基于非等尺寸Halbach阵列的大承载高精度磁悬浮隔振系统及其动态特性研究

The micro-vibration with the characteristics of wide band, small value and strong random in the ground environment is the key environmental factor that influences the precision improvement of ultra-precision machining, precision measurement, high precision imaging, etc. High-precision active maglev vibration isolation technology has already become an important scientific research topic. The maglev vibration isolation system is difficult to apply in the ground environment owing to its low load-bearing capacity, serious coupling of force-electric-magnetic-thermal and low accuracy of dynamic model. To resolve these issues, a high load-bearing capacity, high precision maglev vibration isolation system based on non-uniform Halbach array will be thoroughly studied in this project. The design method of the Halbach actuator with optimum force-electric-magnetic parameters will be proposed. The stress-strain level, magnetic field variation rule and the influence on control precision of the maglev vibration isolation system under the coupling action of temperature field and force-electric-magnetic field will be analyzed. A high precision and fidelity dynamics model of the system will be established by integrating an accurate analytical model of the magnetic field. Then the dynamic mechanism of force-electric-magnetic-thermal coupling in the active maglev vibration isolation system will be revealed. The results of this project will not only provide theoretical basis for the application of maglev vibration isolation technology in the ground environment, but also enrich and improve the theory of maglev vibration isolation.

地面环境中宽频带、小幅值、强随机的微振动是影响超精密加工、精密测量、高精度成像等领域精度提升的关键环境因素。高精度的主动隔振技术已经成为重要的科学研究课题。针对当前磁悬浮隔振系统承载力小、力-电-磁-热耦合严重、动力学模型精度低，难以在地面环境中应用的问题，本项目深入开展基于非等尺寸Halbach永磁阵列的大承载高精度磁悬浮隔振系统研究，提出力-电-磁参数最优的Halbach作动器设计方法。分析温度场与力-电-磁场耦合作用下磁悬浮隔振系统的应力应变水平、磁场变化规律以及对控制精度的影响，融合精确的磁场解析模型，建立高精度、高保真的系统动力学模型，揭示主动磁悬浮隔振系统力-电-磁-热耦合动力学机理。本项目取得的成果将为磁悬浮隔振技术在地面环境中的应用提供理论基础，并丰富和完善磁悬浮隔振理论。

磁悬浮隔振技术以其控制精度高、有效行程大、响应速度快等优点，对空间微重力环境下的低频和超低频微振动具有良好的隔振效果。但受重力场的影响，应用于超精密加工、精密测量等环境的磁悬浮隔振系统置不仅需要抵消重力场的影响，同时还要保证高的控制分辨率和驱动稳定性。另外，环境中宽频带、小幅值、强随机的微振动对磁悬浮隔振系统动力学模型的精度和保真度提出了严苛的要求，而剖析隔振系统的耦合动力学特性成为解决问题的关键。本项目通过分析地面环境下大承载、高分辨率、高驱动稳定性的微振动隔振方法需具备的条件，开展了基于新型非等尺寸Halbach永磁阵列的大承载高精度磁悬浮隔振技术研究。提出了力-电-磁参数最优的Halbach作动器设计方法；分析了温度场与力-电-磁场耦合作用下磁悬浮隔振系统的应力应变水平、磁场变化规律以及对控制精度的影响，研究了温度场与力-电-磁场的耦合作用，通过数值模拟的方法建立作动器的电-磁-热-流多物理场耦合模型，在空气自然对流散热条件下，对作动器的稳态温度场进行预测。建立了考虑漏磁、磁轭边界等因素的高精度磁场解析模型，并通过仿真与实验验证了模型的准确性；分析了磁悬浮隔振系统的不确定参数，融合了精确的磁场解析模型，建立了包含刚度、阻尼和有效载荷重心位置等不确定参数的高精度系统动力学模型，为实现高精度控制提供理论基础。研制了Halbach作动器样机和六自由度磁悬浮隔振系统样机，搭建了高精度的测量、控制系统，开展了隔振系统动力学特性测试并与仿真结果进行对比，验证了动力学模型的保真度，测试了不同扰动下隔振系统的控制性能。本项目取得的成果将为磁悬浮隔振技术在地面环境中的应用提供理论基础，并丰富和完善磁悬浮隔振理论。