电磁和力学特性分析的平台式Vertical-Gap被动磁悬浮隔振器

文摘

在本文中,我们描述一个平台式vertical-gap被动磁悬浮隔振器(FVPMLVI)主动隔振系统(AVIS)。dual-stator方案和一种特殊的定子磁体阵列采用该FVPMLVI,减少其固有频率的影响,这增强了FVPMLVI的隔振能力。的结构、工作原理、分析模型和电磁和机械特性的FVPMLVI调查。力之间的关系特征(悬浮力、横向力、力脉动,并迫使密度)和主要结构参数(宽度和厚度的定子和mover磁铁)分析了有限元法。实验结果与理论分析处于良好的协议。

1。介绍

主动隔振系统(AVIS)于一体的作动器与被动重力补偿装置,可以有效地提高测量的精度和加工设备。因此,主动隔振系统已经广泛应用于许多显微镜和光刻技术等先进的工业应用。作为主动隔振系统的一个重要组成部分,被动重力补偿装置的角色支持和振动隔离,这样的特征像高力密度和低固有频率是必需的。更重要的是,低固有频率会导致更广泛的隔振带宽和低振动传递率。由于低固有频率的优势,广泛采用空气弹簧是被动重力补偿装置在许多主动隔振系统。然而,一些超精密设备必须运行在一个温和的真空,例如,极端的紫外线光刻技术(1]。空气弹簧很难应用在真空环境中,因为空气弹簧需要压缩气体(2]。为了解决这个问题,被动磁悬浮隔振器作为替代空气弹簧。

被动磁悬浮振动光电隔离器由磁铁相互作用产生悬浮力,近年来吸引了兴趣增加真空兼容性的由于他们的特性。Puppin和Fratello提出被动磁悬浮隔振装置由四个振动2002年光电隔离器;它的固有频率是6.1赫兹的负载4公斤和5.8赫兹的负载15公斤(2]。朱等人提出了一种被动磁悬浮隔振器组成的环形永磁体;他们研究了轴向力和刚度特性,它的固有频率大约是6赫兹(3]。罗伯逊等人提出了一个多极阵列被动磁悬浮隔振器(4),研究了振动被动磁悬浮光电隔离器的设计方法(5,6]。Lomonova等人研究了被动磁悬浮振动光电隔离器的设计方法(7- - - - - -9]。朱等人提出了一个隔振器组成的永久磁铁和橡胶韧带,他们隔振器的固有频率降低了约50%,而最低固有频率是2.75赫兹10]。许等人设计的隔振系统由永久磁铁和线圈弹簧(11]。吴等人设计了一个隔振器组成的三立方形的磁铁和线圈弹簧;从10.45赫兹其固有频率降低到4.96赫兹的负载2.29公斤(12]。Shin的最大振动传递率分析隔振器组成的四个磁铁和两个螺旋弹簧(13]。郑等人设计了一个隔振器组成的环形磁铁和线圈弹簧;从9.0赫兹其固有频率降低到5.8赫兹(14]。如前所述,大多数出版作品关于这种设备显示固有频率高于空气弹簧,这对隔振不利。

在此,我们提出一个平台式vertical-gap被动磁悬浮隔振器真空兼容性(FVPMLVI)特性,较低的固有频率,没有机械接触。dual-stator方案采用该FVPMLVI减少其固有频率。本文的工作原理和特点分析FVPMLVI并为其应用提供有用的建议。本文组织如下。节2的结构和工作原理,介绍了FVPMLVI。节3,FVPMLVI建立的分析模型。节4、电磁和机械特征的详细研究了FVPMLVI有限元方法,和力特性试验。摘要中包含部分5。

2。结构和工作原理

拟议的平台式vertical-gap被动磁悬浮隔振器由三部分组成,即定子,推动者,并降低定子,如图1。发由铝制板和两个垂直磁化磁铁。的上半部分和下半部分都述包括铝制板,三个垂直磁化磁铁,和两个横向磁化磁体。磁铁的磁化方向如箭头所示的数据1和2。平台式的主要结构参数vertical-gap被动磁悬浮隔振器如图2。

平台式vertical-gap被动磁悬浮隔振器产生悬浮力之间的吸引力和排斥力定子和推动者的“吸铁石”。上面的推动者悬浮定子由定子之间的磁力和磁铁。当发移动沿着垂直方向相对于静叶,上部定子和推动者产生吸引力和负刚度和降低定子和推动者与积极的刚度产生斥力;因此,总悬浮力是挥之不去的。当发移动沿着水平方向相对于静,磁铁所产生的总悬浮力在左边和右边也挥之不去。通过采用dual-stator结构和插入横向磁化磁铁,平台式vertical-gap被动磁悬浮隔振器能产生啸叫悬浮力和接近于零的刚度在6度自由的中风,这有助于提高主动隔振系统的隔振性能。

拟议的平台式vertical-gap被动磁悬浮隔振器有两个优势:(使用平行磁化立方磁铁);纵向和横向磁化磁体FVPMLVI平行磁化立方磁铁;与径向磁化磁铁用在许多振动器、平行磁化立方磁铁有优势的结构简单,工艺性好,成本低;和()较低的固有频率。FVPMLVI的固有频率可以有效地降低采用dual-stator方案和特殊定子磁体阵列。

3所示。分析模型

产生的力平台式vertical-gap被动磁悬浮隔振器之间的磁力可以通过叠加计算每两个磁铁(其中一个磁铁定子,另一个是发)。磁铁之间的磁力可以等效电荷模型计算。平台式的等效电荷模型vertical-gap被动磁悬浮隔振器如图3。立方形的磁铁相当于一系列矩形表面。

根据Allag等的工作。15),两个磁铁之间的磁力可以表示为平行和垂直磁化和,分别。因为有6垂直磁化磁铁在静叶和2垂直磁化磁铁推动者,因此对磁铁平行磁化。同样,有4个横向磁化述磁铁;因此有对垂直磁化的磁铁。然后,平台式的力量vertical-gap被动磁悬浮隔振器是由 在哪里两个磁铁之间的磁力与平行磁化和两个磁铁之间的磁力与垂直磁化。

因此,刚度和自然频率的平台式vertical-gap被动磁悬浮隔振器可以表示为(2)和(3)。 在哪里刚度,力的变化,位移。 在哪里固有频率,是发的总质量,和负载重力加速度。

所示(3),而刚度在单位位移,力脉动是一个更好的指标可以反映隔振器的隔振性能,因为固有频率隔振能力直接相关。因此,力脉动分析而不是刚度下一节。

4所示。电磁和力学特性分析

为了为应用提供有用的建议,FVPMLVI的电磁和机械特性如悬浮力、水平力,力脉动,本节力密度进行了分析。首先,FVPMLVI的力特征随发位置进行了研究,并减少推力波动的原理进行了分析。然后,主要结构参数对设备性能的影响像悬浮力,力密度,和推力波动进行了研究。最后,FVPMLVI原型的力特性测试来验证分析。

4.1。力特性随发降低推力波动的立场和原则

当发移动相对于静,磁铁相互作用所产生的磁力将不可避免的改变。使用有限元方法来分析力的振动。网格的结果和磁场分布如图所示4。

当发移动沿着垂直方向相对于静,悬浮力特性随垂直运动如图5(一个)。对于一个特定的水平位置增加垂直位置首先,悬浮力降低,然后增加。最低悬浮力发生在大约0.4毫米。当发移动沿着水平方向相对于静,悬浮力特性随水平运动如图5 (b)。对于一个特定的垂直位置水平位置,增加时,悬浮力先增加然后减少大于−0.6毫米。最大的悬浮力发生在是0.0毫米。应该注意的是,垂直位置是指1毫米低于FVPMLVI的中心位置。

当发移动沿着垂直方向相对于静,随垂直运动的水平力特性如图6(一)。对于一个特定的水平位置增加垂直位置,水平力减少。当发移动沿着水平方向相对于静,随水平运动的水平力特性如图6 (b)。对于一个特定的垂直位置水平位置,增加,悬浮力大约正比于水平位置。如数据所示5和6产生的悬浮力,振动FVPMLVI不超过1 N中风和横向力的振动不超过4 N。

以下是分析的作用特别定子磁体阵列和dual-stator方案。首先,特别分析了定子磁体阵列的作用。如图7,分为三个磁铁定子磁体阵列,也就是说,磁体阵列,磁体阵列B,磁体阵列c FVPMLVI所产生的力量是这三个磁铁之间的磁力叠加数组和磁铁。

这三个磁铁的悬浮力特性数组如图8。当发移动沿着垂直方向相对于静,产生的悬浮力刚度磁体阵列是接近于零,磁铁产生的悬浮力刚度阵B是负的,产生的悬浮力和刚度磁体阵列C是正的。当发移动沿着水平方向相对于静,磁体阵列所产生的悬浮力和磁体阵列B增加时增加,产生的悬浮力磁铁数组C减少时增加。因此,啸叫悬浮力可以通过适当的组合。

这三个磁铁的水平力特征阵列图所示9。当发移动沿着垂直方向相对于静,磁体阵列所产生的水平力和磁体阵列B减少时增加,和磁体阵列所产生的水平力C增加时增加。当发移动沿着水平方向相对于静,磁体阵列所产生的水平力的刚度和磁体阵列B是正的,产生的悬浮力和刚度磁体阵列C是负的。因此,接近于零的垂直刚度可以通过适当的组合。因此,特殊定子磁体阵列,由三个垂直磁化磁铁和两个横向磁化磁铁,可以有效地减少FVPMLVI的力量波纹。

同样,dual-stator计划的作用进行了分析。如图10,定子磁体分为两个磁铁数组,也就是说,磁体阵列D和磁体阵列大肠FVPMLVI所产生的力的叠加是这两个磁铁之间的磁力数组和磁铁。

的悬浮力特性这两个磁体阵列如图11。当发移动沿着垂直方向相对于静,磁铁产生的悬浮力刚度阵D是负的,产生的悬浮力和刚度磁体阵列E是正的。因此,啸叫悬浮力可以通过适当的组合。

这三个磁铁的水平力特征阵列图所示12。当发移动沿着水平方向相对于静,磁铁产生的水平力刚度阵D是正的,产生的悬浮力和刚度磁体阵列E是负的。因此,接近于零的垂直刚度可以通过适当的组合。

固有频率的结论,可以有效地减少FVPMLVI采用dual-stator方案和特殊定子磁体阵列,和磁铁应精心设计的结构参数,因为FVPMLVI的力特征取决于力的组合特征的几个磁体阵列。

4.2。主要结构参数对推力波动的影响,迫使密度

为了为应用程序提供有用的建议,主要结构参数对推力波动的影响,迫使密度应该分析为了找到一个有用的优化方法为未来的设计过程。

主要的结构参数被定义为结构参数可以确定FVPMLVI的电磁和机械特性。如图2的主要结构参数,包括定子磁体的宽度和、厚度的定子磁体和,宽度和厚度的磁铁和。力脉动单元内位移和力密度计算了(4)和(5),分别。 在哪里是FVPMLVI的悬浮力,FVPMLVI的体积,是定子磁体之间的间距,定子铝板的厚度,气隙的厚度,是发磁铁之间的间距,的长度是FVPMLVI设在。

主要结构参数对推力波动的影响,迫使密度由有限元法分析。研究了主要结构参数和一些辅助结构参数固定;也就是说,FVPMLVI的长度设在是100毫米;定子磁体之间的间距推动者之间和磁铁分别是1毫米和2毫米。考虑到中风和工艺性,气隙长度选择是3毫米。

首先,从数据8和9,产生的悬浮力刚度磁铁数组B是相反的磁铁数组c。因此,有一个合理的范围和,磁铁的总刚度阵B和C是接近于零;然后可以显著降低推力波动。同时,悬浮力会增加时和是增加了。然而,从(5),PMLVI的体积也会随着的增加而增加和对力密度,这带来了负面影响。因此,有一个合理的范围和,密度获得的最大力量。

力随涟漪和如图13。从图13,()力脉动引起的垂直运动时显著降低和采取适当的值;()最小的力脉动引起的垂直运动时发生在6.2 mm ~ 7.2 mm的范围;()力脉动引起的水平运动时显著降低和采取适当的值;()的最小力脉动引起的垂直运动时发生在8.4 mm ~ 12.2 mm的范围。

随的悬浮力和力密度和如图14。从图14,(),悬浮力增加而增加的和;()最大的力密度时发生在4毫米~ 6毫米的范围,然后呢预计将尽可能小。这表明尽管力脉动降低采用特殊定子磁体阵列,力密度也降低了。

类似的分析和,有一个合理的范围和,力脉动可以显著降低,密度达到最大值。应该注意的是,被设计成比吗,因为气隙长度是固定的,和一个更大的将导致更短的中风。通过改变定子磁铁的厚度和力脉动计算,如图15。从图15,()力脉动引起的垂直运动时显著降低和采取适当的值;()最小的力脉动引起的垂直运动时发生;()力脉动引起的水平运动时显著降低和采取适当的值;最小的力脉动引起的水平运动时发生和分别对4毫米和1毫米。

随的悬浮力和力密度和如图16。从图16,(),悬浮力增加而增加的和;()最大的力密度时发生需要更大的价值和;力密度可以进一步增加需要在更大范围值;然而,推力波动将会增加。

PMLVI的力特征也可以调整结构参数的推动者。通过改变发磁铁的宽度和厚度和在一个小范围内,计算力脉动如图17。从图17,()力脉动引起的垂直运动时显著降低和采取适当的值;最小的力脉动引起的垂直运动时发生;()力脉动引起的水平运动时显著降低减少。

随的悬浮力和力密度和如图18。从图18,(),可以大大提高悬浮力的增加;悬浮力几乎与推动者磁铁的厚度成正比;()(5),增加的,提高悬浮力的大小是大于它的体积的增加幅度;这样的力密度也大幅增加。

基于上述分析结果,设计并分析了一个优化的FVPMLVI实验。应该提到的参数优化模型在本节初步优化结果基于放弃有限元分析。更准确的优化结果可以通过使用一些优化方法在设计过程中,例如,数值优化算法或近似模型(16,17]。

4.3。实验

来验证上述分析,原型FVPMLVI的生产。原型的结构参数表中列出1。的测试平台用于测量力特征FVPMLVI图所示19。自由的测试平台由一个三位置调节器,力传感器,高精度万用表和支持。自由的三位置调节器组成位置调节器和一个位置调节器。自由的三位置调节器和支持分别固定在一个被动隔振平台,和力传感器固定在自由的三位置调节器。发FVPMLVI是固定的支持,和定子FVPMLVI力传感器是固定的。因此定子之间的相对位置和发可以调节三自由位置调节器。可以测量力和发位置之间的关系。

图20.显示了悬浮力分布不同的垂直位移()和水平位移(和)。测量名义悬浮力197.64 N,匹配与有限元模型。悬浮力的变化相当小的中风。

从悬浮力刚度得到特征通过使用(6)。图21显示垂直刚度分布不同的垂直位移()和水平位移(和)。可以看出垂直刚度可以在一些地区低至零。最大的正面垂直刚度是1008.26 N / m,并计算出的固有频率接近这个点(3)是1.13赫兹。而被动磁悬浮光电隔离器与振动固有频率超过4赫兹(2,3,10- - - - - -14),该被动磁悬浮隔振装置在较低的固有频率特性优势。

5。结论

平台式vertical-gap被动磁悬浮隔振器已经调查了主动隔振系统。dual-stator方案和特殊定子磁体阵列能有效降低FVPMLVI固有频率,这增强了FVPMLVI的隔振能力。中使用的磁铁FVPMLVI平行磁化立方磁铁,具有结构简单的优点,工艺性好,成本低。磁场力的解析表达式推导出等效电荷模型。主要的结构参数和运动的影响悬浮力、水平力,力密度,和推力波动进行了研究。定子磁体和推动者磁铁的尺寸对悬浮力有显著的影响,水平力,力密度,迫使涟漪。与传统的被动磁悬浮振动器相比,该平台式vertical-gap被动磁悬浮隔振器固有频率较低,显示了优势更广泛的隔振带宽,和更低的振动传递率。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究支持由中国国家自然科学基金(51507034)。

引用

1. r·h·Stulen d·w·斯威尼,“极端紫外线光刻技术,”IEEE量子电子学杂志》上,35卷,不。5,694 - 699年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 大肠Puppin和诉Fratello”,与磁铁弹簧隔振,”审查的科学仪器,卷73,不。11,4034年,页2002。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. y朱,问:李、徐d和m .张”建模的轴向磁力和环形永磁被动隔振器的刚度及其振动隔离实验中,“IEEE磁学,48卷,不。7,2228 - 2238年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. w·罗伯逊、b . Cazzolato和A·詹德“多极阵列磁的春天》IEEE磁学第41卷。。10日,3826 - 3828年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. w·s·罗伯逊·m·r·f·Kidner b . s . Cazzolato和a·c·詹德”理论设计参数为quasi-zero磁弹簧刚度对振动隔离,”杂志的声音和振动,卷326,不。1 - 2、88 - 103年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. w·罗伯逊、b . Cazzolato和a·詹德”理论分析非接触式的春天与斜永久磁铁装入独立谐振频率,“杂志的声音和振动,卷331,不。6,1331 - 1341年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. j·l·g·詹森·j·j·h·Paulides e·a·Lomonova b . Delinchant, j。Yonnet”设计研究与不平等的磁铁磁性重力补偿器阵列,”机电一体化,23卷,不。2、197 - 203年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. d·t·e·h·范·Casteren j·j·h·Paulides j·l·g·詹森和e·a·Lomonova”分析力、刚度和共振频率的计算磁振动隔离器微量天平,”IEEE行业应用,51卷,不。1,第210 - 204页,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. d·t·e·h·范·Casteren j·j·h·Paulides和e·A·Lomonova”比较柱形和十字形磁振动器:理想和现实,”电气工程档案,卷64,不。4、593 - 604年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. y朱问:李,d .徐c . Hu和m .张“负刚度的建模和分析磁悬浮隔振器与实验调查,“审查的科学仪器,卷83,不。9篇文章ID 095108 2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. j·d·徐问:Yu周,s . r .主教”理论和实验分析的非线性磁振动隔离器quasi-zero-stiffness特点,“杂志的声音和振动,卷332,不。14日,第3389 - 3377页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. w·吴、陈x和y,“分析和实验使用新型磁弹簧隔振器的负刚度,”杂志的声音和振动,卷333,不。13日,2958 - 2970年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. k . Shin”high-static-low-dynamic单个自由度刚度性能的磁振动隔离器,”国际期刊的精密工程和制造业,15卷,不。3、439 - 445年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 罗y郑,x, y, b, c·马,“设计和实验high-static-low-dynamic使用负磁弹簧刚度,刚度隔离器”杂志的声音和振动卷。360年,31-52,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. h . Allag j。Yonnet, m·e·h·Latreche”3 d之间的力的分析计算线性halbach-type永磁阵列,”学报》第八届国际研讨会上先进机电运动系统和电动驱动联合研讨会(电动' 09),2009年7月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. 郭y g, t . Wang, j .朱和王,“电力驱动系统:系统级设计优化方法确定的方法,”IEEE工业电子产品,卷61,不。12日,第6602 - 6591页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. j·g . Lei t . Wang朱、郭y,和美国,“电力驱动系统强健的系统级设计优化方法的方法,”IEEE工业电子产品,卷62,不。8,4702 - 4713年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2016宝泉口等。这是一个开放的访问分布在条知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。