CN1540839A - 致动器线圈的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

一种致动器线圈，具有产生磁场的跑道状绕组。一冷却管具有流经其的冷却流体，且包围所述跑道状绕组的外围。多个导热条一般设置成横向于至少部分所述跑道状绕组，以将热量自所述跑道状绕组传递给所述冷却管。

Description

致动器线圈的冷却系统
                      发明背景
发明领域
本发明涉及对致动器的线圈进行冷却，更具体的，涉及用在洛伦兹力致动器和电动机中的线圈，该洛伦兹力致动器和电动机用在平版印刷工具中以浮起和驱动平台。
技术背景
洛伦兹力致动器由两个物理分离的磁性元件组成。第一元件通常是激励线圈，经由该激励线圈流通电流。第二元件由往往与额外高磁导率材料相结合的永久磁铁组件构成，共同生成穿过线圈的强磁场。流经线圈的电流与永久磁铁组件生成的磁场之间相互作用，产生作用于该线圈的一个力以及作用于该永久磁铁组件的一个大小相等且方向相反的反作用力。位于强磁场内的线圈部分可被称为该线圈的有效部分。除非将热量传导给流通的冷却流体以充分地冷却线圈，否则散逸到该线圈内的热量会导致其温度过度升高。
在某些情况中，为增大流向冷却流体的热量，需要在线圈有效部分的表面安装薄的冷却套管。这种冷却套管通常由陶瓷例如氮化硅制成，这种材料提供了高电阻率与高导热性的良好结合，因而能高效地传递热量，不会由于强磁场而产生不希望的涡流阻尼效应。
也可采用不锈钢，但其既不具有高电阻率又不具有高导热性。填充聚合物具有高电阻率，但其导热性较弱，通常不能用以密封冷却水。陶瓷是易碎的、制造昂贵、不能(特别对于薄部分而言)在无泄漏的情况下可靠地输送水。
发明概述
本发明旨在一种致动器线圈的冷却系统，该系统基本能避免现有技术的一个或多个问题及缺陷。
本发明的一种实施例包括一种具有跑道状绕组的洛伦兹致动器线圈，一冷却管包围该跑道状绕组的外围，流体流经该冷却管。多个电绝缘的金属导热条一般设置成横向于跑道状绕组的有效部分，以将热量自该跑道状绕组传递给冷却管，同时产生明显的涡流效应。
另一方面，提供了一种具有底盘的线圈盘组件。一种冷却管具有流经其的冷却流体。多个跑道状线圈围绕底盘对称地设置且垂直于该底盘。每个跑道状线圈都具有一种产生磁场的跑道状绕组。冷却管包围该跑道状绕组的外围。每个跑道状线圈还包括多个导热条，该多个导热条一般设置成横向于至少部分的跑道状绕组，以将热量自该跑道状绕组传递给冷却管。
本发明的其它特征和优点将在以下说明书中阐述，部分特征和优点自该说明书将变得显而易见或者通过实施本发明可以认识到。通过在所撰写的说明书和其权利要求书以及附图中特别指出的构造，能够实现并获得本发明的优点。
应认识到的是，以上概括描述和以下详细描述都是示范性和说明性的，它们都旨在对所要求的本发明进行进一步的说明。
附图的简要说明
附图用以说明本发明的具体实施例，并被纳入本说明书中构成本说明书的一部分。附图表示了本发明的实施例，其与以下详细描述一起用以说明本发明的原理。其中：
图1表示本发明一种实施例的短行程线圈盘组件。
图2表示本发明线圈组件的另一种实施例。
优选实施例的详细描述
现在将详细地参照本发明实施例，本发明实施例表示在附图中。
本发明存在大量应用。这些应用包括电磁力致动器，以及用在精密晶片平台和调度盘平台内的线性电动机，例如用在半导体制造中的线性电动机，但本发明并不限于这些应用。
在一种典型的照相平版印刷工具中，晶片安装在平台上，该晶片具有多个自由度，X、Y、Z自由度以及可能的某些旋转自由度。某些系统还包括具有长行程平台的晶片平台，该长行程平台与磁力浮起的短行程平台协同操作。利用传统轴承引导并利用线性电动机驱动长行程平台，该长行程平台提供大幅度的X、Y运动。伺服控制该短行程平台以提供六个自由度的超精密定位。在这种系统中，晶片本身安装在短行程平台的一种单片元件上，利用电磁力使该单片元件浮起。单片元件包括生成强磁场的永久磁铁，该强磁场与短行程致动器线圈相互作用，该短行程致动器线圈是独立的线圈盘组件的一部分。短行程线圈盘组件通常安装在长行程移动元件的顶部上。洛伦兹线圈频繁地用在这种致动器应用中，由于要求高电流和强磁场，因而不易于冷却。
洛伦兹致动器产生的热量常常导致畸变及难以对齐晶片。这种情况特别发生在需要非常靠近晶片本身的短行程致动器组件上。
可利用导电线圈或一系列导电条将致动器线圈的热量传递给冷却水管，该冷却水管位于具有最高磁场强度的区域外部。由绝缘铜或铝导线缠绕而成的线圈，或者许多绝缘铜或铝条都能高效地传导热量，而不会产生涡流阻尼。图1表示了一种这样的方案。一种薄壁的不锈钢冷却水管包围致动器线圈外部的三个侧面。绝缘铜或铝导线既包围线圈又包围冷却管。所得到线圈的端部是电绝缘的，这样在线圈内形成的电动势(EMF)就不会产生回路电流。通过采用适当的导线尺寸，该导线内的涡流能够最小化。在铝导线的情况下，可采用氧化铝以提供充分的绝缘，同时使热传递最大化。
如图1所进一步表示的，短行程线圈盘组件101包括底盘120。尽管此图中未表示，但晶片安装在直接位于其上方的一种整体块上。整体块内的磁性元件(例如，NdFeB磁铁)产生密集磁场，该密集磁场与流经线圈的电流相互作用，从而生成作用于该整体块的洛伦兹力并控制该整体块的运动。如图1所进一步表示的，组件101包括多个(在此例中)设置成正方形的致动器线圈组件102A-102D。每个致动器线圈组件102都包括缠绕成跑道状的线圈103(为清楚起见，图1中仅表示了一个线圈103)。代替该跑道状绕组，可采用平面线圈或重叠线圈(overlapping coil)。热传递条111布置成与线圈103接触。跑道状线圈103还可称为致动器驱动线圈。选择性的，致动器线圈组件102A-102D提供X、Y平面的运动，包括转动。
冷却管113包围每个致动器线圈组件102外围的三个侧面。在这种实施例中，利用单个冷却管113来冷却全部四个线圈。冷却管113包括一个输入流体连接部104和一个输出流体连接部105。利用连接口112A，112B与一种液体供应系统(此图未表示)连接。分别利用电接插件107A-107D给致动器线圈组件102A-102D供应电流。
还利用冷却套管110A-110D将热量自跑道状线圈103传递给冷却管113。应注意的是，冷却套管110位于这样一个区域内，该区域内的磁力没有致动器线圈组件102其它地方的磁力那么强。因此，由涡流导致的问题可减至最少。
还应注意的是，尽管所表示的致动器线圈组件102A-102D具有中央孔，这种布置对于减少不希望的声耦合是优选的，但也可不具有这种孔。
组件101还包括四个聚焦线圈106A-106D，它们用于在Z轴上定位其上搁置着晶片的整体块。分别利用电接插件108A-108D给聚焦线圈106A-106D供应电流。由于Z轴移动量通常较小，聚焦线圈106A-106D也可较小。由此，通过采用致动器线圈组件102和聚焦线圈106来磁力控制晶片在X，Y，Z空间中的位置。
还应注意的是，除水以外，可采用乙二醇作为流经冷却管113的冷却流体。还应注意的是，在图1所示实施例中，导热条111缠绕成线圈图案。导热条111可由任何金属制成，包括易于加工的较软金属例如铜、不锈钢、金、铝等。选择性的，可采用石墨或石墨纤维。还应注意的是，导热条111通过传导而不是对流(对流涉及物理输送流体或其它介质)来传递热量。
尽管图1表示了四个驱动线圈和四个聚焦线圈，但应认识到的是，可采用更多或更少的驱动线圈和聚焦线圈。例如，在本发明也可应用的调度盘平台的情况中，仅采用两个致动器线圈组件102(或者在某些情况中，仅一个致动器线圈组件，在这种情况中仅沿着一个轴进行调节，换句话说，仅需要单独一个自由度)。
作为一种可供选择的方式，使条111为微管，冷却流体流经该微管。在任一种情况中，热传递方向一般都横向于跑道状绕组的方向。
作为另一种可供选择的方式，可采用一系列堆叠的绝缘马蹄钉(wirestaples)来代替条111的连续线圈绕组。
图2表示的另一种实施例采用一系列铜或铝条，该铜或铝条安装在一种薄的电绝缘玻璃纤维板上。该条既粘结在致动器驱动线圈的表面上，又粘结在晶片冷却管上。用相同的附图标记来标识与图1相同的部件。另外，薄的纤维片202用作电绝缘体。此外，导热条111没有缠绕成线圈，而是并排放置。如同图1，热传递方向一般横向于线圈103的跑道状绕组的方向。
此外，对于图2，在制造过程中可剥除玻璃纤维片202，或者其留在原位，以使制造成本最小化。
前述方法的制造成本少于传统技术的制造成本，并能够提高性能和可靠性。
本领域技术人员能够认识到，在不脱离如所附权利要求书限定的本发明实质与范围的情况下，可对这里的形式和细节作出各种变化。因此，本发明的广度与范围不应被限制为以上所述示范性实施例的任何一种，而应依据以下权利要求书及它们的等效方案来限定。

Claims (23)

1.一种致动器，包括：
导线圈，用于输送电流以形成磁场，所述磁场是通过单独的磁性元件产生的；
冷却管，具有流经所述冷却管的冷却流体，所述冷却管位于所述导线圈的附近但在所述导线圈的外部，且其包围所述导线圈的外围；以及
多个导热条，一般设置成横向于至少部分所述导线圈，以将热量自所述导线圈传递给所述冷却管。
2.如权利要求1所述的致动器线圈，还包括：冷却套管，其围绕所述导线圈的一侧且围绕所述冷却管。
3.如权利要求1所述的致动器线圈，其特征在于，所述多个导热条布置成线圈状。
4.如权利要求1所述的致动器线圈，其特征在于，所述多个导热条并排布置。
5.如权利要求1所述的致动器线圈，其特征在于，所述多个导热条中的每一个都包括一微管，冷却流体流经所述微管。
6.如权利要求1所述的致动器线圈，其特征在于，所述多个导热条由金属形成。
7.如权利要求1所述的致动器线圈，其特征在于，所述多个导热条由钢、金、铝、铜、石墨和石墨纤维中的任何一种形成。
8.如权利要求1所述的致动器线圈，其特征在于，所述导线圈是一种跑道状绕组。
9.如权利要求1所述的致动器线圈，其特征在于，所述导线圈是平面线圈。
10.如权利要求1所述的致动器线圈，其特征在于，所述导线圈是多个重叠线圈。
11.一种线圈盘组件，包括：
底盘；
冷却管，冷却流体流经所述冷却管；
多个线圈绕组，围绕所述底盘对称地设置并且垂直于所述底盘，每个线圈绕组都产生磁场，其中，所述冷却管包围所述线圈绕组的外围；
每个线圈绕组还包括多个导热条，所述导热条一般被设置成横向于至少部分所述跑道状绕组，以将热量自所述线圈绕组传递给所述冷却管。
12.如权利要求11所述的线圈盘组件，还包括：安装在所述底盘上的多个聚焦线圈。
13.如权利要求11所述的线圈盘组件，还包括：冷却套管，其围绕所述线圈绕组的一侧且围绕所述冷却管。
14.如权利要求11所述的线圈盘组件，其特征在于，所述多个导热条布置成线圈状。
15.如权利要求11所述的线圈盘组件，其特征在于，所述多个导热条并排布置。
16.如权利要求11所述的线圈盘组件，其特征在于，所述多个导热条中的每一个都包括一微管，冷却流体流经所述微管。
17.如权利要求11所述的线圈盘组件，其特征在于，所述多个导热条由金属形成。
18.如权利要求11所述的线圈盘组件，其特征在于，所述多个导热条由钢、金、铝、铜、石墨和石墨纤维中的任何一种形成。
19.如权利要求11所述的线圈盘组件，其特征在于，所述多个导热条包括多个堆叠的绝缘马蹄钉。
20.如权利要求11所述的线圈盘组件，其特征在于，所述导线圈是一种跑道状绕组。
21.如权利要求11所述的线圈盘组件，其特征在于，所述导线圈是平面线圈。
22.如权利要求11所述的线圈盘组件，其特征在于，所述导线圈是多个重叠线圈。
23.一种电动机线圈，包括：
导线圈，用于输送电流以形成磁场，所述磁场是通过单独的磁性元件产生的；
冷却管，具有流经所述冷却管的冷却流体，所述冷却管位于所述导线圈的附近但在所述导线圈的外部，且其包围所述导线圈的外围；以及
多个导热条，一般设置成横向于至少部分所述导线圈，以将热量自所述导线圈传递给所述冷却管。
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