[實用新型]水平行程易擴展的氣磁混合懸浮平面電機

無效

• 申請號: 200920041086.7
• 申請日: 2009-04-10
• 公開（公告）號: CN201378784Y
• 公開（公告）日: 2010-01-06
• 發明（設計）人: 周贛;黃學良;張前;黃莉;周勤博;傅萌
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02K21/00
• 分類號: H02K21/00;H02N15/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 陸志斌

一、技術領域：

本實用新型涉及一種可用于半導體加工產業、高精度繪圖儀等領域的平面電機，特別涉及一種水平行程易擴展的單動子結構的氣磁混合懸浮平面電機。

二、背景技術：

隨著先進制造業的快速發展，高精度定位平臺技術得到了深入的研究和發展，在半導體產業、微立體光刻、納米工作臺、高精度繪圖儀等領域具有廣闊的應用前景，其中最重要的應用是半導體產業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軸方向實現大行程運動(用于實現晶圓的快速步進和精密掃描)，在垂直Z軸方向實現微小運動及繞X軸、Y軸、Z軸實現微小轉動(用于實現調平調焦)。

高精度平面電機的第一個關鍵技術是平面電機的結構設計，平面電機的結構可劃分為多動子結構和單動子結構兩大類，其中：多動子結構平面電機的動子平臺常采用粗動臺和精動臺層疊的雙層結構，粗動臺由直線電機驅動，精動臺由音圈電機、壓電陶瓷驅動器、電磁鐵驅動，用來校正粗動臺的定位誤差和扭擺誤差；單動子結構平面電機的動子平臺采用單層結構，一般由若干組永磁同步直線電機和電磁鐵驅動。早期的平面電機研究集中在多動子結構上，日本日立公司、荷蘭ASML公司、美國ISI公司已經研制出了用于光刻的多動子結構平面電機產品，并申請了相關專利。多動子結構平面電機的機械結構和動力學特性較復雜，電磁執行器數量較多，控制難度大；雙層結構的動子平臺總體質量較大，且精動臺需在粗動臺粗定位之后再進行精定位，造成系統定位緩慢，加工效率低。單動子結構平面電機則可以克服多動子結構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鍵技術是平面電機動子平臺的軸承支撐方式，為實現高精度平面電機的快速準確定位，必須實現動子平臺的無摩擦懸浮支撐。目前可供選擇的懸浮技術主要有以下四種：電動懸浮、超導懸浮、氣體懸浮、磁懸浮，其中：利用渦流現象實現的電動懸浮會因散熱過大而影響平面電機的定位精度；超導懸浮在目前的技術條件下實現起來昂貴而且復雜；氣體懸浮實現方式簡單，剛度也較理想，但氣體懸浮的工作原理決定其只能用于設置標稱懸浮位置，目前還沒有動態調節氣浮氣隙大小的技術；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，且能夠實現懸浮氣隙的快速調節，但一般需要添加若干組電磁鐵用作磁懸浮電磁執行器。

高精度平面電機的第三個關鍵技術是電磁執行器設計，其中：水平大行程電磁執行器一般采用永磁同步直線電機，設計時應盡量減小齒槽力和脈動力；小行程和旋轉執行器多由電磁鐵實現。普通永磁同步直線電機采用單自由度永磁陣列，單自由度永磁陣列的磁場沿單方向呈周期變化，只能產生該方向的單邊力；動磁式(單自由度永磁陣列安裝在動子上)普通永磁同步直線電機運行時，永磁陣列不能超出與其配套的推力繞組的邊界，否則電磁力將不可控；動圈式(推力繞組安裝在動子上)普通永磁同步直線電機運行時，推力繞組不能超出與其配套的單自由度永磁陣列的邊界，否則電磁力將不可控。早期的單動子結構平面電機多采用三組以上普通永磁同步直線電機(由呈一定角度安裝在動子下表面的單自由度永磁陣列和安裝在定子上表面的配套推力繞組構成，或由呈一定角度安裝在定子上表面的單自由度永磁陣列和安裝在動子下表面的配套推力繞組構成)來驅動水平大行程運動，其水平行程的擴展將以動子平臺尺寸的增加為代價，以一種基于4組動磁式普通永磁同步直線電機的平面電機(見美國MIT博士畢業論文《High-precision?planar?magnetic?levitaion》)為例來說明該問題：該平面電機的結構如圖1a所示，4個邊長為100mm的小正方形虛線框代表動子平臺下表面安裝的4組單自由度永磁陣列(相鄰的單自由度永磁陣列的波長方向正交，用來產生正交的水平電磁力)，4個邊長為150mm的大正方形虛線框代表4組推力繞組(波長方向和位于其正上方的配套單自由度永磁陣列的波長方向相同)，平面電機運行時，單自由度永磁陣列不能超出位于其正下方的配套推力繞組的邊界，所以X軸行程S_X、Y軸行程S_Y約為50mm，動子平臺尺寸約為300mm×300mm；參見圖1b，設永磁陣列尺寸不變，如需將水平行程擴展為300mm×300mm，推力繞組的尺寸將增至400mm×400mm，動子平臺的尺寸增至約550mm×550mm。

三、實用新型內容：