TWI545875B - Magnetic array and magnetic float plane motor - Google Patents

Magnetic array and magnetic float plane motor Download PDF

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TWI545875B TW103144947A TW103144947A TWI545875B TW I545875 B TWI545875 B TW I545875B TW 103144947 A TW103144947 A TW 103144947A TW 103144947 A TW103144947 A TW 103144947A TW I545875 B TWI545875 B TW I545875B
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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Description

磁陣列以及磁浮平面電動機
本發明有關於積體電路製造領域，特別有關於一種磁陣列以及磁浮平面電動機。
在光蝕刻裝置領域，運送台的運送需要多自由度運送裝置驅動，磁浮平面運送裝置可以實現六個自由度的解耦運動，且這種運送裝置可以節省中間傳動環節，結構緊湊，有利於提高運送台的運送效率，可以實現更高的定位精度與運送加速度。
驅動磁浮平面運送裝置動作的是六自由度磁浮平面電動機，其可分為動線圈式和動磁鐵式。其中，動磁鐵式磁浮平面電動機因其轉子減少線纜約束，因此在光蝕刻裝置運送台的應用上有著更好的應用前景。目前存在一種以PCB電路板作為定子的動磁鐵式磁浮平面電動機，其結構形式如圖1所示，磁浮平面電動機1包括定子線圈11和磁陣列12。其中，定子線圈11分為第一、第二、第三、第四區域11A、11B、11C、11D四個區域；如圖2所示，該磁陣列12包括第一、第二、第三、第四磁陣列12A、12B、12C、12D。磁浮平面電動機1工作時，第一、第二區域11A、11B的線圈通電可以激勵第一磁陣列12A和第二磁陣列12B產生Z方向和X方向出力；第三、第四區域11C、11D的線圈通電可以激勵第三磁陣列12C和第四磁陣列12D產生Z方向和Y方向出力。該四個磁陣列也稱為四個發 力體，因其各自可以產生垂直方向和水平方向的推力，因此可以驅動整個磁浮平面電動機的轉子部分做六自由度運動。各磁陣列的充磁方向如圖3所示，單個發力體是不同極性磁鐵拼接長度為4τ的一維海爾貝克(Halbach)磁陣列。
採用一維海爾貝克磁陣列的磁浮平面電動機存在電動機推力較小的問題。
本發明提供一種磁陣列以及磁浮平面電動機，以解決現有技術中磁浮平面電動機推力較小的問題。
為解決上述技術問題，本發明提供一種磁陣列，大致為正方形，由至少一對一維海爾貝克(Halbach)磁陣列和一對二維海爾貝克磁陣列排列在XY平面內而構成，該對二維海爾貝克磁陣列分設於正方形的一條對角線的兩端位置處。
較佳地，該對二維海爾貝克磁陣列包括：N磁鐵、圍設在該N磁鐵周圍的S磁鐵以及H磁鐵，該H磁鐵的充磁方向指向該S磁鐵。
較佳地，該對二維海爾貝克磁陣列的N磁鐵和S磁鐵為正方形，該對二維海爾貝克磁陣列的最週邊設置有三角形的N磁鐵或S磁鐵。
較佳地，該N磁鐵和該S磁鐵為八邊形，該對二維海爾貝克磁陣列的最週邊設置有1/2八邊形或1/4八邊形的該N磁鐵或該S磁鐵。
較佳地，該N磁鐵和該S磁鐵緊密排列，該對二維海爾貝克磁陣列的該H磁鐵位於該N磁鐵和該S磁鐵排列後形成的空 隙中。
較佳地，該H磁鐵設置於該N磁鐵和該S磁鐵之間，同時填充在該N磁鐵和該S磁鐵排列後形成的空隙中。
較佳地，位於該N磁鐵和該S磁鐵排列後形成的空隙中的該H磁鐵的充磁方向指向該S磁鐵，並與X方向和Y方向均呈45度角。
較佳地，該至少一對一維海爾貝克磁陣列包括一對第一磁陣列和一對第二磁陣列，其中，該第二磁陣列中磁鐵的長度大於該第一磁陣列中磁鐵的長度。
較佳地，在XY平面上，位於該對二維海爾貝克磁陣列中心的磁鐵與位於該對第一、第二磁陣列中心的磁鐵為同極性磁鐵。
較佳地，該對第一磁陣列和該對第二磁陣列均由平行設置的長方形的該N磁鐵、該S磁鐵以及設置於該N磁鐵和該S磁鐵之間的該H磁鐵組成。
較佳地，該至少一對一維海爾貝克磁陣列的數目與該對二維海爾貝克磁陣列的數目相同，該至少一對一維海爾貝克磁陣列和該對二維海爾貝克磁陣列拼接形成正方形。
本發明還提供了一種磁浮平面電動機，包括如上所述的磁陣列，以及位於該磁陣列下方的一線圈陣列。
較佳地，所示磁浮平面電動機還包括設置在該磁陣列上的背鐵。
較佳地，該線圈陣列包括用於X方向出力的第一線圈、用於Y方向出力的第二線圈，該第一、第二線圈佈線方向相互 交叉並層疊佈置。
較佳地，該線圈陣列為PCB線圈陣列。
較佳地，該第一、第二線圈之間設置有絕緣體。
較佳地，該磁陣列作為轉子，線圈陣列為定子，該定子採用相間跨距為4τ/3的接線方式，其中，磁陣列中該至少一對一維海爾貝克磁陣列中的該N磁鐵與臨近的該S磁鐵之間的極距與該對二維海爾貝克磁陣列中的該N磁鐵與臨近的該S磁鐵間的極距相等，用τ表示。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：本發明的磁陣列採用了二維海爾貝克磁陣列與一維海爾貝克磁陣列相結合的方式，與同樣尺寸的純一維磁陣列相比，增大了電動機推力常數。
1‧‧‧磁浮平面電動機
11‧‧‧電動機定子
11A‧‧‧第一區域
11B‧‧‧第二區域
11C‧‧‧第三區域
11D‧‧‧第四區域
12‧‧‧磁陣列
12A‧‧‧第一磁陣列
12B‧‧‧第二磁陣列
12C‧‧‧第三磁陣列
12D‧‧‧第四磁陣列
100‧‧‧磁陣列
100’‧‧‧磁陣列
100”‧‧‧磁陣列
110‧‧‧二維海爾貝克磁陣列
110’‧‧‧二維海爾貝克磁陣列
110”‧‧‧一維海爾貝克磁陣列
110A‧‧‧第一二維海爾貝克磁陣列
110B‧‧‧第二二維海爾貝克磁陣列
111‧‧‧N磁鐵
112‧‧‧S磁鐵
113‧‧‧H磁鐵
120‧‧‧第一磁陣列
120’‧‧‧一維海爾貝克磁陣列
120A‧‧‧第一一維海爾貝克磁陣列
120B‧‧‧第二一維海爾貝克磁陣列
130‧‧‧第二磁陣列
200‧‧‧電動機定子
210‧‧‧第一線圈
210’A‧‧‧第一線圈
210’B‧‧‧第一線圈
220‧‧‧第二線圈
220’A‧‧‧第二線圈
220’B‧‧‧第二線圈
230‧‧‧絕緣體
300‧‧‧背鐵
圖1為現有技術磁浮平面電動機俯視圖；圖2為現有技術磁浮平面電動機中磁陣列佈局示意圖；圖3為現有技術中磁陣列充磁示意圖；圖4為本發明實施例1中磁浮平面電動機側視圖；圖5為本發明實施例1中磁浮平面電動機中磁浮陣列佈局示意圖；圖6至8分別為本發明實施例1中磁陣列中的二維海爾貝克磁陣列的佈局示意圖(第一磁陣列為方形)；圖9為本發明實施例1中磁陣列中的一維海爾貝克磁陣列的佈局示意圖(第一磁陣列)；圖10為本發明實施例1中磁陣列中的一維海爾貝克磁陣列的 佈局示意圖(第二磁陣列)；圖11為本發明實施例1中磁浮平面電動機線圈接線方式示意圖；圖12為本發明實施例1中磁浮平面電動機工作原理示意圖；圖13為本發明實施例1中Y方向磁陣列拼接方式示意圖；圖14為本發明實施例1中X方向磁陣列拼接方式示意圖；圖15為本發明實施例1中磁陣列中的二維海爾貝克磁陣列的佈局示意圖(第一磁陣列為長方形)；圖16為本發明實施例2中磁陣列佈局示意圖；圖17為本發明實施例2中磁浮平面電動機工作原理圖；圖18為本發明實施例2中磁陣列的展開示意圖；圖19為本發明實施例3中磁陣列的佈局示意圖；圖20為本發明實施例3中磁陣列中一維海爾貝克磁陣列佈局示意圖；以及圖21為本發明實施例3中磁浮平面電動機線圈接線方式示意圖。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。需說明的是，本發明附圖均採用簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、清晰地輔助說明本發明實施例的目的。
[實施例1]
請參照圖4，本實施例中，磁浮平面電動機包括：電動機轉子 和電動機定子200，電動機轉子包括：磁陣列100和設置在磁陣列100上的背鐵300；電動機定子200採用PCB印刷電路板製成，包括：用於產生X方向出力的第一線圈210和用於產生Y方向出力的第二線圈220，第一線圈210和第二線圈220互相正交並層疊佈置，且線圈之間設置有絕緣體230。
請重點參照圖5，磁陣列100由一維海爾貝克磁陣列與 二維海爾貝克磁陣列110共同組成。其中，二維海爾貝克磁陣列110有兩組；一維海爾貝克磁陣列包括：第一磁陣列120和第二磁陣列130，其中，第二磁陣列130與第一磁陣列120相比，只是延伸同極性磁鐵的長度。
請重點參照圖6至圖8，本實施例中，二維海爾貝克磁 陣列110，由三種充磁方向的磁鐵拼接而成。三種磁鐵分別為：垂直紙面向外充磁的N磁鐵111，垂直紙面向裡充磁的S磁鐵112以及水平方向充磁的H磁鐵113，其充磁方向始終指向S磁鐵112。二維海爾貝克磁陣列110在X和Y方向的N-S極距都為τ，是一個邊長為4τ的正方形陣列。
具體地，二維海爾貝克磁陣列110中三種充磁方向的磁鐵有多種拼接方式：第一種如圖6所示，N磁鐵111和S磁鐵112為正方形，位於二維海爾貝克磁陣列110最週邊的N磁鐵(亦可為S磁鐵)為三角形，N磁鐵111和S磁鐵112之間為H磁鐵113。在本發明的其他實施方式中，二維海爾貝克磁陣列的最週邊亦可不設置三角形磁鐵，均由正方形的N磁鐵111和S磁鐵112在兩個方向間隔H磁鐵113進行排列形成。
第二種如圖7所示，N磁鐵111和S磁鐵112為八邊形， 位於二維海爾貝克磁陣列110最週邊位置處的N磁鐵(亦可為S磁鐵)為1/2八邊形(位於二維海爾貝克磁陣列110邊緣位置)或者1/4八邊形(位於二維海爾貝克磁陣列110的頂角位置處)；且N磁鐵111和S磁鐵112緊密排列，H磁鐵113位於N磁鐵111和S磁鐵112排列後形成的空隙中，其充磁方向指向S磁鐵112，並與水平方向呈45度角。在本發明的其它實施方式中，二維海爾貝克磁陣列的最週邊亦可不設置1/2八邊形或1/4八邊形的磁鐵，均由八邊形的N磁鐵111和S磁鐵112在兩個方向間隔H磁鐵113進行排列形成。
第三種如圖8所示，N磁鐵111和S磁鐵112同樣為八邊 形，H磁鐵113設置於N磁鐵111和S磁鐵112之間，同時填充在N磁鐵111和S磁鐵112排列後形成的空隙中。位於空隙中的H磁鐵113的充磁方向指向S磁鐵112且與水平方向呈45度角，而其它位置處的H磁鐵113的方向指向S磁鐵112。
請重點參照圖9及圖10，一維海爾貝克磁陣列中，第 一、第二磁陣列120、130均是由充磁方向由紙面向外的N磁鐵、充磁方向由紙面向裡的S磁鐵和充磁方向指向S磁鐵的H磁鐵拼接而成，第一、第二磁陣列120、130與二維海爾貝克磁陣列110相拼接的一邊的邊長為4τ。
請重點參照圖5，設定磁陣列100中N磁鐵111和S磁鐵 112間極距為τ，兩二維海爾貝克磁陣列110在X和Y方向上都相距Df，第一磁陣列120在X方向相距Df，兩第二磁陣列130在Y方向相距Df，在本實施例中，相距指的是兩磁陣列中心線之間的垂直距離，其中，Df滿足關係式Df=(N+0.5)τ，其中N為大於等於4的整數。
在磁浮平面電動機中，電動機轉子200的線圈接線方 式如圖11所示，其採用相間跨距為4τ/3的接線方式。
請重點參照圖12，磁浮平面電動機工作方式與線圈通電關係如下：第一線圈210通電時，激勵二維海爾貝克磁陣列110和第一磁陣列120產生X方向和Z方向出力；第二線圈220通電時，從而激勵二維海爾貝克磁陣列110和第二磁陣列130產生Y方向和Z方向出力。因此，由於第一線圈210和第二線圈220分別有兩組，因此分別控制各線圈的通電，可以實現電動機轉子的六自由度運動。
進一步的，如圖13所示，在Y方向，二維海爾貝克磁陣列110與第一磁陣列120之間滿足：二維海爾貝克磁陣列110在XY平面幾何中心所在磁鐵及第一磁陣列120在XY平面幾何中心所在磁鐵為同極性磁鐵，即充磁方向相同，且兩者XY平面的幾何中心在同一YZ平面上。由於二維海爾貝克磁陣列110與第一磁陣列120的N-S極距都是τ、拼接邊的邊長都是4τ，因此可以滿足圖12中第一線圈210通電，二維海爾貝克磁陣列110與第一磁陣列120產生相同方向的X方向及/或Z方向出力。
相應的，如圖14所示，在X方向，二維海爾貝克磁陣列110與第二磁陣列130拼接佈局滿足：二維海爾貝克磁陣列110在XY平面幾何中心所在磁鐵及第二磁陣列130在XY平面幾何中心所在磁鐵為同極性磁鐵，且兩者XY平面的幾何中心在同一XZ平面上，由於二維海爾貝克磁陣列110與第二磁陣列130的N-S極距都是τ、拼接邊的邊長都是4τ，因此可以滿足圖12中，第二線圈220通電 時，二維海爾貝克磁陣列110與第二磁陣列130產生相同方向的Y方向和/或Z方向出力。
需要說明的是，第一磁陣列120可以為圖5所示的方 形，也可以為圖15所示的長方形，本實施例對第一磁陣列120和第二磁陣列130的長、寬不予限定。
[實施例2]
本實施例與實施例1的區別點在於磁陣列的佈局不同。
具體如圖16所示，磁陣列100’由兩塊二維海爾貝克磁陣列110’以及兩塊一維海爾貝克磁陣列120’拼接而成。二維海爾貝克磁陣列110’包括第一、第二二維海爾貝克磁陣列110A和110B。一維海爾貝克磁陣列120’包括第一、第二一維海爾貝克磁陣列120A和120B。
磁陣列100’的工作方式與線圈通電關係如圖17所示。
第一線圈210’B通電，從而激勵第一二維海爾貝克磁陣列110A和第一一維海爾貝克磁陣列120A產生X方向和Z方向出力，第二線圈220’B通電，從而激勵第二二維海爾貝克磁陣列110B產生Y方向和Z方向出力，以保持電動機轉子的Z、Rx、Ry和Rz方向運動。
第二線圈220’A通電，從而激勵第一二維海爾貝克磁陣列110A和第二一維海爾貝克磁陣列120B產生Y方向和Z方向出力；第一線圈210’A通電，從而激勵第二二維海爾貝克磁陣列110B產生X方向出力和Z方向出力，以保持電動機的Z、Rx、Ry、Rz方向運動。
本實施例的磁陣列100’採用了緊密佈局形式，使得整 個電動機轉子均有磁鐵覆蓋，提高了空間利用率。進一步地，磁陣列100’可以作為模組方便地進行拼接擴展，從而形成如圖18所示的尺寸更大的磁陣列100’。
[實施例3]
本實施例與實施例1和實施例2的區別點在於，電動機定子中線圈的接線方式不同。
如圖19所示，本實施例中，磁陣列100”由四個一維海 爾貝克磁陣列110”組成。單個磁陣列110”如圖20所示，由N磁鐵、S磁鐵和H磁鐵拼接而成，磁鐵中N-S極距為τ，不同極性磁鐵拼接總長為5τ。平行設置的兩一維海爾貝克磁陣列110”在X方向/Y方向相距Df，Df滿足關係式Df=(N+0.5)τ，其中N為大於等於5的整數。
相應的，與磁陣列100”對應，電動機定子的線圈的接 線方式如圖21所示，其採用相間跨距為5τ/3的接線方式，提高空間利用率。
顯然，本領域的技術人員可以對發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明申請專利範圍及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包括這些改動和變型在內。
100‧‧‧磁陣列
110‧‧‧二維海爾貝克磁陣列
120‧‧‧第一磁陣列
130‧‧‧第二磁陣列

Claims (19)

  1. 一種磁陣列，大致為正方形，由至少一對一維海爾貝克(Halbach)磁陣列和一對二維海爾貝克磁陣列排列在XY平面內而構成，該對二維海爾貝克磁陣列分設於正方形的一條對角線的兩端位置處；該至少一對一維海爾貝克磁陣列包括一對第一磁陣列和一對第二磁陣列，其中，該對第二磁陣列中磁鐵的長度大於該對第一磁陣列中磁鐵的長度，該對第一磁陣列位於該對二維海爾貝克磁陣列和該對第二磁陣列之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之磁陣列，其中，該對二維海爾貝克磁陣列包括：N磁鐵、圍設在該N磁鐵周圍的S磁鐵以及H磁鐵。
  3. 如申請專利範圍第2項之磁陣列，其中，該對二維海爾貝克磁陣列的該N磁鐵和該S磁鐵為正方形，該H磁鐵的充磁方向指向該S磁鐵。
  4. 如申請專利範圍第3項之磁陣列，其中，該對二維海爾貝克磁陣列的最週邊還設置有三角形的該N磁鐵或該S磁鐵。
  5. 如申請專利範圍第2項之磁陣列，其中，該對二維海爾貝克磁陣列的該N磁鐵和該S磁鐵為八邊形。
  6. 如申請專利範圍第5項之磁陣列，其中，該對二維海爾貝克磁陣列的最週邊還設置有1/2八邊形或1/4八邊形的該N磁鐵或該S磁鐵。
  7. 如申請專利範圍第5項之磁陣列，其中，該N磁鐵和該S磁鐵緊密排列，該H磁鐵位於該N磁鐵和該S磁鐵排列後形成的空隙中。
  8. 如申請專利範圍第5項之磁陣列，其中，該H磁鐵設置於該 N磁鐵和該S磁鐵之間，同時填充在該N磁鐵和該S磁鐵排列後形成的空隙中。
  9. 如申請專利範圍第7或8項之磁陣列，其中，位於該N磁鐵和該S磁鐵之間的該H磁鐵的充磁方向指向該S磁鐵，位於該N磁鐵和該S磁鐵排列後形成的空隙中的該H磁鐵的充磁方向指向該S磁鐵，並與X方向和Y方向均呈45度角。
  10. 如申請專利範圍第1項之磁陣列，其中，在XY平面上，位於該對二維海爾貝克磁陣列中心的磁鐵與位於該對第一、第二磁陣列中心的磁鐵為同極性磁鐵。
  11. 如申請專利範圍第1項之磁陣列，其中，該對第一磁陣列和該對第二磁陣列均由平行設置的長方形的N磁鐵、S磁鐵以及設置於該N磁鐵和該S磁鐵之間的H磁鐵組成。
  12. 如申請專利範圍第1項之磁陣列，其中，該至少一對一維海爾貝克磁陣列的數目與該對二維海爾貝克磁陣列的數目相同，該至少一對一維海爾貝克磁陣列和該對二維海爾貝克磁陣列拼接形成正方形。
  13. 一種磁陣列，是採用多個申請專利範圍第1項之磁陣列沿X方向及Y方向佈局形成的正方形磁陣列。
  14. 一種磁浮平面電動機，包括申請專利範圍第1或13項之磁陣列，以及位於該磁陣列下方的一線圈陣列。
  15. 如申請專利範圍第14項之磁浮平面電動機，還包括設置在該磁陣列上的背鐵。
  16. 如申請專利範圍第14項之磁浮平面電動機，其中，該線圈陣列包括用於X方向出力的第一線圈、用於Y方向出力的第二線 圈，該第一、第二線圈佈線方向相互交叉並層疊佈置。
  17. 如申請專利範圍第14項之磁浮平面電動機，其中，該線圈陣列為PCB線圈陣列。
  18. 如申請專利範圍第16項之磁浮平面電動機，其中，該第一、第二線圈之間設置有絕緣體。
  19. 如申請專利範圍第14項之磁浮平面電動機，其中，該磁陣列作為轉子，該線圈陣列為定子，該定子採用相間跨距為4 τ/3的接線方式，其中，該磁陣列中該至少一對一維海爾貝克磁陣列中的N磁鐵與臨近的S磁鐵之間的極距與該對二維海爾貝克磁陣列中的該N磁鐵與臨近的該S磁鐵間的極距相等，用τ表示。
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