采用HALBACH磁阵列的磁悬浮平台的磁场分析

　　0　引言

　　三坐标测量机是一种以精密机械为基础,综合运用电子技术、计算机技术、光栅及激光技术、气动技术等先进技术的测量设备[1-2],纳米三坐标测 量机(NanometerCoordinateMeasuringMachines )是近年来国内外相关研究单位研制的体积小、精度高、具纳米级测量精度的三坐标测量机[3],其三维测量精度可达到100nm以下。

　　纳米两维定位平台是完成X、Y维精确定位的工作台,是构成纳米三坐标测量机的重要部分[4],同时在微机电系统、纳米制造、微电子、纳米电子及 生物工程等众多高科技领域也占有重要位置,如各种精密加工设备等[5]。作者所设计的共平面磁悬浮平台结构如图1所示,采用共平面设计、磁悬浮导轨、一级 驱动、对称结构,具有力变形小、热变形小的优点,易于实现大范围纳米级精度微运动。

　　磁悬浮平台由1个移动平台, 4个三相直线永磁电机以及位置传感器等构成,每个电机可以同时提供悬浮力和驱动力,通过控制绕组电流可以实现平台X、Y方向的运动,同时,也可以改变平台 的悬浮高度。每个电机包括永磁阵列和定子绕组2个部分,永磁阵列附着在移动平台的底面,形成共平面结构模式,克服堆栈结构的缺点,有效减少阿贝误差;定子 绕组附着在固定台上表面,与4组永磁阵列对应。

　　1　HALBACH阵列的特点及解析分析方法

　　HALBACH永磁阵列的概念最早是由美国劳伦斯伯克利国家实验室的KlausHalbach教授提出[6],并在20世纪90年代被国内外研究机构相继成功应用于新一代的粒子加速器、自由电子激光装置、同步辐射装置等高能物理领域中。

　　1·1　HALBACH阵列的特点

　　通常的永磁阵列设计,永磁体多采用径向(垂直)或切向(水平)阵列结构,其示意图分别如图2(a)、(b)所示。而HALBACH阵列是将径向与切向阵列结合在一起的一种新型磁性结构,如图2(c)。

　　从图2中可以明显看出:在HALBACH阵列中由于切向磁场与径向磁场的相互叠加与抵消,使得永磁体一侧的磁场大幅度增加,而另一侧的磁场大幅 度削弱。HALBACH永磁阵列有如下特点: (1)可以很容易地得到在空间较理想的正弦分布的磁场,采用较少段数的HALBACH阵列,以及简单绕组和机械结构,就可以得到理想的正弦分布的磁场,可 大大减少气隙磁场中的谐波成分,控制相对简单; (2)经过良好设计可获得比常规磁体更大的气隙磁通; (3)可以提高功率; (4)很好的磁屏蔽作用,甚至可以不用铁芯,由铝或者陶瓷结构代替,得到较好的结构特性。在该系统磁阵列设计中利用HALBACH永磁阵列这一特点,将 HALBACH阵列粘贴在磁悬浮平台下,使磁场增强的一边对着气隙,使磁场减弱的一边对着移动平台,这使得在永磁材料体积不变的条件下气隙磁通密度增加成 为可能。