CN106329875A - 一种多自由度直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度直线电机，包括定子和动子，所述定子包括两个背铁和与所述背铁粘接的若干磁铁阵列，所述动子包括设于所述两个背铁之间的若干线圈阵列，所述若干线圈阵列沿竖直方向排列，所述若干线圈阵列内通入的三相电流的初始相位不一致。通过设置沿竖直方向排列的若干线圈阵列，并对不同的线圈阵列通入初始相位不一致的三相电流，使其在磁铁阵列的作用下同时具有水平方向和竖直方向的出力，且推力常数大，性能好，大大提高了直线电机的整体性能，有效满足了光刻设备的高精度定位需求。

Description

一种多自由度直线电机

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及一种多自由度直线电机。

背景技术

随着光刻技术的进步和半导体工业的快速发展，对于光刻设备有四项基本性能指标：线宽均匀性(CD，Critical Dimension Uniformity)、焦深(Focus)、套刻(Overlay)和产率(Throughput)。为了提高线宽均匀性，工件台或掩模台必须提高水平向精密定位能力；为了提高焦深误差精度，工件台或掩模台必须提高垂向精密定位能力；为了提高光刻机套刻误差精度，工件台或掩模台必须提高其内部模态来提升动态定位特性。此外，光刻设备必须增加产率，因此工件台或掩模台还必须高速运动，快速启动和停止。光刻设备的高速、高加速和高精密的定位能力是相互矛盾的，增加扫描速度需要功率更大的电机，实现长行程和高速度运动，并具有多自由度运动来进行光刻曝光和对准。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置，相比旋转电机具有结构简单、定位精度高以及传动效率高等优势，因此广泛应用于光刻设备的高精度定位平台中。

如图1所示，传统直线电机通常包括上下对称设置的两块背铁1’、粘接在背铁1’上的磁铁阵列2’、连接两块磁铁阵列2’的U型支架4’和位于磁铁阵列2’之间的线圈3’，线圈3’的数量为3的倍数。当线圈3’的数量等于3时，在线圈3’内通入三相电流，使线圈3’与磁铁2’之间产生X轴方向的相互作用力，二者沿X轴方向相对运动；当线圈3’的数量大于3时，可以通过串联或并联的方式，使线圈3’最终只有三个出线端子用于接三相电流。如图2所示，为传统直线电机电磁结构图，其中黑色箭头代表磁铁的充磁方向，两组磁铁阵列2’中包含四种充磁方向的磁铁：N型磁铁201’、S型磁铁202’、H1磁铁203’、H2磁铁204’。线圈3’沿XZ平面的中心线与磁力中心线CP重合，以该种方式设置的线圈3’，无论以何种方式接线或通电，该种直线电机只有X轴方向出力的功能，即只具有一个自由度，不能满足光刻设备在其他方向的运动和高精度定位。

针对以上问题，现有技术中提供了一种具有悬浮和横向能力的无铁芯磁性直线马达，如图3所示，与上述单自由度直线电机不同的是，该结构中使线圈3’沿XZ平面的中心线偏离磁力中心线CP，也就是说线圈3’与两侧磁铁阵列2’的距离不一样，此时给线圈3’通入具有相位偏移的换向电流，线圈3’会产生与X轴方向垂直，与Z轴平行的出力，由于传统直线电机线圈3’与两边磁铁阵列2’的距离相等，当通入具有相位偏移的换向电流后，两边磁铁阵列2’对线圈3’产生的Z轴向作用力相互抵消，而该结构中，将线圈3’偏置，使得两边磁铁阵列2’对线圈3’产生的Z向作用力不平衡，因此线圈3’会产生Z向出力，使直线马达具有二自由度。然而采用上述结构不仅会降低电机沿X轴方向的推力性能，且产生的Z向出力较小，从而影响了直线电机的整体性能，未能切实满足光刻设备的高精度定位需求。

发明内容

本发明为了克服以上不足，提供了一种既能有效增加电机的运动自由度，又能提高推力常数的多自由度直线电机。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种多自由度直线电机，包括定子和动子，所述定子包括两个背铁和与所述背铁粘接的若干磁铁阵列，所述动子包括设于所述两个背铁之间的若干线圈阵列，所述若干线圈阵列沿竖直方向排列，所述若干线圈阵列内通入的三相电流的初始相位不一致。

进一步的，所述若干线圈阵列沿竖直方向错位排列。

进一步的，所述磁铁阵列的数量为两个，分别设置在两个所述背铁相对的一侧。

进一步的，两个所述磁铁阵列之间通过U型支架连接。

进一步的，所述磁铁阵列为海尔贝克磁铁阵列，包括若干个由4块永磁铁沿X轴方向依次拼接而成的海尔贝克单元。

进一步的，所述4块永磁铁依次为S型磁铁、H1磁铁、N型磁铁和H2磁铁，所述S型磁铁的磁化方向沿Y轴正向，所述N型磁铁的磁化方向沿Y轴负向，所述H1磁铁的磁化方向沿X轴正向，所述H2磁铁的磁化方向沿X轴负向。

进一步的，所述线圈阵列设有两个，分别为第一线圈阵列和第二线圈阵列，所述第一线圈阵列和第二线圈阵列沿竖直方向错位排列。

进一步的，所述第一线圈阵列和第二线圈阵列均包括若干绕线组，所述每个绕线组由三个线圈水平排列而成。

进一步的，所述S型磁铁和N型磁铁沿水平方向的中心距离为τ，所述第一线圈阵列与第二线圈阵列相应一侧沿水平方向的间距L满足：-τ<L<τ。

进一步的，所述第一线圈阵列与第二线圈阵列相应一侧沿水平方向的间距L为τ/2。

本发明提供的多自由度直线电机，包括定子和动子，所述定子包括两个背铁和与所述背铁粘接的若干磁铁阵列，所述动子包括设于所述两个背铁之间的若干线圈阵列，所述若干线圈阵列沿竖直方向排列，所述若干线圈阵列内通入的三相电流的初始相位不一致。通过设置沿竖直方向排列的若干线圈阵列在水平方向移位，并对不同的线圈阵列通入初始相位不一致的三相电流，使其在磁铁阵列的作用下同时具有水平方向和竖直方向的出力，且推力常数大，性能好，大大提高了直线电机的整体性能，有效满足了光刻设备的高精度定位需求。

附图说明

图1是传统单自由度直线电机结构示意图；

图2是传统单自由度直线电机电磁结构图；

图3是现有技术中二自由度直线电机的结构示意图；

图4是本发明多自由度直线电机一实施例的结构示意图；

图5是本发明多自由度直线电机一实施例的部分结构示意图；

图6是本发明多自由度直线电机一实施例的主视示意图；

图7是本发明多自由度直线电机沿X轴方向运动时X轴方向推力常数的仿真曲线；

图8是本发明多自由度直线电机沿Z轴方向运动时X轴方向推力常数的仿真曲线；

图9是本发明多自由度直线电机沿X轴方向运动时Z轴方向推力常数的仿真曲线；

图10是本发明多自由度直线电机沿Z轴方向运动时Z轴方向推力常数的仿真曲线。

图1-3中所示：1’、背铁；2’、磁铁阵列；201’、N型磁铁；202’、S型磁铁；203’、H1磁铁；204’、H2磁铁；3’、线圈；4’、U型支架。

图4-10中所示：1、背铁；2、磁铁阵列；201、海尔贝克单元；3、线圈阵列；31、第一线圈阵列；32、第二线圈阵列；310a-310c，320a-320c、线圈；4、U型支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

如图4-5所示，本发明提供一种多自由度直线电机，包括定子和动子，其中，定子包括两个背铁1和与背铁1粘接的若干磁铁阵列2，本实施例中，磁铁阵列2的数量为两个，分别设置在两个背铁1相对的一侧，两个磁铁阵列2之间通过U型支架4固定连接。动子包括设于两个背铁1之间的若干线圈阵列3，若干线圈阵列3沿竖直方向(即Z轴方向)排列，为了不增加直线电机的尺寸和重量，本发明中使若干线圈阵列3沿Z轴方向重叠后的高度和沿水平面(X-Y平面)的面积与传统直线电机中一个线圈阵列的高度和面积相同。若干线圈阵列3内通入的三相电流的初始相位不一致，通过对不同的线圈阵列3通入初始相位不一致的三相内流，使其在磁铁阵列2的作用下同时具有水平方向(即X轴方向)和Z轴方向的出力，使直线电机具有二自由度运动性能。

如图6所示，磁铁阵列2为海尔贝克磁铁阵列，包括若干个由4块永磁铁沿X轴方向依次拼接而成的海尔贝克单元201，4块永磁铁依次为S型磁铁、H1磁铁、N型磁铁和H2磁铁，其中，S型磁铁的磁化方向沿Y轴正向，N型磁铁的磁化方向沿Y轴负向，H1磁铁的磁化方向沿X轴正向，H2磁铁的磁化方向沿X轴负向，4块永磁铁两两的磁化方向相反，起到了增强磁场的作用，设N型磁铁和S型磁铁中心位置沿X轴方向的间距为τ，即为极距。

请重点参照图6，若干线圈阵列3沿竖直方向错位排列，本实施例中，线圈阵列3设有两个，分别为第一线圈阵列31和第二线圈阵列32，两者沿竖直方向错位排列，即第一线圈阵列31和第二线圈阵列32相应一侧沿水平方向上设有一定间距，优选的，第一线圈阵列31与第二线圈阵列32相应一侧沿Z轴方向的间距L满足：-τ<L<τ，本实施例中，第一线圈阵列31与第二线圈阵列32相应一侧沿X轴方向的间距L为τ/2。

优选的，第一线圈阵列31和第二线圈阵列32均包括若干绕线组，每个绕线组由三个线圈水平排列而成，本实施例中，第一线圈阵列31包括1个绕线组，其中的三个线圈分别为310a、310b和310c，第二线圈阵列32包括1个绕线组，其中三个线圈分别为320a、320b和320c。

请继续参照图6，N型磁铁和S型磁铁中心位置沿X轴方向的间距为τ，每个线圈沿X轴方向的宽度为W_coil，二者之间有如下关系：

$W_{coil}=\frac{4}{3}\mathrm{\&tau;}---\left(1\right)$

或

$W_{coil}=\frac{5}{3}\mathrm{\&tau;}---\left(2\right)$

或

$W_{coil}=\frac{7}{3}\mathrm{\&tau;}---\left(3\right)$

则第一线圈阵列31和第二线圈阵列32内部的三相电流的相位关系描述如下：

根据三相电机的矢量控制技术，每个线圈内所通的电流采用直轴交轴(DQ)分解法进行控制，逻辑上对应两个电流分量，分别为直轴电流和交轴电流 用于控制电机Z向出力，用于控制电机X向出力。对应于第一线圈阵列31内三个线圈310a、310b和310c内的电流分别为i_Aaq、i_Baq、i_Caq、i_Aad、i_Bad、i_Cad，对应于第二线圈阵列32内三个线圈320a、320b和320c内的电流分别为i_Abq、i_Bbq、i_Cbq、i_Abd、i_Bbd、i_Cbd。将i_q、i_d的初始相位定义为和对于第一线圈阵列31来说，其中三个线圈310a、310b和310c的初始相位分别为：对于第二线圈阵列32来说，其中三个线圈320a、320b和320c的初始相位分别为当线圈宽度Wcoil和极距τ之间满足式(1)的关系时，第一线圈阵列31中三个线圈310a、310b和310c通入的三相电流初始相位需要满足以下关系：

式中，n为整数。

与此同时，对于第二线圈阵列32来说，其中三个线圈320a、320b和320c通入的三相电流初始相位与第一线圈阵列31三个线圈310a、310b和310c通入的三相电流初始相位相关，两者需要满足的关系为：

L为第一线圈阵列31与第二线圈阵列32相应一侧沿X轴方向的间距。当L为τ/2时，上述公式为：

同理，当线圈宽度Wcoil和极距τ之间满足式(2)或式(3)的关系时，第一线圈阵列31中三个线圈310a、310b和310c通入的三相电流初始相位与公式(5)类似，第二线圈阵列32中三个线圈320a、320b和320c通入的三相电流初始相位与第一线圈阵列31三个线圈310a、310b和310c通入的三相电流初始相位关系与公式(6)类似。

本实施例中以L＝τ/2为例，如图7所示，为线圈阵列3相对于磁铁阵列2沿X轴方向运动时，线圈阵列3中沿X轴方向推力常数的仿真曲线，图中横轴为沿X轴方向行程，仿真的行程为60mm，纵轴是推力常数数值，电机X轴方向推力常数约为128.4N/A，其波动比例<0.1％。如图7所示，为线圈阵列3相对于磁铁阵列2沿Z轴方向运动时，线圈阵列3中沿X轴方向推力常数的仿真曲线，图中横轴为沿Z轴方向行程，仿真的行程为1mm，推力常数约为128.4N/A，与沿X轴方向运动时相仿，且波动比例为0.6％。如图9所示，为线圈阵列3相对于磁铁阵列2沿X轴方向运动时，线圈阵列3沿Z轴方向推力常数仿真曲线，从图中可以看出电机Z轴方向推力常数约为33.77N/A，波动系数为0.2％。如图10所示，为线圈阵列3相对于磁铁阵列2沿Z轴方向运动时，线圈阵列3中沿Z轴方向推力常数仿真曲线，电机Z向推力常数大概为33.77N/A，波动比例为1％，由此可知，本发明提供的多自由度直线电机增加了电机沿Z轴方向的运动自由度之后，并不影响直线电机沿X轴方向的推力常数，大大提高了直线电机的整体性能。

综上所述，本发明提供的多自由度直线电机，包括定子和动子，定子包括两个背铁1和与背铁1粘接的若干磁铁阵列2，动子包括设于两个背铁1之间的若干线圈阵列3，若干线圈阵列3沿竖直方向排列，若干线圈阵列3内通入的三相电流的初始相位不一致。通过设置沿竖直方向排列的若干线圈阵列3在水平方向上移动，并对不同的线圈阵列3通入初始相位不一致的三相电流，使其在磁铁阵列2的作用下同时具有水平方向和竖直方向的出力，且推力常数大，性能好，大大提高了直线电机的整体性能，有效满足了光刻设备的高精度定位需求。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多自由度直线电机，包括定子和动子，所述定子包括两个背铁和与背铁粘接的若干磁铁阵列，其特征在于，所述动子包括设于所述两个背铁之间的若干线圈阵列，所述若干线圈阵列沿竖直方向排列，所述若干线圈阵列内通入的三相电流的初始相位不一致。

2.根据权利要求1所述的多自由度直线电机，其特征在于，所述若干线圈阵列沿竖直方向错位排列。

3.根据权利要求2所述的多自由度直线电机，其特征在于，所述磁铁阵列的数量为两个，分别设置在两个所述背铁相对的一侧。

4.根据权利要求3所述的多自由度直线电机，其特征在于，两个所述磁铁阵列之间通过U型支架连接。

5.根据权利要求2所述的多自由度长行程直线电机，其特征在于，所述磁铁阵列为海尔贝克磁铁阵列，包括若干个由4块永磁铁沿X轴方向依次拼接而成的海尔贝克单元。

6.根据权利要求5所述的多自由度长行程直线电机，其特征在于，所述4块永磁铁依次为S型磁铁、H1磁铁、N型磁铁和H2磁铁，所述S型磁铁的磁化方向沿Y轴正向，所述N型磁铁的磁化方向沿Y轴负向，所述H1磁铁的磁化方向沿X轴正向，所述H2磁铁的磁化方向沿X轴负向。

7.根据权利要求6所述的多自由度直线电机，其特征在于，所述线圈阵列设有两个，分别为第一线圈阵列和第二线圈阵列，所述第一线圈阵列和第二线圈阵列沿竖直方向错位排列。

8.根据权利要求7所述的多自由度直线电机，其特征在于，所述第一线圈阵列和第二线圈阵列均包括若干绕线组，所述每个绕线组由三个线圈水平排列而成。

9.根据权利要求7所述的多自由度直线电机，其特征在于，所述S型磁铁和N型磁铁沿水平方向的中心距离为τ，所述第一线圈阵列与第二线圈阵列相应一侧沿水平方向的间距L满足：-τ<L<τ。

10.根据权利要求9所述的多自由度直线电机，其特征在于，所述第一线圈阵列与第二线圈阵列相应一侧沿水平方向的间距L为τ/2。