CN107327482A - 磁浮导轨及其气隙厚度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁浮导轨，动子和定子分别具有磁铁和充磁磁钢以形成对向磁路，在动子和定子之间形成多个方向的浮力和刚度，使连接负载的动子与导轨定子形成磁浮间隙。另外，本发明还提供一种磁浮导轨的气隙厚度控制方法，通过改变动子中磁钢的空间角度从而改变磁路结构，达到改变浮力的目的，使该直线磁浮导轨较其他被动式磁浮具有更广泛的应用场景。本发明的磁浮导轨在不需要气源的条件下可提供稳定的基础浮力间隙；对于不同配重，可以通过调整内部磁路结构在较宽的范围内改变浮力，达到调校间隙的目的；由于磁浮气隙可以较气浮气隙明显提高，不再受到面型加工的限制，理论上可以可无限增加使用行程。

Description

磁浮导轨及其气隙厚度控制方法

技术领域

本发明涉及领域精密运动领域，尤其涉及一种磁浮导轨及其气隙厚度控制方法。

背景技术

气浮导轨在精密加工及光刻领域得到了广泛应用，其原理是用压缩空气注入导轨的轴和滑套间的，使得间隙中有气膜存在的张力，以支撑运动部件作运动。

然而，在半导体领域中，随着TFT等大尺寸光刻加工的需求，导轨的总长度和气浮对导轨平面度的要求之间的矛盾已经越来越突出，气浮导轨无法在既保证总体平面度的情况下由满足无限加长尺寸。气浮导轨需要一直通高压气体提供浮力气隙，对使用环境要求高，无法满足下一代光刻机运动台的需求，也无法提供真空环境。

如图1所示，BT1气浮导轨系统中，在运动台上多个自由度方向上安装气浮头1，通过输出高压气体2，产生厚度为几十微米的气膜3，保证无摩擦的高精度运动。但对于大行程导轨，由于受到加工精度和材料的局限，几十微米的气膜厚度已经无法保证，于是便要求用低变形量的材料(如陶瓷)，或者加大气膜厚度来实现，造成诸多不便。

因此，磁浮导轨技术是解决这一矛盾的主要替代方案。相较气浮，磁浮具有更大的气隙厚度，对加工和安装精度有更好的适应性。

发明内容

为进一步改进磁浮导轨技术，本发明提供一种磁浮导轨，包括动子和定子，所述动子和定子分别具有磁铁和充磁磁钢；所述磁铁和充磁磁钢形成对向磁路，在所述动子和定子之间形成气隙。

可选的，所述定子上具有多个滑动槽，所述动子浮于所述滑动槽中滑动。

可选的，所述定子还包括连接所述充磁磁钢的钢制导轨，所述充磁磁钢通过所述钢制导轨与所述动子产生斥力。

可选的，所述磁铁为可转动磁铁，通过在所述动子中调整所述可转动磁铁的角度，以控制所述定子与动子之间的气隙厚度。

可选的，所述的磁浮导轨还包括导磁轴和旋转调节头，所述可转动磁铁通过导磁轴连接旋转调节头，通过所述旋转调节头调整所述可转动磁铁的角度。

可选的，所述的磁浮导轨还包括连接所述旋转调节头的减速器，用于控制所述旋转调节头的转动。

可选的，所述动子和定子上分别设置水平刚度磁铁以维持所述磁浮导轨的水平刚度。

可选的，所述定子上的水平刚度磁铁位于所述滑槽的顶部。

可选的，所述定子上的水平刚度磁铁位于所述滑槽的底部。

本发明还提供一种上述磁浮导轨的气隙厚度控制方法，包括：

所述磁浮导轨工作时，通过可转动磁铁的角度调整产生磁路变化，使总体磁浮力跟随角度变化在零到最大浮力的之间线性可调，以控制气隙厚度；

所述磁浮导轨不工作时，所述可转动磁铁旋转至其他偏角以将所述磁浮力消除。

本发明提供一种磁浮导轨，动子和定子分别具有磁铁和充磁磁钢以形成对向磁路，在动子和定子之间形成多个方向的浮力和刚度，使连接负载的动子与导轨定子形成磁浮间隙。另外，通过改变动子中磁钢的空间角度，从而改变磁路结构，达到改变浮力的目的，使该直线磁浮导轨较其他被动式磁浮具有更广泛的应用场景。本发明的磁浮导轨在不需要气源的条件下可提供稳定的基础浮力间隙；对于不同配重，可以通过调整内部磁路结构在较宽的范围内改变浮力，达到调校间隙的目的；由于磁浮气隙可以较气浮气隙明显提高，不再受到面型加工的限制，理论上可以可无限增加使用行程。

附图说明

图1为现有技术中气浮导轨系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例所述磁浮导轨的立体图；

图3为本发明一实施例所述磁浮导轨的剖面侧视图；

图4为本发明一实施例所述磁浮导轨的水平刚度与水平位移关系的曲线图；

图5为本发明一实施例所述磁浮导轨的旋转调节头、减速器和导磁轴的结构示意图；

图6为本发明一实施例所述磁浮导轨的可转动磁铁旋转角度与浮力关系的曲线图；

图7为本发明一实施例所述磁浮导轨的可转动磁铁在两个不同角度时磁路示意图；

图8为本发明另一实施例所述磁浮导轨的剖面侧视图；

图9为本发明一实施例所述磁浮导轨的气隙厚度控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

相较气浮，磁浮具有更大的气隙厚度，对加工和安装精度有更好的适应性。本发明据此提出一种磁浮导轨，如图2所示，包括动子10和定子20，所述动子10和定子20端分别具有磁铁1-105a和充磁磁钢1-102a；所述磁铁1-105a和充磁磁钢1-102a形成对向磁路，在所述动子10和定子20之间形成气隙30。

实施例一

如图3所示，图3是图2所示磁浮导轨的剖面侧视图，在本实施例中，其不光能够提供一个稳定的大尺寸磁浮工作气隙，适应更大行程的无摩擦导轨需求，还能够像气浮系统一样，可以任意调节基础气隙厚度甚至关闭磁浮功能。

该结构中定子20上具有多个滑动槽，动子10浮于所述滑动槽中滑动，该滑动槽由钢制导轨1-103、1-103a、1-103b形成。因此可以理解的是，动子10浮于定子20表面时，动子10上具有多个伸入所述滑动槽的齿形结构，以配合定子20的表面形状。本实施例中动子10即为滑块框架1-104。定子20还包括连接所述充磁磁钢1-101、1-102a、1-102b的钢制导轨1-103、1-103a、1-103b，所述充磁磁钢1-101、1-102a、1-102b通过所述钢制导轨1-103、1-103a、1-103b与所述动子10产生斥力。

其中充磁磁钢1-101、1-102a、1-102b为垂向充磁磁钢，由高剩磁的钕铁硼(NdFeB)材料制成，Z向充磁(竖直方向)，结合钢制导轨1-103、1-103a、1-103b，以及滑块框架1-104内可转动磁铁1-105a、1-105b(以下简称滑块磁铁)构成一个对向磁路，提供一个与气隙30厚度相关的斥力，即在100μm～500μm厚度时可提供近kN垂向磁浮力。

其中1-106a和1-106b为分别嵌入安装在1-103钢制导轨和1-104滑块框架1-104中的同向充磁的，提供稳定水平高刚度和一定预紧力的磁铁(以下简称水平刚度磁铁)，均由钕铁硼(NdFeB)材料制成，Z向同向充磁(竖直方向)，其提供的水平刚度如图4所示。在图4中，水平刚度force_x随着水平位移dis_x的变化而变化,可见的是水平刚度随着水平位移的增大而降低，因此需要设置水平刚度磁铁1-106a和1-106b以确保水平位移小于特定的数值范围以保持水平刚度。

其中图3中的充磁磁钢1-101、1-102a、1-102b，钢制导轨1-103、1-103a、1-103b、水平刚度磁铁1-106a均为不动件，一起安装在稳定基座上(如大理石台)。

其中以上所述的可转动磁铁1-105a、1-105b，以及水平刚度磁铁1-106b均固定或嵌入在滑块框架1-104上。

在有直线驱动负载和磁铁处在工作位情况下，滑块框架1-104同钢制导轨1-103a、1-103b和水平刚度磁铁1-106a之间能够自动保持100μm～500μm的工作气隙厚度，动子10能够在直线方向自由无摩擦滑动。

如图5所示，本发明的磁浮导轨还包括导磁轴(图中未示出)和旋转调节头2-107，以及连接所述旋转调节头2-107的减速器2-108，减速器2-108用于控制所述旋转调节头2-107的转动。所述可转动磁铁1-105a通过导磁轴连接旋转调节头2-107，通过所述旋转调节头2-107调整所述可转动磁铁1-105a的角度。

具体的，可转动磁铁1-105a被嵌入安装在2-104滑块框架中，导磁轴设置于可转动磁铁1-105a中，通过减速器2-108与2-107旋转调节头相连。通过旋转调节头2-107的旋转，使可转动磁铁1-105a发生结构性偏转，产生磁路变化，使总体磁浮力跟随角度变化在0到最大浮力的范围之间近似线性可调，其关系曲线如图4所示。在图6中，随着可转动磁铁1-105a旋转角度rot的变化，浮力force_z逐渐变化。具体的浮力的变化参见图7，图7表现了可转动磁铁 1-105a在两个不同角度时磁路的不同，由此可见最终体现出的浮力也发生了变化。

在负载和预载力不变时，随着磁浮力的变化，气隙30的厚度将跟随调整到工作位置的理想厚度，若需导轨不工作，则将磁铁旋转至较大偏角，此时磁浮力基本降为0，磁浮导轨处于不工作状态。

实施例二

如图8所示，在本实施例中，3-101为V字形槽状导轨两侧安装的斜向充磁磁钢，其作用类似于实施例一中的充磁磁钢1-101和1-102a、1-102b；3-105为滑块内嵌可转动磁铁，其作用类似于实施例一中的可转动磁铁1-105a、1-105b；3-106a、3-106b为水平刚度磁铁，其作用类似于实施例1中的水平刚度磁铁1-106a、1-106b；3-109a、3-109b为RX向刚度磁铁，使RX方向具有刚度，使滑块沿X向直线运动时不能任意偏转或只能小范围偏转。

在本实施例中，充磁磁钢相对于实施例一而言变为了斜向充磁，而水平刚度磁铁位于所述滑槽的底部。由此可见，本发明并不限制具体的器件形状以及其设置的方向和位置，只要保证动子10和定子20之间通过磁力保持一定的气隙30，并且能由动子10中的可转动磁铁控制该磁力的大小即可。

本发明还提供一种如磁浮导轨的气隙厚度控制方法，如图9所示，包括：

所述磁浮导轨工作时，通过可转动磁铁的角度调整产生磁路变化，使总体磁浮力跟随角度变化在零到最大浮力的之间线性可调，以控制气隙厚度；

所述磁浮导轨不工作时，所述可转动磁铁旋转至其他偏角以将所述磁浮力消除。

上述气隙厚度控制方法体现了本发明磁浮导轨对动子和定子之间磁力以及气隙厚度的调节功能，因此可以预见其包含了上述磁浮导轨的其他附加技术特征，因此此处不再赘述。

本发明提供一种磁浮导轨，动子和定子分别具有磁铁和充磁磁钢以形成对向磁路，在动子和定子之间形成多个方向的浮力和刚度，使连接负载的动子与导轨定子形成磁浮间隙。另外，通过改变动子中磁钢的空间角度，从而改变磁路结构，达到改变浮力的目的，使该直线磁浮导轨较其他被动式磁浮具有更广泛的应用场景。本发明的磁浮导轨在不需要气源的条件下可提供稳定的基础浮力间隙；对于不同配重，可以通过调整内部磁路结构在较宽的范围内改变浮力， 达到调校间隙的目的；由于磁浮气隙可以较气浮气隙明显提高，不再受到面型加工的限制，理论上可以可无限增加使用行程。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种磁浮导轨，其特征在于，包括动子和定子，所述动子和定子分别具有磁铁和充磁磁钢；所述磁铁和充磁磁钢形成对向磁路，在所述动子和定子之间形成气隙。

2.如权利要求1所述的磁浮导轨，其特征在于，所述定子上具有多个滑动槽，所述动子浮于所述滑动槽中滑动。

3.如权利要求1所述的磁浮导轨，其特征在于，所述定子还包括连接所述充磁磁钢的钢制导轨，所述充磁磁钢通过所述钢制导轨与所述动子产生斥力。

4.如权利要求1所述的磁浮导轨，其特征在于，所述磁铁为可转动磁铁，通过在所述动子中调整所述可转动磁铁的角度，以控制所述定子与动子之间的气隙厚度。

5.如权利要求4所述的磁浮导轨，其特征在于，还包括导磁轴和旋转调节头，所述可转动磁铁通过导磁轴连接旋转调节头，通过所述旋转调节头调整所述可转动磁铁的角度。

6.如权利要求5所述的磁浮导轨，其特征在于，还包括连接所述旋转调节头的减速器，用于控制所述旋转调节头的转动。

7.如权利要求2所述的磁浮导轨，其特征在于，所述动子和定子上分别设置水平刚度磁铁以维持所述磁浮导轨的水平刚度。

8.如权利要求7所述的磁浮导轨，其特征在于，所述定子上的水平刚度磁铁位于所述滑槽的顶部。

9.如权利要求7所述的磁浮导轨，其特征在于，所述定子上的水平刚度磁铁位于所述滑槽的底部。

10.一种如权利要求4-9任意一项所述磁浮导轨的气隙厚度控制方法，其特征在于，包括：

所述磁浮导轨工作时，通过可转动磁铁的角度调整产生磁路变化，使总体磁浮力跟随角度变化在零到最大浮力的之间线性可调，以控制气隙厚度；

所述磁浮导轨不工作时，所述可转动磁铁旋转至其他偏角以将所述磁浮力消除。