多自由度磁懸浮微動臺的基礎(chǔ)研究.pdf

1、多自由度磁懸浮微動臺具有定位精度高、響應(yīng)速度快、無摩擦、兼容真空環(huán)境等優(yōu)點，在半導(dǎo)體光刻系統(tǒng)、超精密測量、生物芯片技術(shù)等現(xiàn)代精密、超精密裝備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文在總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)有微動臺結(jié)構(gòu)形式優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出一種集成化的磁懸浮微動臺方案，該結(jié)構(gòu)方案將洛倫茲平面電機與磁懸浮重力補償器進行結(jié)合，具有結(jié)構(gòu)緊湊、推力線性度高、隔振性能好、表面溫升低等特點。本文以該種多自由度磁懸浮微動臺為研究對象，

2、通過理論分析、數(shù)值計算與實驗驗證，圍繞磁懸浮微動臺數(shù)學(xué)模型建立、推力波動抑制、法向剛度優(yōu)化、電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計、表面溫升抑制等方面對其展開研究。
　　本文首先介紹所提出磁懸浮微動臺方案的基本結(jié)構(gòu)和六自由度運行原理。采用等效磁荷與磁荷鏡像相結(jié)合的方法對洛倫茲平面電機三維氣隙磁場進行解析，通過分析各洛倫茲驅(qū)動單元之間的位置關(guān)系和對平面電機各向推力的貢獻，推導(dǎo)考慮線圈端部出力的洛倫茲平面電機各向推力表達式?；诘刃щ娏鞣ń⑺岢鰣A筒型 Ha

3、lbach次級結(jié)構(gòu)磁懸浮重力補償器的數(shù)學(xué)模型，包括氣隙磁場、靜態(tài)懸浮力、動態(tài)懸浮力以及法向剛度的表達式。上述工作為后續(xù)微動臺的力特性優(yōu)化分析與電磁設(shè)計方法總結(jié)奠定理論基礎(chǔ)。
　　為實現(xiàn)高精度定位，磁懸浮微動臺應(yīng)具有較低的推力波動和較好的低頻隔振性能，為此，本文分別對洛倫茲平面電機的推力特性以及磁懸浮重力補償器的法向剛度特性展開研究。首先，分析洛倫茲驅(qū)動單元推力波動的產(chǎn)生機理，總結(jié)水平位移、法向位移及俯仰偏轉(zhuǎn)對推力的影響規(guī)律，提出一

4、種非等高Halbach永磁陣列，旨在通過增強端部磁場以減小電機的推力波動。其次，分別對傳統(tǒng)次級結(jié)構(gòu)和Halbach次級結(jié)構(gòu)兩種被動磁懸浮單元的懸浮力和法向剛度進行分析與比較，總結(jié)懸浮力和法向剛度隨徑向氣隙長度、永磁環(huán)厚度、永磁環(huán)高度以及Halbach永磁陣列高度比的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剛度低至一定程度時會發(fā)生零剛度偏移的現(xiàn)象，本文通過分析永磁體的“增去磁效應(yīng)”，揭示該現(xiàn)象的產(chǎn)生機理并提出修正磁懸浮重力補償器零剛度位置的具體方案。

5、>　　考慮到洛倫茲平面電機與磁懸浮重力補償器在磁路上的獨立性，本文對二者的電磁設(shè)計方法分別展開研究。首先，明確洛倫茲平面電機的設(shè)計原則，推導(dǎo)洛倫茲驅(qū)動單元的主要尺寸關(guān)系式，確定洛倫茲驅(qū)動單元的主要尺寸。利用所建立的數(shù)學(xué)模型，總結(jié)各參數(shù)對電機性能的影響規(guī)律，為洛倫茲平面電機初級與次級結(jié)構(gòu)參數(shù)的電磁設(shè)計提供參考。研制一臺洛倫茲平面電機樣機，搭建洛倫茲平面電機靜態(tài)推力/轉(zhuǎn)矩測試平臺，開展平面電機推力/轉(zhuǎn)矩線性度、推力波動的實驗研究。其次，基于

6、磁懸浮重力補償器的技術(shù)指標(biāo)與結(jié)構(gòu)特點，給出其設(shè)計原則與設(shè)計流程。利用解析法與有限元計算相結(jié)合的方法，提出一種磁懸浮重力補償器的半解析數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對懸浮力和法向剛度的變化規(guī)律進行準(zhǔn)確預(yù)測，突破傳統(tǒng)解析法在低剛度場合中應(yīng)用的瓶頸。研制一臺磁懸浮重力補償器樣機，搭建懸浮力測試平臺，開展懸浮力隨軸向位移、徑向位移、線圈電流變化規(guī)律的實驗研究，對有效行程內(nèi)的法向剛度曲面進行擬合。
　　在超精密定位系統(tǒng)中，為了降低微動臺對測量系統(tǒng)環(huán)境的影響

7、，微動臺的表面溫升受到較為嚴(yán)格的限制。本文利用三維有限元模型分別對洛倫茲平面電機和磁懸浮重力補償器的溫度場進行分析，并提出具有針對性的冷卻方案。首先，通過線圈冷卻單元的溫升及冷卻實驗對水套式冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻能力進行評估。其次，提出洛倫茲平面電機的水套式冷卻結(jié)構(gòu)，并利用分流板實現(xiàn)對各冷卻支路流阻的平均分配。然后，對比分析不同結(jié)構(gòu)材料對電機表面溫升的影響并進行相關(guān)的實驗驗證。最后，針對磁懸浮重力補償器的結(jié)構(gòu)特點，提出在四個線圈附近均設(shè)置水道槽