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在超精密加工、微機電系統(tǒng)、生物土程等領域，迫切需要高精度的微運動系統(tǒng)，其核心部件微驅動器是當前研究的熱點。概括國內外微驅動器技術，可分為電磁式和非電磁式微驅動技術，后者主要有壓電驅動、磁致伸縮驅動、形狀記憶合金驅動和靜電驅動技術等。綜合比較，電磁式微驅動器在運動范圍、自由度和運動精度各方面的性能要優(yōu)于其他幾種技術，然而，一般電磁式微驅動器產生的面形磁場只能調節(jié)整體大小，而無法實現(xiàn)磁場的局部微調。
本文有限元分析了一種新型電磁懸浮式微驅動器，其運動體(永磁陣列)與驅動機構(導線陣列)均產生了五個區(qū)域峰值磁場，在氣隙內相互作用產生懸浮驅動力。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。微驅動器氣隙內永磁陣列和導線陣列產生的五個區(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整，便于控制策略的實施，同時解決了懸浮驅動力與橫向力相互耦合的問題。
電磁懸浮式微驅動器主要由永磁陣列和導線陣列組成。永磁陣列用于嵌入微運動體，作為動子，導線陣列則固定于底座上，作為定子。導線陣列通電后，會產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，亦產生五個局部峰值磁場。永磁陣列和導線陣列兩者的五個局部峰值磁場在氣隙內相互作用產生排斥力，使得運動體(永磁陣列)產生微運動。由于導線陣列的每根導線通電電流的大小可以分別調節(jié)，因此，實現(xiàn)了五個局部磁場的微調。
首先假設：①永磁體磁化強度和導線內的電流分布均勻，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。基于以上假設，建立微驅動器模型，采用三維參數(shù)化有限元軟件，對微驅動器氣隙內磁場分布、懸浮力關于導線內通電電流和氣隙高度的影響進行了深入研究。建立微驅動器定解模型，把影響模型特征參數(shù)懸浮力的兩大重要因素(導線內通電電流和氣隙高度)設置為求解掃描變量，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，并且磁場在平面內的矢量分布表現(xiàn)為南北極交替，導線陣列在氣隙內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。這種磁場分布結構在驅動器周期擴展以后非常有利于形成多點對應相斥的懸浮機制。增大(或減小)導線陣列中通電大小，可以使得導線陣列產生的空間磁場整體增強(或減弱)，從而增大(或減小)微驅動器的懸浮驅動力。當導線陣列改變局部電流大小時，可以使得微驅動器實現(xiàn)姿態(tài)的微調。
為研究導線陣列內電流強度對于懸浮力的影響作用，設定氣隙高度為定值，對懸浮力作關于電流強度的參數(shù)化分析。設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，設定導線陣列內電流強度為定值，對懸浮力作關于氣隙高度的參數(shù)化分析。設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于氣隙高度指數(shù)級衰減規(guī)律基本吻合。
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