CN106549550A - 一种直线电机、运动台及光刻装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直线电机、运动台及光刻装置，所述直线电机包括沿Z轴方向平行设置的磁钢阵列以及位于两所述磁钢阵列之间的三相线圈，所述磁钢阵列由若干沿X轴方向平行排列的磁钢组成，所述磁钢阵列沿Y轴方向分为两排并行排列的磁钢组，同一排的相邻磁钢间隔τ，一所述磁钢组中的磁钢和另一所述磁钢组中与其相邻的磁钢沿X轴方向错位排列。与现有技术相比，发明在保留直线运动功能的同时，多出一个可控的旋转自由度，可以额外实现旋转自由度的运动。本发明电机适用于代替采用两个直线电机差动实现小范围旋转自由度的工作场合，在节省一个直线电机的情况下，同样实现直线与旋转自由度功能。

Description

一种直线电机、运动台及光刻装置

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种既能实现直线自由度运动又能实现旋转自由度运动的直线电机，以及包括此直线电机的运动台和光刻装置。

背景技术

直线电机多被用做于电动机，凭借其相比旋转电机而言的高传动效率而日益在线性传动领域被广泛应用。一种常见的双边磁钢直线电机的侧视示意图如图1所示，其中，100为所述双边磁钢直线电机；101a、101b、101c分别为电机的三相线圈；102a、102b分别为电机的上、下层磁钢阵列；103a、103b分别为上、下层磁钢阵列的背铁，起到固定磁钢阵列以及优化磁场分布的作用。所述常见双边磁钢直线电机的俯视示意图（上层磁钢及其背铁未显示）如图2所示，其中下层磁钢阵列102b中相邻两块充磁方向相反的磁钢间距为 ；三相线圈101a、101b、101c跨距为/3。所述双边磁钢直线电机磁场分布及工作原理示意图如图3所示，图中pos代表电机动子运动方向，也就是磁钢阵列磁场的波动变化方向；图中B代表随pos变化所述双边磁钢直线电机磁钢阵列磁密幅值大小的变化。明显地，B随pos的变化呈正弦函数关系，即，式中表示磁密幅值，为与pos零点相关的偏移量。由此得到三相线圈101a、101b、101c各自所在磁场处的磁密表达式为： ；

当三相线圈101a、101b、101c各自通入三相电流ia、ib、ic，则图3中用斜线段（白底黑线）表示的部分三相线圈101a、101b、101c中的电流与磁场作用产生电机推力F。其中，ia、ib、ic表达式如下：

，其中为电流幅值；

所述常见双边磁钢直线电机将在三相电流及磁场作用下沿pos方向输出恒定幅值的推力F：

。

然而，传统双边磁钢直线电机只能输出一个方向的推力，即只能驱动负载进行一个自由度的运动。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供既能实现直线自由度运动又能实现旋转自由度运动的直线电机。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种直线电机，包括沿Z轴方向平行设置的磁钢阵列以及位于两所述磁钢阵列之间的三相线圈，所述磁钢阵列由若干沿X轴方向平行排列的磁钢组成，其特征在于，所述磁钢阵列沿Y轴方向分为两排并行排列的磁钢组，同一排的相邻磁钢间隔τ，一所述磁钢组中的磁钢和另一所述磁钢组中与其相邻的磁钢沿X轴方向错位排列。

进一步地，所述直线电机还包括沿Z轴方向平行设置的背铁，所述磁钢阵列分布在所述背铁的平行内壁上。

进一步地，同一所述磁钢组中相邻磁钢的充磁方向相反。

进一步地，一所述磁钢组中的磁钢和另一所述磁钢组中与其相邻的磁钢沿X轴方向错位排列τ/2。

进一步地，所述三相线圈中单个线圈的跨距为4τ/3。

一种运动台，包括上述任意一项所述的直线电机。

一种光刻装置，包括上述任意一项所述的直线电机。

本发明所述具有旋转自由度运动功能的直线电机相比传统直线电机而言，在保留直线运动功能的同时，多出一个可控的旋转自由度，可以额外实现旋转自由度的运动。本发明电机适用于代替采用两个直线电机差动实现小范围旋转自由度的工作场合，在节省一个直线电机的情况下，同样实现直线与旋转自由度功能。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是现有技术所公开的双边磁钢直线电机侧视图；

图2是现有技术所公开的双边磁钢直线电机俯视图；

图3是现有技术所公开的双边磁钢直线电机磁场分布及工作原理示意图；

图4是本发明所涉及的实现旋转自由度运动的直线电机的侧视图；

图5是本发明所涉及的实现旋转自由度运动的直线电机的俯视图；

图6是本发明所涉及的实现旋转自由度运动的直线电机磁场分布及工作原理示意图；

图7是本发明所涉及的实现旋转自由度运动的直线电机出力示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

如图4所示，一种具有旋转自由度运动功能的直线电机200包括，两个沿Z轴方向平行间隔设置的背铁203a、203b，设置在所述背铁203a、203b的平行内壁上的磁钢阵列202a、202b，以及位于两个所述磁钢阵列202a、202b之间的三相线圈201a、201b、201c，所述磁钢阵列202a、202b中磁钢的充磁方向为沿Z轴方向垂直穿过磁钢，相邻所述磁钢的充磁方向相反，所述磁钢阵列202a、202b之间形成封闭磁场，封闭磁场垂直穿过所述三相线圈201a、201b、201c的有效段，电流方向与磁场方向垂直，产生洛伦兹力驱动直线电机水平移动。与传统双边磁钢直线电机100相比，本发明磁钢阵列202a、202b的布局不同，从而增加了直线电机绕电机动子转动轴旋转的转矩，实现直线电机旋转自由度运动，其中本实施例中坐标系为，X轴垂直于Y轴，且与Y轴位于同一平面，Z轴分别垂直于X轴和Y轴。

如图5所示（上层的磁钢阵列202a及其背铁203a未显示），所述磁钢阵列202b由若干沿X轴方向间隔平行排列的磁钢组成，所述磁钢阵列202b沿Y轴方向分为两排并行排列的磁钢组，分别为第一磁钢组202b1和第二磁钢组202b2，同一排的相邻磁钢间隔τ，第一磁钢组202b1中的磁钢和第二磁钢组202b2中与其相邻的磁钢之间沿X轴方向错位排列，优选地，错位τ/2。类似地，在未显示的上层的磁钢阵列202a中，其磁钢分布与下层的磁钢阵列202b相同。优选地，所述三相线圈201a、201b、201c中单个线圈的跨距为4τ/3。

本发明所述具有旋转自由度运动功能的直线电机200的磁场分布及工作原理如图6所示。图中pos代表电机动子运动方向，也就是磁钢阵列202a、202b磁场的波动变化方向；由于本发明中磁钢阵列202a、202b均沿Y轴方向被分为两排并行排列的磁钢组，以下层的磁钢阵列202b为例，图中的B1（实线）代表第一磁钢组202b1的磁密幅值，B2（虚线）代表第二磁钢组202b2的磁密幅值。明显地，第一磁钢组202b1的磁密幅值B1、第二磁钢组202b2的磁密幅值B2随着电机动子运动方向pos的变化都呈现出正弦函数关系，且两者幅值相同，相位相差，即：

，，

式中表示磁密幅值，为与pos零点相关的偏移量。

由此可以得到三相线圈201a、201b、201c在第一磁钢组202b1处的磁密表达式为：

，

三相线圈201a、201b、201c在第二磁钢组202b2处的磁密表达式为：

当三相线圈201a、201b、201c各自通入三相电流Ia、Ib、Ic，则图示三相线圈201a、201b、201c的在第一磁钢组202b1中的有效段（即白底黑线的斜线段）中的电流与第一磁钢组202b1的磁场作用产生电机推力f1；图示三相线圈201a、201b、201c在第二磁钢组202b2中的有效段（即黑底白线的斜线段）中的电流则与第二磁钢组202b2的磁场作用产生电机推力f2。其中，三相电流Ia、Ib、Ic的表达式如下：

其中iq为与第一磁钢组202b1作用产生电机推力f1的三相电流幅值；id为与第二磁钢组202b2作用产生电机推力f2的三相电流幅值。

本发明所述具有旋转自由度运动功能的直线电机200将在上述三相电流Ia、Ib、Ic及磁场作用下沿电机动子运动方向pos方向输出恒定幅值的推力f1及f2，

，。

值得注意的是，虽然三相电流Ia、Ib、Ic同时包含了iq、id为幅值的电流分量，并且既与第一磁钢组202b1作用产生出力又与第二磁钢组202b2作用产生出力，但由于第一磁钢组202b1与第二磁钢组202b2的磁场密度沿pos方向相差，iq电流分量与id电流分量也相差了。因此，实际上，iq电流分量只会在第一磁钢组202b1的磁场中产生推力f1，其在第二磁钢组202b2的磁场中产生的推力始终为0；同样地，id电流分量只会在第二磁钢组202b2的磁场中产生推力f2，其在第一磁钢组202b1的磁场中产生的推力始终为0。

图7所示为本发明所述具有旋转自由度运动功能直线电机200的出力示意图。三相线圈201a、201b、201c通入上述三相电流Ia、Ib、Ic，在第一磁钢组202b1磁场作用下沿X轴方向产生电机推力f1（图中白底黑斜线箭头表示），且电机推力f1的大小与iq电流分量幅值iq相关；在第二磁钢组202b2磁场作用下沿X轴方向产生推力电机推力f2（图中黑底白斜线箭头表示），且电机推力f2的大小与id电流分量幅值id相关。因此，分别设置不同的iq、id，就将驱使所述电机输出不同的电机推力f1、f2。明显地，当电机推力f1等于电机推力f2时，电机输出力将沿直线方向驱动电机动子运动，与传统直线电机100所能完成的功能一致；当电机推力f1不等于电机推力f2时，电机将额外输出一个绕电机动子转动轴旋转的转矩，且该转矩是可控的，这是传统直线电机100所不能完成的功能。本发明电机适用于代替采用两个直线电机差动实现小范围旋转自由度的工作场合，在节省一个直线电机的情况下，同样实现直线与旋转自由度功能。

本发明实施例还进一步提供一种运动台和光刻装置，均包括上述实施例所述的直线电机，具体说明详见上述实施例，此处不再赘述。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种直线电机，包括沿Z轴方向平行设置的磁钢阵列以及位于两所述磁钢阵列之间的三相线圈，所述磁钢阵列由若干沿X轴方向平行排列的磁钢组成，其特征在于，所述磁钢阵列沿Y轴方向分为两排并行排列的磁钢组，同一排的相邻磁钢间隔τ，一所述磁钢组中的磁钢和另一所述磁钢组中与其相邻的磁钢沿X轴方向错位排列。

2.如权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述直线电机还包括沿Z轴方向平行设置的背铁，所述磁钢阵列分布在所述背铁的平行内壁上。

3.如权利要求1所述的直线电机，其特征在于，同一所述磁钢组中相邻磁钢的充磁方向相反。

4.如权利要求1所述的直线电机，其特征在于，一所述磁钢组中的磁钢和另一所述磁钢组中与其相邻的磁钢沿X轴方向错位τ/2。

5.如权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述三相线圈中单个线圈的跨距为4τ/3。

6.一种运动台，其特征在于，包括如权利要求1至5任意一项所述的直线电机。

7.一种光刻装置，其特征在于，包括如权利要求1至5任意一项所述的直线电机。