现动子重力补偿及位置调节。

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。