CN111313763B - 一种低刚度及大悬浮力的重力补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低刚度及大悬浮力的重力补偿器，定子部分包括定子内圈永磁体、线圈和定子外圈永磁体，动子部分包括动子内圈永磁体和动子外圈永磁体，定子内圈永磁体、动子内圈永磁体、线圈、动子外圈永磁体和定子外圈永磁体依次由内向外设置且相互之间均设置有间隙，定子部分和动子部分相互作用产生悬浮力。本发明由于定子的内、外圈在轴向上均包含三层永磁体，增加了磁场强度，使得重力补偿器产生的悬浮力大；同时，三层永磁体中的上下两层充磁方向相反，使得磁场更加均匀，从而使得悬浮力接近线性、降低了悬浮刚度，能够对负载的重力进行有效补偿，实现对承载台的定位，并且降低内、外部扰动源对负载的影响。

Description

一种低刚度及大悬浮力的重力补偿器

技术领域

本发明涉及重力补偿器技术领域，特别是涉及一种低刚度及大悬浮力的重力补偿器。

背景技术

随着现代工业的不断发展，超精密加工在机械、电子、轻工及国防等众多领域占有越来越重要的地位，以超精密加工技术为支撑的半导体器件，为电子信息技术和产业的发展奠定坚实基础。作为超精密加工技术的典型代表，光刻机在半导体技术的发展中起到了至关重要的作用。然而，光刻机硅片承载台在曝光过程中会受到内部动力装置外界噪声的干扰，从而影响其定位精度。重力补偿装置就是为了解决这一问题所提出来的新型被动机构，通过对负载的重力进行补偿，可以实现对硅片承载台的定位；同时，再通过降低重力补偿装置的承载刚度，降低内、外部扰动源对负载的影响。

公开号为CN106997155A的中国专利公布了一种低刚度的磁悬浮重力补偿器及微动台结构，其包括动子结构及定子结构，动子结构包括外永磁阵列环、内永磁阵列环及动子支撑框架；定子结构包括收容于环形槽内的线圈支架及嵌设在线圈支架上的定子永磁环，依靠动子与定子之间的磁场相互作用来产生低刚度磁力悬浮。然而，所述磁悬浮重力补偿器悬浮力较低且悬浮刚度较高。本领域存在着发展一种具有更低悬浮刚度和更大悬浮力的重力补偿器的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种低刚度及大悬浮力的重力补偿器，以解决上述现有技术存在的问题，对负载的重力进行有效补偿，实现对承载台的定位，并且降低内、外部扰动源对负载的影响。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种低刚度及大悬浮力的重力补偿器，包括定子部分和动子部分，所述定子部分包括定子固定结构、定子内圈永磁体、线圈和定子外圈永磁体，所述定子内圈永磁体、所述线圈和所述定子外圈永磁体均固定在所述定子固定结构上，所述动子部分包括动子固定结构、动子内圈永磁体和动子外圈永磁体，所述动子内圈永磁体和所述动子外圈永磁体均固定在所述动子固定结构，所述定子内圈永磁体、所述动子内圈永磁体、所述线圈、所述动子外圈永磁体和所述定子外圈永磁体依次由内向外同轴设置且相互之间均设置有间隙，所述定子部分和所述动子部分相互作用产生悬浮力。

优选的，所述定子内圈永磁体和所述定子外圈永磁体均包括自上而下依次叠加设置的三层永磁体，所述定子内圈永磁体包括自上而下依次叠加设置的第一定子内圈永磁体、第二定子内圈永磁体和第三定子内圈永磁体；所述定子外圈永磁体包括自上而下依次叠加设置的第一定子外圈永磁体、第二定子外圈永磁体和第三定子外圈永磁体；所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体、所述第三定子内圈永磁体、所述第一定子外圈永磁体、所述第二定子外圈永磁体、所述第三定子外圈永磁体、所述线圈、所述动子内圈永磁体和所述动子外圈永磁体均为圆环柱结构。

优选的，所述第一定子内圈永磁体的上端面和所述第一定子外圈永磁体的上端面位于同一平面，所述第一定子内圈永磁体的下端面和所述第一定子外圈永磁体的下端面位于同一平面；所述第二定子内圈永磁体的上端面和所述第二定子外圈永磁体的上端面位于同一平面，所述第二定子内圈永磁体的下端面和所述第二定子外圈永磁体的下端面位于同一平面；所述第三定子内圈永磁体的上端面和所述第三定子外圈永磁体的上端面位于同一平面，所述第三定子内圈永磁体的下端面和所述第三定子外圈永磁体的下端面位于同一平面；所述动子内圈永磁体的上端面和所述动子外圈永磁体的上端面位于同一平面，所述动子内圈永磁体的下端面和所述动子外圈永磁体的下端面位于同一平面；所述动子内圈永磁体的上端面低于所述第二定子内圈永磁体的上端面，所述动子内圈永磁体的下端面高于所述第二定子内圈永磁体的下端面；所述线圈的上端面低于所述动子内圈永磁体的上端面，所述线圈的下端面高于所述动子内圈永磁体的下端面。

优选的，所述第一定子内圈永磁体和所述第一定子外圈永磁体均为由内向外辐射充磁，所述第三定子内圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体均为由外向内辐射充磁，所述第二定子内圈永磁体的充磁方向为由下向上，所述第二定子外圈永磁体的充磁方向为由上向下，所述动子内圈永磁体和所述动子外圈永磁体均为由内向外辐射充磁，所述线圈的等效充磁方向为由下向上。

优选的，所述第一定子内圈永磁体和所述第一定子外圈永磁体均为由外向内辐射充磁，所述第三定子内圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体均为由内向外辐射充磁，所述第二定子内圈永磁体的充磁方向为由上向下，所述第二定子外圈永磁体的充磁方向为由下向上，所述动子内圈永磁体和所述动子外圈永磁体均为由外向内辐射充磁，所述线圈的等效充磁方向为由上向下。

优选的，所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体和所述第三定子内圈永磁体的内径均相同，所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体和所述第三定子内圈永磁体的外径均相同，所述第一定子外圈永磁体、所述第二定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的内径均相同，所述第一定子外圈永磁体、所述第二定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的外径均相同，所述第一定子内圈永磁体、所述第三定子内圈永磁体、所述第一定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的高度均相同，所述动子内圈永磁体和所述动子外圈永磁体的高度相同。

优选的，所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体和所述第三定子内圈永磁体的内径均为5.5mm，所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体和所述第三定子内圈永磁体的外径均为10mm，所述第一定子外圈永磁体、所述第二定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的内径均为46mm，所述第一定子外圈永磁体、所述第二定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的外径均为48.5mm，所述第一定子内圈永磁体、所述第三定子内圈永磁体、所述第一定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的高度均为8mm，所述第二定子内圈永磁体和所述第二定子外圈永磁体的高度均为30mm；

所述动子内圈永磁体的内径为19mm，所述动子内圈永磁体的外径为23mm，所述动子外圈永磁体的内径为33mm，所述动子外圈永磁体的外径为37mm，所述动子内圈永磁体和所述动子外圈永磁体的高度均为18mm；

所述线圈的内径为26mm，所述线圈的外径为31mm，所述线圈的高度为14mm。

优选的，所述定子固定结构包括定子挡板、挡环、底板以及固定在所述底板上的中心轴、定子外壳和线圈支架；所述挡环、所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体和所述第三定子内圈永磁体均套设在所述中心轴上，所述挡环设置在所述第一定子内圈永磁体上端，所述挡环、所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体和所述第三定子内圈永磁体的内壁均与所述中心轴的外壁贴合设置；所述线圈嵌设在所述线圈支架的外壁上；所述第一定子外圈永磁体、所述第二定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的外壁均与所述定子外壳的内壁贴合设置，所述第一定子外圈永磁体和所述第二定子外圈永磁体的上端均通过所述定子挡板固定在所述定子挡板和所述定子外壳之间，所述第三定子外圈永磁体的下端和所述定子外壳的下端均固定在所述底板上。

优选的，所述动子固定结构包括顶板、动子内圈支架、动子外圈支架、动子内圈挡板和动子外圈挡板，所述动子内圈支架和所述动子外圈支架的上端均与所述顶板固定连接，所述动子内圈永磁体嵌设在所述动子内圈支架的外壁上，所述动子内圈永磁体的下端和所述动子内圈支架的下端均固定在所述动子内圈挡板上，所述动子外圈永磁体嵌设在所述动子外圈支架的内壁上，所述动子外圈永磁体的下端和所述动子外圈支架的下端均固定在所述动子外圈挡板上。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明采用由内而外依次设置的定子内圈永磁体、动子内圈永磁体、线圈、动子外圈永磁体和定子外圈永磁体，通过上述的定子部分和动子部分的相互作用，利用动子部分和定子部分之间的磁场相互作用产生悬浮力。由于定子内圈永磁体和定子外圈永磁体分别被设置为上中下三层，增加了磁场强度，使得重力补偿器产生的悬浮力大；同时，由于定子内圈永磁体和定子外圈永磁体的上下两层永磁体的充磁方向相反，与动子内圈永磁体和动子外圈永磁体相互耦合后，能够在一定的范围内实现较为均匀的磁场，从而使得悬浮刚度低，不仅能够对负载的重力进行有效补偿，而且当重力补偿器的动子固定结构与承载台连接时，能够实现对承载台的定位，并且降低内、外部扰动源对负载的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的低刚度及大悬浮力的重力补偿器示意图；

图2为本发明中的定子部分示意图；

图3为本发明中的动子部分示意图；

图4为本发明中实施例一的定子部分和动子部分的布置方式及充磁方向示意图(图1的右半部分)；

图5为本发明中的实施例一的第二定子内圈永磁体和动子内圈永磁体的等效线圈电流模型示意图；

图6为本发明中的悬浮力曲线图；

图7为本发明中的悬浮刚度曲线图；

图8为本发明中的悬浮力与线圈通入的电流的关系曲线图；

其中：定子挡板1，定子外壳2，第一定子外圈永磁体3，第二定子外圈永磁体4，第三定子外圈永磁体5，底板6，线圈7，线圈支架8，挡环9，第一定子内圈永磁体10，第二定子内圈永磁体11，第三定子内圈永磁体12，中心轴13，动子外圈挡板14，动子内圈挡板15，动子外圈永磁体16，动子内圈永磁体17，动子外圈支架18，动子内圈支架19，顶板20。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种低刚度及大悬浮力的重力补偿器，以解决上述现有技术存在的问题，对负载的重力进行有效补偿，实现对承载台的定位，并且降低内、外部扰动源对负载的影响。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图8所示：本实施例提供了一种低刚度及大悬浮力的重力补偿器，包括定子部分和动子部分，定子部分包括定子固定结构、定子内圈永磁体、线圈7和定子外圈永磁体，定子内圈永磁体、线圈7和定子外圈永磁体均固定在定子固定结构上，动子部分包括动子固定结构、动子内圈永磁体17和动子外圈永磁体16，动子内圈永磁体17和动子外圈永磁体16均固定在动子固定结构，动子内圈永磁体17设置在动子外圈永磁体16的内侧，定子内圈永磁体、动子内圈永磁体17、线圈7、动子外圈永磁体16和定子外圈永磁体依次由内向外同轴设置且相互之间均设置有间隙，定子部分和动子部分相互作用产生悬浮力。本实施例采用由内而外依次设置的定子内圈永磁体、动子内圈永磁体17、线圈7、动子外圈永磁体16和定子外圈永磁体，通过上述的定子部分和动子部分的相互作用，利用动子部分和定子部分之间的磁场相互作用产生悬浮力。由于定子内圈永磁体和定子外圈永磁体分别被设置为上中下三层，增加了磁场强度，使得重力补偿器产生的悬浮力大；同时，由于定子内圈永磁体和定子外圈永磁体的上下两层永磁体的充磁方向相反，与动子内圈永磁体17和动子外圈永磁体16相互耦合后，能够在一定的范围内实现较为均匀的磁场，从而使得悬浮刚度低。不仅能够对负载的重力进行有效补偿，而且当重力补偿器的动子固定结构与承载台连接时，能够实现对承载台的定位，并且降低内、外部扰动源对负载的影响。

本实施例中，定子内圈永磁体和定子外圈永磁体均包括自上而下依次叠加设置的三层永磁体，定子内圈永磁体包括自上而下依次叠加设置的第一定子内圈永磁体10、第二定子内圈永磁体11和第三定子内圈永磁体12；定子外圈永磁体包括自上而下依次叠加设置的第一定子外圈永磁体3、第二定子外圈永磁体4和第三定子外圈永磁体5；第一定子内圈永磁体10、第二定子内圈永磁体11、第三定子内圈永磁体12、第一定子外圈永磁体3、第二定子外圈永磁体4、第三定子外圈永磁体5、线圈7、动子内圈永磁体17和动子外圈永磁体16均为圆环柱结构，第一定子内圈永磁体10、第二定子内圈永磁体11、第三定子内圈永磁体12、第一定子外圈永磁体3、第二定子外圈永磁体4、第三定子外圈永磁体5、动子内圈永磁体17和动子外圈永磁体16均为环形永磁体。

本实施例中，定子固定结构还包括定子挡板1、挡环9、底板6以及通过螺栓固定在底板6上的中心轴13、定子外壳2和线圈支架8；挡环9、第一定子内圈永磁体10、第二定子内圈永磁体11和第三定子内圈永磁体12均套设在中心轴13上，挡环9设置在第一定子内圈永磁体10上端，挡环9用于将定子内圈永磁体固定在中心轴13上，挡环9、第一定子内圈永磁体10、第二定子内圈永磁体11和第三定子内圈永磁体12的内壁均与中心轴13的外壁贴合设置；线圈7嵌设在线圈支架8的外壁上，线圈7的上端面和线圈支架8的上端面位于同一平面；第一定子外圈永磁体3、第二定子外圈永磁体4和第三定子外圈永磁体5的外壁均与定子外壳2的内壁贴合设置，第一定子外圈永磁体3的上端与定子外壳2的上端位于同一平面，定子挡板1的上端通过螺栓固定在定子外壳2的上端，第一定子外圈永磁体3和第二定子外圈永磁体4的上端均通过定子挡板1固定在定子挡板1和定子外壳2之间，第三定子外圈永磁体5的下端和定子外壳2的下端均固定在底板6上的凹槽中，第三定子外圈永磁体5的下端和定子外壳2的下端均位于同一平面，定子外壳2的下端通过螺栓与底板6固定。

本实施例中，动子固定结构还包括顶板20、动子内圈支架19、动子外圈支架18、动子内圈挡板15和动子外圈挡板14，动子内圈支架19和动子外圈支架18的上端均与顶板20通过螺栓固定连接，动子内圈永磁体17嵌设在动子内圈支架19的外壁上，动子内圈永磁体17的上端部分与动子内圈支架19接触，动子内圈永磁体17的下端和动子内圈支架19的下端均固定在动子内圈挡板15上的凹槽中，动子内圈永磁体17的下端和动子内圈支架19的下端位于同一平面，动子内圈支架19的下端通过螺栓与动子内圈挡板15固定连接，动子外圈永磁体16嵌设在动子外圈支架18的内壁上，动子外圈永磁体16部分与动子外圈支架18接触，动子外圈永磁体16的下端和动子外圈支架18的下端均固定在动子外圈挡板14上的凹槽中，动子外圈永磁体16的下端和动子外圈支架18的下端位于同一平面，动子外圈支架18的下端通过螺栓与动子外圈挡板14固定连接。

本实施例中，第一定子内圈永磁体10和第一定子外圈永磁体3均为由内向外辐射充磁，第三定子内圈永磁体12和第三定子外圈永磁体5均为由外向内辐射充磁，第二定子内圈永磁体11的充磁方向为由下向上，第二定子外圈永磁体4的充磁方向为由上向下，动子内圈永磁体17和动子外圈永磁体16均为由内向外辐射充磁，线圈7的等效充磁方向为由下向上。

本实施例中，由上而下指沿永磁体或线圈的轴向向上，自下而上指沿永磁体或线圈的轴向向上。

本实施例中，第一定子内圈永磁体10的上端面和第一定子外圈永磁体3的上端面位于同一平面，第一定子内圈永磁体10的下端面和第一定子外圈永磁体3的下端面位于同一平面；第二定子内圈永磁体11的上端面和第二定子外圈永磁体4的上端面位于同一平面，第二定子内圈永磁体11的下端面和第二定子外圈永磁体4的下端面位于同一平面；第三定子内圈永磁体12的上端面和第三定子外圈永磁体5的上端面位于同一平面，第三定子内圈永磁体12的下端面和第三定子外圈永磁体5的下端面位于同一平面；动子内圈永磁体17的上端面和动子外圈永磁体16的上端面位于同一平面，动子内圈永磁体17的下端面和动子外圈永磁体16的下端面位于同一平面；动子内圈永磁体17的上端面低于第二定子内圈永磁体11的上端面，动子内圈永磁体17的下端面高于第二定子内圈永磁体11的下端面；线圈7的上端面低于动子内圈永磁体17的上端面，线圈7的下端面高于动子内圈永磁体17的下端面。

本实施例中，第一定子内圈永磁体10、第二定子内圈永磁体11和第三定子内圈永磁体12的内径均相同，第一定子内圈永磁体10、第二定子内圈永磁体11和第三定子内圈永磁体12的外径均相同，第一定子外圈永磁体3、第二定子外圈永磁体4和第三定子外圈永磁体5的内径均相同，第一定子外圈永磁体3、第二定子外圈永磁体4和第三定子外圈永磁体5的外径均相同，第一定子内圈永磁体10、第三定子内圈永磁体12、第一定子外圈永磁体3和第三定子外圈永磁体5的高度均相同，动子内圈永磁体17和动子外圈永磁体16的高度相同。

本实施例中，第一定子内圈永磁体10、第二定子内圈永磁体11和第三定子内圈永磁体12的内径均为5.5mm，第一定子内圈永磁体10、第二定子内圈永磁体11和第三定子内圈永磁体12的外径均为10mm，第一定子外圈永磁体3、第二定子外圈永磁体4和第三定子外圈永磁体5的内径均为46mm，第一定子外圈永磁体3、第二定子外圈永磁体4和第三定子外圈永磁体5的外径均为48.5mm，第一定子内圈永磁体10、第三定子内圈永磁体12、第一定子外圈永磁体3和第三定子外圈永磁体5的高度均为8mm，第二定子内圈永磁体11和第二定子外圈永磁体4的高度均为30mm；动子内圈永磁体17的内径为19mm，动子内圈永磁体17的外径为23mm，动子外圈永磁体16的内径为33mm，动子外圈永磁体16的外径为37mm，动子内圈永磁体17和动子外圈永磁体16的高度均为18mm；线圈7的内径为26mm，线圈7的外径为31mm，线圈7的高度为14mm。

如图4所示，重力补偿器由内向外(对应于图4的由左向右)分为五层，第一、三、五层为定子部分，第二、四层为动子部分。按照图4所示的充磁方向，第一层的第一定子内圈永磁体10、第二定子内圈永磁体11和第三定子内圈永磁体12分别对第二层的动子内圈永磁体17施加一个向上的力，第一层的第一定子内圈永磁体10，第二定子内圈永磁体11和第三定子内圈永磁体12分别对第四层的动子外圈永磁体16施加一个向上的力，第五层的第一定子外圈永磁体3、第二定子外圈永磁体4和第三定子外圈永磁体5分别对第二层的动子内圈永磁体17施加一个向上的力，第五层的第一定子外圈永磁体3、第二定子外圈永磁体4和第三定子外圈永磁体5分别对第四层的动子外圈永磁体16施加一个向上的力，即第一、五层分别给第二、四层一个向上的力，第二、四层所受到的力的合力即为动子部分受到的总的悬浮力，该悬浮力的方向总是与动子部分的重力方向相反。当改变第三层的线圈7中所流过的电流大小时，整个重力补偿器的磁场分布和强度随之发生变化，从而造成悬浮力的大小发生改变，并最终导致动子部分的悬浮位置发生变化，因此可以通过调节线圈7中电流的大小来调节动子部分的悬浮位置。

图5为第二定子内圈永磁体11和动子内圈永磁体17的等效线圈电流模型示意图，第二定子内圈永磁体11的充磁方向为沿轴向向上，根据安培电流模型，可以等效为多层带电线圈，所带等效电流为I可以通过如下计算：

其中，Br为剩磁密度，h为永磁体沿充磁方向的厚度(例如，对于第二定子内圈永磁体11，h为其轴向高度；对于动子内圈永磁体17，h为其径向的厚度)，n为等效线圈层数，μ₀为真空的磁导率。

每层线圈之间的电磁力可以通过下式计算：

式(2)中，F_a表示两层线圈之间的磁力，I₁和I₂为线圈内所通的电流(对于永磁体来说，该电流为将永磁体等效成线圈之后、其所通的电流，按照公式(1)进行计算；对于线圈7来说，就是指重力补偿器工作时其所通的实际电流)，L是与永磁体的厚度相关的量，K和E是关于k²的第一类和第二类完整椭圆积分，r₁和r₂分别是两个带电线圈的半径。

第二定子内圈永磁体11和动子内圈永磁体17分别等效成n层线圈，两层线圈是指第二定子内圈永磁体11的某一层和动子内圈永磁体17的某一层，因此，通过公式(2)可以求得每两层带电等效线圈之间的磁力，将所有两两等效线圈之间的磁力叠加起来，便可以求得两个永磁体或永磁体和线圈7之间的力；再将所有两两永磁体或永磁体和线圈7之间的力叠加起来，便可以求得定子部分作用于动子部分上的磁悬浮力。该磁悬浮力的大小与永磁体的剩磁强度Br以及磁体之间的间隙大小有关，同等条件下，永磁体的剩磁强度Br越大，产生的悬浮力越大；永磁体之间的间隙越小，磁悬浮力越大，这是因为当间隙较小时，间隙内的通过的磁感应线将更密，因此产生的电磁力更大。同时，第一定子内圈永磁体10和第三定子内圈永磁体12、第一定子外圈永磁体3和第三定子外圈永磁体5以及第二定子外圈永磁体4和第二定子内圈永磁体11均在结构上对称排布，且充磁方向相反，能够在增强磁场的同时也增加磁场的均匀程度，从而能够保证较大的悬浮力和较低的悬浮刚度。

图6和图7所示为按照具体实施例中的参数计算得到的悬浮力和悬浮刚度，当线圈7的电流为0.8A时，可以看到悬浮力在±1mm之内基本保持不变，即悬浮力位于117.571N至117.575N之间。通过将悬浮力求导，可以得到悬浮刚度，从图7可以看到，该重力补偿器的悬浮刚度小于6N/m。由于悬浮刚度低，使得***固有频率低，隔振性能优。这是因为当质量一定时，固有频率与刚度成正比，即

因此当刚度很小时，固有频率亦小，固有频率越小的隔振器，隔振性能越优，因为此时隔振***将具有更宽的隔振带宽。

图8为线圈7中的电流为0.5A到1.2A时的悬浮力大小，从图8中可以看出，线圈7中通入不同的电流，悬浮力大小不同，根据这一性质可以实现负载质量变化时的悬浮力实时调节。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：第一定子内圈永磁体10和第一定子外圈永磁体3均为由外向内辐射充磁，第三定子内圈永磁体12和第三定子外圈永磁体5均为由内向外辐射充磁，第二定子内圈永磁体11的充磁方向为由上向下，第二定子外圈永磁体4的充磁方向为由下向上，动子内圈永磁体17和动子外圈永磁体16均为由外向内辐射充磁，线圈7的等效充磁方向为由上向下。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种低刚度及大悬浮力的重力补偿器，其特征在于：包括定子部分和动子部分，所述定子部分包括定子固定结构、定子内圈永磁体、线圈和定子外圈永磁体，所述定子内圈永磁体、所述线圈和所述定子外圈永磁体均固定在所述定子固定结构上，所述动子部分包括动子固定结构、动子内圈永磁体和动子外圈永磁体，所述动子内圈永磁体和所述动子外圈永磁体均固定在所述动子固定结构，所述定子内圈永磁体、所述动子内圈永磁体、所述线圈、所述动子外圈永磁体和所述定子外圈永磁体依次由内向外同轴设置且相互之间均设置有间隙，所述定子部分和所述动子部分相互作用产生悬浮力；

所述定子内圈永磁体和所述定子外圈永磁体均包括自上而下依次叠加设置的三层永磁体，所述定子内圈永磁体包括自上而下依次叠加设置的第一定子内圈永磁体、第二定子内圈永磁体和第三定子内圈永磁体；所述定子外圈永磁体包括自上而下依次叠加设置的第一定子外圈永磁体、第二定子外圈永磁体和第三定子外圈永磁体；所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体、所述第三定子内圈永磁体、所述第一定子外圈永磁体、所述第二定子外圈永磁体、所述第三定子外圈永磁体、所述线圈、所述动子内圈永磁体和所述动子外圈永磁体均为圆环柱结构；

所述第一定子内圈永磁体和所述第三定子内圈永磁体在结构上对称排布且充磁方向相反，所述第一定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体在结构上对称排布且充磁方向相反，所述第二定子外圈永磁体和所述第二定子内圈永磁体均在结构上对称排布且充磁方向相反；

所述动子内圈永磁体的上端面低于所述第二定子内圈永磁体的上端面，所述动子内圈永磁体的下端面高于所述第二定子内圈永磁体的下端面。

2.根据权利要求1所述的低刚度及大悬浮力的重力补偿器，其特征在于：所述第一定子内圈永磁体的上端面和所述第一定子外圈永磁体的上端面位于同一平面，所述第一定子内圈永磁体的下端面和所述第一定子外圈永磁体的下端面位于同一平面；所述第二定子内圈永磁体的上端面和所述第二定子外圈永磁体的上端面位于同一平面，所述第二定子内圈永磁体的下端面和所述第二定子外圈永磁体的下端面位于同一平面；所述第三定子内圈永磁体的上端面和所述第三定子外圈永磁体的上端面位于同一平面，所述第三定子内圈永磁体的下端面和所述第三定子外圈永磁体的下端面位于同一平面；所述动子内圈永磁体的上端面和所述动子外圈永磁体的上端面位于同一平面，所述动子内圈永磁体的下端面和所述动子外圈永磁体的下端面位于同一平面；所述线圈的上端面低于所述动子内圈永磁体的上端面，所述线圈的下端面高于所述动子内圈永磁体的下端面。

3.根据权利要求1所述的低刚度及大悬浮力的重力补偿器，其特征在于：所述第一定子内圈永磁体和所述第一定子外圈永磁体均为由内向外辐射充磁，所述第三定子内圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体均为由外向内辐射充磁，所述第二定子内圈永磁体的充磁方向为由下向上，所述第二定子外圈永磁体的充磁方向为由上向下，所述动子内圈永磁体和所述动子外圈永磁体均为由内向外辐射充磁，所述线圈的等效充磁方向为由下向上。

4.根据权利要求1所述的低刚度及大悬浮力的重力补偿器，其特征在于：所述第一定子内圈永磁体和所述第一定子外圈永磁体均为由外向内辐射充磁，所述第三定子内圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体均为由内向外辐射充磁，所述第二定子内圈永磁体的充磁方向为由上向下，所述第二定子外圈永磁体的充磁方向为由下向上，所述动子内圈永磁体和所述动子外圈永磁体均为由外向内辐射充磁，所述线圈的等效充磁方向为由上向下。

5.根据权利要求1所述的低刚度及大悬浮力的重力补偿器，其特征在于：所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体和所述第三定子内圈永磁体的内径均相同，所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体和所述第三定子内圈永磁体的外径均相同，所述第一定子外圈永磁体、所述第二定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的内径均相同，所述第一定子外圈永磁体、所述第二定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的外径均相同，所述第一定子内圈永磁体、所述第三定子内圈永磁体、所述第一定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的高度均相同，所述动子内圈永磁体和所述动子外圈永磁体的高度相同。

6.根据权利要求1所述的低刚度及大悬浮力的重力补偿器，其特征在于：所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体和所述第三定子内圈永磁体的内径均为5.5mm，所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体和所述第三定子内圈永磁体的外径均为10mm，所述第一定子外圈永磁体、所述第二定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的内径均为46mm，所述第一定子外圈永磁体、所述第二定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的外径均为48.5mm，所述第一定子内圈永磁体、所述第三定子内圈永磁体、所述第一定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的高度均为8mm，所述第二定子内圈永磁体和所述第二定子外圈永磁体的高度均为30mm；

所述动子内圈永磁体的内径为19mm，所述动子内圈永磁体的外径为23mm，所述动子外圈永磁体的内径为33mm，所述动子外圈永磁体的外径为37mm，所述动子内圈永磁体和所述动子外圈永磁体的高度均为18mm；

所述线圈的内径为26mm，所述线圈的外径为31mm，所述线圈的高度为14mm。

7.根据权利要求1所述的低刚度及大悬浮力的重力补偿器，其特征在于：所述定子固定结构包括定子挡板、挡环、底板以及固定在所述底板上的中心轴、定子外壳和线圈支架；所述挡环、所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体和所述第三定子内圈永磁体均套设在所述中心轴上，所述挡环设置在所述第一定子内圈永磁体上端，所述挡环、所述第一定子内圈永磁体、所述第二定子内圈永磁体和所述第三定子内圈永磁体的内壁均与所述中心轴的外壁贴合设置；所述线圈嵌设在所述线圈支架的外壁上；所述第一定子外圈永磁体、所述第二定子外圈永磁体和所述第三定子外圈永磁体的外壁均与所述定子外壳的内壁贴合设置，所述第一定子外圈永磁体和所述第二定子外圈永磁体的上端均通过所述定子挡板固定在所述定子挡板和所述定子外壳之间，所述第三定子外圈永磁体的下端和所述定子外壳的下端均固定在所述底板上。

8.根据权利要求1所述的低刚度及大悬浮力的重力补偿器，其特征在于：所述动子固定结构还包括顶板、动子内圈支架、动子外圈支架、动子内圈挡板和动子外圈挡板，所述动子内圈支架和所述动子外圈支架的上端均与所述顶板固定连接，所述动子内圈永磁体嵌设在所述动子内圈支架的外壁上，所述动子内圈永磁体的下端和所述动子内圈支架的下端均固定在所述动子内圈挡板上，所述动子外圈永磁体嵌设在所述动子外圈支架的内壁上，所述动子外圈永磁体的下端和所述动子外圈支架的下端均固定在所述动子外圈挡板上。

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