CN114571362B - 一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴 - Google Patents
一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴，包括主轴电机、永磁联轴器以及气体静压轴承；该主轴将转轴分为两段，采用永磁同步联轴器连接转轴代替传统的一段式转轴，可降低主轴的装配和制造难度；在主轴发生卡死故障时使得主轴电机转轴和气体静压轴承旋转结构脱离，既防止了气体静压轴承发生摩擦划伤，又避免了电机发生堵转而造成烧毁；电机工作时会产生大量热量，电机转轴与轴承旋转结构空间分离设计，降低了气体静压轴承的温升和热变形，提高了工作精度。该主轴采用两个止推轴承前后布置，一个径向轴承内侧布置的形式，使得气体静压轴承旋转结构呈工字形，这种布置方式可使主轴获得较大的承载力和刚度。
Description
技术领域
本发明涉及永磁传动和气体静压轴承的设计领域，特别是涉及一种可用于半导体晶圆减薄和抛光工艺的集成永磁传动和气浮支承的一体式主轴。
背景技术
气浮主轴指的是利用气体作为润滑剂的一种新型主轴，此处的气体通常指的是空气，但也可以是其它气体。基于空气粘度低、耐高温、无污染等固有属性，气浮主轴在高速、高回转精度、低摩擦等场合有其独具的优越性。
气浮主轴作为超精密加工的主要部件，其性能直接影响工作精度。通常，气浮主轴主要由电机和气体静压轴承构成，气体静压轴承包括止推轴承和径向轴承，气体静压轴承通入气体可使主轴转子悬浮起来，再由电机直接驱动主轴旋转，通常主轴转轴为一体轴，所以主轴的装配难度也较高。在主轴运行时，由于气体静压轴承气膜剪切摩擦损耗和电机损耗，会导致主轴发生热变形，进而影响主轴部件的工作性能，有时甚至导致轴承结构发生热膨胀使得轴承发生卡死故障，其次，在主轴进行磨削时，被磨削物体的物理特性有时也会导致主轴发生卡死，这两种情况都会导致主轴电机发生堵转，严重时会烧毁电机。主轴电机在运行时产生的振动也会对气体静压轴承的间隙造成影响，从而影响主轴的承载力、刚度和工作精度。主轴结构中止推轴承和径向轴承的布置方式也是影响主轴承载力和刚度的重要的因素，因此，其布置方式也是主轴设计的重点。
现有的主轴技术中，广州市昊志机电股份有限公司的龚展宏等人申请的中国专利CN 111842942 A公开了一种气浮主轴，该气浮主轴包括机体、轴芯、气体静压轴承、气体动压轴承等，其中轴芯穿置于轴孔，为一段式轴芯，采用这种结构的轴芯会导致该气浮主轴在工作发生卡死故障时，可能导致气体轴承发生摩擦划伤以及使得主轴电机发生堵转，严重时会烧毁电机；北京中电科电子装备有限公司的李战伟等人申请的中国专利CN 112743452A公开了一种减薄机的气浮主轴，该气浮主轴主要包括转轴以及支撑驱动机构，该气浮主轴转轴呈倒T形结构，该结构会导致整个气浮主轴的刚度和承载力较低。
发明内容：
本发明提供了一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴。该主轴将转轴分为两段，采用永磁同步联轴器连接转轴代替传统的一段式转轴，可降低主轴的装配和制造难度；同时可以消除主轴电机齿槽转矩产生的振动对主轴减薄抛光精度的影响；而且可在主轴发生卡死故障时使得主轴电机转轴和气体静压轴承旋转结构脱离，既防止了气体静压轴承发生摩擦划伤，又避免了电机发生堵转而造成烧毁；电机工作时会产生大量热量，电机转轴与轴承旋转结构空间分离设计，降低了气体静压轴承的温升和热变形，提高了工作精度。该主轴采用两个止推轴承前后布置，一个径向轴承内侧布置的形式，使得气体静压轴承旋转结构呈工字形，这种布置方式可使主轴获得较大的承载力和刚度。
本发明采用如下技术方案：
本发明提出的永磁传动式气浮主轴主要由以下几部分组成：
主轴电机1、主轴电机定子1-1、主轴电机转子1-2、壳体2、电机转轴3、角接触球轴承4、筒式永磁同步联轴器5、筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体5-1、筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体5-2、后止推盘6、止推轴承7、轴承转轴8、轴承座9、前止推盘10、磨轮盘11、堵头12、径向轴承13、进气管接头14、盘式永磁同步联轴器15、盘式永磁同步联轴器主动转子永磁体15-1、盘式永磁同步联轴器从动转子永磁体15-2。
该永磁传动式气浮主轴的转轴传动形式主要为筒式永磁同步联轴器传动，也可采用盘式永磁同步联轴器传动，两种传动形式的原理基本相同，只是结构有所不同。
永磁传动式气浮主轴包括由主轴电机1，永磁联轴器以及气体静压轴承。主轴电机1的主轴电机定子1-1热套在壳体2上，主轴电机1的主轴电机转子1-2和筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体5-1粘接在电机转轴3上，主轴电机定子1-1和主轴电机转子1-2之间具有2-3mm气隙，电机转轴3通过角接触球轴承4支撑，筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体5-2粘接在后止推盘6一端，筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体5-1与筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体5-2之间具有2-3mm气隙；后止推盘6、轴承转轴8和前止推盘10三者通过螺栓连接呈工字形结构作为气体静压轴承部分的旋转结构，前止推盘10在通过螺栓与磨轮盘11连接，轴承座9通过螺栓与壳体2连接，两个止推轴承7热套在轴承座9前后端，一个径向轴承13热套在轴承座9内环，气体通过进气管接头14进入到轴承座9中，将气体供给止推轴承7和径向轴承13，两个止推轴承7分别与后止推盘6以及前止推盘10之间具有10-15μm的气隙，径向轴承13与轴承转轴8之间具有10-15μm的气隙。
当永磁传动式气浮主轴处于非工作状态时，筒式永磁同步联轴器5的主动转子永磁体5-1和从动转子永磁体5-2处于受力平衡状态，径向合力为0。当永磁传动式气浮主轴处于工作状态时，主轴电机1的主轴电机转子1-2带动电机转轴3旋转，筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体5-1也随电机转轴3旋转，此时筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体5-1与筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体5-2由N-S磁极正对位置变为存在一定的转角差，两转子永磁体N-S磁极相吸的磁拉力始终存在，该磁拉力的切向分力提供了带动筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体5-2的启动力矩，当气体通过进气管接头14进入到轴承座9中，将气体供给止推轴承7和径向轴承13时，后止推盘6、轴承转轴8和前止推盘10三者组合而成的工字形旋转结构就会悬浮起来，然后筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体5-2便被带动，之后两转子永磁体便同步旋转。若主轴在工作时发生卡死故障时，便会超过筒式永磁同步联轴器5所能传递的最大扭矩Tmax，此时筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体5-2以及后止推盘6、轴承转轴8和前止推盘10三者组合而成的工字形旋转结构不在旋转，而筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体5-1随着电机转轴3仍在高速旋转，筒式永磁同步联轴器5处于打滑状态。
当永磁传动式气浮主轴采用盘式永磁同步联轴器15时，其工作原理相同，盘式永磁同步联轴器主动转子永磁体15-1对应上述筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体5-1，盘式永磁同步联轴器从动转子永磁体15-2对应上述筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体5-2。
所述主轴可用于半导体晶圆减薄或抛光工艺。
所述主轴电机为永磁同步电机，但也可为异步电机。
所述主轴电机定子与主轴电机转子之间具有2-3mm气隙。
所述永磁同步联轴器主要为筒式永磁同步联轴器，但也可视结构替换为盘式永磁同步联轴器，两者工作原理相同。
所述永磁同步联轴器主动转子永磁体和从动转子永磁体以N-S交替的形式或Halbach阵列结构沿圆周均布，永磁体采用径向充磁，以N-S磁极形成磁耦合。
所述永磁同步联轴器主动转子与从动转子之间具有2-3mm气隙。
所述永磁同步联轴器的最大扭矩Tmax视主轴电机扭矩而设计，在主轴发生卡死故障时，永磁同步联轴器处于打滑状态。
所述止推轴承有两个，为圆盘状，热套在轴承座前后端。
所述径向轴承有一个，为圆筒状，热套在轴承座内环。
所述止推轴承和径向轴承材料可为石墨也可为锡青铜材料。
所述前止推盘、后止推盘和轴承转轴三者通过螺栓组成呈工字形结构作为气体静压轴承部分的旋转结构。
所述止推轴承、径向轴承与前止推盘、后止推盘和轴承转轴三者通过螺栓组成呈工字形结构之间具有10-15μm气隙。
本发明的积极效果如下：
本发明提供了一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴。该主轴转轴之间通过无直接接触的永磁同步联轴器连接代替传统的一段式转轴，使得主轴电机部分和气体静压轴承部分可单独装配在总装在一起，有效的降低了主轴的装配难度；利用永磁体N-S极之间的磁力耦合作用，来同步传递扭矩，在主轴发生卡死故障时，永磁同步联轴器处于打滑状态，使得轴承旋转结构不在旋转，而电机转轴仍在高速旋转，即防止了气体静压轴承发生摩擦划伤，又避免了主轴电机发生堵转造成烧毁；永磁同步联轴器主动转子永磁体和从动转子永磁体之间无接触，具有一定的间隙，可隔离主轴电机在工作时产生的振动，消除了主轴电机产生的振动对主轴工作精度的影响；主轴止推轴承、径向轴承与轴承旋转结构之间的气隙对主轴的工作精度有很大影响，所以轴承部分的热变形尤为重要，电机工作时会产生大量热量，电机转轴与轴承旋转结构空间分离设计，降低了气体静压轴承的温升和热变形，提高了工作精度。采用两个止推轴承前后布置，一个径向轴承内侧布置的形式，使得轴承旋转结构呈工字形，提高了主轴的承载力和刚度。
附图说明
图1是本发明实施例采用筒式永磁同步联轴器的主轴整体结构剖视图。
图2是本发明实施例主轴非工作状态时采用筒式永磁同步联轴器的磁路情况图。
图3是本发明实施例主轴工作状态时采用筒式永磁同步联轴器的磁路情况图。
图4是本发明实施例采用盘式永磁同步联轴器的主轴整体结构剖视图。
图5是本发明实施例采用盘式永磁同步联轴器时的电机转轴上的永磁排布情况图。
图6是本发明实施例主轴非工作状态时采用盘式永磁同步联轴器的磁路情况图。
图7是本发明实施例主轴工作状态时采用盘式永磁同步联轴器的磁路情况图。
图8是永磁同步联轴器传递扭矩曲线图。
1主轴电机 1-1主轴电机定子 1-2主轴电机转子 2壳体 3电机转轴 4角接触球轴承 5筒式永磁同步联轴器 5-1筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体 5-2筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体 6后止推盘 7止推轴承 8轴承转轴 9轴承座 10前止推盘 11磨轮盘12堵头 13径向轴承 14进气管接头 15盘式永磁同步联轴器 15-1盘式永磁同步联轴器主动转子永磁体 15-2盘式永磁同步联轴器从动转子永磁体
具体实施方式
下面结合实施例附图对本发明作进一步详述：
参见图1、图2、图3、图8，主轴采用筒式永磁同步联轴器5，当主轴处于非工作状态时，主轴电机1不工作，电机转轴3静止，此时筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体5-1也不随电机转轴3旋转，筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体5-1和筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体5-2两者处于受力平衡状态，此时的筒式永磁同步联轴器5的磁路情况如图2所示，两转子永磁体N-S磁极存在相互吸引的磁拉力，方向沿径向，且磁拉力沿周向均匀分布，筒式永磁同步联轴器5所受的总的径向合力为0，所以轴承转轴也处于静止状态；当主轴处于工作状态时，主轴电机1工作，主轴电机转子1-2带动电机转轴3旋转，由于筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体5-1粘接在电机转轴3上，故其跟随电机转轴3旋转，此时筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体5-2与筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体5-2由N-S磁极相对位置变为存在一定的角度差，此时的筒式永磁同步联轴器5的磁路情况如图3所示，由于两转子永磁体N-S磁极相吸的磁拉力始终存在，当两转子永磁体产生相对位置差时，磁拉力就会产生切向分力，此切向分力提供了带动从动转子永磁体的启动力矩，当气体通过进气管接头14进入到轴承座9中，将气体供给止推轴承7和径向轴承13时，后止推盘6、轴承转轴8和前止推盘10三者组合而成的工字形旋转结构便悬浮起来，然后被筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体5-2带动，之后两转子永磁体便同步旋转，磨轮盘11也随之旋转。正常传递扭矩时，筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体5-1与筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体5-2之间始终存在转角差θ，传递扭矩T与两转子永磁体之间的转角差θ为正弦曲线关系，如图8所示，随着转角差θ的不断增大，筒式永磁同步联轴器5所传递的扭矩T也随之增大，当主轴工作发生卡死故障，达到筒式永磁同步联轴器5所能传递的最大扭矩Tmax时，筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体5-2不在旋转，而筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体5-1仍随电机转轴3高速旋转，筒式永磁同步联轴器5处于打滑状态，这就避免了主轴发生卡死故障时，对止推轴承7和径向轴承13的摩擦划伤，还可防止主轴电机1因堵转发生烧毁。
参见图4、图5、图6、图7，主轴采用盘式永磁同步联轴器15，其主轴工作原理与采用筒式永磁联轴器时基本相同，这里不在陈述，只说明采用的盘式永磁同步联轴器的结构。图5为盘式永磁同步联轴器主动转子永磁体15-1的排布情况，16块永磁体沿周向以N-S交替的形式分布，也可采用Halbach阵列的形式排列，盘式永磁同步联轴器从动永磁体13-2的永磁体排列情况与其相反，即两转子永磁体的N、S相对排布。图6为主轴处于非工作状态时盘式永磁联轴器的磁路情况，此时磁拉力并无径向分力，电机转轴3不会带动后止推盘6、轴承转轴8和前止推盘10三者组合而成的工字形旋转结构旋转；图7为主轴处于工作状态时盘式永磁联轴器的磁路情况，此时磁拉力产生切向分力，此切向分力提供了带动从动转子永磁体的启动力矩，当气体通过进气管接头14进入到轴承座9中，将气体供给止推轴承7和径向轴承13时，后止推盘6、轴承转轴8和前止推盘10三者组合而成的工字形旋转结构便悬浮起来，之后便和磨轮盘11一起被带动起来。盘式永磁联轴器13的传递扭矩曲线也如图8所示，转角差θ与传递扭矩T的关系与筒式永磁联轴器5相同，此处不在陈述。
Claims (10)
1.一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴，其特征在于：主轴电机(1)的主轴电机定子(1-1)热套在壳体(2)上，主轴电机(1)的主轴电机转子(1-2)和筒式永磁同步联轴器(5)的筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体(5-1)粘接在电机转轴(3)上，电机转轴(3)通过角接触球轴承(4)支撑，筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体(5-2)粘接在后止推盘(6)一端；后止推盘(6)、轴承转轴(8)和前止推盘(10)三者通过螺栓连接呈工字形结构作为气体静压轴承部分的旋转结构，前止推盘(10)在通过螺栓与磨轮盘(11)连接，轴承座(9)通过螺栓与壳体(2)连接，两个止推轴承(7)热套在轴承座(9)前后端，一个径向轴承(13)热套在轴承座(9)内环，气体通过进气管接头(14)进入到轴承座(9)中，将气体供给止推轴承(7)和径向轴承(13)。
2.根据权利要求1所述的一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴，其特征在于：当永磁传动式气浮主轴处于非工作状态时，筒式永磁同步联轴器(5)的主动转子永磁体(5-1)和从动转子永磁体(5-2)处于受力平衡状态，径向合力为0；当永磁传动式气浮主轴处于工作状态时，主轴电机(1)的主轴电机转子(1-2)带动电机转轴(3)旋转，筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体(5-1)也随电机转轴(3)旋转，筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体(5-1)与筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体(5-2)由N-S磁极正对位置变为存在一定的转角差，两转子永磁体N-S磁极相吸的磁拉力始终存在，该磁拉力的切向分力提供了带动筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体(5-2)的启动力矩，当气体通过进气管接头(14)进入到轴承座(9)中，将气体供给止推轴承(7)和径向轴承(13)时，后止推盘(6)、轴承转轴(8)和前止推盘(10)三者组合而成的工字形旋转结构就会悬浮起来，然后筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体(5-2)便被带动，之后两转子永磁体便同步旋转；若主轴在工作时发生卡死故障时，便会超过筒式永磁同步联轴器(5)所能传递的最大扭矩Tmax，此时筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体(5-2)以及后止推盘(6)、轴承转轴(8)和前止推盘(10)三者组合而成的工字形旋转结构不在旋转，而筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体(5-1)随着电机转轴(3)仍在高速旋转，筒式永磁同步联轴器(5)处于打滑状态。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴，其特征在于：当筒式永磁同步联轴器(5)采用盘式永磁同步联轴器(15)时，盘式永磁同步联轴器主动转子永磁体(15-1)对应筒式永磁同步联轴器主动转子永磁体(5-1)，盘式永磁同步联轴器从动转子永磁体(15-2)对应筒式永磁同步联轴器从动转子永磁体(5-2)。
4.根据权利要求1所述的一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴，其特征在于：所述主轴电机为永磁同步电机，或者为异步电机。
5.根据权利要求1所述的一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴，其特征在于：所述主轴电机定子与主轴电机转子之间具有2-3mm气隙。
6.根据权利要求3所述的一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴，其特征在于：
所述永磁同步联轴器主动转子永磁体和从动转子永磁体以N-S交替的形式或Halbach阵列结构沿圆周均布，永磁体采用径向充磁，以N-S磁极形成磁耦合。
7.根据权利要求1所述的一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴，其特征在于：所述永磁同步联轴器主动转子与从动转子之间具有2-3mm气隙。
8.根据权利要求1所述的一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴，其特征在于：所述止推轴承有两个，为圆盘状，热套在轴承座前后端；
所述径向轴承有一个，为圆筒状，热套在轴承座内环。
9.根据权利要求1所述的一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴，其特征在于：所述止推轴承和径向轴承材料为石墨或锡青铜材料。
10.根据权利要求1所述的一种应用于晶圆减薄抛光的永磁传动式气浮主轴，其特征在于：所述前止推盘、后止推盘和轴承转轴三者通过螺栓组成呈工字形结构作为气体静压轴承部分的旋转结构。
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| CN (1) | CN114571362B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20060004258A (ko) * | 2004-07-09 | 2006-01-12 | 한양대학교 산학협력단 | 자기 스러스트 베어링과 유체 동압 저널 베어링을 갖는스핀들 모터 |
| CN202224662U (zh) * | 2011-07-07 | 2012-05-23 | 北京工业大学 | 高精度高刚度大扭矩液体静压电主轴 |
| CN105149621A (zh) * | 2015-09-01 | 2015-12-16 | 上海大学 | 磁悬浮与人字槽动静压气体混合轴承支承的电主轴 |
| CN214080891U (zh) * | 2020-11-16 | 2021-08-31 | 洛阳传顺机械设备有限公司 | 一种半导体晶圆研磨用超声波气静压永磁同步电主轴 |
-
2022
- 2022-02-10 CN CN202210123909.0A patent/CN114571362B/zh active Active
Patent Citations (4)
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| KR20060004258A (ko) * | 2004-07-09 | 2006-01-12 | 한양대학교 산학협력단 | 자기 스러스트 베어링과 유체 동압 저널 베어링을 갖는스핀들 모터 |
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