CN101056037A - 多轴直接驱动磁力传递装置 - Google Patents

Abstract

一种机械技术领域的多轴直接驱动磁力传递装置，其中：真空腔室位于整个装置的最上方，真空腔室下端与真空密封罩的上端面相连，真空密封罩的另一端与法兰盘相连，法兰盘的下端面通过螺纹孔分别与隔离套和外壳组件相连；隔离套从每组磁力联轴器的主动组件和从动组件中穿过；磁力联轴器的从动组件从法兰盘的中心孔中穿过，并通过真空密封罩伸到真空腔室中；磁力联轴器的主动组件与驱动反馈组件相连；驱动反馈组件固定于外壳组件上；所有上述组件均同轴放置。隔离套为台阶式的空心盖状物。本发明结构紧凑，安装灵活方便，适用范围广，各组磁力联轴器间的磁场间的相互影响小，实现了多轴的零泄漏动力传递。

Description

多轴直接驱动磁力传递装置

技术领域

本发明涉及一种机械技术领域的装置，具体是一种多轴直接驱动磁力传递装置。

背景技术

为了提高产率和良品率，半导体生产线上的前端集束型设备大量使用真空机器人在各制程模块和卡匣间传递晶圆。而真空机器人最核心的技术就是如何把动力从大气环境传输到真空环境。目前，在不同介质中传递动力主要有两类：磁流体密封技术和磁力联轴器技术，而通过把动态密封转化为静态密封的磁力联轴器更加适用于高真空和高洁净度的环境。其主要原理是利用驱动元件带动磁力联轴器的主动轴转动，主动轴与从动轴非接触，通过分别安装固定于其上永磁体间的磁力耦合作用，实现从动轴与主动轴的同步转动。主动轴与从动轴间放有隔离套，从而实现主动轴与从动轴在两种不同介质中的动力传递。另一方面，直接驱动电机(DDR)由于不需要任何减速机构，并具有低启动转矩，高转矩，高精度和中空结构节省空间等优点，正越来越多地应用到半导体设备，机器人手臂，机床工作台等领域。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利公告号：US2006/0099063 A1，名称为：DUAL SCARA ARM，该专利介绍了一种真空机器人结构，把隔离套直接放在电机的定子和转子之间，在一定程度上简化了结构，提高了效率，但是要求电机的定子和转子间的气隙带较大，这一方面大大增加了电机的设计难度，另一方面也降低了电机的效率，同样也在一定程度上限制了其应用的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种可同轴安装的、多轴直接驱动磁力传递装置，使其结构紧凑，安装灵活方便，适用范围广，各组磁力联轴器的磁场间的相互影响小，可实现多轴的零泄漏的动力传递，可用于化工、真空冶炼、制药设备中的真空、液体、有害气体、有害液体及超净化环境中，尤其适用于高真空环境下真空机器人的动力传动。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：磁力联轴器主动组件、磁力联轴器从动组件、隔离套、驱动反馈组件、外壳组件、法兰盘、真空密封罩和真空腔室。真空腔室位于整个装置的最上方，真空腔室下端与真空密封罩的上端面相连；真空密封罩的另一端与法兰盘相连，隔离了大气环境和真空环境；法兰盘的下端面通过螺纹孔分别与隔离套和外壳组件相连；隔离套从每组磁力联轴器的主动组件和从动组件中穿过，从而实现了动力从大气环境到真空环境的传递；磁力联轴器的从动组件从法兰盘的中心孔中穿过，并通过真空密封罩伸到真空腔室中；磁力联轴器的主动组件与驱动反馈组件相连；驱动反馈组件固定于外壳组件上；所有这些组件均同轴放置。磁力联轴器组件和驱动反馈组件可以是一组，亦可以是两组或两组以上。每组磁力联轴器组件和驱动反馈组件可以独立地工作。

所述的磁力联轴器组件，是一种径向式的磁力联轴器，呈内外轴式方式放置。根据实际需要的不同，即可以将内轴作为主动轴，外轴作为从动轴，反之亦可。磁力联轴器的内轴和外轴均分别包括转子基体、导磁轭铁环和磁极组，与现有技术相同。

所述的磁力联轴器的磁极组包含偶数个磁极，且内轴和外轴的磁极数量相同，N极、S极相间排列。对于内轴，磁极等间距地分布在导磁轭铁环的外径表面上；对于外轴，磁极等间距地分布在导磁轭铁环的内径表面上。

所述的磁极组的磁极形状可以是圆柱型、三角型、扇形、梯形、长方体或任意组合形构成。N极和S极既可以单块磁体为一极，也可以多块同极性、同尺寸的条形磁体组成一极。

所述的磁极组的磁极可选用易于切削加工且具高磁导率的软磁性材料，也可选用钕铁硼(Nd-Fe-B)、钐钴(Sm-Co)等永磁材料。

所述的磁极组的磁极的弧长与磁极间距的比例大于等于65％，小于等于90％，以获得大的最大扭矩体积比。

所述的磁力联轴器的内轴的导磁轭铁环的外径表面上和外轴的导磁轭铁环的内径表面上呈等间距均匀分布着偶数个磁极定位凹槽，数量与磁极数量相同。磁极可通过粘装的方式或通过压盖和螺钉镶嵌的方式安装在导磁轭铁环的定位凹槽内。

所述的磁力联轴器的内外轴的导磁轭铁环可选择纯铁材料或者有着高磁导率的低碳钢材料，比如Steel_1010，主要起引导磁路，减少漏磁的作用。

所述的磁力联轴器的内外轴的转子基体的端面或侧面上开有洞孔或螺纹孔，以便于与轴系连接。导磁轭铁环可通过粘装的方式或通过压盖和螺钉镶嵌的方式安装在转子基体上。转子基体和导磁轭铁环亦可作为一个整体加工。

所述的隔离套为台阶式的空心盖状物。每层台阶空心桶的尺寸由相对应的磁力联轴器组件的尺寸决定。

所述的隔离套可选用玻璃、铜合金、铝合金或不锈钢材料。

所述的隔离套可以做成一体式的，也可分段加工最后组装在一起。

所述的隔离套的特例形式是各层或某相邻几层台阶的直径规格相同，这时，相对应的磁力联轴器的直径大小亦相同，可以利用较复杂的台阶式的连接轴来连接电机的转子和磁力联轴器的转子基体，实现多轴的同轴安装布局。

所述的驱动反馈组件，均包括电机定子、电机转子、定子法兰、用于连接编码器与电机转子的联轴器、编码器、编码器读头支架、编码器读数头。

本发明选用大直径中空式的直接驱动电机作为驱动元件，以便于多轴的同轴布局设计。直接驱动电机通过连接轴将动力传递给磁力联轴器的主动轴；选用大直径中空式的编码器作为反馈元件，以便于多轴的同轴布局设计。

所述的定子法兰的侧面开有螺纹孔，与外壳组件相连。电机定子的两端与定子法兰的底面连接。定子法兰带有止口，起定心和散热的作用。

所述的联轴器的一端与磁力联轴器组件的外转子基体连接，另一端与电机转子和编码器连接。

所述的编码器读数头固定于编码器读头支架上，实时反馈电机转子的位置。

所述的外壳组件可分成若干零部件分别加工分步组装在一起，由外壳主体、外壳拆卸部件、和外壳底部组成；亦可以做成一个整体。

所述的法兰盘上开有凹槽，在其中填有O型圈以密封。

所述的真空密封罩可以自由的上下伸缩，配合控制上下方向运动的驱动机构，可以带动整个外壳组件相对于真空腔室沿上下方向运动，从而控制机器人手臂的上下运动。

所述的真空腔室开有凹槽，在其中填有O型圈以密封。

与现有技术相比，本发明第一次采用了台阶式隔离套的设计，并把直接驱动技术和磁力传动技术结合在一起应用于真空机器人等需运行在不同介质环境的设备中。直接驱动电机由于不需再使用减速机构，故其应用方便了多轴的同轴安装布局，简化了结构，节省了空间；而台阶式隔离套的使用，使得多组磁性联轴器可按其各自的应用分别进行最优化设计，节省了永磁体的用量，降低了成本，并大大地增加了其应用的灵活性。

附图说明

图1为本发明的一种实施状态组装示意图的A-A剖面图；

图2为磁力联轴器的组装示意图的剖面图；

图3为磁力联轴器导磁轭铁环与磁极组的组装剖面图；

图4为驱动和反馈部件的组装示意图的剖面图；

图5为用于两组径向式磁力联轴器的台阶状隔离套的结构剖面图；

图6为整个系统外壳的组装示意图的剖面图；

图7为图6中密封圈的局部放大图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例以两组磁力联轴器组件以及两组驱动反馈组件为例，所述装置总体结构包括以下部件：第一磁力联轴器组件1，第二磁力联轴器组件2，真空隔离套3，第一驱动反馈组件4，第二驱动反馈组件5，外壳组件6，法兰盘7，真空密封罩8和真空腔室9。所有这些组件均同轴放置。

如图2和图3所示，第一磁力联轴器组件1、第二磁力联轴器组件2结构完全相同，均包括外转子基体10、外转子导磁轭铁环12、外转子磁极组13、内转子基体11、内转子导磁轭铁环14、内转子磁极组15。本实例中以外转子为主动轴，内转子为从动轴，反之亦可。磁极组13、磁极组15由相同的偶数个永磁体，N极、S极相间排列构成。本实例中选用了十六个扇形的单块永磁体，亦可选用其它形状、数量的永磁体，且每块永磁体可以由多块同极性、同尺寸的条形磁体组成一极。导磁轭铁环12、14上等间距的分布着磁极定位凹槽16，数量与磁极组13、15的数量一致。磁极13、15可通过粘装的方式或通过压盖和螺钉镶嵌的方式安装在磁极定位凹槽16内。对于内转子，磁极等间距地分布在导磁轭铁环14的外径表面上；对于外转子，磁极等间距地分布在导磁轭铁环12的内径表面上。导磁轭铁环12、14的侧面或端面上开有洞孔或螺纹孔，以便与转子基体10、11连接。

如图4所示，第一驱动反馈组件4、第二驱动反馈组件5结构完全相同，均包括电机定子17、电机转子18、定子法兰19、联轴器20、编码器21、编码器读头支架22、编码器读数头23。本实例中，为便于多轴的同轴布局设计，选用转子内径大于50mm的大直径中空式的直接驱动电机和内径大于50mm的大直径中空式的编码器。

电机定子17的两端与定子法兰19连接，定子法兰19的侧面开有螺纹孔，与外壳组件6相连。定子法兰19带有止口，起定心和散热的作用。为了便于制造，以及方便与轴承的安装，本实例中联轴器20分成两段进行加工，通过螺钉连接，并加工有止口以保证同轴度。联轴器20与电机转子18通过螺钉连接。编码器21与联轴器20的一端通过螺钉连接。编码器读数头23固定于编码器读头支架22上，实时反馈电机转子18的位置。联轴器20的另一端与磁力联轴器组件的外转子基体10通过螺钉相连，并通过止口保证同轴度。如图4所示，本发明还可以采用常用的手段，即采用大气轴承24配合挡圈25支撑和引导联轴器20的旋转，挡圈25的侧面开有螺纹孔，与外壳组件6相连。

如图5所示，真空隔离套3设计为台阶式的空心盖状物，最上层的直径最大，依次往下直径递减，每一层隔离一个磁力联轴器组件的内外轴。本实例中因为使用了两组磁力联轴器组件，故真空隔离套3设计为两层台阶空心盖。真空隔离套3的顶端打有螺纹孔，便于与法兰盘7相连。

如图6所示，本实例中，外壳组件6由外壳主体26、外壳拆卸部件27、外壳底部28组成。外壳拆卸部件27通过上部圆周侧表面的止口与外壳主体26上部圆周侧表面的止口定位，并通过上部圆周侧表面上均匀分布的螺纹孔，利用螺钉装配在一起。外壳底部28通过上部圆周侧表面的止口分别与外壳拆卸部件27和外壳主体26的下部圆周侧表面的止口定位，并通过圆周侧表面上均匀分布的螺纹孔，利用螺钉将外壳主体26、外壳拆卸部件27和外壳底部28装配在一起。外壳组件6可以做成一个整体，也可如本例一样分成若干零部件分别加工分步组装在一起，以方便装配整个真空机器人。整个外壳组件6还可装配有加强筋以提供更好的支撑作用。法兰盘7通过螺钉分别与真空隔离套3和外壳主体26相连。如图7所示，为了达到更好的密封效果，在法兰盘7上开有凹槽29，在其中填有O型圈。真空密封罩8的两端分别与法兰盘7和真空腔室9相连。真空腔室9的位置始终保持固定，真空机器人的机械手臂(图中未示出)将在真空腔室9中运动。真空密封罩8可以自由地上下伸缩，配合控制上下方向运动的驱动机构(图中未示出)，可以带动整个外壳组件6相对于真空腔室9沿上下方向运动，从而控制机器人手臂的上下运动。真空密封罩8隔离了大气环境和真空环境。如图11所示，真空腔室9上亦开有凹槽30，在其中填有O型圈。

上述装置使用时，直接驱动电机转子18通过磁力联轴器组件的外转子基体10将动力传递给磁力联轴器组件的外转子导磁轭铁环12。外转子导磁轭铁环12带动外转子磁级组13转动，利用永磁体的磁力耦合，透过隔离套3将动力传递给内转子磁极组15。内转子磁极15转动，通过内转子导磁轭铁环14带动磁力联轴器组件的内转子基体11转动，从而实现了大气与真空环境这两种介质间的动力的传递。真空隔离套3隔离了大气环境和真空环境。第一驱动反馈组件4与第一磁力联轴器组件1相配合，利用真空隔离套3的下层台阶；第二驱动反馈组件5与第二磁力联轴器组件2相配合，利用真空隔离套3的上层台阶。第一磁力联轴器组件1与第二磁力联轴器组件2可分别独立工作。

真空隔离套3可以做成一体式的，也可分段加工最后组装在一起。每组磁力联轴器和驱动反馈组件可选用不同的尺寸规格，便于多轴的最优化设计和同轴的安装布局，简化了结构，降低了成本，并大大地增加了其应用的灵活性，同时也减小了各组磁力联轴器间磁场的耦合效应。

当然，如果需要的话，真空隔离套3亦可设计为直径相同的圆筒状物，或者其中相邻几层的直径规格相同。这时，相对应的磁力联轴器组件的直径大小亦相同，可以利用较复杂的台阶式的连接轴来连接电机的转子和磁力联轴器组件的外轴，实现多轴的同轴安装布局。

磁力联轴器组件亦可选用轴向式的结构，即磁力联轴器的主动轴和从动轴呈同轴上下方式布局，中间放有隔离套，隔离套可设计为台阶式的空心盖状物，亦可设计为直径相同的圆筒状物。隔离套固定，磁力联轴器的主动轴通过磁力，透过隔离套，带动磁力联轴器的从动轴转动。

本实例以两轴直接驱动磁力传递装置为例，可以配合控制上下方向运动的驱动机构，从而控制机器人手臂的上下运动。可以依此结构很方便地拓展为三轴或三轴以上的直接驱动磁力传递装置，亦可改为单轴的直接驱动磁力传递装置。对于多轴地磁力传动装置，还可以某几组磁力联轴器选用径向式的结构，另几组磁力联轴器选用轴向式的结构。

Claims (10)

1、一种多轴直接驱动磁力传递装置，包括：磁力联轴器主动组件、磁力联轴器从动组件、隔离套、驱动反馈组件、外壳组件、法兰盘、真空密封罩和真空腔室，其特征在于，真空腔室位于整个装置的最上方，真空腔室下端与真空密封罩的上端面相连，真空密封罩的另一端与法兰盘相连，隔离了大气环境和真空环境，法兰盘的下端面通过螺纹孔分别与隔离套和外壳组件相连；隔离套从每组磁力联轴器的主动组件和从动组件中穿过，实现了动力从大气环境到真空环境的传递；磁力联轴器的从动组件从法兰盘的中心孔中穿过，并通过真空密封罩伸到真空腔室中；磁力联轴器的主动组件与驱动反馈组件相连；驱动反馈组件固定于外壳组件上；所有上述组件均同轴放置。

2、如权利要求1所述的多轴直接驱动磁力传递装置，其特征是，所述磁力联轴器组件，是一种径向式的磁力联轴器，呈内外轴式放置。

3、如权利要求1或2所述的多轴直接驱动磁力传递装置，其特征是，所述磁力联轴器组件包括：外转子基体、外转子导磁轭铁环、外转子磁极组、内转子基体、内转子导磁轭铁环、内转子磁极组；外转子磁极组和内转子磁极组均由相同的偶数个磁极组成，磁极等间距地分布在外转子导磁轭铁环和内转子导磁轭铁环的表面上，且N极、S极相间排列；外转子导磁轭铁环和内转子导磁轭铁环设置在外转子基体、内转子基体上；外转子基体将动力传递给外转子导磁轭铁环，外转子导磁轭铁环带动外转子磁级组转动，利用永磁体的磁力耦合，透过隔离套将动力传递给内转子磁极组，内转子磁极组转动，通过内转子导磁轭铁环带动内转子基体转动，实现大气与真空环境间的动力的传递。

4、如权利要求3所述的多轴直接驱动磁力传递装置，其特征是，所述外转子磁极组和内转子磁极组的磁极形状是圆柱型、三角型、扇形、梯形、长方体或任意组合形构成；所述外转子磁极组和内转子磁极组的磁极的弧长与磁极间距的比例大于等于65％，小于等于90％。

5、如权利要求3所述的多轴直接驱动磁力传递装置，其特征是，所述外转子导磁轭铁环的内径表面和内转子导磁轭铁环的外径表面上呈等距离均匀分布着磁极定位凹槽，凹槽的数目与磁极组的磁极数目相同，磁极通过粘装的方式或通过压盖和螺钉镶嵌的方式设置在导磁轭铁环的定位凹槽内；所述外转子基体和内转子基体的端面或侧面上设有洞孔或螺纹孔，以便于与轴系连接；导磁轭铁环通过粘装的方式或通过压盖和螺钉镶嵌的方式设置在转子基体上，或转子基体和导磁轭铁环为一个整体。

6、如权利要求1所述的多轴直接驱动磁力传递装置，其特征是，所述的真空隔离套为台阶式的空心盖状物，最上层的直径最大，依次往下直径递减，每一层隔离一个磁力联轴器组件的内外轴。

7、如权利要求1所述的多轴直接驱动磁力传递装置，其特征是，所述的驱动反馈组件、包括电机定子、电机转子、定子法兰、联轴器、编码器、编码器读头支架、编码器读数头；定子法兰的侧面开有螺纹孔，与外壳组件相连，电机定子的两端与定子法兰的底面连接，联轴器的一端与磁力联轴器组件的外转子基体连接，另一端与电机转子和编码器连接，编码器读数头固定于编码器读头支架上，实时反馈电机转子的位置。

8、如权利要求7所述的多轴直接驱动磁力传递装置，其特征是，所述电机选用转子内径大于50mm的大直径中空式的直接驱动电机，编码器选用内径大于50mm的大直径中空式的编码器。

9、如权利要求1所述的多轴直接驱动磁力传递装置，其特征是，所述的法兰盘上开有凹槽，在其中填有O型圈以密封，法兰盘通过螺纹孔分别与真空隔离套和外壳主体相连；所述的真空腔室开有凹槽，在其中填有O型圈以密封；所述的真空密封罩配合控制上下方向运动的驱动机构自由的上下伸缩，带动整个外壳组件相对于真空腔室沿上下方向运动，从而控制机器人手臂的上下运动。

10、如权利要求1所述的多轴直接驱动磁力传递装置，其特征是，所述外壳组件由外壳主体、外壳拆卸部件、外壳底部组成，外壳拆卸部件通过上部圆周侧表面的止口与外壳主体上部圆周侧表面的止口定位，并通过上部圆周侧表面上均匀分布的螺纹孔，利用螺钉装配在一起；外壳底部通过上部圆周侧表面的止口分别与外壳拆卸部件和外壳主体的下部圆周侧表面的止口定位，并通过圆周侧表面上均匀分布的螺纹孔，利用螺钉将外壳主体、外壳拆卸部件和外壳底部装配在一起；或者所述外壳组件为一整体。

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