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在超精密加工、微機電系統(tǒng)、生物土程等領(lǐng)域，迫切需要高精度的微運動系統(tǒng)，其核心部件微驅(qū)動器是當前研究的熱點。概括國內(nèi)外微驅(qū)動器技術(shù)，可分為電磁式和非電磁式微驅(qū)動技術(shù)，后者主要有壓電驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動和靜電驅(qū)動技術(shù)等。綜合比較，電磁式微驅(qū)動器在運動范圍、自由度和運動精度各方面的性能要優(yōu)于其他幾種技術(shù)，然而，一般電磁式微驅(qū)動器產(chǎn)生的面形磁場只能調(diào)節(jié)整體大小，而無法實現(xiàn)磁場的局部微調(diào)。
本文有限元分析了一種新型電磁懸浮式微驅(qū)動器，其運動體(永磁陣列)與驅(qū)動機構(gòu)(導(dǎo)線陣列)均產(chǎn)生了五個區(qū)域峰值磁場，在氣隙內(nèi)相互作用產(chǎn)生懸浮驅(qū)動力。另外兩者相互分離，避免了兩者之間的接觸，消除了摩擦和磨損對運動精度的影響。微驅(qū)動器氣隙內(nèi)永磁陣列和導(dǎo)線陣列產(chǎn)生的五個區(qū)域峰值磁場可以分別進行磁場強度大小和運動方向的調(diào)整，便于控制策略的實施，同時解決了懸浮驅(qū)動力與橫向力相互耦合的問題。
電磁懸浮式微驅(qū)動器主要由永磁陣列和導(dǎo)線陣列組成。永磁陣列用于嵌入微運動體，作為動子，導(dǎo)線陣列則固定于底座上，作為定子。導(dǎo)線陣列通電后，會產(chǎn)生五個局部峰值磁場。永磁陣列采用了正方體永磁體，按照正交合成式HALBACH陣列排列粘貼而成，亦產(chǎn)生五個局部峰值磁場。永磁陣列和導(dǎo)線陣列兩者的五個局部峰值磁場在氣隙內(nèi)相互作用產(chǎn)生排斥力，使得運動體(永磁陣列)產(chǎn)生微運動。由于導(dǎo)線陣列的每根導(dǎo)線通電電流的大小可以分別調(diào)節(jié)，因此，實現(xiàn)了五個局部磁場的微調(diào)。
首先假設(shè)：①永磁體磁化強度和導(dǎo)線內(nèi)的電流分布均勻，電流載荷由輸入電流密度表示；②忽略縱向和橫向邊端效應(yīng)。基于以上假設(shè)，建立微驅(qū)動器模型，采用三維參數(shù)化有限元軟件，對微驅(qū)動器氣隙內(nèi)磁場分布、懸浮力關(guān)于導(dǎo)線內(nèi)通電電流和氣隙高度的影響進行了深入研究。建立微驅(qū)動器定解模型，把影響模型特征參數(shù)懸浮力的兩大重要因素(導(dǎo)線內(nèi)通電電流和氣隙高度)設(shè)置為求解掃描變量，并施加變量掃描范圍和幾何約束。
永磁陣列在氣隙內(nèi)的磁場分布等勢圖清楚地顯示出在平面上分布有五個區(qū)域峰值，并且磁場在平面內(nèi)的矢量分布表現(xiàn)為南北極交替，導(dǎo)線陣列在氣隙內(nèi)部的磁場強度也類似表現(xiàn)為五個區(qū)域峰值，區(qū)域之間磁力線走向交替變化。這種磁場分布結(jié)構(gòu)在驅(qū)動器周期擴展以后非常有利于形成多點對應(yīng)相斥的懸浮機制。增大(或減小)導(dǎo)線陣列中通電大小，可以使得導(dǎo)線陣列產(chǎn)生的空間磁場整體增強(或減弱)，從而增大(或減小)微驅(qū)動器的懸浮驅(qū)動力。當導(dǎo)線陣列改變局部電流大小時，可以使得微驅(qū)動器實現(xiàn)姿態(tài)的微調(diào)。
為研究導(dǎo)線陣列內(nèi)電流強度對于懸浮力的影響作用，設(shè)定氣隙高度為定值，對懸浮力作關(guān)于電流強度的參數(shù)化分析。設(shè)定電流強度的求解區(qū)間，求解步長為0.05，分別對氣隙高度為1.0 mm，2.0 mm，3.0 mm的情況作參數(shù)化分析，理論分析的解析解如實線所示。有限元分析結(jié)果表明懸浮力隨電流增大而線性增大，這與式所示的懸浮力關(guān)于電流強度成正比的規(guī)律一致。
為研究氣隙高度對于懸浮力的影響作用，設(shè)定導(dǎo)線陣列內(nèi)電流強度為定值，對懸浮力作關(guān)于氣隙高度的參數(shù)化分析。設(shè)定氣隙高度的求解區(qū)間[0.1mm，3.0mm]，求解步長為0.1 mm，分別對電流強度為0.5A，1.0A，1.5A的情況作參數(shù)化分析，懸浮力隨氣隙高度增加而非線性減小，這與式所示的懸浮力關(guān)于氣隙高度指數(shù)級衰減規(guī)律基本吻合。
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