一種低剛度的磁懸浮重力補償器及微動臺結構的製作方法

2023-09-16 14:21:00 1

本發明屬於重力補償結構相關技術領域，更具體地，涉及一種低剛度的磁懸浮重力補償器及微動臺結構。

背景技術：

在許多先進的工業設備中，需要實現運動部件的六自由度運動，並對其進行精密定位，例如光刻機中的掩膜臺和工件臺等，其中z向執行機構多採用洛倫茲線圈或者電磁鐵，二者分別利用洛倫茲力或者磁阻力控制運動部件的法向偏移和俯仰偏轉。對於光刻機中的超精密定位工件臺，如何使承載矽片的微動臺部件在曝光過程中免受由基礎框架振動引起的幹擾至關重要，因此需要對微動臺進行減振和隔振，這就要求z向執行機構在定位運動的同時應具有很低的法向剛度。

以工作檯分系統為例，如何使微動臺在曝光過程中免受工作檯系統和基礎框架振動的幹擾至關重要，需要採取行之有效的方案對微動臺模塊進行減振和隔振。磁懸浮重力補償器正是在此背景下出現的新型z向電磁執行機構，其利用永磁體時間的作用力對運動部件的質量進行補償，同時利用洛倫茲線圈進行動態調整，通過被動隔振與主動減震相結合的方式，使運動部件形成一個獨立的內部系統。

目前，本領域相關技術人員已經做了一些研究，如專利cn104847825a公開了一種陣列式磁懸浮重力補償器，所述陣列式磁懸浮重力補償器包括兩個定子結構及一個動子結構，兩個所述動子結構分別從所述動子結構的上、下兩側對所述動子機構施加磁吸力及磁斥力，來實現所述動子結構的重力補償；然而，所述陣列式磁浮重力補償器的法向剛度較高。相應地，本領域存在著發展一種低剛度的磁懸浮重力補償器的技術需求。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種低剛度的磁懸浮重力補償器及微動臺結構，其基於磁懸浮重力補償器的工作特點，針對磁懸浮重力補償器的部件及部件聯接關係進行了設計。所述低剛度的磁懸浮重力補償器的內永磁陣列環的厚度大於所述外永磁陣列環的厚度，使得動子磁場徑向分量在所述外永磁陣列環與所述內永磁陣列環之間的間隙中部具有沿軸向線性變化特性；通過控制所述定子磁環的壁厚可獲得高次動子懸浮力-軸向位移特性曲線，使得動子結構在工作範圍內可近零剛度磁力懸浮，實現動子重力補償及位置調節。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種低剛度的磁懸浮重力補償器，其包括動子結構及定子結構，所述動子結構包括外永磁陣列環、內永磁陣列環及動子支撐框架，所述動子支撐框架形成有環形槽，所述外永磁陣列環及所述內永磁陣列環分別設置在所述環形槽相對的兩個側壁上，其特徵在於：

所述內永磁陣列環的厚度大於所述外永磁陣列環的厚度，且所述內永磁陣列環與所述外永磁陣列環之間形成有環形的間隙；

所述定子結構包括收容於所述環形槽內的線圈支架及嵌設在所述線圈支架上的定子永磁環，所述定子永磁環的高度大於厚度，所述定子永磁環位於所述間隙內，且所述定子永磁環與所述內永磁陣列環的間距小於所述定子永磁環與所述外永磁陣列環的間距。

進一步地，所述定子永磁環的厚度大於等於4毫米且小於等於4.5毫米。

進一步地，所述定子永磁環的厚度為4.2毫米。

進一步地，所述定子永磁環的最大高度為6毫米。

進一步地，所述外永磁陣列環及所述內永磁陣列環均是由三個充磁方向依次旋轉90°的環形永磁體疊加構成。

進一步地，所述定子結構還包括第一組線圈及第二組線圈，所述第一組線圈及所述第二組線圈分別設置在所述線圈支架相背的兩端，且兩者相對於所述線圈支架的幾何中心對稱設置。

進一步地，所述線圈支架呈環形；所述第一組線圈及所述第二組線圈均包括有兩個線圈，同組的兩個線圈分別嵌設在所述線圈支架的內壁及外壁上。

進一步地，所述內永磁陣列環位於所述外永磁陣列環之內；所述線圈支架開設有與所述環形槽相連通的環形收容槽，所述定子永磁環收容於所述環形收容槽內。

按照本發明的另一方面，提供了一種微動臺結構，其其包括承載件，其特徵在於：所述微動臺結構還包括如上所述的低剛度的磁懸浮重力補償器，所述磁懸浮重力補償器設置在所述承載件上。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，本發明提供的低剛度的磁懸浮重力補償器及微動臺結構主要具有以下有益效果：

(1)內永磁陣列環的厚度大於外永磁陣列環的厚度，使得動子磁場徑向分量在所述外永磁陣列環與所述內永磁陣列環之間的間隙中部具有沿軸向線性變化特性，且定子永磁環與內永磁陣列環的間距小於定子永磁環與外永磁陣列環的間距，使得定子永磁環在一定工作範圍內位移時，其所處的磁場變化較小；

(2)通過控制定子永磁環的壁厚可獲得高次動子懸浮力-軸向位移特性曲線，使得動子結構在工作範圍內可近零剛度磁力懸浮，實現動子重力補償及位置調節；

(3)磁懸浮重力補償器的結構簡單，適用範圍較廣，如可適用於加工設備、測量儀器等需要隔振、定位的超精密平臺；

(4)所述微動臺結構具有的磁懸浮重力補償器具有很低的法向剛度，使得所述微動臺結構具有較好的減振和隔振效果，進而使得所述微動臺承載的產品免受基礎框架振動引起的幹擾。

附圖說明

圖1是本發明較佳實施方式提供的低剛度的磁懸浮重力補償器的剖視圖；

圖2是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器的永磁體和線圈的分布圖；

圖3是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器的定子永磁環的等效電流模型圖；

圖4是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器的動子永磁陣列的磁感線分布圖；

圖5是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器的兩組動子永磁陣列環之間的五條直線處的磁場徑向分量與軸向位置之間的關係圖；

圖6是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器的兩組動子永磁陣列之間的五條直線處的磁場徑向分量變化率與軸向位置之間的關係圖；

圖7是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器在不同定子永磁環厚度時的磁懸浮力與定子結構的法向位移之間的關係圖；

圖8是圖1中的低剛度的磁懸浮重力補償器在不同定子永磁環厚度時的法向剛度與定子結構的法向位移之間的關係圖。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-第一永磁體，2-第二永磁體，3-第三永磁體，4-第四永磁體，5-第五永磁體，6-第六永磁體，7-第七永磁體，8-第一組線圈，9-第二組線圈，23-線圈，10-動子結構，11-動子永磁陣列環，12-動子支撐框架，20-定子結構，21-線圈支架，22-定子永磁環，24-基座。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

請參閱圖1及圖2，本發明較佳實施方式提供的低剛度的磁懸浮重力補償器，所述磁懸浮重力補償器包括動子結構10及定子結構20，所述定子結構20分別自所述動子結構10的上、下兩側對所述動子結構10施加磁吸力和磁斥力，以實現所述動子結構10的重力補償。

所述動子結構10包括兩組動子永磁陣列環11及動子支撐框架12，所述動子支撐框架12形成有環形槽，兩組所述動子永磁陣列環11分別設置在所述環形槽相對的兩個壁面上，且兩個所述動子永磁陣列環11相對間隔設置。本實施方式中，兩組所述動子永磁陣列環11分別為外永磁陣列環及內永磁陣列環，所述外永磁陣列環及所述內永磁陣列環均為halbach永磁陣列環，所述內永磁陣列環位於所述外永磁陣列環之內。

所述動子結構10產生的磁場(稱動子磁場)集中於所述外永磁陣列環及所述內永磁陣列環之間的間隙，調整所述外永磁陣列環及所述內永磁陣列環的厚度的比值來使得動子磁場徑向分量在所述外永磁陣列環及所述內永磁陣列環之間的間隙中部具有沿軸向線性變化特性。本實施方式中，所述內永磁陣列環的厚度與所述外永磁陣列環的厚度之比大於1，即所述內永磁陣列環的厚度大於所述外永磁陣列環的厚度。

請參閱圖3，所述外永磁陣列環及所述內永磁陣列環均是由三個充磁方向依次旋轉90°的環形永磁體構成。所述內永磁陣列環包括第一永磁體1、第三永磁體3及第六永磁體6，所述第一永磁體1及所述第三永磁體3及所述第六永磁體6自上而下依次疊加設置，且充磁方向依次旋轉90°。本實施方式中，所述第一永磁體1、所述第三永磁體3及所述第六永磁體6均為環形的永磁體。

所述外永磁陣列環包括第二永磁體2、第五永磁體5及第七永磁體7，所述第二永磁體2、所述第五永磁體5及所述第七永磁體7自上而下疊加設置，且充磁方向依次旋轉90°，如圖3所示(圖內箭頭表示充磁方向)。本實施方式中，所述第二永磁體2、所述第五永磁體5及所述第七永磁體7均為環形的永磁體。

所述定子結構20包括收容於所述環形槽內的線圈支架21、嵌設在所述線圈支架21上的定子永磁環22及連接所述線圈支架21的基座24。所述線圈支架21基本呈環形，其形成有與所述環形槽相連通的環形收容槽。所述定子永磁環22收容於所述環形收容槽內，其位於所述外永磁陣列環及所述內永磁陣列環之間。本實施方式中，所述定子永磁環22的中心軸距離所述內永磁陣列環的距離小於所述定子永磁環22的中心軸距離所述外永磁陣列環的距離；所述定子永磁環22包括第四永磁體4，所述第四永磁體4為環形。所述定子永磁環22的厚度與高度之比小於1。所述定子永磁環22在一定工作範圍內位移，其所處的磁場變化小並可產生高次的懸浮力。所述定子永磁環22的厚度大於等於4毫米且小於等於4.5毫米。

所述定子結構20還包括第一組線圈8及所述第二組線圈9，所述第一組線圈8及所述第二組線圈9分別設置在所述線圈支架21相背的兩端，且兩者相對於所述線圈支架21的幾何中心對稱設置。本實施方式中，所述第一組線圈8及所述第二組線圈9均包括兩個線圈23，同組的兩個所述線圈23分別嵌設在所述線圈支架21的內壁及外壁上。

請參閱圖3，環形永磁體可以用等效電流模型進行解析，對於均勻變化的環形永磁體，永磁體內部的等效體電流密度為零，僅存在面電路密度。由於磁化強度與環形永磁體的兩個側面的法向量平行，故兩個側面無等效電流分布，而在環形永磁體的底面和頂面存在面電流。

假設等效電流模型的長度為l，底面和頂面存在的面電流為i，底面存在的電流與底面存在的電流的方向相反，在底面有磁場軸向分量by1和徑向分量bx1，在頂面有有軸向分量by2和徑向分量bx2，則該永磁體產生的懸浮力為：

f＝bx1il+bx2il(1)

由公式(1)可以看出，懸浮力大小與所處的磁場徑向分量有關，而所述定子結構20在工作範圍內位移時，永磁體的底面和頂面的磁場也會產生變化，設底面產生磁場徑向分量變化量為δbx1，頂面產生磁場徑向分量變化量為δbx2，則定子產生的懸浮力為：

f＝(bx1+δbc1)il+(bx2+δbx2)il(2)

由公式(2)可以看出，為了實現近零剛度磁力懸浮，懸浮力應該保持不變，則δbx1＝-δbx2，磁場徑向分量應該具有沿軸向線性變化特性，本實施方式是通過調整所述外永磁陣列環的厚度與所述內永磁陣列環的厚度之間的比值來實現的。

請參閱圖4，將所述外永磁陣列環與所述內永磁陣列環之間的間隙從左向右每隔2毫米做一條長20毫米的線條，一共有五條，分別為101、102、103、104、105，其中第三條直線103位於所述外永磁陣列環與所述內永磁陣列環之間的間隙的正中間。自圖4可以看出所述外永磁陣列環與所述內永磁陣列環之間的磁感線的分布。

請參閱圖5及圖6，b1、b2、b3、b4、b5分別是動子磁場內第一直線101、第二直線102、第三直線103、第四直線104、第五直線105上的磁場徑向分量，db1、db2、db3、db4、db5分別是是動子磁場內第一直線101、第二直線102、第三直線103、第四直線104、第五直線105上的磁場徑向分量變化率。可以看出，所述外永磁陣列環與所述內永磁陣列環之間的間隙的中間區域內存在線性的磁場，且距離所述間隙的中間區域越遠，磁場變化越劇烈。

在一定範圍內，所述第二直線102上的磁場變化率的值小於所述第四直線104上的磁場變化率的值，所述間隙的中心線與所述內永磁陣列環之間的磁場變化幅度小於所述間隙的中心線與所述外永磁陣列磁環之間的磁場的變化幅度，而所述定子永磁環22與所述內永磁陣列環的間距稍小於所述定子永磁環22與所述外永磁陣列環的間距。

在軸向位移(即法向位移)[-4,4]mm的區域內，所述間隙的中間區域處的磁場變化線性。本實施方式中，所述定子結構20的工作範圍是[-1,1]mm，所述定子永磁環22的最大高度為6毫米，且所述定子永磁環的厚度與高度之比小於1。

請參閱圖7及圖8，圖內的曲線1、2、3分別對應所述定子永磁環22的厚度為4毫米、4.1毫米、4.2毫米時，通過有限元分析在法向位移[-1，1]毫米的工作範圍內得到三組懸浮力數據，三組數據進行擬合獲得不同階次動子懸浮力-法向位移特性曲線1、2、3；不同階次的懸浮力-法向位移特性曲線得到的法向剛度-法向位移特性曲線不同，而高次的懸浮力-法向位移特性曲線得到的法向剛度更小且變化更緩慢，形成了剛度臺階。經過實驗獲得：在懸浮力為40n時，所述磁懸浮重力補償器在-1mm到+1mm的工作範圍內的法向剛度為[-10,+10]n/m。

本發明還提供了微動臺結構，所述微動臺結構包括承載件。所述微動臺結構還包括如上所述的低剛度的磁懸浮重力補償器，所述磁懸浮重力補償器設置在所述承載件上。

本發明提供的低剛度的磁懸浮重力補償器及微動臺結構，其內永磁陣列環的厚度大於所述外永磁陣列環的厚度，使得動子磁場徑向分量在所述外永磁陣列環與所述內永磁陣列環之間的間隙中部具有沿軸向線性變化特性；通過控制所述定子磁環的壁厚可獲得高次動子懸浮力-軸向位移特性曲線，使得動子結構在工作範圍內可近零剛度磁力懸浮，實現動子重力補償及位置調節。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。