專利名稱：氣磁混合懸浮型六自由度平面電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于半導(dǎo)體加工產(chǎn)業(yè)、高精度繪圖儀等領(lǐng)域的平面電機， 特別涉及一種單動子結(jié)構(gòu)的氣磁混合懸浮型六自由度平面電機。
二背景技術(shù)：
隨著先進制造業(yè)的快速發(fā)展，高精度定位平臺技術(shù)得到了深入的研究和發(fā) 展，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、微立體光刻、納米工作臺、高精度繪圖儀等領(lǐng)域具有廣闊 的應(yīng)用前景，其中最重要的應(yīng)用是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的高精度光刻定位平臺。光刻 定位平臺需在一個近似平面的空間范圍內(nèi)進行精密運動控制(故被稱為平面電 機)，包括在水平X軸、Y軸方向?qū)崿F(xiàn)大行程運動(用于實現(xiàn)晶圓的快速步 進和精密掃描)，在垂直Z軸方向?qū)崿F(xiàn)微小運動及繞X軸、Y軸、Z軸實現(xiàn)微 小轉(zhuǎn)動(用于實現(xiàn)調(diào)平調(diào)焦)。
高精度平面電機的第一個關(guān)鍵技術(shù)是平面電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，平面電機的結(jié) 構(gòu)可劃分為多動子結(jié)構(gòu)和單動子結(jié)構(gòu)兩大類，其中，多動子結(jié)構(gòu)平面電機常采 用粗動臺和精動臺層疊的雙層結(jié)構(gòu)，粗動臺由直線電機驅(qū)動，精動臺由音圈電 機、壓電陶瓷驅(qū)動器、電磁鐵驅(qū)動，以校正粗動臺的定位誤差和扭擺誤差；單 動子結(jié)構(gòu)平面電機的動子平臺采用單層結(jié)構(gòu)，一般由直線電機結(jié)合電磁鐵驅(qū)動。 早期的平面電機研究集中在多動子結(jié)構(gòu)上，日本日立公司、荷蘭ASML公司、 美國ISI公司已經(jīng)推出了用于光刻的多動子結(jié)構(gòu)平面電機產(chǎn)品并申請了相關(guān)專 利。多動子結(jié)構(gòu)平面電機的機械結(jié)構(gòu)和動力學特性較復(fù)雜，電磁執(zhí)行器數(shù)量較 多，控制難度大，雙層結(jié)構(gòu)的動子平臺總體質(zhì)量較大，且電機精動臺需在粗動 臺粗定位之后再進行精定位，造成系統(tǒng)定位緩慢，加工效率低；單動子結(jié)構(gòu)平 面電機克服了多動子結(jié)構(gòu)平面電機的以上缺點，成為目前的研究熱點。
高精度平面電機的第二個關(guān)鍵技術(shù)是平面電機動子平臺的軸承支撐方式， 為實現(xiàn)高精度平面電機的快速準確定位，必須實現(xiàn)動子平臺的無摩擦懸浮支撐。 目前可供選擇的懸浮技術(shù)主要有四種，電動懸浮、超導(dǎo)懸浮、氣體懸浮、磁懸 浮，其中，利用渦流現(xiàn)象實現(xiàn)的電動懸浮會因散熱過大而影響平面電機的定位 精度；超導(dǎo)懸浮在目前的技術(shù)條件下實現(xiàn)起來昂貴而且復(fù)雜；氣體懸浮實現(xiàn)方式簡單，剛度也較理想，但氣體懸浮的工作原理決定其只能用于設(shè)置標稱懸浮 位置，目前還沒有動態(tài)調(diào)節(jié)氣浮氣隙大小的技術(shù)；磁懸浮軸承的定位精度主要 由氣隙傳感器的精度決定，對軸承表面的精度要求較低，且能夠?qū)崿F(xiàn)懸浮氣隙 的快速調(diào)節(jié)，但一般需要添加若干組電磁鐵用作磁懸浮電磁執(zhí)行器。
高精度平面電機的第三個關(guān)鍵技術(shù)是電磁執(zhí)行器設(shè)計，其中，大行程電磁 執(zhí)行器一般為永磁同步直線電機，在直線電機執(zhí)行器設(shè)計時應(yīng)盡量減小齒槽力 和脈動力；小行程和旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器多由電磁鐵實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于四組高力能密度、低脈動力、零齒槽力的直線電機執(zhí) 行器的高速高精度氣磁混合懸浮型六自由度平面電機。 為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案有
一種氣磁混合懸浮型六自由度平面電機，采用單動子結(jié)構(gòu)，包括沿水平XY 平面安放的定子基體以及浮于定子基體上且與定子基體平行的動子基體，其特
征在于，定子基體上表面四角分別嵌有第一 Halbach永磁陣列、第二 Halbach 永磁陣列、第三Halbach永磁陣列、第四Halbach永磁陣列，其中，第一 Halbach 永磁陣列和第三Halbach永磁陣列的波長方向與X軸同向，第二 Halbach永磁 陣列和第四Halbach永磁陣列的波長方向與Y軸同向；動子基體的下表面四角 分別設(shè)有第一推力繞組、第二推力繞組、第三推力繞組、第四推力繞組，其中， 第一推力繞組和第三推力繞組的波長方向與X軸同向，第二推力繞組和第四推 力繞組的波長方向與Y軸同向，動子基體的下表面四邊分別設(shè)有第一氣體靜壓 軸承氣墊、第二氣體靜壓軸承氣墊、第三氣體靜壓軸承氣墊、第四氣體靜壓軸 承氣墊。本發(fā)明的定子基體采用非導(dǎo)磁不銹鋼制成，上下表面的平面度公差為 00級，定子基體的上表面為4組氣體靜壓軸承氣墊的工作面；動子基體采用高 強度低密度的聚甲醛樹酯制成。
本發(fā)明的電磁執(zhí)行器為4組永磁同步直線電機，分別是第一 Halbach永磁 陣列和第一推力繞組構(gòu)成的第一永磁同步直線電機、第二 Halbach永磁陣列和 第二推力繞組構(gòu)成的第二永磁同步直線電機、第三Halbach永磁陣列和第三推 力繞組構(gòu)成的第三永磁同步直線電機、第四Halbach永磁陣列和第四推力繞組 構(gòu)成的第四永磁同步直線電機。每個永磁同步直線電機的Halbach永磁陣列由4 對磁極構(gòu)成，每對磁極采用4塊永磁體構(gòu)成的四段式Halbach結(jié)構(gòu)，其中第一 塊永磁體的磁化方向向下，第二塊永磁體的磁化方向向右，第三塊永磁體的磁
4化方向向上，第四塊永磁體的磁化方向向左；每個永磁同步直線電機的推力繞 組采用無槽無鐵芯的環(huán)型線圈表面纏繞結(jié)構(gòu)，由2對極構(gòu)成，每對極由6匝環(huán) 型線圈構(gòu)成三相繞組，其中第一匝環(huán)型線圈的下層邊構(gòu)成第一相繞組的第一有 效邊、第四匝環(huán)型線圈的下層邊構(gòu)成第一相繞組的第二有效邊，第二匝環(huán)型線 圈的下層邊構(gòu)成第二相繞組的第一有效邊，第五匝環(huán)型線圈的下層邊構(gòu)成第二 相繞組的第二有效邊，第三匝環(huán)型線圈的下層邊構(gòu)成第三相繞組的第一有效邊， 第六匝環(huán)型線圈的下層邊構(gòu)成第三相繞組的第二有效邊。
本發(fā)明采用氣磁混合懸浮型軸承實現(xiàn)平面電機動子平臺的無摩擦支撐，利 用4組氣體靜壓軸承設(shè)置動子平臺的標稱懸浮位置(氣體懸浮軸承部分)，利用 4組永磁同步直線電機提供的垂直電磁力實現(xiàn)動子平臺在標稱懸浮位置附近的 微小運動(磁懸浮軸承部分)。
本發(fā)明將4組永磁同步直線電機產(chǎn)生的4組垂直電磁力和4組水平電磁力 直接施加到動子平臺上，進而控制動子平臺的六個自由度的運動。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
本發(fā)明采用單動子結(jié)構(gòu)，與層疊式的多動子結(jié)構(gòu)相比較具有如下優(yōu)點本 發(fā)明的動子平臺的機械結(jié)構(gòu)較簡單，加工難度較低；本發(fā)明的動子基體采用高 強度低密度的聚甲醛樹酯材料制成，質(zhì)量得以減小，進而可提高動子平臺的定 位速度；本發(fā)明的電磁執(zhí)行器數(shù)量較少(本發(fā)明僅采用4組永磁同步直線電機 作為電磁執(zhí)行器)，系統(tǒng)的控制難度較低；多動子結(jié)構(gòu)平面電機的定位過程分為 粗定位和精定位兩步，本發(fā)明則驅(qū)動單層結(jié)構(gòu)的動子平臺直接定位到目標位置， 可提高平面電機的定位速度。
本發(fā)明的電磁執(zhí)行器為4組永磁同步直線電機，且永磁陣列采用Halbach 永磁陣列，推力繞組采用無槽無鐵芯的環(huán)型線圈表面纏繞結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的執(zhí) 行器具有如下優(yōu)點推力繞組采用無槽結(jié)構(gòu)，不存在齒槽力，與存在背鐵和繞
組齒槽結(jié)構(gòu)的直線電機相比較，出力較穩(wěn)定，更適合高精度定位應(yīng)用領(lǐng)域；推 力繞組釆用環(huán)型線圈表面纏繞結(jié)構(gòu)，槽面積比率達100%，提高了執(zhí)行器的出力 能力，另外經(jīng)過計算可知，繞組電流所產(chǎn)生的磁場只包含5、 7、 11、 13等次諧 波，不包含3次諧波，可降低電磁脈動力，使執(zhí)行器出力較穩(wěn)定；經(jīng)過計算可 知，Halbach永磁陣列一側(cè)磁場增強(稱為強側(cè)，推力繞組分布在強側(cè)氣隙)， 一側(cè)磁場減弱(稱為弱側(cè))，Halbach陣列的強側(cè)磁場只含有基波、5次、9次等 分量，而傳統(tǒng)徑向陣列的磁場兩側(cè)對稱，包含所有的奇數(shù)次諧波分量，Halbach 陣列的強側(cè)磁場較徑向陣列具有更好的正弦性，可降低電磁脈動力，使執(zhí)行器
5出力較穩(wěn)定；通過計算可知，氣隙為lmm時，相同體積的Halbach陣列的強側(cè) 磁場幅值為徑向陣列的1.6倍左右，在無背鐵引導(dǎo)磁路的情況下，Halbach陣列 也能在強側(cè)形成較強的磁場，同樣體積的Halbach型直線電機的出力能力可達 徑向陣列型直線電機的1.4倍左右，力能密度得以提升；本發(fā)明的直線電機執(zhí) 行器為二自由度執(zhí)行器，即可提供單邊力用于驅(qū)動，又可提供垂直力用于磁懸 浮控制。
本發(fā)明采用氣磁混合懸浮型軸承，和單一的氣浮軸承和磁浮軸承比較，具 有如下明顯優(yōu)點利用4組氣體靜壓軸承設(shè)置動子平臺的標稱懸浮位置，發(fā)揮 了氣浮軸承實現(xiàn)方式簡單，剛度理想的優(yōu)點，利用4組永磁同步直線電機提供 的垂直電磁力實現(xiàn)動子平臺在標稱懸浮位置附近的微小運動，又克服了氣浮軸 承無法動態(tài)調(diào)節(jié)氣浮氣隙大小的缺點；直接利用4組永磁同步直線電機提供的 垂直電磁力做磁懸浮控制，無需再添加電磁鐵用作磁懸浮執(zhí)行器，大大減少了 系統(tǒng)電磁執(zhí)行器的數(shù)量，降低了系統(tǒng)的控制難度。
四

圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的Halbach永磁陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的推力繞組的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是六自由度運動控制的電磁力配置示意圖。
附圖中的主要標號有
1 定子基體
11 14 第一 第四Halbach永磁陣列
2 動子基體
21 24 第一 第四推力繞組
25 28 第一 第四氣體靜壓軸承氣墊
H1 H4 四段式Halbach結(jié)構(gòu)的第一塊 第四塊永磁體
Ll 環(huán)型線圈的下層邊
L2、 L4 環(huán)型線圈的垂直邊
L3 環(huán)型線圈的上層邊
W1 W6 推力繞組一對極的第一匝 第六匝環(huán)型線圈
6A、 A' 推力繞組的第一相繞組的第一、第二有效邊
B、 B' 推力繞組的第二相繞組的第一、第二有效邊
C、 C' 推力繞組的第三相繞組的第一、第二有效邊
/1X、/3X 第一、第三永磁同步直線電機產(chǎn)生的X軸方向的單邊力
/2Y、/4Y 第二、第四永磁同步直線電機產(chǎn)生的Y軸方向的單邊力
力z /4z 第一 第四永磁同步直線電機產(chǎn)生的Z軸方向的垂直力 tx、 ty、 tz 平面電機動子平臺受到的沿X軸、Y軸、Z軸的轉(zhuǎn)矩
五具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作詳細說明。 參見圖l、圖2，本發(fā)明采用動子平臺為單層結(jié)構(gòu)的單動子結(jié)構(gòu)，包括沿水 平XY平面安放的定子基體1以及浮于定子基體1上且與定子基體1平行的動 子基體2。定子基體1上表面四角分別嵌有第一 Halbach永磁陣列11、第二 Halbach永磁陣列12、第三Halbach永磁陣列13、第四Halbach永磁陣列14， 其中，第一 Halbach永磁陣列11和第三Halbach永磁陣列13的波長方向與X 軸同向，第二 Halbach永磁陣列12和第四Halbach永磁陣列14的波長方向與Y 軸同向；動子基體2的下表面四角分別設(shè)有第一推力繞組21、第二推力繞組22、 第三推力繞組23、第四推力繞組24，其中，第一推力繞組21和第三推力繞組 23的波長方向與X軸同向，第二推力繞組22和第四推力繞組24的波長方向與 Y軸同向；第一 Halbach永磁陣列11和第一推力繞組21構(gòu)成第一永磁同步直 線電機、第二 Halbach永磁陣列12和第二推力繞組22構(gòu)成第二永磁同步直線 電機、第三Halbach永磁陣列13和第三推力繞組23構(gòu)成第三永磁同步直線電 機、第四Halbach永磁陣列14和第四推力繞組24構(gòu)成第四永磁同步直線電機。 動子基體2的下表面四邊分別設(shè)有第一氣體靜壓軸承氣墊25、第二氣體靜壓軸 承氣墊26、第三氣體靜壓軸承氣墊27、第四氣體靜壓軸承氣墊28。定子基體l 采用非導(dǎo)磁不銹鋼制成，上下表面的平面度公差為00級，定子基體1的上表面 為4組氣體靜壓軸承氣墊的工作面；動子基體2采用高強度低密度的聚甲醛樹 酯制成，用以減輕動子平臺的總體質(zhì)量。
參見圖3，本發(fā)明的Halbach永磁陣列由4對磁極構(gòu)成，每對磁極采用4塊 永磁體構(gòu)成的四段式Halbach結(jié)構(gòu)，其中第一塊永磁體H1的磁化方向向下，第 二塊永磁體H2的磁化方向向右，第三塊永磁體H3的磁化方向向上，第四塊永 磁體H4的磁化方向向左。參見圖4a，本發(fā)明的推力繞組采用無槽無鐵芯的環(huán)型線圈表面纏繞結(jié)構(gòu)， 經(jīng)分析可知，環(huán)型線圈的垂直邊L2和L4所受的電磁力互相抵消；Halbach永 磁陣列的磁場在空氣中呈指數(shù)衰減，在上層邊L3位置處已經(jīng)基本衰減為0，所 以認為上層邊L3所受電磁力為0;環(huán)型線圈的下層邊L1產(chǎn)生有效電磁力。參 見圖4b，本發(fā)明的推力繞組由2對極構(gòu)成，每對極由6匝環(huán)型線圈構(gòu)成三相繞 組，其中第一匝環(huán)型線圈W1的下層邊構(gòu)成第一相繞組的第一有效邊A、第四 匝環(huán)型線圈W4的下層邊構(gòu)成第一相繞組的第二有效邊A'，第二匝環(huán)型線圈 W2的下層邊構(gòu)成第二相繞組的第一有效邊B，第五匝環(huán)型線圈W5的下層邊構(gòu) 成第二相繞組的第二有效邊B'，第三匝環(huán)型線圈W3的下層邊構(gòu)成第三相繞組 的第一有效邊C，第六匝環(huán)型線圈W6的下層邊構(gòu)成第三相繞組的第二有效邊 C'。
直軸交軸(DQ)分解法是一種常用的旋轉(zhuǎn)電機控制方法，其中交軸電流用 來控制電磁轉(zhuǎn)矩，直軸電流用來控制磁場，不產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩。在本發(fā)明 中， 一個直線電機執(zhí)行器可產(chǎn)生兩個方向的可控電磁力，且交軸電流控制單邊 力，直軸電流控制垂直力，其中第一永磁同步直線電機產(chǎn)生X軸方向的單邊 力yix和Z軸方向的垂直力力z，第二永磁同步直線電機產(chǎn)生Y軸方向的單邊力
/2Y和Z軸方向的垂直力/2Z，第三永磁同步直線電機產(chǎn)生X軸方向的單邊力/3X 和Z軸方向的垂直力/3Z，第四永磁同步直線電機產(chǎn)生Y軸方向的單邊力/4Y和
Z軸方向的垂直力/4z?；贒Q分解的直線電機電磁力解耦控制方法及推力繞 組的三相電流和直軸交軸電流的轉(zhuǎn)換方法可采用《電工技術(shù)學報》2009年第2 期中文章《基于模式力的平面電機控制方法》所公開的方法。
圖5給出了實現(xiàn)動子平臺六個自由度運動控制的一種電磁力配置方式，其 中參見圖5a，控制X軸方向的單邊力力x和力x可控制平面電機沿X軸方向 的運動；參見圖5b，控制Y軸方向的單邊力/2Y和/4Y可控制平面電機沿Y軸 方向的運動；參見圖5c，控制X軸方向的單邊力力x、力x和Y軸方向的單邊力
/2Y、 /4Y可控制平面電機繞Z軸的轉(zhuǎn)矩Tz，進而控制繞Z軸的微小轉(zhuǎn)動ez;參
見圖5d，控制Z軸方向的垂直力/1Z、 /2Z、 /3Z、 /4z可控制平面電機在標稱懸浮 位置附近沿Z軸方向的微小運動，以及繞X軸、Y軸的轉(zhuǎn)矩Tx、 TY，進而控制
繞x軸、Y軸的微小轉(zhuǎn)動ex、 eY。
8
權(quán)利要求
1. 一種氣磁混合懸浮型六自由度平面電機，包括沿水平XY平面安放的定子基體(1)以及浮于定子基體(1)上且與定子基體(1)平行的動子基體(2)，其特征在于，定子基體(1)上表面四角分別嵌有第一Halbach永磁陣列(11)、第二Halbach永磁陣列(12)、第三Halbach永磁陣列(13)、第四Halbach永磁陣列(14)，其中，第一Halbach永磁陣列(11)和第三Halbach永磁陣列(13)的波長方向與X軸同向，第二Halbach永磁陣列(12)和第四Halbach永磁陣列(14)的波長方向與Y軸同向，動子基體(2)的下表面四角分別設(shè)有第一推力繞組(21)、第二推力繞組(22)、第三推力繞組(23)、第四推力繞組(24)，其中，第一推力繞組(21)和第三推力繞組(23)的波長方向與X軸同向，第二推力繞組(22)和第四推力繞組(24)的波長方向與Y軸同向，動子基體(2)的下表面四邊分別設(shè)有第一氣體靜壓軸承氣墊(25)、第二氣體靜壓軸承氣墊(26)、第三氣體靜壓軸承氣墊(27)、第四氣體靜壓軸承氣墊(28)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣磁混合懸浮型六自由度平面電機，其特征在于所述的Halbach永磁陣列(11)、 (12)、 (13)、 (14)由4對磁極構(gòu)成，每對磁極采用4塊永磁體構(gòu)成的四段式Halbach結(jié)構(gòu)，其中第一塊永磁體(HI)的磁化方向向下，第二塊永磁體(H2)的磁化方向向右，第三塊永磁體(H3)的磁化方向向上，第四塊永磁體(H4)的磁化方向向左。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣磁混合懸浮型六自由度平面電機，其特征在于所述的推力繞組(21)、 (22)、 (23)、 (24)采用無槽無鐵芯的環(huán)型線圈表面纏繞結(jié)構(gòu)，由2對極構(gòu)成，每對極由6匝環(huán)型線圈構(gòu)成三相繞組，其中第一匝環(huán)型線圈(W1)的下層邊構(gòu)成第一相繞組的第一有效邊(A)、第四匝環(huán)型線圈(W4)的下層邊構(gòu)成第一相繞組的第二有效邊(A')，第二匝環(huán)型線圈(W2)的下層邊構(gòu)成第二相繞組的第一有效邊(B)，第五匝環(huán)型線圈(W5)的下層邊構(gòu)成第二相繞組的第二有效邊(B')，第三匝環(huán)型線圈(W3)的下層邊構(gòu)成第三相繞組的第一有效邊(C)，第六匝環(huán)型線圈(W6)的下層邊構(gòu)成第三相繞組的第二有效邊(C')。
全文摘要
一種氣磁混合懸浮型六自由度平面電機，包括沿水平XY平面安放的定子基體及浮于定子基體上且與定子基體平行的動子基體，定子基體上表面四角分別有第一永磁陣列、第二永磁陣列、第三永磁陣列、第四永磁陣列，第一永磁陣列和第三永磁陣列的波長方向與X軸同向，第二永磁陣列和第四永磁陣列的波長方向與Y軸同向；動子基體的下表面四角分別設(shè)有第一推力繞組、第二推力繞組、第三推力繞組、第四推力繞組，其中，第一推力繞組和第三推力繞組的波長方向與X軸同向，第二推力繞組和第四推力繞組的波長方向與Y軸同向，動子基體的下表面四邊分別設(shè)有第一氣體靜壓軸承氣墊、第二氣體靜壓軸承氣墊、第三氣體靜壓軸承氣墊、第四氣體靜壓軸承氣墊。
文檔編號H02N15/00GK101510745SQ20091002998
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者萌 傅, 贛 周, 周勤博, 姚穎蓓, 前 張, 莉 黃, 黃學良 申請人:東南大學