TWI820153B - 電磁旋轉驅動器和旋轉裝置 - Google Patents

Abstract

提出一種電磁旋轉驅動器，其設計為外部轉子，具有包含圍繞定子(2)配置及具有磁中心平面(C)之環形磁效芯部(31)的轉子(3)，其中定子(2)設計為軸承和驅動器定子，利用所述軸承和驅動器定子，在操作狀態下，轉子(3)可繞著界定軸向方向(A)之所想要旋轉軸線無接觸地磁性驅動，且利用所述軸承和驅動器定子，轉子(3)可相對於定子(2)無接觸地磁懸浮，其中轉子(3)在垂直於軸向方向(A)的徑向平面中主動地磁懸浮，並在軸向方向(A)中被動地磁穩定和防止傾斜，其中轉子(3)包含磁效軸承環(34)，所述軸承環徑向地設置在轉子(3)外部並與轉子(3)的磁效芯部(31)隔開，且其中具有磁效定子環(71)之附加軸承定子(7)提供用於與軸承環(34)相互作用，其中以使得定子環(71)被動地磁穩定所述轉子(3)防止傾斜的方式設計及配置所述附加軸承定子(7)，及其中軸承環(34)通過由低滲透性材料所製成之連接元件(35)連接至轉子(3)的磁效芯部(31)。再者，本發明提出一種具有此旋轉驅動器(1)之旋轉裝置。

Description

電磁旋轉驅動器和旋轉裝置

本發明有關電磁旋轉驅動器及有關根據相應類別的申請專利範圍獨立項之序文的旋轉裝置。

已知電磁旋轉驅動器，其根據無軸承馬達的原理設計和操作。在這方面，無軸承馬達一詞意指電磁旋轉驅動器，其中轉子相對於定子完全磁懸浮，沒有提供單獨的磁軸承。為此目的，定子設計為軸承和驅動定子，因此它既是電驅動器之定子又是磁懸浮的定子。藉由使用定子之電繞組，可產生旋轉磁場，所述旋轉磁場一方面在轉子上施加實現其旋轉的扭矩，且另一方面所述旋轉磁場在轉子上施加可如期望地設定之剪切力，以致可主動地控制或調節其徑向位置。如此可主動地調節轉子的至少三個自由度，亦即其旋轉和其徑向位置(兩個自由度)。相對於三個另外之自由度、亦即其在軸向方向中的位置和相對於垂 直於所期望旋轉軸線之徑向平面的傾斜(兩個自由度)，轉子藉由磁阻力被動地磁懸浮或穩定，亦即它無法控制。沒有帶有轉子之完全磁懸浮的單獨磁軸承是屬性，這使得無軸承馬達得名。

同時，無軸承馬達對於本領域技術人員來說已充分熟知，且用於許多不同之應用。例如，在EP A 0 860 046和EP-A-0 819 330中可找到一些基本描述。

於圖1中，可從立體代表圖中看到具有示例性本質的無軸承馬達之可能設計，其從當前最新技術中已知。為了更好理解，圖2仍然顯示來自圖1的無軸承馬達之立體剖面代表圖，其中剖面在軸向A'中作成。為了指示圖1和圖2中的代表圖是根據當前最新技術之裝置，於此的參考符號之每一者都用倒置的逗號或短劃線標記。無軸承馬達整體上用參考符號1'提及，且在此設計為外轉子。這意指定子2'徑向於內部地配置並藉由轉子3'所包圍。

定子2'包含複數-在此是六個-明顯之定子磁極21'，每一定子磁極21'從環形回流件22'徑向地往外延伸。於這方面，徑向方向意指立定在軸向方向A'上垂直的方向，當轉子3'相對於定子2'處於居中而非傾斜位置時，所述方向藉由轉子3'之期望的旋轉軸線、亦即轉子3'在操作狀態中圍繞其旋轉之旋轉軸線所界定。回流件22'和定子磁極21'由鐵磁材料、例如由鐵所製成。

於圖1和圖2中，僅顯示轉子3'的磁效芯部31'，其設計成環形且具永久磁性。為此目的，磁效芯部 31'包含永複數永久磁鐵311'，每一永久磁鐵311'設計為環形片段，其中永久磁鐵311'之總體彼此互補以形成環件。每一永久磁鐵311'在徑向方向中磁化，其中於每一案例中，相鄰的永久磁鐵311'在相反方向中磁化，以致於圓周方向中觀看，永久磁鐵311'徑向朝內和徑向往外交替地磁化。各個永久磁鐵311'之磁化在每一案例中藉由永久磁鐵311'中的無參考符號之箭頭所指示。

磁效芯部31'更具有由諸如鐵的鐵磁材料所製成的回流環件312'，其圍繞永久磁鐵311'並具有用於導引磁通量之作用。

為了產生用於磁驅動器及轉子3'的磁懸浮所需要之旋轉式電磁場，定子磁極21'承載繞組。利用圖1和圖2所示的設計，例如設計繞組，使得離散之線圈61'捲繞在每一定子磁極21'上。於操作狀態中，利用這些線圈61'產生那些旋轉式電磁場，利用此旋轉式電磁場在轉子3'上造成扭矩，並且利用此旋轉式電磁場可於轉子3'上施加徑向方向中的可任意設定之剪切力，可主動地控制或調節轉子3'的徑向位置、亦即其在垂直於軸向方向A'之徑向平面中的位置。

相對於三個另外之自由度，亦即轉子3'在軸向方向A'中的位置和傾斜(二自由度)，轉子3'藉由磁阻力被動地磁懸浮或穩定、亦即它不能受控制。

關於轉子3'的被動磁懸浮，其較佳的是設計轉子3'之磁效芯部31'的內徑之尺寸，使得其至少是磁效芯 部31'在軸向方向A'中的高度h'之2.6倍大。於圖2中，R'標示轉子3'的環形磁效芯部31'之內半徑。因此，應當滿足條件2*R'≧2.6*h'，亦即，磁效芯部31'的內徑應為大於或至少與其在軸向方向A'中之高度h'的2.6倍一樣大。

根據無軸承馬達之原理設計的電磁旋轉驅動器已於諸多應用中得到證實。

由於沒有機械軸承，無軸承馬達1'特別適用於輸送非常敏感之物質的泵送、混合和攪拌裝置、例如血泵，或對純度有非常高之要求、例如在製藥工業中或生物技術工業中，或與其一起輸送將非常快速地破壞機械軸承的磨料或腐蝕性物質、例如用於半導體工業中之漿料的泵或混合器。無軸承馬達亦用於半導體生產中，用於懸浮和旋轉晶圓，例如當它們用光致抗蝕劑或其他物質塗覆或處理時。

無軸承馬達的原理之另一優點源自作為整體轉子的轉子設計，它既是電磁驅動器之轉子又是泵或攪拌器或混合器或用於旋轉晶圓的固持器之轉子。除了非接觸式磁懸浮之外，這裡的優點還在於非常緊湊和節省空間的組構。

此外，無軸承馬達之原理亦允許轉子3'可非常容易地與定子2'分開的設計。這是非常大之優點，因為轉子3'可設計為例如一次性使用的一次性零件。如今之此一次性應用經常取代諸製程，其中一旦將與製程中的待處理物質造成接觸之所有那些零組件必須以復雜的方式進行 清潔和消毒，例如藉著蒸氣消毒，由於非常高之純度要求。在一次性使用的設計中，與待處理物質造成接觸之那些零組件正好僅使用一次，且接著於下一應用中用新的、未使用之一次性零件替換。

製藥工業和生物技術工業可在此舉例說明。於此經常生產溶液和懸浮液，這需要仔細調和或輸送物質。

在製藥工業中，例如於藥物活性物質的生產中，對清潔度提出非常高之要求，與物質造成接觸的零組件通常甚至必須是無菌的。類似之要求亦導致生物技術、例如於生物物質、細胞或微生物中的生成、處置或培養中，在此必須確保極高之清潔度，以免危及所生產的產物之可用性。生物反應器可在此命名為另一範例，其中例如培養用於組織或特殊細胞或其他非常敏感物質的生物替代物。在此亦需要泵送、攪拌或混合裝置，以便例如確保營養液之連續調和、或確保其在混合槽中的連續循環。在這方面必須確保非常高之純度以保護物質或所生產的產物免受污染。

在這些應用中，泵送、攪拌或混合裝置接著由一次性裝置和可重複使用之裝置所構成。在這方面，一次性裝置包含與物質造成接觸並設計為一次性使用的一次性零件之那些零組件。例如，這是帶有轉子3'的泵送或混合槽，轉子3'提供於混合槽中，且其接著例如包含用於輸送物質之葉輪。可重複使用的裝置包含永久、亦即多次使 用的那些零組件，例如定子2'。例如，在EP-B-2 065 085中揭示此一裝置。

於成功使用無軸承馬達的所有這些應用中，原則上可能將無軸承馬達設計為內轉子、亦即具有內部設置之轉子和環繞其配置的定子，或作為外轉子(參見圖1)，亦即具有內部設置之定子2'和環繞其配置的轉子3'。然而，特別是在設計作為外轉子中已顯示，對於某些應用，轉子3'之被動磁穩定、尤其是防止傾斜達到其極限，或甚至不再足以確保旋轉驅動器的安全和沒問題之操作。與內轉子相比，能以外轉子達成的最大傾斜穩定扭矩大大地降低。當設計為外轉子時，此防止傾斜之顯著降低的被動磁穩定性對於一些應用實務上是不足的。

因此，從當前最新技術開始，本發明之目的是提出電磁旋轉驅動器，其建構為外轉子，並包含可無接觸地磁驅動且無接觸地磁懸浮之轉子，其中轉子的被動磁穩定性特別顯著地改良防止傾斜。此外，本發明之目的是提出包含此旋轉驅動器之旋轉裝置。

滿足此目的之本發明的主題之特徵在於相應類別的申請專利範圍獨立項之特色。

根據本發明，如此提出電磁旋轉驅動器，其建構為具有轉子的外轉子，所述轉子包含環繞定子配置並具有磁中心平面之環形磁效芯部，其中定子設計為軸承和 驅動定子，在操作狀態中，轉子可繞著界定軸向方向的所期望旋轉軸線與定子無接觸地磁驅動，且以此轉子可相對於定子無接觸地磁懸浮，其中轉子在垂直於軸向方向之徑向平面中主動地磁懸浮，並在軸向方向中被動地磁穩定及防止傾斜，其中轉子包含磁效軸承環，所述軸承環徑向地設置在轉子的磁效芯部外部並與轉子之磁效芯部隔開，及其中具有磁效定子環的附加軸承定子提供用於與軸承環相互作用，其中以使得定子環被動地磁性穩定轉子以防止傾斜之方式設計及配置附加軸承定子，且其中軸承環經由從低滲透性材料所製成的連接元件連接至轉子之磁效芯部。

由於附加軸承定子、更精確地是附加軸承定子的磁效定子環與轉子之磁效軸承環的相互作用，可特別達成轉子相對於徑向平面之傾斜的顯著改良之穩定性，其中徑向平面係主動地磁調節轉子的徑向位置之平面。附加的軸承定子和轉子之軸承環原則上像轉子的附加被動磁軸向軸承一樣起作用，這尤其顯著地增加轉子之傾斜剛性。造成轉子傾斜的最大扭矩(可根據本發明之設計進行補償)比具有已知的電磁旋轉驅動器大得多，例如達至少20倍，所述電磁旋轉驅動器設計為具有磁懸浮、盤形或環形磁效轉子芯部之外轉子。由於此事實，根據本發明的旋轉驅動器可用於已知設計不適合或根本不適合之應用，因為在這些已知設計中穩定轉子防止傾斜的被動力不夠高。

根據本發明之旋轉驅動器以有利的方式結合具有附加被動磁軸向軸承之無軸承馬達的原理或轉子之軸 向穩定性的熟知優點。為此目的，根據本發明之旋轉驅動器的轉子具有二不同之磁效區域，此二磁效區域至少實質上通過由低滲透性材料所製成的連接元件彼此磁解耦。根據具有設計為軸承和驅動定子之定子的無軸承馬達之原理，轉子的環形磁效芯部以已知之方式相互作用。相對於磁效芯部徑向地向外設置的轉子之磁效軸承環與附加軸承定子的磁效定子環相互作用，這導致轉子之附加被動磁軸向軸承、特別是顯著地增加轉子的傾斜剛性。

相對於附加之被動磁軸向軸承的設計，可能有數種基本之變型。

例如，可能設計具有永磁性的磁效軸承環和具有鐵磁性之附加軸承定子的定子環。在這方面，軸承環可完全由永磁材料所構成、亦即例如設計為永磁環，單件式或由數個永磁片段所構成或包含藉由鐵磁中間件彼此連接之一或複數永久磁鐵。定子環可設計為鐵磁環、例如設計為單件式或分段式環、且特別是設計為鐵環。

另一變型係以永磁方式設計附加軸承定子的磁效定子環，並以鐵磁方式設計轉子之軸承環。定子環可完全由永磁材料所構成，亦即例如設計為永磁環，單件式或由數個永磁片段所構成或包含藉由鐵磁中間件彼此連接之一或複數永久磁鐵。軸承環可設計為鐵磁環、例如設計為單件式或分段式環、且特別是設計為鐵環。

另一較佳變型係轉子的軸承環和附加軸承定子之定子環兩者的每一者包含至少一永久磁鐵，亦即每一 永久磁鐵都以永磁方式設計。定子環和軸承環之每一者可完全由永磁材料所製成，亦即它們的每一者例如可設計為永磁環，單件式或由數個永磁片段所構成、或每一者包含例如藉由鐵磁中間件彼此連接之一或複數永久磁鐵。

根據較佳實施例，轉子的軸承環配置於轉子之磁效芯部的磁中心平面中。這意指轉子之軸承環和轉子的環形磁效芯部在同一平面中配置成同心環，以致軸承環相對於軸向方向居中地圍繞磁效芯部。

在另一、亦較佳實施例中，軸承環相對於軸向方向配置在與由零至轉子之磁效芯部的磁中心平面不同之距離，其中所述距離為軸承環的內半徑之最多四分之一、較佳地係最多五分之一。於此實施例中，轉子的環形磁效芯部和轉子之軸承環彼此平行地配置，且每一者相對於軸向方向中心定位，以致它們的中心位於同一軸線上，磁芯部與軸承環相對於軸向方向隔開。軸承環可配置在磁效芯部之磁中心平面的上方或下方-相對於正常使用位置。較佳地係，軸承環與磁中心平面之距離為軸承環的內半徑之最多四分之一、且特別較佳的是最多五分之一，以致附加軸向軸承的不穩定效應不會超過額外的穩定性而防止傾斜。軸承環與磁中心平面之距離是指軸承環的中心平面與磁中心平面之間在軸向方向中的距離。

相對於定子環之配置存在數個變型。根據較佳的變型，附加軸承定子之定子環與轉子的軸承環以使定子環圍繞徑向外部設置之軸承環的方式同心地配置。這意 指轉子之軸承環和附加軸承定子的定子環在同一平面中配置為同心環，以致定子環相對於軸向方向居中地圍繞軸承環。

根據另一、亦較佳之變型，附加軸承定子的定子環相對於軸向方向與轉子之軸承環隔開地配置，其中定子環較佳地係具有與軸承環相同的內半徑。在此變型中，附加軸承定子之定子環和轉子的軸承環彼此平行地配置，且每一者相對於軸向方向中心定位，以致它們的中心位於同一軸線上，定子環和軸承環相對於軸向方向隔開。在這方面，定子環可配置在軸承環之上方或下方-相對於正常使用位置，軸承環和定子環特別較佳地係相對於軸向方向彼此對齊地配置。

相對於連接元件的設計可能有數個變型，其將轉子之磁效芯部與轉子的軸承環連接。例如，連接元件可設計為完整之環形盤件，其相對於徑向方向配置在轉子之環形磁效芯部和轉子的軸承環之間。較佳地係，連接元件以盤形方式設計，且可選地具有複數個凹部，以減少對連接元件的材料需求及其重量。

根據另一、亦較佳之變型，連接元件包含複數個輻條，每一輻條於徑向方向中在轉子之磁效芯部和轉子的磁效軸承環之間延伸。

相對於盡可能強的附加穩定性和相對於簡單之製造，較佳的是定子環和軸承環之每一者由永磁材料所構成，且每一者為具有複數個永久磁鐵的分段式設計。在 此較佳實施例中，定子環和軸承環兩者完全由永磁材料所製成。出於製造之原因，較佳的是軸承環和定子環兩者都設計成分段式，亦即定子環和軸承環兩者之每一者包含複數個永久磁鐵，每一永久磁鐵設計為環形片段，永久磁鐵總體上彼此相輔相成以形成一圓環。

相對於定子環和軸承環的磁化有數個變型。

根據第一較佳變型，定子環及軸承環之每一者在軸向方向中磁化，定子環的磁化指向與軸承環之磁化相反的方向。

根據另一、亦較佳之變型，定子環和軸承環的每一者於徑向方向中磁化，定子環之磁化和軸承環的磁化指向相同之方向，且較佳地係定子環的磁化與軸承環之磁化均指向徑向往外。

另一較佳的變型係定子環在軸向方向中磁化，且軸承環於徑向方向中磁化，或定子環在徑向方向中磁化，且軸承環於軸向方向中磁化。

本發明進一步提出用於處理盤形本體的表面之旋轉裝置，利用此旋轉裝置，本體可旋轉以進行處理，所述旋轉裝置包含根據本發明設計的電磁旋轉驅動器，其中轉子包含用於盤形本體之固持器。本體可藉著固持器固持在轉子上，或本體可藉著固持器固定於轉子上。此旋轉裝置可用於例如半導體工業中，以受控的方式用液體(例如懸浮液)塗覆基板之表面、例如用於生產電子零組件的晶圓之表面，以便加工其表面。作為範例，在此提到藉著 漿料、清潔及/或蝕刻晶圓、施加光致抗蝕劑或用溶劑去除光致抗蝕劑的化學機械拋光製程(CMP)。除了這些濕式製程，其中晶圓施加有流體，旋轉裝置亦適用於乾式製程、尤其是在半導體工業中。於其中旋轉晶圓或其他零組件或基板之此乾式製程的範例是：電漿蝕刻、快速熱處理(RTP)、原子層沉積(ALD)、化學氣相沉積(CVD)、或物理氣相沉積(PVD)。

於此濕式製程或乾式製程中，呈薄盤件形式之晶圓典型在製程室中設定進入快速旋轉，且接著施加以用於處理的相應流體(濕式製程)或施加以輻射或待分開之物質(乾式製程)。為此目的，待處理之晶圓可藉著固持器附接在根據本發明的旋轉裝置之轉子上，且接著可旋轉。

再者，藉由本發明提出用於輸送、混合或攪拌流體的旋轉裝置，其中所述旋轉裝置包含根據本發明設計之電磁旋轉驅動器，且其中旋轉驅動器的轉子設計為旋轉裝置之轉子。此設計亦稱為一體式轉子，使得旋轉機器的設計特別緊湊，因為電磁旋轉驅動器之轉子也是旋轉機器的轉子，利用此轉子將力量施加在待輸送或攪拌之流體上。

根據一實施例，轉子具有複數個用於混合或攪拌流體的葉片，所述葉片配置在連接元件上。

特別地是，亦可設計根據本發明之旋轉裝置，使得其包含一次性使用的零組件。於此設計中，旋轉裝置較佳地係具有設計用於一次性使用之一次性裝置和設 計用於多次使用的可重複使用裝置，其中一次性裝置至少包含轉子，所述轉子可選地具有用於輸送、泵送、混合或攪拌流體之複數個葉片，且其中可重複使用的裝置至少包含定子和附加的軸承定子，利用所述定子和附加的軸承定子，轉子在操作狀態中可驅動並可無接觸地磁懸浮。如果旋轉裝置設計為混合或攪拌裝置，則用於一次性使用之零組件較佳地係亦包含彈撓性混合槽，例如轉子配置在其中。

本發明的進一步有利措施和實施例由申請專利範圍附屬項得出。

1:旋轉驅動器

1':無軸承馬達

2:定子

2':定子

3:轉子

3':轉子

6:線圈

7:軸承定子

20:製程室

21:定子磁極

21':定子磁極

22:回流件

22':回流件

31:芯部

31':芯部

31":芯部

34:軸承環

35:連接元件

61:線圈

61':線圈

71:定子環

72:支撐本體

100:旋轉裝置

110:盤形本體

111:表面

120:固持器

121:支撐臂

200:混合裝置

201:壁面部分

202:中空圓柱形部分

210:葉片

220:混合槽

221:穩定之底部

222:密閉罐

223:壁面

311:永久磁鐵

311':永久磁鐵

312:回流環件

312':回流環件

341:永久磁鐵

351:凹部

352:輻條

711:永久磁鐵

721:徑向部分

722:軸向部分

723:連接件

724:凹部

725:輻條

在下文中，將於其後參考實施例並參考附圖更詳細地解釋本發明。在部分概要圖中(部分為剖面)顯示：圖1係根據當前最新技術設計為無軸承馬達之電磁旋轉驅動器的立體代表圖；圖2係來自圖1之驅動器的立體剖視代表圖；圖3係根據本發明之電磁旋轉驅動器的第一實施例之立體剖視代表圖；圖4係經過來自圖3的第一實施例之軸向方向中的概要剖視圖；圖5係第一實施例之變型的立體剖視代表圖； 圖6係經過來自圖5的變型之軸向方向中的概要剖視圖；圖7係根據本發明之電磁旋轉驅動器的第二實施例之立體剖視概要圖；圖8係經過來自圖7的第二實施例之軸向方向中的概要剖視圖；圖9係第二實施例之變型的立體剖視代表圖；圖10係經過來自圖9之變型的軸向方向中之概要剖視圖；圖11係用於連接元件的設計之第一變型的立體代表圖；圖12係來自圖11之第一變型的立體剖視代表圖；圖13係用於連接元件之設計的第二變型之立體代表圖；圖14係來自圖13的第二變型之立體剖視代表圖；圖15係用於軸承環及定子環的設計之變型的立體代表圖；圖16係來自圖15之變型的立體剖視代表圖；圖17-21係用於軸承環及定子環之磁化的不同變型之每一者的概要剖視代表圖；圖22係根據本發明設計用於處理盤形本體表 面之旋轉裝置的實施例之立體代表圖；圖23係來自圖22的實施例之立體剖視代表圖；圖24係經過來自圖22的實施例在軸向方向中之概要剖視圖；圖25係來自圖22的實施例之變型的立體代表圖；圖26係來自圖24之變型的立體剖視代表圖；圖27係經過來自圖25之變型的軸向方向中之概要剖視圖；圖28係根據本發明用於輸送、混合或攪拌流體的旋轉裝置之實施例的立體代表圖；圖29係來自圖28之實施例的立體剖視代表圖；及圖30係經過來自圖28之實施例的軸向方向中之概要剖視圖。

如業已論及與說明，在圖1及圖2中表示電磁旋轉驅動器，其係由當前最新技術得知且設計為無軸承馬達。

圖3顯示根據本發明的電磁旋轉驅動器之第一實施例的立體剖視代表圖，其以整體而言藉由參考符號1所標示。用於較佳之理解，圖4仍然顯示經過此第一實施 例在軸向方向中的概要剖視圖。旋轉驅動器1設計為外轉子，且包含定子2及相對於定子2無接觸地磁懸浮之轉子3。再者，轉子3可無接觸地磁性驅動，用於藉著定子2繞著所期望的旋轉軸線旋轉。所期望之旋轉軸線意指當轉子3相對於定子2處於居中且非傾斜位置時，轉子3在操作狀態中繞著其旋轉的軸。此期望之旋轉軸線界定軸向方向A。通常，界定軸向方向A的期望旋轉軸線對應於定子2之中心軸。

在下文中，徑向方向意指在軸向方向A上垂直立定的方向。

定子2包含複數個-在此是六個-明顯之定子磁極21，每一定子磁極21從徑向於內部設置的環形回流件22在徑向方向中往外延伸。定子磁極21承載繞組以產生用於轉子3之磁驅動及用於磁懸浮所需的旋轉式電磁場。在圖3和圖4所示實施例中，例如，設計繞組，使得離散之線圈61捲繞每一定子磁極21。利用這些線圈6，那些旋轉式電磁場於操作狀態中產生，並利用此電磁場在轉子3上施加扭矩，且利用此電磁場可於徑向方向中在轉子3上施加剪切力，所述剪切力可根據期望來設定，以致轉子3的徑向位置、亦即其在垂直於軸向方向A之徑向平面中的位置可主動地控制或調節。

轉子3包含磁效芯部31，其設計成環形盤件或圓柱形環之形式，在軸向方向A中具有高度HR且具有內半徑IR。與通常的外轉子一樣，轉子3或其磁效芯部31環 繞定子2配置，以致定子2相對於轉子3之磁效芯部31徑向地設置於內部，且定子磁極21與圍繞它們的磁效芯部31相對。轉子3之“磁效芯部31”意指轉子3的與定子磁極21磁性相互作用之區域，用於產生扭矩和產生磁軸承力。

在圖3和圖4所表示的第一實施例中，轉子3之磁效芯部31以環形和永磁方式設計。為此目的，磁效芯部31包含複數個永久磁鐵311，每一永久磁鐵設計為環形片段，永久磁鐵311之總體彼此互補以形成圓環。每一永久磁鐵311於徑向方向中磁化，其中在每一情況中，相鄰的永久磁鐵311於相反方向中磁化，以致在圓周方向中觀看，永久磁鐵311於徑向朝內和徑向往外交替地磁化。在每一情況下，個別永久磁鐵311的磁化係藉由箭頭所指示，而在相應的永久磁鐵311中沒有參考符號。

具有高矯頑場強度之那些磁性硬的鐵磁或亞鐵磁材料典型稱為永久磁鐵。矯頑場強度是使材料去磁所需之磁場強度。於本申請案的構架內，永久磁鐵被理解為一種材料，其具有矯頑場強度、更準確地是磁極化之矯頑場強度，其總計超過10,000A/m。

磁效芯部31更具有由鐵磁材料所製成的回流環件312，其圍繞徑向外部設置之永久磁鐵311，並具有導引磁通量的作用。

定子2之環形回流件22和定子磁極21以及轉子3的磁效芯部31之回流環件312兩者的每一者係由軟磁材料所製成，因為它們用作導引磁通量之通量導引元件。合 適的軟磁材料例如是鐵磁或亞鐵磁材料、亦即特別是鐵、鎳-鐵或矽-鐵。在此情況下，特別地是，定子2較佳地係設計為定子薄片堆疊，其中定子磁極21及該回流件22設計成金屬片，亦即它們由堆疊的數個薄元件所組成。轉子3之磁效芯部31的回流環件312亦可設計成金屬片。

於旋轉驅動器1之操作期間，轉子3的磁效芯部31根據上述無軸承馬達之原理與定子2的定子磁極21相互作用，其中轉子3可無接觸地磁驅動並相對於定子2可無接觸地磁懸浮。為此目的，定子2設計為軸承和驅動定子，利用所述定子，轉子在操作狀態下可繞著所期望之旋轉軸線無接觸地磁驅動-亦即，它可設定進入旋轉-且相對於定子2可無接觸地磁懸浮。

同時，無軸承馬達的原理對於熟諳此技術領域者來說已變得充分熟知，以致不再需要對功能之詳細描述。無軸承馬達的原理意指轉子3可完全地磁懸浮，其中定子2設計為軸承和驅動定子，其既是電驅動器之定子又是磁懸浮的定子。在這方面，定子2包含繞組，在此是線圈61，其用於實現驅動功能和懸浮功能兩者。藉著線圈61可產生旋轉式電磁場，線圈61一方面在轉子3之磁效芯部31上施加扭矩，使其旋轉，且另一方面於轉子3的磁效芯部31上施加可任意設定之剪切力，以致可主動地控制或調節其徑向位置-亦即其在徑向平面中的位置。於無軸承馬達之情況下，與傳統磁軸承對比，馬達的磁懸浮和驅動藉由旋轉式電磁場所實現，所述電磁場在轉子3之磁效芯部 31上施加扭矩和可設定的剪切力。為此所需之旋轉場可為用不同的線圈產生，或旋轉場可藉由所需通量之數學疊加產生，且接著藉助於單一線圈系統、在此情況下是線圈61所產生。因此，於無軸承馬達的情況下，其係不可能將藉由定子2之線圈61所產生的電磁通量分成僅驅動轉子之電磁通量和僅實現轉子的磁懸浮之電磁通量。

根據無軸承馬達的原理，可主動地調節轉子3之至少三個自由度，亦即其在徑向平面中的位置及其旋轉。相對於其在軸向方向A中之軸向偏轉，轉子3的磁效芯部31藉由磁阻力被動地磁穩定，亦即其不能受控制。同樣相對於剩餘之二自由度、亦即相對於垂直於所期望的旋轉軸線之徑向平面的傾斜，轉子3之磁效芯部31也被動地磁穩定。如此，轉子3被動地磁懸浮或被動地磁穩定，並藉由磁效芯部31與定子磁極21在軸向方向A中的相互作用而於徑向平面(兩個自由度)中主動地磁懸浮且防止傾斜(總共三個自由度)。

通常情況下，在本申請案之構架中，主動磁懸浮亦稱為可主動控制或可調節者，例如藉著由線圈61所產生的旋轉式電磁場。被動磁懸浮或被動磁穩定是無法控制或調節者。被動磁懸浮或穩定是例如基於磁阻力，當轉子3偏離其平衡位置時，例如當它在軸向方向中位移或傾斜時，磁阻力將轉子3帶回至其平衡位置。

再者，轉子3之磁效芯部31的磁中心平面C意指垂直於軸向方向A之平面，其中當轉子3未傾斜時，轉子 3的磁效芯部31係於操作狀態中懸浮。通常，在環形磁效芯部31中，磁中心平面C係轉子3之磁效芯部31的幾何中心平面，其垂直於軸向方向A。在工作狀態下，轉子3之磁效芯部31於定子2中懸浮的平面亦稱為徑向平面。徑向平面界定笛卡爾坐標系之x-y平面，其z軸在軸向方向A中延伸。如果轉子3的磁效芯部31不傾斜，則徑向平面對應於磁中心平面C。

磁效芯部31或轉子3之徑向位置意指轉子3在徑向平面中的位置。

徑向軸承或徑向支撐件意指轉子3之軸承，轉子3的徑向位置可通過所述軸承穩定，亦即在徑向平面中並因此相對於其徑向位置支撐轉子3之軸承。

軸向軸承、或軸向支撐件和軸向穩定、或軸向穩定分別意指軸承或轉子3的穩定，一方面，轉子3之位置相對於軸向方向A穩定，且另一方面，轉子3穩定以防止傾斜。此傾斜表示二自由度且指定偏轉，其中轉子3的瞬時旋轉軸線不再精確地指向軸向方向A，而是與所期望之旋轉軸線圍成除零以外的角度。在傾斜之情況下，磁中心平面C不再位於或平行於徑向平面，但磁中心平面C與徑向平面圍成不同於零的角度。

如業已論及，轉子3之磁效芯部31根據無軸承馬達的原理與定子2之定子磁極21相互作用。轉子3的旋轉藉由此相互作用所驅動。再者，藉由相互作用實現轉子3之主動徑向磁懸浮，且轉子3被動地磁穩定以防止傾斜。

相對於轉子3的被動磁懸浮，較佳的是，設計轉子3之磁效芯部31的內徑之尺寸，使得其至少是磁效芯部31在軸向方向A中的高度HR之1.3倍大。於圖4中，IR指示轉子3的環形磁效芯部31之內半徑。因此應滿足條件2*IR≧1.3*HR，亦即內徑應為大於或等於高度HR的1.3倍。

相對於轉子3之被動磁懸浮的另一有利措施是，如果設計定子磁極21之尺寸，使得定子2的外徑SD(圖4)至少是定子磁極21在軸向方向A中之高度SH的2.6倍大。定子2之外徑SD藉由定子磁極21於徑向方向中的延伸部分所給出。因此有利的是，滿足條件SD≧2.6*SH，亦即定子2之外徑SD應該大於或至少大到定子磁極21的高度SH之2.6倍。

根據圖3和圖4中的代表圖，定子磁極21之高度SH等於轉子3的磁效芯部31之高度HR。雖然這是可能的設計，但絕不是必要的。亦有可能之設計，其中定子磁極21的高度SH小於或大於轉子3之磁效芯部31的高度HR。

上述轉子3之磁效芯部31和定子2的設計是較佳之設計，但是可僅理解為一範例。

轉子的磁效芯部31亦可具有其他形式之磁化。磁效芯部31亦可設計為完全沒有永久磁鐵，這有助於驅動扭矩或軸承力的產生。如此，磁效芯部31亦可為純鐵磁的、例如設計為磁阻轉子。

定子2本身也有許多已知之設計。例如，可 在定子中提供永久磁鐵或複數個永久磁鐵，或定子2可設計為邊撐馬達(temple motor)的定子，具有L形定子磁極，其中L之長臂的每一者於軸向方向A中延伸，且轉子之磁效芯部繞著L的徑向往外定向之短臂配置。然後繞著這些長臂配置線圈、亦即在轉子的磁效芯部之磁中心平面下方。

根據無軸承馬達的原理操作之電磁旋轉驅動器的調節或控制、以及為此所需之感測器、例如位置感測器及/或角度感測器，是熟諳此技術領域者所熟知，且因此不需要進一步說明。

為了顯著改良轉子3的被動磁穩定性，特別是防止傾斜，根據本發明提供附加之軸承定子7，其與轉子3的磁效軸承環34相互作用。這將在下面參考第一實施例更詳細地解釋。

轉子3包含磁效軸承環34，其配置於轉子3之磁效芯部31外部並與轉子3的磁效芯部31隔開。軸承環34設計為具有內半徑LR之永磁環，所述環在軸向方向A中磁化，如於軸向方向A中向上所代表(圖3和圖4)。軸承環34的磁化藉由箭頭所指示，沒有參考符號(在軸承環34中)。軸承環34可設計成一體式永磁環，或為分段式，亦即由複數個環形片段永久磁鐵所組成，它們一起形成軸承環34(也參見圖15和圖16)。在第一實施例中，軸承環34配置於轉子3之磁效芯部31的磁中心平面中，亦即軸承環34之幾何中心平面LM，其垂直於軸向方向A延伸，位於轉子3 的磁效芯部31之磁中心平面C中。環形磁效芯部31和軸承環34同心地配置，亦即它們具有共同的中心。相對於軸向方向A，軸承環34配置在磁效芯部31之中心。

於軸向方向A中，軸承環34具有高度HL，其較佳地係小於磁效芯部31的高度HR。然而，亦可能將軸承環34之高度HL設計成等於磁效芯部31的高度HR或亦大於磁效芯部31之高度HR。

軸承環34和磁效芯部31經由環狀盤形連接元件35彼此連接，所述連接元件35相對於徑向方向配置在磁效芯部31和軸承環34之間。連接元件35相對於徑向方向從磁效芯部31的回流環件312延伸到軸承環34。為此目的，連接元件35之外半徑等於軸承環34的內半徑LR。

連接元件35由低滲透性材料所組成、亦即由僅具有低磁滲透率(磁導率)之材料所組成，以致磁效芯部31和磁效軸承環34彼此磁解耦。這意指至少沒有實質的磁通量可經過連接元件35在軸承環34和磁效芯部31之間流動。

例如，此低滲透性材料可為塑膠、或例如鋁或不銹鋼的順磁性金屬、或反磁性金屬、或亦為這些材料之組合。於本申請案的構架內，-通常情況下-那些材料是低滲透性的，其滲透係數(相對滲透率)僅略微偏離1或完全不偏離1(真空之滲透係數)。在任何情況下，低滲透性材料的滲透係數小於1.1。製成連接元件35之低滲透性材料形成磁通量的流動屏障，因為低滲透性材料具有比例如 製成回流環件312之鐵磁材料顯著更低的磁導率。

為了使磁效芯部31盡可能地與軸承環34磁解耦，磁效芯部31和軸承環34之間的徑向方向中之距離盡可能大是有利的。有利地係，設計軸承環34之尺寸，使得其內半徑LR是環形磁效芯部31的外半徑之至少1.1倍、較佳地係至少1.3倍、且特別較佳地係至少1.6倍。

由於足以理解本發明，所以只在圖面中、例如於圖3和圖4中顯示轉子3的磁效芯部31、連接元件35、和軸承環34。應理解，轉子3自然亦可包含其他零組件，例如較佳地係由塑膠所製成之護套或封裝、或用於混合、攪拌或泵送流體的葉片(參見例如圖28)、或用於待旋轉之物體的固持器(參見例如圖23)或其他零組件。

附加軸承定子7包含磁效定子環71，其設計和配置成與轉子3之軸承環34相互作用。定子環71靜止不動地配置、亦即其不會旋轉。在第一實施例中，定子環71以使得其圍繞軸承環34的方式徑向地設置於轉子3之軸承環34外部並與轉子3的軸承環34隔開。定子環71設計為具有內半徑SR之永磁環，其中環71在軸向方向A中磁化，如於軸向方向A中往下表示(圖3和圖4)。定子環71的磁化藉由箭頭所指示，而沒有參考符號(在定子環71中)。因此，軸承環34和定子環71之每一者在軸向方向A中磁化，由此定子環71的磁化指向與軸承環34之磁化相反之方向中。

定子環71可設計為一體式永磁環，或為分段式，亦即由複數個環形片段永久磁鐵所構成，它們一起形 成定子環71(亦參見圖15和圖16)。於第一實施例中，定子環71配置在轉子3的磁效芯部31之磁中心平面C中、亦即定子環71的幾何中心平面SM中，其垂直於軸向方向A延伸，位在轉子3之磁效芯部31的磁中心平面C中。軸承環34和定子環71同心地配置，亦即它們具有共同之中心。相對於軸向方向A，定子環71相對於軸承環34居中配置。

在第一實施例中，環形磁效芯部31、軸承環34、和定子環71因此同心地配置於磁轉子平面C中，磁效芯部31的內半徑IR小於軸承環34之內半徑LR，且軸承環34的內半徑IR小於定子環之內半徑SR。

設計定子環71的內半徑SR之尺寸，使得定子環71以盡可能小的間隙圍繞軸承環34，以致軸承環34和定子環71之間的磁氣隙在徑向方向中盡可能小。一方面，軸承環34應能夠在定子環71內自由旋轉，另一方面，藉由軸承環34和定子環71之間的間隙所造成之磁阻應為盡可能低，以便實現軸承環34和定子環71之間的磁通量之有效磁通導引。軸承環34和定子環71之間在徑向方向中的間隙之寬度最多為數毫米或僅一毫米或甚至更少。

於軸向方向A中，定子環71具有較佳地係與軸承環34的高度HL相同之高度HS。然而，定子環71的高度HS亦可能設計為小於或大於軸承環34之高度HL。

較佳地係，但不是必須地，磁效芯部31、軸承環34、和定子環71的每一者具有垂直於它們各自之圓周方向的矩形橫截面表面。

附加軸承定子7更包含用於支撐靜止不動之定子環71的支撐本體72。支撐本體72在定子2和附加軸承定子7的磁效定子環71之間形成機械穩定的連接。

支撐本體72包含從定子2於徑向方向中往外延伸之盤形徑向部分721、和從徑向部分721的徑向外部設置之邊緣在軸向方向A中向上延伸的環形軸向部分722，如所表示(圖3和圖4)。定子環71附接於軸向部分722上。在其徑向內部設置之邊緣，盤形徑向部分721具有環形連接件723，支撐本體72用所述連接件723固定至定子2。為此目的，連接件723例如可附接至定子2之環形回流件22，或亦可附接至定子2的定子外殼(未示出)。

如圖3及圖4所示，支撐本體72在線圈61下方徑向往外延伸超過轉子3之軸承環34，然後於軸向方向中向上延伸，以致固定在支撐本體72上的定子環71與軸承環34相對或圍繞軸承環34。定子環71藉由支撐本體72連接至定子2並相對於定子2固定。較佳地係，支撐本體72設計為一體的，亦即連接件723、徑向部分721、和軸向部分722作為結構單元設計為一體。

為了使定子環71與定子2磁解耦、且特別是與回流件22和定子磁極21磁解耦，支撐本體72以與對於連接元件35所解釋之類似方式由低滲透性材料所組成、亦即由僅具有低滲透率(磁導率)的材料所組成。例如，低滲透性材料可為塑膠、或例如鋁或不銹鋼之順磁性金屬、或反磁性金屬、或亦為這些材料的組合。

在電磁旋轉驅動器1之操作狀態中，藉由軸承環34和定子環71的相互作用實現轉子3之附加的被動磁軸向懸浮或附加的被動磁軸向穩定。這樣做，轉子3防止傾斜之穩定特別是可顯著地增加、例如達至少增加20倍。此特別是在傾斜剛性中的增加意指轉子3之整個被動磁軸向懸浮可吸收或補償扭矩，所述扭矩造成傾斜，所述傾斜至少比沒有軸承環34和定子環71的類似實施例大20倍。在這方面，特別有利的是，附加之磁軸向懸浮(軸承環34和定子環71)對轉子3的徑向軸承之影響可藉由主動徑向軸承來補償，所述補償藉由轉子3的磁效芯部31與定子磁極21的相互作用來實現。

如此，電磁旋轉驅動器1包含二磁電路，其藉由低滲透性連接元件35和低滲透性支撐本體72彼此分開或磁解耦：磁效芯部31根據無軸承馬達之原理來與定子磁極21磁性地相互作用，且轉子3的軸承環34與定子環71磁性地相互作用，由此實現附加之被動磁軸向穩定或軸向軸承。

圖5以立體剖視代表圖顯示對應於圖3的代表圖中之第一實施例的變型。為了更好地理解，圖6仍然顯示經過此變型在軸向方向中之概要剖視圖。

於圖5和圖6所示的變型中，轉子3之軸承環34相對於軸向方向A配置在與零至轉子3的磁效芯部31之磁中心平面C不同的距離D。這意指軸承環34配置成使得軸承環34之幾何中心平面LM不再位於磁中心平面C中，而是 軸承環34的幾何中心平面LM隔開距離D與磁中心平面C平行地配置。根據代表圖(圖5、圖6)，軸承環34配置在環形磁效芯部31上方。可以理解，軸承環34可以當然亦能以如所表示之類似方式配置於磁效芯部31下方(圖5、圖6)。

在此變型中，二環件、亦即磁效芯部31和軸承環34如此不再同心地配置，而是相對於軸向方向A彼此偏移達距離D。在這方面，軸承環34和磁效芯部31的中心位於同一軸線上、亦即轉子3之旋轉軸線，但是彼此軸向地隔開。如此，軸承環34相對於徑向方向配置在磁效芯部31的中心，且相對於軸向方向與磁效芯部31隔開距離D。

連接元件35配置在軸承環34和磁效芯部31之間，並將軸承環34連接至磁效芯部31。連接元件35能可選地且如圖4和圖5中所示地與磁效芯部31重疊，這意指連接元件35於徑向方向中延伸直至磁效芯部31的徑向內部設置邊緣。

附加軸承定子7之定子環71與軸承環34同心地配置，以致定子環71的幾何中心平面SM位於軸承環34之幾何中心平面LM中。其結果是，定子環71亦相對於軸向方向A配置在離磁中心平面C達距離D。定子環71圍繞軸承環34，以致定子環71和軸承環34相對於徑向方向彼此對齊。

為了在防止傾斜的附加穩定性上將附加軸向軸承(軸承環34和定子環71)之不穩定效應限制至適於實際使用之值，那些實施例是較佳的，其中軸承環34、更精確 地是其幾何中心平面LM和磁中心平面C之間的距離D為軸承環34之內半徑LR的最多四分之一、且特別較佳地係最多五分之一。較佳地係，滿足D≦LR/4和特別較佳地係D≦LR/5的幾何條件。

圖7以立體剖視圖顯示根據本發明之旋轉驅動器的第二實施例，其對應於圖3中之代表圖。為了更好地理解，圖8仍顯示在軸向方向A中經過第二實施例的剖面之概要圖。於下文中，將僅查看與第一實施例的不同之處。第二實施例中的相同功能之完全相同零件或諸零件被標以與第一實施例或其變型相同的參考符號。特別地是，參考符號具有與業已結合實施例說明之相同的含義。應當理解，第一實施例及其變型之所有先前解釋以相同的方式或類似地相同的方式應用於第二實施例。

第二實施例與第一實施例的不同之處在於以下事實，即在第二實施例中，附加軸承定子7的定子環71相對於軸向方向A配置成與轉子3之軸承環34隔開。這意指定子環71配置成使得定子環71的幾何中心平面SM不再位於軸承環34之幾何中心平面LM中，而是定子環71的幾何中心平面SM平行於軸承環34之幾何中心平面LM配置，而具有不等於零的距離E。根據其代表圖(圖7、圖8)，定子環71配置在軸承環34下方。應當理解，根據其代表圖(圖7、圖8)，定子環71亦能以類似方式配置在軸承環34上方。

定子環71及軸承環34不再同心地配置，而是 相對於軸向方向A彼此偏移達距離E。在這方面，軸承環34和定子環71之中心位於同一軸線上、亦即轉子3的旋轉軸線，但彼此軸向地隔開。特別較佳地係，定子環71具有內半徑SR，其尺寸與軸承環34之內半徑LR相同。軸承環34和定子環71相對於軸向方向A配置成彼此對齊，以致軸承環34和定子環71在軸向方向A中彼此相對或一個於另一個上方地配置。

在圖7和圖8所表示的實施例中，軸承環34配置於磁中心平面C中、亦即與磁效芯部31同心。在此配置中，定子環71相對於軸向方向A配置在與零至磁中心平面C不同之距離E，亦即定子環71的幾何中心平面SM平行於磁中心平面C且與其具有距離E。

既然圖7和圖8中所示實施例的定子環71配置在軸承環34下方，因此軸向部分722能可選地省略支撐本體72。

圖9以立體剖視代表圖顯示對應於圖7中之代表圖的第二實施例之變型。為了更好地理解，圖10仍顯示經過此變型在軸向方向中的概要剖視圖。

在圖9和圖10所表示之第二實施例的變型中，轉子3之軸承環34相對於軸向方向A配置在與零至轉子3的磁效芯部31之磁中心平面C不同的距離D。這意指軸承環34配置成使得軸承環34之幾何中心平面LM不再位於磁中心平面C中，而是軸承環34的幾何中心平面LM與磁中心平面C平行配置並隔開距離D。根據代表圖(圖9、圖10)， 軸承環34配置在環形磁效芯部31下方。可以理解，軸承環34當然亦能如所表示地以類似之方式配置在磁效芯部31上方(圖9、圖10)，例如以與結合圖5和圖6所說明的類似對應方式。

於此變型中，二環件、亦即磁效芯部31和軸承環34如此不再同心地配置，而是相對於軸向方向A彼此偏移達距離D。在這方面，軸承環34和磁效芯部31之中心位於同一軸線上，亦即轉子3的旋轉軸線，但是彼此軸向地隔開。如此，軸承環34相對於徑向方向配置在磁效芯部31之中心，且相對於軸向方向與磁效芯部31隔開距離D。

附加軸承定子7的定子環71相對於軸向方向A配置在軸承環34下方，在此變型中離磁中心平面C具有距離D+E。三個環件、亦即磁效芯部31、軸承環34、和定子環71之每一者相對於軸向方向A配置在不同位置且彼此平行。它們的中心全部位於同一軸線上、亦即轉子3之旋轉軸線(如果它是居中的且未相對於定子傾斜)。定子環71之幾何中心平面SM在軸承環34的幾何中心平面LM下方，並具有距離E，及此幾何中心平面LM於磁中心平面C下方，且具有距離D。

為了在防止傾斜的附加穩定性上將附加軸向軸承(軸承環34和定子環71)之不穩定效應限制至適於實際使用之值，那些實施例是較佳的，其中軸承環34、更精確地是其幾何中心平面LM和磁中心平面C之間的距離D為軸承環34之內半徑LR的最多四分之一、且特別較佳地係最 多五分之一。較佳地係，如此滿足D≦LR/4和特別較佳地係D≦LR/5的幾何條件。

作為圖9和圖10中所示變型之可選設計，定子環71徑向外部設置地附接至支撐本體72的徑向部分721之徑向外邊界表面。

應當理解，結合第一實施例及其變型所敘述的措施和設計可與結合第二實施例及其變型所敘述之措施和設計類似地組合。

在下文中，參考圖11至圖14解釋用於連接元件35的設計及/或用於支撐本體72之設計的變型。應理解，這些變體既可用於第一實施例及其變型、也可用於第二實施例及其變型。

圖11以立體代表圖顯示用於連接元件35的設計及/或用於支撐本體72之設計的第一變型。圖12以立體剖視代表圖用在軸向方向A中之剖面圖顯示此第一變型。

於此第一變型中，連接元件35相對於徑向方向設置在磁效芯部31和轉子3的軸承環34之間，未設計為實心盤件而是具有複數個凹部351，每一凹部相對於軸向方向A完全延伸穿過連接元件35。在示例本質上，於此提供八個本質上完全相同的凹部351。凹部351相對於連接元件35之圓周方向等距地配置。每一凹部351具有環形片段的形狀，所有環形片段之公共中心與盤形連接元件35的幾何中心對應。

藉由凹部351可減小材料要求且亦因此減小 連接元件35之重量。凹部351的設計、尺寸和配置使得連接元件35之間的材料仍形成足夠穩定之機械連接，以將軸承環34附接至磁效芯部31。

以類似的方式，支撐本體72、更精確地是支撐本體72之徑向部分721設有複數個第二凹部724，每一個第二凹部724相對於軸向方向A完全延伸經過連接元件35之徑向部分721。在示例性本質中，於此提供八個本質上完全相同的第二凹部724。第二凹部724相對於徑向部分721之圓周方向等距地配置。每一個第二凹部724具有環形片段的形狀，所有環形片段之公共中心與支撐本體72的盤形徑向部分721之幾何中心對應。

藉由第二凹部724可減小材料要求且亦因此減小支撐本體72之重量。第二凹部724的設計、尺寸和配置使得徑向部分721之間的材料仍形成足夠穩定之機械連接，以將定子環71附接至定子2。

當然，此等實施例也是可能的，其中僅在連接元件35中提供凹部351，或僅在支撐本體72中提供第二凹部724。

圖13以立體代表圖顯示用於連接元件35的設計及/或用於支撐本體72之設計的第二變型。圖14以立體剖視代表圖用在軸向方向A中之剖面圖顯示此第二變型。

於此第二變型中，連接元件35具有複數個輻條352，每一輻條在徑向方向中延伸於轉子3之磁效芯部31-或可選地磁效芯部31的護套(未示出)和轉子3之軸承環 34-或可選地軸承環34的軸套(未示出)之間。每一輻條352將磁效芯部31連接至軸承環34。

在示例性本質中，於此提供八個本質上完全相同的輻條352。輻條352相對於連接元件35之圓周方向等距地配置。輻條352的設計、尺寸和配置使得它們形成足夠穩定之機械連接，以將軸承環34附接至磁效芯部31。

以類似的方式，支撐本體72、更精確地是支撐本體72之徑向部分721設有複數個第二輻條725，每一個第二輻條725在徑向方向中延伸於定子2-或可選地定子外殼(未示出)-與支撐本體72的環形軸向部分722之間。每一個第二輻條725連接定子2-或定子殼體(未示出)-與支撐本體72的軸向部分722。

在示例性本質中，於此提供八個本質上完全相同的第二輻條725。第二輻條725相對於支撐本體72之圓周方向等距地配置。第二輻條725的設計、尺寸和配置使得它們形成足夠穩定之機械連接，以將定子環71附接至定子2。

當然，此等實施例也是可能的，其中僅在連接元件35中提供輻條352，或僅在支撐本體72中提供第二輻條725。

於圖15和圖16中，解釋用於軸承環34之設計及/或用於定子環71的設計之變型。應當理解，此變型既可用於第一實施例及其變型、也可用於第二實施例及其變型。

根據此變型，軸承環34和定子環71的每一者均設計成分段式。圖15使用旋轉驅動器1之實施例的範例以立體代表圖顯示此變型，其另外對應於圖3中所表示之實施例。為了更好地理解，圖16仍以立體剖視代表圖顯示來自圖15的此變型。

軸承環34及定子環71兩者之每一者由永磁性材料所組成，且每一者都分段式設計有複數個永久磁鐵341或711。

於每一情況中，軸承環34的每一永久磁鐵341設計為環形片段。所有永久磁鐵341在相同方向中磁化，此處於軸向方向A中向上磁化。這在圖16中藉由沒有軸承環34中之參考符號的箭頭指示，其指示磁化之方向。在示例性本質中，軸承環34由二十四個完全相同的單獨永久磁鐵341所組成，每一永久磁鐵設計成環形片段之形式。永久磁鐵341於圓周方向中配置，其中二個相鄰的永久磁鐵341之每一者直接彼此鄰接，以致所有永久磁鐵341彼此互補以形成永磁軸承環34。

定子環71的每一永久磁鐵711設計為環形片段。所有永久磁鐵711在相同方向中磁化，此處於軸向方向A中向下磁化。這在圖16中藉由沒有定子環71中之參考符號的箭頭指示，其指示磁化之方向。在示例性本質中，定子環71由二十四個完全相同的單獨永久磁鐵711所組成，每一永久磁鐵設計成環形片段之形式。永久磁鐵711於圓周方向中配置，其中二個相鄰的永久磁鐵711之每一 者直接彼此鄰接，以致所有永久磁鐵711彼此互補以形成永磁定子環71。

軸承環34或定子環71之分段式設計是較佳的，因為它使得製造更容易，但是當然也可能將軸承環34及/或定子環71設計為單件式環。

如果軸承環34及/或定子環71設計成永磁的，則相應之環34或71不必完全由永磁材料所構成或僅包括永久磁鐵。此等實施例也是可能的，其中永磁軸承環34及/或永磁定子環71之每一者包含複數個永久磁鐵，鐵磁連接件配置在所述永久磁鐵之間。於相應的環34或71之分段式設計中，可接著提供藉由鐵磁環片段彼此連接的數個永磁環片段。

如業已論及，其係較佳但不是必須的是，軸承環34和定子環71之每一者設計為永磁環。此等實施例也是可能的，其中僅軸承環34或僅定子環71為永磁性設計。如果僅軸承環34是永磁的，則定子環71為鐵磁性設計，例如設計為鐵環或由另一鐵磁材料所製成之環件。如果僅定子環71為永磁的，則軸承環34為鐵磁性設計，例如設計為鐵環或由另一鐵磁材料所製成之環件。

如果軸承環34或定子環71為鐵磁性設計，則此環件34或71能以與上述類似的方式設計為單件式環件或分段式環件。

用於較佳實施例，其中軸承環34及定子環71之每一者為永磁性設計，定子環71或軸承環34的相同形式 之磁化總是顯示在圖3-圖16中，亦即軸承環34和定子環71的每一者於軸向方向A中磁化，定子環71之磁化(根據代表圖為往下)與軸承環34的磁化(根據代表圖為向上)指方向相反方向。除了此較佳實施例以外，相對於定子環71和軸承環34之磁化還有其他較佳的實施例。在下文中，參考圖17-圖21解釋軸承環34和定子環71之磁化的不同變型。應理解，這些變體既可用於第一實施例及其變型，也可用於第二實施例及其變型。

圖17-圖21之每一者顯示旋轉驅動器1的實施例之概要剖視代表圖。在圖17-圖21的每一者中，於軸承環34中沒有參考符號的箭頭指示軸承環34之磁化方向，且在定子環71中沒有參考符號的箭頭指示定子環71之磁化方向。

參考第一實施例，圖17顯示一變型，其中定子環71和軸承環34的每一者於徑向方向中磁化，而定子環71之磁化和軸承環34的磁化指向相同方向、亦即在每種情況下徑向往外。

參考第一實施例，圖18顯示一變型，其中定子環71於徑向方向中磁化，且軸承環34在軸向方向A中磁化。定子環71之磁化指向徑向往外，且軸承環34的磁化於軸向方向A中指向往上。

參考第一實施例，圖19顯示一變型，其中定子環71在軸向方向A中磁化，且軸承環34於徑向方向中磁化。定子環71之磁化在軸向方向A中指向往下，且軸承環 34的磁化指向徑向地往外。

參考第二實施例，圖20顯示一變型，其中定子環71及軸承環34之每一者在軸向方向中磁化，定子環71的磁化和軸承環34之磁化為相反地指向。定子環71於軸向方向A中的磁化指向往下，且軸承環34在軸向方向A中之磁化指向往上。

參考第二實施例，圖21顯示一變型，其中定子環71和軸承環34的每一者於徑向方向中磁化，定子環71之磁化和軸承環34的磁化指向相同方向，亦即在每一情況下皆徑向往外。

藉由本發明進一步提出用於處理盤形本體之表面的旋轉裝置，利用所述旋轉裝置，本體可旋轉以進行處理，其特徵在於旋轉裝置包含根據本發明所設計之電磁旋轉驅動器1，其中轉子3包含用於盤形本體的固持器。

圖22以立體代表圖顯示用於處理盤形本體之表面的旋轉裝置之實施例。旋轉裝置整體上用參考符號100表示，且盤形本體(例如晶圓)用參考符號110表示。為了更好地理解，圖23仍於剖視圖中顯示旋轉裝置100在軸向方向A中的立體剖視代表圖，且圖24於剖視圖中顯示旋轉裝置100在軸向方向A中的立體剖視代表圖。

於下文中，以示例性本質參考來自半導體工業之應用實例，其對於實務來說是重要的，待處理之盤形本體110是用於生產電子零組件之晶圓，亦即薄的、盤形本體。旋轉裝置100可用於處理盤形本體110之表面111、 例如以受控的方式向表面111施加諸如懸浮液之流體。當作範例，在此提到藉著漿料、清潔及/或蝕刻盤形本體110、施加光致抗蝕劑或用溶劑去除光致抗蝕劑的化學機械拋光製程(CMP)。除了這些濕式製程，其中盤形本體110施加有流體，旋轉裝置100亦適用於乾式製程。在其中旋轉盤形本體110之此乾式製程的範例是：電漿蝕刻、快速熱處理(RTP)、原子層沉積(ALD)、化學氣相沉積(CVD)、或物理氣相沉積(PVD)。

於此等製程中，盤形本體110典型在製程室20中設定為快速旋轉，且接著應用於以相應之流體或相應的輻射處理、例如以電漿或以待分離之物質處理。根據本發明的旋轉裝置100特別適用於此等必須抽空製程室20之製程，且尤其適用於在高真空中進行的製程。

典型地，於所有這些製程中，定子2和附加軸承定子7配置在製程室20外側，而轉子3配置於製程室20內側。

在圖22-圖24所表示之實施例中，旋轉裝置100包含在此根據第一實施例(圖3)所設計的電磁旋轉驅動器1。另外，提供製程室20，其中於圖22-圖27中僅顯示製程室壁面之那些將定子2與轉子3分開的區域。可以理解，以使得具有盤形本體110之轉子3完全配置在可鎖定的製程室20內側之方式設計整個製程室20。定子2和附加的軸承定子7配置在製程室20外側。如可於圖23及圖24中最佳看出，設計製程室20，使得一方面，它在轉子3和附加軸承 定子7之間延伸，另一方面，於定子2和附加軸承定子7之間延伸，亦即定子2和附加軸承定子7配置在製程室20外側，而具有盤形本體110的轉子3配置在製程室20內側。為此目的，製程室20包含壁面部分201(圖24)和居中配置之中空圓柱形部分202，其配置在定子2的環形回流件22內。由中空圓柱形部分202，壁面部分201徑向往外延伸，首先於定子2之線圈61上方延伸，然後在轉子3下方沿著磁效芯部31、連接元件35和軸承環34、且接著在附加軸承定子7的定子環71上方延伸。

此設計之優點在於，定子2和附加軸承定子7可配置在製程室20外側，於其中處理盤形本體110，而具有盤形本體110的轉子3可配置在製程室20內側。於這方面，製程室20之中空圓柱形部分202對製程室20提供進出，例如，流體可經過它而從製程室20排出或導入製程室20。再者，中空圓柱形部分202通常可用作對製程室20的進出、例如用於連接至加熱器或電漿源或輻射源或感測器等之電源或信號線。中空圓柱形部分202亦可用於將冷卻劑供應到製程室20或從製程室20排出冷卻劑。

轉子3包含固持器120，以將盤形本體110固持或固定在轉子3上。固持器120包含複數個支撐臂121，從圓周方向觀看，這些支撐臂等距地分佈於轉子3上。於在此所敘述的實施例中，提供八支本質上完全相同之支撐臂121。每一支撐臂121配置在轉子3的連接元件35上，且固定至連接元件35，以致每一支撐臂121以抗扭矩之方式 連接至連接元件35且因此亦以抗扭矩的方式連接至轉子3。所有支撐臂121為連接元件35之整體部分、亦即連接元件35與所有支撐臂121一體地設計係亦可能的。

於每一情況中，每一支撐臂121從連接元件35徑向往外地延伸且在轉子3之軸承環34上方延伸。每一支撐臂121的徑向外部設置之端部設計成承接盤形本體110。為此目的，每一支撐臂121的徑向外部設置之端部的每一者可具有用於盤形本體110之止動部或凹口或不同建構的固持機構，使得盤形本體110可藉由整個支撐臂121固持在轉子3上或固定在轉子3上。支撐臂121之徑向外部設置的端部位於圓上，所述圓之直徑對應於盤形本體110的直徑DK。

為了處理盤形本體110或其表面111，將盤形本體110插入固持器120，且接著藉由轉子3旋轉。

圖22-圖24中所表示之旋轉裝置100的實施例特別適用於處理大的盤形本體110，其直徑DK大於定子環71或軸承環34之外徑。

圖25顯示根據本發明的旋轉裝置100之實施例的變型之立體代表圖，所述旋轉裝置用於處理圖22-圖24中所示的盤形本體之表面111。為了更好地理解，圖26仍以剖視圖顯示此變型在軸向方向A中的立體剖視代表圖，且圖27以剖視圖顯示此變型沿著軸向方向A之概要剖視代表圖。

旋轉裝置100的變型在用於盤形本體110之固 持器120的設計上不同。此變型設計用於較小之盤形本體110，其外徑DK小於軸承環34的內徑。在圓周方向中觀看，於連接元件上等距配置之支撐臂121的每一者在此設計為於軸向方向A中延伸之條形支撐臂121。

可理解的是，根據本發明之用於處理盤形本體110的表面111之旋轉裝置100亦可設計有根據第二實施例(圖7)設計的電磁旋轉驅動器1，其中定子環71如此相對於軸向方向A與軸承環34隔開地配置、特別是在軸承環34下方。

再者，藉由本發明提出用於輸送、混合或攪拌流體之旋轉裝置，其特徵在於旋轉裝置包含根據本發明設計的電磁旋轉驅動器1，其中旋轉驅動器1之轉子3是設計為旋轉裝置的轉子3。

圖28以立體代表圖顯示根據本發明之旋轉裝置的實施例，其被設計為混合裝置。混合裝置整體上表示為參考符號200。為了更好地理解，圖29仍以剖視圖顯示混合裝置200在軸向方向A中之立體剖視代表圖，且圖30以剖視圖顯示混合裝置200沿著軸向方向A的概要剖視代表圖。

在圖28-圖30中所表示之實施例中，混合裝置200包含根據第二實施例(圖7)於此設計的電磁旋轉驅動器1，其中定子環71相對於軸向方向A與軸承環34隔開地配置。使得定子環71和軸承環34相對於軸向方向A彼此對齊之方式，定子環71如所表示(圖29，圖30)地配置在軸承環 34下方。

轉子3包含用於混合或攪拌流體的複數個葉片210。在此所敘述之實施例中，提供總共四個葉片210，由此這數量具有示例性特徵。所有葉片210配置在連接元件35上且相對於轉子3的圓周方向等距地配置。每一葉片210在徑向方向中往外延伸並以抗扭矩之方式連接至連接元件35，且如此亦以抗扭矩的方式連接至轉子3。葉片210可為單獨之零組件，其接著固定至連接元件35。當然，所有葉片210為連接元件35的整體部分、亦即連接元件35與所有葉片210一體式設計係亦可能的。具有葉片210之轉子3形成混合裝置200的動葉輪或葉輪，其作用於或諸多流體上。

一有利之態樣是轉子3設計為一體式轉子，因為它既是電磁旋轉驅動器1的轉子3又是混合裝置200之轉子3，流體能以此轉子輸送、混合或攪拌。總之，轉子3如此在一個中實現三項功能：它是電磁驅動器的轉子，它是磁懸浮之轉子，且它是作用於流體上的葉輪。此作為一體式轉子之設計提供非常緊湊和節省空間的設計之優點。

混合裝置200更包含具有尺寸穩定的底部221之混合槽220。在圖28和圖29中，僅表示混合槽220的底部221。混合槽220用於承接待混合或攪拌之流體或諸多流體。除了尺寸穩定的底部221以外，混合槽220包含限制混合槽220之至少另一壁面223(圖30)。壁面223未在圖28和圖29中示出並於圖30中指示。於這方面，壁面223可設計成尺寸穩定的壁面、例如由塑膠所組成。然而，壁面223 亦可設計為撓性壁面223，且較佳地係由塑膠所製成。撓性壁面223隨同尺寸穩定之底部221接著一起形成用於承接待混合或攪拌的物質之混合槽220，其中此混合槽220設計為可折疊的撓性袋、譬如塑膠袋、或合成物袋子，以致在儲存期間佔用盡可能小之空間。混合槽220的此設計特別適用於一次性應用，其中混合槽220與配置在其中之轉子3僅按預期地使用一次，並藉由用於另一應用的新混合槽所代替。

應當理解，混合裝置200或混合槽220亦可設計用於多數應用、亦即用於多次使用。用於多數應用，如果整個混合槽220設計成尺寸穩定係較佳的。

較佳地係，混合槽220接著由不銹鋼所製成，但亦可由塑膠、玻璃或另一材料所製成。

混合槽220之尺寸穩定的底部221包含密閉罐222，以承納旋轉驅動器1之定子2。密閉罐222中心定位於底部221中並在轉子3的環形磁效芯部31內，以致轉子3之磁效芯部31於操作狀態中圍繞密閉罐222。為此目的，設計密閉罐222之尺寸，使得轉子3的磁效芯部31或護套(未示出)以盡可能小之間隙圍繞密閉罐222。

如圖29和圖30中所特別顯示，設計和配置在混合裝置200中具有密閉罐222的尺寸穩定之底部221，使得密閉罐222配置於定子2之定子磁極21與轉子3的磁效應芯31之間，並在一方面，尺寸穩定的底部221於磁效芯部31、連接元件35和轉子3的軸承環34之間在徑向方向中延 伸，且在另一方面於支撐本體72與附加軸承定子7的定子環71之間。在組裝狀態中，定子2和附加軸承定子7如此配置於混合槽220外側，而具有葉片210的轉子3配置在混合槽220內側。

混合裝置200之此設計亦特別適合用於包含一次性使用的零組件之實施例。混合裝置較佳地係具有設計用於一次性使用的一次性使用裝置和設計用於多次使用之可重複使用裝置。

“一次性使用裝置”和具有“一次性使用”零組件的其它組合物意指那些設計用於一次性使用之零組件或零件，亦即它們只能按預期使用一次然後丟棄。對於新的應用，接著必須使用先前未使用之新的一次性使用零件。因此，當建構或設計所述一次性使用裝置時，一次性使用裝置可與能重複使用的裝置盡可能容易地組合，以形成混合裝置200是一基本態樣。因此，一次性使用裝置應能夠無需高昂的組裝成本即可很輕易地替換。特別較佳地係，一次性使用裝置應能夠與可重複使用之裝置組裝在一起並與之分開，而無需使用工具。

於混合裝置200中，一次性使用裝置包含在內側具有轉子3的混合槽220，且可再用裝置包含定子2和附加軸承定子7。

相對於一次性使用裝置和可重複使用裝置之最簡單的可能設計和最簡單之組裝或分開，有利的是，根據第二實施例(圖7)設計旋轉驅動器1，其中定子環71相對 於軸向方向A與軸承環34隔開地配置。這樣做，混合槽220能以非常簡單之方式與定子2和附加軸承定子7組裝在一起並與之分開。為了組裝，僅需要將密閉罐222放置於定子2上方，且混合裝置200準備好使用。在使用之後，混合槽220可再次與定子2和附加軸承定子7輕易地分開。

應理解，整個混合裝置200亦能設計為可重複使用的裝置、亦即用於多次使用。通過此設計，混合槽220、特別是其中配置有轉子3者亦設計用於多次使用。

設計為混合裝置200之旋轉裝置特別可用於製藥工業和生物技術工業中。混合裝置200特別適用於此等應用，在此與待混合物質造成接觸的零組件之非常高純度或無菌性是必要的。混合裝置200亦可設計為生物反應器或發酵槽。然而，應當理解，混合裝置200不限於此等設計，而是通常可設計為混合裝置200，利用此混合裝置可混合或攪拌介質或物質。特別地是，這些物質可為流體或固體、較佳地係粉末。混合裝置200適合用於彼此混合液體及/或用於將至少一液體與粉末或其他固體混合及/或用於將氣體與液體及/或固體混合。

應當理解，根據本發明的用於輸送、混合或攪拌流體之旋轉裝置100亦可設計有電磁旋轉驅動器1，其根據第一實施例(圖3)設計，定子環71與軸承環34同心地設置在其中，以致定子環71圍繞軸承環34。

1:旋轉驅動器

2:定子

3:轉子

7:軸承定子

21:定子磁極

22:回流件

31:芯部

34:軸承環

35:連接元件

61:線圈

71:定子環

72:支撐本體

311:永久磁鐵

312:回流環件

721:徑向部分

722:軸向部分

723:連接件

Claims (19)

1. 一種電磁旋轉驅動器，其設計為外部轉子，具有轉子，包含：圍繞定子配置及具有磁中心平面之環形磁效芯部，該定子是軸承且具有複數驅動線圈的驅動器定子，利用該軸承和驅動器定子，在操作狀態下，該轉子可繞著界定軸向方向之旋轉軸線無接觸地磁性驅動，且利用該軸承和驅動器定子，該轉子可相對於該定子無接觸地磁懸浮，該轉子在垂直於該軸向方向的徑向平面中主動地磁懸浮，並在軸向方向中被動地磁穩定和防止傾斜，該轉子包括磁效軸承環，該軸承環徑向地設置在該轉子外部並與該轉子的磁效芯部隔開，且具有磁效定子環之軸承定子被建構用於與該軸承環相互作用，以該等驅動線圈被設置在該磁效芯部和該磁效定子環兩者的徑向向內，該軸承定子被建構及配置使得該定子環被動地磁穩定該轉子防止傾斜，及藉由被建構用於解除該軸承環和該磁效芯部之耦接的材料所製成的連接元件，該軸承環被連接至該轉子的該磁效芯部。
2. 如請求項1之旋轉驅動器，其中該轉子的軸承環和該軸承定子之定子環的每一者均包含至少一個永久磁鐵。
3. 如請求項1之旋轉驅動器，其中該轉子的該軸承環配置在該轉子之磁效芯部的磁中心平面中。
4. 如請求項1之旋轉驅動器，其中該軸承環相對於該軸向方向配置在由零至該轉子的磁效芯部之磁中心平面的不同距離處，且該距離是該軸承環之內半徑的最多四分之一。
5. 如請求項1之旋轉驅動器，其中該軸承定子的定子環與該轉子之軸承環同心地配置，使得該定子環圍繞徑向地設置於外部的該軸承環。
6. 如請求項1之旋轉驅動器，其中該軸承定子的定子環相對於該軸向方向與該轉子之軸承環隔開地配置，且該定子環具有與該軸承環相同的內半徑。
7. 如請求項1之旋轉驅動器，其中該連接元件是盤形的。
8. 如請求項1之旋轉驅動器，其中該連接元件包含複數個輻條，每個輻條在徑向方向中延伸於該轉子之磁效芯部與該轉子的磁效軸承環之間。
9. 如請求項1之旋轉驅動器，其中該定子環和該軸承環的每一者包括永磁材料，且每一者被分段為具有複數個永久磁鐵。
10. 如請求項2之旋轉驅動器，其中該定子環和該軸承環的每一者在軸向方向中磁化，且該定子環之磁化為指向與該軸承環的磁化方向相反的方向。
11. 如請求項2之旋轉驅動器，其中該定子環和該軸承環的每一者於徑向方向中磁化，該定子環之磁化與該軸承環的磁化指向相同的方向。
12. 如請求項2之旋轉驅動器，其中該定子環在軸向方向中磁化或該軸承環於徑向方向中磁化，或該定子環在徑向方向中磁化且該軸承環於軸向方向中磁化。
13. 如請求項4之旋轉驅動器，其中該距離是該軸承環之內半徑的最多五分之一。
14. 如請求項1之旋轉驅動器，其中該連接元件是盤形的，且具有複數個凹部。
15. 如請求項11之旋轉驅動器，其中該定子環之磁化與該軸承環的磁化之每一者係指向徑向往外。
16. 如請求項1之旋轉驅動器，其中該轉子完全被設置在該定子之該等驅動線圈的外部。
17. 一種用於處理盤形本體之表面的旋轉裝置，該盤形本體可用該旋轉裝置旋轉以進行處理，該旋轉裝置包含根據請求項1的電磁旋轉驅動器，該轉子包含用於該盤形本體之固持器。
18. 一種用於輸送、混合或攪拌流體的旋轉裝置，該旋轉裝置包含根據請求項1的電磁旋轉驅動器，該旋轉驅動器之轉子是該旋轉裝置的轉子。
19. 如請求項18的旋轉裝置，其中該轉子具有複數個用於混合或攪拌流體之葉片，該等葉片配置在該連接元件上。