多自由度磁懸浮微動(dòng)臺(tái)的基礎(chǔ)研究.pdf

1、多自由度磁懸浮微動(dòng)臺(tái)具有定位精度高、響應(yīng)速度快、無(wú)摩擦、兼容真空環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體光刻系統(tǒng)、超精密測(cè)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(lái)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)有微動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)形式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種集成化的磁懸浮微動(dòng)臺(tái)方案，該結(jié)構(gòu)方案將洛倫茲平面電機(jī)與磁懸浮重力補(bǔ)償器進(jìn)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(diǎn)。本文以該種多自由度磁懸浮微動(dòng)臺(tái)為研究對(duì)象，

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

3、lbach次級(jí)結(jié)構(gòu)磁懸浮重力補(bǔ)償器的數(shù)學(xué)模型，包括氣隙磁場(chǎng)、靜態(tài)懸浮力、動(dòng)態(tài)懸浮力以及法向剛度的表達(dá)式。上述工作為后續(xù)微動(dòng)臺(tái)的力特性優(yōu)化分析與電磁設(shè)計(jì)方法總結(jié)奠定理論基礎(chǔ)。
　　為實(shí)現(xiàn)高精度定位，磁懸浮微動(dòng)臺(tái)應(yīng)具有較低的推力波動(dòng)和較好的低頻隔振性能，為此，本文分別對(duì)洛倫茲平面電機(jī)的推力特性以及磁懸浮重力補(bǔ)償器的法向剛度特性展開研究。首先，分析洛倫茲驅(qū)動(dòng)單元推力波動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，總結(jié)水平位移、法向位移及俯仰偏轉(zhuǎn)對(duì)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(qiáng)端部磁場(chǎng)以減小電機(jī)的推力波動(dòng)。其次，分別對(duì)傳統(tǒng)次級(jí)結(jié)構(gòu)和Halbach次級(jí)結(jié)構(gòu)兩種被動(dòng)磁懸浮單元的懸浮力和法向剛度進(jìn)行分析與比較，總結(jié)懸浮力和法向剛度隨徑向氣隙長(zhǎng)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(shí)會(huì)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(jī)理并提出修正磁懸浮重力補(bǔ)償器零剛度位置的具體方案。

5、>　　考慮到洛倫茲平面電機(jī)與磁懸浮重力補(bǔ)償器在磁路上的獨(dú)立性，本文對(duì)二者的電磁設(shè)計(jì)方法分別展開研究。首先，明確洛倫茲平面電機(jī)的設(shè)計(jì)原則，推導(dǎo)洛倫茲驅(qū)動(dòng)單元的主要尺寸關(guān)系式，確定洛倫茲驅(qū)動(dòng)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(duì)電機(jī)性能的影響規(guī)律，為洛倫茲平面電機(jī)初級(jí)與次級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)的電磁設(shè)計(jì)提供參考。研制一臺(tái)洛倫茲平面電機(jī)樣機(jī)，搭建洛倫茲平面電機(jī)靜態(tài)推力/轉(zhuǎn)矩測(cè)試平臺(tái)，開展平面電機(jī)推力/轉(zhuǎn)矩線性度、推力波動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究。其次，基于

6、磁懸浮重力補(bǔ)償器的技術(shù)指標(biāo)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出其設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)流程。利用解析法與有限元計(jì)算相結(jié)合的方法，提出一種磁懸浮重力補(bǔ)償器的半解析數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮力和法向剛度的變化規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，突破傳統(tǒng)解析法在低剛度場(chǎng)合中應(yīng)用的瓶頸。研制一臺(tái)磁懸浮重力補(bǔ)償器樣機(jī)，搭建懸浮力測(cè)試平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)研究，對(duì)有效行程內(nèi)的法向剛度曲面進(jìn)行擬合。
　　在超精密定位系統(tǒng)中，為了降低微動(dòng)臺(tái)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)環(huán)境的影響

7、，微動(dòng)臺(tái)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(duì)洛倫茲平面電機(jī)和磁懸浮重力補(bǔ)償器的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，并提出具有針對(duì)性的冷卻方案。首先，通過線圈冷卻單元的溫升及冷卻實(shí)驗(yàn)對(duì)水套式冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻能力進(jìn)行評(píng)估。其次，提出洛倫茲平面電機(jī)的水套式冷卻結(jié)構(gòu)，并利用分流板實(shí)現(xiàn)對(duì)各冷卻支路流阻的平均分配。然后，對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)材料對(duì)電機(jī)表面溫升的影響并進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最后，針對(duì)磁懸浮重力補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出在四個(gè)線圈附近均設(shè)置水道槽