一种基于Halbach阵列的磁悬浮装置的制作方法

本发明涉及一种磁悬浮装置，尤其是一种基于halbach阵列的磁悬浮装置。

背景技术

超精密定位系统是现代许多先进工业设备的核心技术，例如在浸没式光刻机中，浸没单元的位姿调节对于未知浸没流场稳定非常重要，需要实现高精度定位。磁悬浮技术具有无摩擦、无需润滑、无磨损等特点，特别适用于真空环境中的精密定位。但在定位过程中，为了支撑运动部件的质量，不可避免地会存在功率损耗，线圈电流持续发热产生的热量不仅导致工作环境温度升高，还会使机械结构发生形变，从而影响系统定位准确度。

halbach阵列是将不同磁化方向的永磁体按照一定顺序排列得到的新型永磁体组合，具有“磁单极子特性”，即halbach阵列一侧磁场很强，另一侧磁场很弱。halbach永磁阵列可提高无铁直线电机的气隙磁通密度，改善磁场分布的正弦性能，从而提高直线电机的力能密度，减小电磁力脉动，尤其适用于浸没式光刻机等使用高精度伺服电机的领域。本发明为了解决现有磁悬浮技术为了克服运动部件的质量而需要持续通电，造成的发热量大、平台变形大、系统定位精度低的问题，提供一种基于halbach阵列的磁悬浮装置。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种基于halbach阵列的磁悬浮装置。

本发明包括定子和动子；所述的定子包括上层永磁环、下层永磁环及定子框架；定子框架内壁开有上环形槽和下环形槽，上层永磁环和下层永磁环分别固定在定子框架的上环形槽和下环形槽内；上层永磁环和下层永磁环的充磁方向为径向充磁，且方向相反；所述动子包括外层永磁环、内层永磁环及动子框架；所述外层永磁环和内层永磁环同轴固定在动子框架上，外层永磁环和内层永磁环之间有环形的间隙；定子设置在动子外层永磁环和内层永磁环之间有环形的间隙中；定子的上层永磁环、下层永磁环位于动子的外层永磁环和内层永磁环之间的环形间隙中；定子的上层永磁环位于动子的第一永磁环和第四永磁环之间；定子的下层永磁环位于动子的第三永磁环和第六永磁环之间；

定子与动子的内层永磁环之间的气隙为内气隙，所述定子与动子的外层永磁环之间的气隙为外气隙；

所述动子的内层永磁环包括第一永磁环、第二永磁环、第三永磁环；动子的外层永磁环包括第四永磁环、第五永磁环、第六永磁环；第一永磁环、第三永磁环、第四永磁环、第六永磁环充磁方向为轴向，第二永磁环与第五永磁环充磁方向为径向；第二永磁环与第五永磁环充磁方向以动子中轴为圆心向外；第一永磁环、第三永磁环充磁方向垂直于第二永磁环并指向第二永磁环；第四永磁环、第六永磁环充磁方向垂直于第五永磁环并背离第五永磁环；

定子的上层永磁环的充磁方向与动子的第二永磁环充磁方向相同。

所述的定子和动子均为圆筒形。

所述的定子的定子框架和动子的动子框架均采用不导磁材料。

所述的定子的上环形槽与下环形槽之间还开有中层环形槽，中层环形槽内固定有圆环形线圈；圆环形线圈位于动子的第二永磁环和第五永磁环之间。

所述的定子的上层永磁环和下层永磁环由多片磁瓦拼装而成；动子的第一永磁环、第二永磁环、第三永磁环、第四永磁环、第五永磁环、第六永磁环均由多片磁瓦拼装而成。

所述的圆环形线圈的冷却方式为水冷方式。

所述的定子和动子结构能够互换。

本发明将磁悬浮技术与音圈电机技术结合，利用定子永磁体和动子永磁体之间相互作用产生的垂向力来补偿动子质量及连接动平台质量，通过控制线圈电流大小实现z向驱动，具有线圈发热少，损耗小，平台的热变形小，结构紧凑，定位精度高的优点。

附图说明

图1为具体实施方式一的结构示意图；

图2为具体实施方式一的结构剖视图的轴线右侧视图；

图3位图1中的基于halbach阵列的磁悬浮装置的磁力线分布图；

图4为具体实施方式二的结构示意图；

图5为具体实施方式四的结构示意图；

图6为具体实施方式五的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～3所示，一种基于halbach阵列的磁悬浮装置，它包括定子1和动子2；所述定子1和动子2均为圆筒形；

定子1包括上层永磁环1-3、下层永磁环1-4及定子框架1-5；定子框架1-5设有上环形槽1-1和下环形槽1-2，上层永磁环1-3和下层永磁环1-4分别固定在定子框架1-5的上环形槽1-1和下环形槽1-2内；上层永磁环1-3和下层永磁环1-4的充磁方向为径向充磁，且方向相反；

动子2包括外层永磁环、内层永磁环及动子框架2-7；外层永磁环和内层永磁环同轴固定在动子框架2-7上，外层永磁环和内层永磁环之间有环形的间隙；

动子2的内层永磁环由第一永磁环2-1、第二永磁环2-2、第三永磁环2-3构成；动子2的外层永磁环由第四永磁环2-4、第五永磁环2-5、第六永磁环2-6构成；第一永磁环2-1、第三永磁环2-3、第四永磁环2-4、第六永磁环2-6充磁方向为轴向，第一永磁环2-1和第六永磁环2-6充磁方向相同，第三永磁环2-3和第四永磁环2-4充磁方向相同，第一永磁环2-1和第四永磁环2-4充磁方向相反；第二永磁环2-2和第五永磁环2-5充磁方向为径向，第二永磁环2-2和第五永磁环2-5充磁方向相同；第一永磁环2-1、第二永磁环2-2、第三永磁环2-3的充磁方向在剖视图的轴线右侧视图中依次逆时针旋转90°；第四永磁环2-4、第五永磁环2-5、第六永磁环2-6的充磁方向在剖视图的轴线右侧视图中依次顺时针旋转90°；

定子1的上层永磁环1-3的充磁方向与动子2的第二永磁环2-2充磁方向相同；定子1的下层永磁环1-4的充磁方向与动子2的第二永磁环2-2充磁方向相反；

定子1和动子2同轴安装；定子1的上层永磁环1-3、下层永磁环1-4位于动子2的外层永磁环和内层永磁环之间的环形间隙中；定子1与动子2的内层永磁环之间的气隙为内气隙，定子1与动子2的外层永磁环之间的气隙为外气隙；定子1的上层永磁环1-3位于动子的第一永磁环2-1和第四永磁环2-4之间；定子1的下层永磁环1-4位于动子2的第三永磁环2-3和第六永磁环2-6之间；

动子2的第一永磁环2-1的上端面受到定子1的上层永磁环1-3的沿+z向和-r向的排斥力f1，第一永磁环2-1的下端面受到定子1的上层永磁环1-3的沿+z向和+r向的吸引力f2，由于圆筒结构的对称性，第一永磁环2-1受到的合力沿z轴向上；同理，动子2的第三永磁环2-3的上端面受到定子1的下层永磁环1-4的沿+z向和-r向的排斥力，第三永磁环2-3的下端面受到定子1的下层永磁环1-4的沿+z向和+r向的吸引力，由于圆筒结构的对称性，第三永磁环2-3受到的合力沿z轴向上；同理，动子2的第四永磁环2-4的上端面受到定子1的上层永磁环1-3的沿+z向和+r向的排斥力，第四永磁环2-4的下端面受到定子1的上层永磁环1-3的沿+z向和-r向的吸引力，由于圆筒结构的对称性，第四永磁环2-4受到的合力沿z轴向上；同理，动子2的第六永磁环2-6的上端面受到定子1的下层永磁环1-4的沿+z向和+r向的排斥力，第六永磁环2-6的下端面受到定子1的下层永磁环1-4的沿+z向和-r向的吸引力，由于圆筒结构的对称性，第六永磁环2-6受到的合力沿z轴向上；包含第一永磁环2-1、第三永磁环2-3、第四永磁环2-4、第六永磁环2-6的动子2受到的合力沿z轴向上；动子2连接外部负载时，对负载实现磁悬浮作用；

定子1的定子框架1-5和动子2的动子框架2-7由不导磁材料制成。

具体实施方式二：如图4所示，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：定子1的上环形槽1-1与下环形槽1-2之间还开有中层环形槽1-6，中层环形槽1-6内固定有圆环形线圈1-7；圆环形线圈1-7位于动子2的第二永磁环2-2和第五永磁环2-5之间。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。圆环形线圈1-7的冷却方式为水冷方式。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点在于：定子1的上层永磁环1-3和下层永磁环1-4由多片磁瓦拼装而成；所述动子2的第一永磁环2-1、第二永磁环2-2、第三永磁环2-3、第四永磁环2-4、第五永磁环2-5、第六永磁环2-6均由多片磁瓦拼装而成。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图5所示，本实施方式将具体实施方式一中的动子、定子结构互换，动子作为定子，定子作为动子。

本实施方式中一种基于halbach阵列的磁悬浮装置，包括定子1和动子2；定子1和动子2均为圆筒形；

所述动子2包括上层永磁环1-3、下层永磁环1-4及动子框架2-7；所述动子框架2-7设有两个环形槽，上层永磁环1-3和下层永磁环1-4分别固定在动子框架2-7的上环形槽1-1和下环形槽1-2内；所述上层永磁环1-3和下层永磁环1-4的充磁方向为径向充磁，且方向相反；

所述定子1包括外层永磁环、内层永磁环及定子框架1-5；所述外层永磁环和内层永磁环同轴固定在定子框架1-5上，外层永磁环和内层永磁环之间有环形的间隙；

所述定子1的内层永磁环由第一永磁环2-1、第二永磁环2-2、第三永磁环2-3构成；所述定子1的外层永磁环由第四永磁环2-4、第五永磁环2-5、第六永磁环2-6构成；所述第一永磁环2-1、第三永磁环2-3、第四永磁环2-4、第六永磁环2-6充磁方向为轴向，所述第一永磁环2-1和第六永磁环2-6充磁方向相同，第三永磁环2-3和第四永磁环2-4充磁方向相同，第一永磁环2-1和第四永磁环2-4充磁方向相反；所述第二永磁环2-2和第五永磁环2-5充磁方向为径向，所述第二永磁环2-2和第五永磁环2-5充磁方向相同；所述第一永磁环2-1、第二永磁环2-2、第三永磁环2-3的充磁方向在剖视图的轴线右侧视图中依次逆时针旋转90°；所述第四永磁环2-4、第五永磁环2-5、第六永磁环2-6的充磁方向在剖视图的轴线右侧视图中依次顺时针旋转90°；

所述动子2的上层永磁环1-3的充磁方向与定子1的第二永磁环2-2充磁方向相反；所述动子2的下层永磁环1-4的充磁方向与定子1的第二永磁环2-2充磁方向相同；

所述定子1和动子2同轴安装；所述动子2的上层永磁环1-3、下层永磁环1-4位于定子1的外层永磁环和内层永磁环之间的环形间隙中；所述动子2与定子1的内层永磁环之间的气隙为内气隙，所述动子2与定子1的外层永磁环之间的气隙为外气隙；所述动子的上层永磁环1-3位于定子的第一永磁环2-1和第四永磁环2-4之间的气隙内；所述动子的下层永磁环1-4位于定子的第三永磁环2-3和第六永磁环2-6之间的气隙内；

所述定子1的第一永磁环2-1的上端面对动子2的上层永磁环1-3有沿+z向和-r方向的吸引力，第一永磁环2-1的下端面对动子2的上层永磁环1-3有沿+z向和+r方向的排斥力，第四永磁环2-4的上端面对动子2的上层永磁环1-3有沿+z向和+r向的吸引力，第四永磁环2-4的下端面对动子2的上层永磁环1-3有沿+z向和-r向的排斥力，由于圆筒结构的对称性，所述动子2的上层永磁环1-3受到的合力沿z轴向上；同理，所述定子1的第三永磁环2-3的上端面对动子2的下层永磁环1-4有沿+z向和-r方向的吸引力，第三永磁环2-3的下端面对动子2的下层永磁环1-4有沿+z向和+r方向的排斥力，第六永磁环2-6的上端面对动子2的下层永磁环1-4有沿+z向和+r向的吸引力，第六永磁环2-6的下端面对动子2的下层永磁环1-4有沿+z向和-r向的排斥力，由于圆筒结构的对称性，所述动子2的下层永磁环1-4受到的合力沿z轴向上；所述包含上层永磁环1-3和下层永磁环1-4的动子2受到的合力沿z轴向上；所述动子2连接外部负载时，对负载实现磁悬浮作用；

动子2的动子框架2-7和定子1的定子框架1-5由不导磁材料制成；

具体实施方式五：如图6所示，本实施方式与具体实施方式五不同点在于：动子2还设置有圆环形线圈2-13；所述线圈固定于动子框架2-7的中环形槽2-12内，位于定子1的第二永磁环2-2和第五永磁环2-5之间。圆环形线圈2-13的冷却方式为水冷方式。其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五或六不同点在于所述动子2的上层永磁环1-3和下层永磁环1-4由多片磁瓦拼装而成；所述定子1的第一永磁环2-1、第二永磁环2-2、第三永磁环2-3、第四永磁环2-4、第五永磁环2-5、第六永磁环2-6均由多片磁瓦拼装而成。其它组成和连接方式与具体实施方式五或六相同。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。