CN117856566B - 一种晶圆检测设备用无铁芯直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶圆检测设备用无铁芯直线电机，包括：电机定子，电机定子包括两个外侧铁轭和一中间铁轭，两个外侧铁轭和中间铁轭之间分别通过第一固定件固定连接，两个外侧铁轭和中间铁轭之间分别留有气隙，两个外侧铁轭的内表面以及中间铁轭的两侧表面上分别设有多个永磁体，且位于同一表面上的各永磁体均沿中间铁轭的长度方向间隔排布；电机动子，电机动子包括一动子连接件和两块PCB板，两块PCB板的顶端与动子连接件的底端固定连接，以使两块PCB板分别插入至两处气隙内时动子连接件的底端与两个外侧铁轭的顶端相抵接，两块PCB板均采用变截面式绕组。有益效果是本发明的直线电机结构简单紧凑、整体重量轻、推力密度大且推力波动小。

Description

一种晶圆检测设备用无铁芯直线电机

技术领域

本发明涉及直线电机的技术领域，具体而言，涉及一种晶圆检测设备用无铁芯直线电机。

背景技术

无铁芯直线电机由于其高定位精度、低推力波动等优点，被广泛的应用在高精密设备中，以晶圆检测设备扫描轴的工作要求为例，整个工作过程分为加速段、扫描段与减速段，在扫描段，无铁芯直线电机工作在空载或轻载状态，要求速度波动小（0.05%以内）、速度快（1m/s以上）、定位精度高（百纳米级别）；在加速段与减速段，无铁芯直线电机工作在高过载状态，要求电机峰值推力足够大，以实现更大的加速度提高工作效率，在全过程，要求无铁芯直线电机的温升低（控制在2k以内），所以，高推力密度、低推力波动、低温升等多极限性能指标能够同时满足，是高精密设备用无铁芯直线电机的重大需求。

现有的传统无铁芯直线电机具有以下特点：推力波动小，定位精度高，但推力密度较低；线圈无效空间大，动子长度长，行程短；线圈的热损耗传导较差,若将传统无铁芯直线电机应用到晶圆检测设备这种高精密设备中，其较长的动子长度会使得整体设备较宽，并且造成推力小、加减速时间长、工作效率低的问题，其环氧树脂浇灌的动子更会使得散热效率差，影响电机的输出性能。

重叠式双层绕组结构的无铁芯直线电机解决了传统无铁芯直线电机的部分应用难题，其重叠式绕组结构避免了线圈的无效空间，缩短了动子的长度，双层线圈提高了电机输出推力，可以在高精密设备中的加、减速阶段获得更大的加速度，但重叠式双层绕组结构无铁芯直线电机在实际应用中，存在推力波动偏大的问题，产生这种现象的主要原因是在现有技术下，动子在加工生产中双层线圈的位置与形状难以精确控制，存在较大的误差，并且重叠式双层绕组无铁芯直线电机仍存在热损耗传导较差、散热效率低、人工成本高、整体重量较大的问题。

发明内容

本发明要解决的问题是:提供一种晶圆检测设备用无铁芯直线电机，能够减小推力波动，提高散热效率，优化热损耗传导，减小人工成本，并减小整体重量。

为解决上述问题，本发明提供一种晶圆检测设备用无铁芯直线电机，包括：

一电机定子，所述电机定子包括两个外侧铁轭和一中间铁轭，两个所述外侧铁轭和所述中间铁轭之间分别通过一第一固定件固定连接，两个所述外侧铁轭和所述中间铁轭之间分别留有气隙，两个所述外侧铁轭的内表面以及所述中间铁轭沿自身厚度方向的两侧表面上分别设有多个永磁体，且位于同一表面上的各所述永磁体均沿所述中间铁轭的长度方向间隔排布；

一电机动子，所述电机动子包括一动子连接件和两块PCB板，两块所述PCB板的顶端均与所述动子连接件的底端固定连接并间隔设置，以使两块所述PCB板分别插入至两处所述气隙内时所述动子连接件的底端与两个所述外侧铁轭的顶端相抵接，且两块所述PCB板插入至两处所述气隙内时均可滑动，两块所述PCB板均采用变截面式绕组。

本方案中，采用PCB板直线电机组合结构作为无铁芯直线电机的基础结构，以减小整体电机的厚度，使得比重叠式双层绕组结构的无铁芯直线电机厚度更薄，通过以上结构简单紧凑的特点来减小整体重量；并且在尺寸约束下，本方案中的无铁芯直线电机相较于其他无铁芯直线电机具有更大的推力密度，使得具有更高的输出推力，在小范围内减小推力波动；而由于本方案中的无铁芯直线电机采用的是PCB板作为电机动子元器件的设计方式，使得可以进行批量化自动生产，相较于其他无铁芯直线电机可以大幅度降低人工成本；并且在采用变截面式绕组作为两块PCB板的绕组后可以使得PCB板在高温部位具有较大的截面面积，使该部位的电阻减小，进而降低温升，提高散热效率，优化热损耗传导。

优选的，所述动子连接件为由横向设置的第一连接件和竖向设置的第二连接件组成的T型连接件，所述第一连接件的底端与两个所述PCB板的顶端固定连接，所述第二连接件设于所述第一连接件的底端，所述第二连接件沿所述中间铁轭厚度方向的两侧分别与两个所述PCB板固定连接，且两块所述PCB板分别插入至两处所述气隙内时，所述第二连接件的底端与所述中间铁轭的顶端相抵接。

本方案中，采用T型连接件作为动子连接件后，具有双层固定效果，第一层为第一连接件与两个PCB板顶端之间的连接固定，第二层为第二连接件与两个所述PCB板侧面的连接固定，能够大大提高连接稳定性。

优选的，两个所述外侧铁轭的位于同一表面上的各所述永磁体均采用垂直方向充磁方式，且每相邻的两个所述永磁体的充磁方向相反。

本方案中，采用垂直方向即径向充磁方式可以使得电机磁场分布更加均匀,能够充分利用磁场,减少能量损失,提高电机效率。

优选的，两个所述外侧铁轭、所述中间铁轭和两个所述第一固定件形成双U形结构。

本方案中，电机定子是采用单层中间铁轭与双层永磁体叠层相加组成双U型结构，能够使得结构紧凑，减小整体设备体积。

优选的，两个所述第一固定件的顶端均开设有一滑槽且两个所述滑槽沿所述中间铁轭长度方向的两端均未贯穿所处的所述第一固定件，以使两块所述PCB板分别插入至两处所述气隙内时，两块所述PCB板的底端分别插入对应的所述滑槽内。

本方案中，在两个第一固定件的顶端开设滑槽后，可以使得PCB板在滑动过程中始终位处于气隙内，不会偏出，造成进程中断。

优选的，两个所述PCB板沿所述中间铁轭长度方向的一端均设有一第二固定件，两个所述第一固定件沿所述中间铁轭长度方向的任意一端均开设有一开口以供所述第二固定件露出。

本方案中，采用第二固定件加上开口的设计方式，可以帮助操作人员判断PCB板是否滑动至滑槽的边界处，进而进行控制调整。

优选的，两块所述PCB板均由10层的子PCB板沿所述中间铁轭的厚度方向堆叠形成，每相邻的两个所述子PCB板之间分别通过芯板相连接。

优选的，各所述永磁体采用的材料为烧结钕铁硼N50H。

本方案中，采用烧结钕铁硼N50H作为各永磁体的材料，可以使其具备良好的磁致伸缩效果。

附图说明

图1为本发明的PCB板插入气隙时的结构示意图；

图2为本发明的PCB板未插入气隙时的结构示意图；

图3为本发明的电机动子的结构示意图；

图4为本发明的子PCB板的堆叠示意图；

图5为本发明的子PCB板的绕组结构示意图；

附图标记说明：1、外侧铁轭；2、中间铁轭；3、第一固定件；4、永磁体；5、动子连接件；51、第一连接件；52、第二连接件；6、PCB板；7、第二固定件；8、开口；9、子PCB板；10、线圈；11、无效区域；12、有效区域。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种晶圆检测设备用无铁芯直线电机，如图1-图3所示，包括：

一电机定子，电机定子包括两个外侧铁轭1和一中间铁轭2，两个外侧铁轭1和中间铁轭2之间分别通过一第一固定件3固定连接，两个外侧铁轭1和中间铁轭2之间分别留有气隙，两个外侧铁轭1的内表面以及中间铁轭2沿自身厚度方向的两侧表面上分别设有多个永磁体4，且位于同一表面上的各永磁体4均沿中间铁轭2的长度方向间隔排布；

一电机动子，电机动子包括一动子连接件5和两块PCB板6，两块PCB板6的顶端均与动子连接件5的底端固定连接并间隔设置，以使两块PCB板6分别插入至两处气隙内时动子连接件5的底端与两个外侧铁轭1的顶端相抵接，且两块PCB板6插入至两处气隙内时均可滑动，两块PCB板6均采用变截面式绕组。

具体地，本实施例中，采用PCB板直线电机组合结构作为无铁芯直线电机的基础结构，以减小整体电机的厚度，使得比重叠式双层绕组结构的无铁芯直线电机厚度更薄，通过以上结构简单紧凑的特点来减小整体重量；并且在尺寸约束下，本方案中的无铁芯直线电机相较于其他无铁芯直线电机具有更大的推力密度，使得具有更高的输出推力，在小范围内减小推力波动；而由于本方案中的无铁芯直线电机采用的是PCB板6作为电机动子元器件的设计方式，使得可以进行批量化自动生产，相较于其他无铁芯直线电机可以大幅度降低人工成本；并且在采用变截面式绕组作为两块PCB板6的绕组后可以使得PCB板6在高温部位具有较大的截面面积，使该部位的电阻减小，进而降低温升，提高散热效率，优化热损耗传导。

优选的，针对晶圆检测设备等高精密设备的应用需求，本发明提出一种无铁芯直线电机，该无铁芯直线电机解决了传统无铁芯直线电机与双层重叠式绕组无铁芯直线电机存在的推力密度小、绕组公差大等问题，该无铁芯直线电机的基础是PCB动子无铁芯直线电机，具有重量轻、厚度薄、成本低等优点，电机定子是单层中间铁轭与双永磁体4叠层相加，电机动子由两个PCB板6通过动子连接件5相连组成，其绕组采用印刷电路板刻蚀，具有极高的绕制精度与摆放精度，并且能够简化动子生产工艺。

优选的，两块PCB板6采用变截面式绕组后，可以根据动子发热情况改变绕组的截面面积，该方法可以有效抑制电机动子温升、提高散热效率。

优选的，本发明的无铁芯直线电机利用厚度薄的特点，针对各种应用场景可以提出双层、三层、多层的结构，其组合结构最大的优点是推力密度大、推力波动小、散热效率高，弥补了无铁芯直线电机的推力密度小、散热效率低的缺陷，具有很好的应用前景。

优选的，两个外侧铁轭1和中间铁轭2的材料采用Steel_1008即冷镦钢，具有良好的可加工性、可塑性和可焊性。

优选的，本发明结构采用PCB板直线电机组合结构，整体电机厚度仅为45mm左右，比双层重叠式绕组无铁芯直线电机薄5mm，结构简单紧凑、整体重量轻，并且在尺寸约束下，该结构电机的输出推力相较于其他无铁芯直线电机高30%左右，具有推力密度大、推力波动小的优点。

优选的，两个第一固定件3的位置可以设置在整个直线电机的底部区域，或是与两个外侧铁轭1的内表面底部固定连接，或是与中间铁轭2沿自身长度方向的两侧底部固定连接，或是其中第一固定件3分别与其中一个外侧铁轭1的内表面和中间铁轭2沿自身长度方向的一侧底部固定连接，而另一个第一固定件3与另一个外侧铁轭1的内表面和中间铁轭2沿自身长度方向的另一侧底部固定连接。

优选的，本发明中固定连接的方式可以采用焊接或其他可实现固定效果的方式。

本发明的较佳的实施例中，动子连接件5为由横向设置的第一连接件51和竖向设置的第二连接件52组成的T型连接件，第一连接件51的底端与两个PCB板6的顶端固定连接，第二连接件52设于第一连接件51的底端，第二连接件52沿中间铁轭2厚度方向的两侧分别与两个PCB板6固定连接，且两块PCB板6分别插入至两处气隙内时，第二连接件52的底端与中间铁轭2的顶端相抵接。

具体地，本实施例中，采用T型连接件作为动子连接件5后，具有双层固定效果，第一层为第一连接件51与两个PCB板6顶端之间的连接固定，第二层为第二连接件52与两个PCB板6侧面的连接固定，能够大大提高连接稳定性。

本发明的较佳的实施例中，两个外侧铁轭1的位于同一表面上的各永磁体4均采用垂直方向充磁方式，且每相邻的两个永磁体4的充磁方向相反。

具体地，本实施例中，采用垂直方向即径向充磁方式可以使得电机磁场分布更加均匀,能够充分利用磁场,减少能量损失,提高电机效率。

优选的，本发明提出的无铁芯直线电机中，电机定子包含三层铁轭与四层永磁体4，三层铁轭分为两层外侧铁轭1与一层中间铁轭2，外侧铁轭1内表面沿长度方向贴有多组永磁体4，其永磁体4均为垂直方向充磁，相邻两永磁体4充磁方向相反，中间铁轭2两外表面贴有永磁体4，其永磁体4位置与外侧铁轭1永磁体4位置相同。

本发明的较佳的实施例中，两个外侧铁轭1、中间铁轭2和两个第一固定件3形成双U形结构。

具体地，本实施例中，电机定子是采用单层中间铁轭2与双层永磁体4叠层相加组成双U型结构，能够使得结构紧凑，减小整体设备体积。

本发明的较佳的实施例中，两个第一固定件3的顶端均开设有一滑槽且两个滑槽沿中间铁轭2长度方向的两端均未贯穿所处的第一固定件3，以使两块PCB板6分别插入至两处气隙内时，两块PCB板6的底端分别插入对应的滑槽内。

具体地，本实施例中，在两个第一固定件3的顶端开设滑槽后，可以使得PCB板6在滑动过程中始终位处于气隙内，不会偏出，造成进程中断。

本发明的较佳的实施例中，两个PCB板6沿中间铁轭2长度方向的一端均设有一第二固定件7，两个第一固定件3沿中间铁轭2长度方向的任意一端均开设有一开口8以供第二固定件7露出。

具体地，本实施例中，采用第二固定件7加上开口8的设计方式，可以帮助操作人员判断PCB板6是否滑动至滑槽的边界处，进而进行控制调整。

本发明的较佳的实施例中，如图4所示，两块PCB板6均由10层的子PCB板9沿中间铁轭2的厚度方向堆叠形成，每相邻的两个子PCB板9之间分别通过芯板相连接。

具体地，本实施例中，本发明提出的无铁芯直线电机中，电机动子的主体是两块PCB板6，每块PCB板6都采用变截面式绕组形式，该形式在当前绕线工艺中无法生产与绕制，采用PCB板6作为电机动子后可以满足，该电机动子由10层的子PCB板9构成，每层子PCB板9之间通过芯板相连，整体厚度为3.7mm。

优选的，如图5所示，直线电机的动子绕组在工作时可以分为有效区域12与无效区域11，有效区域12是电机动子在运动时切割磁感线的部分，无效区域11是永磁体4长度以外的部分，通过电机动子的热仿真可以得到电机工作时的温度最高位置为底部的无效区域11，基于以上结论，提出一种变截面绕组形式，根据线圈10与永磁体4的相互作用，在设计时根据线圈形状与温升关系确定线圈截面面积。

优选的，两块PCB板6通过铜线焊接使其绕组串联，与动子连接件5组成电机动子，电机动子为4极3槽集中式绕组，每相线圈10采用串联方式。

优选的，采用如图5的结构进行仿真结果与实验验证后可知，在电机处于工作状态时，动子底部位置为温度最高位置，采用特殊的变截面绕组形状可以有效的降低动子温升，并能提高电机的功率。

本发明的较佳的实施例中，各永磁体4采用的材料为烧结钕铁硼N50H。

具体地，本实施例中，采用烧结钕铁硼N50H作为各永磁体4的材料，可以使其具备良好的磁致伸缩效果。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种晶圆检测设备用无铁芯直线电机，其特征在于，包括：

一电机定子，所述电机定子包括两个外侧铁轭（1）和一中间铁轭（2），两个所述外侧铁轭（1）和所述中间铁轭（2）之间分别通过一第一固定件（3）固定连接，两个所述外侧铁轭（1）和所述中间铁轭（2）之间分别留有气隙，两个所述外侧铁轭（1）的内表面以及所述中间铁轭（2）沿自身厚度方向的两侧表面上分别设有多个永磁体（4），且位于同一表面上的各所述永磁体（4）均沿所述中间铁轭（2）的长度方向间隔排布；

一电机动子，所述电机动子包括一动子连接件（5）和两块PCB板（6），两块所述PCB板（6）的顶端均与所述动子连接件（5）的底端固定连接并间隔设置，以使两块所述PCB板（6）分别插入至两处所述气隙内时所述动子连接件（5）的底端与两个所述外侧铁轭（1）的顶端相抵接，且两块所述PCB板（6）插入至两处所述气隙内时均可滑动，两块所述PCB板（6）均采用变截面式绕组；

两个所述第一固定件（3）的顶端均开设有一滑槽且两个所述滑槽沿所述中间铁轭（2）长度方向的两端均未贯穿所处的所述第一固定件（3），以使两块所述PCB板（6）分别插入至两处所述气隙内时，两块所述PCB板（6）的底端分别插入对应的所述滑槽内；

两个所述PCB板（6）沿所述中间铁轭（2）长度方向的一端均设有一第二固定件（7），两个所述第一固定件（3）沿所述中间铁轭（2）长度方向的任意一端均开设有一开口（8）以供所述第二固定件（7）露出。

2.根据权利要求1所述的晶圆检测设备用无铁芯直线电机，其特征在于，所述动子连接件（5）为由横向设置的第一连接件（51）和竖向设置的第二连接件（52）组成的T型连接件，所述第一连接件（51）的底端与两个所述PCB板（6）的顶端固定连接，所述第二连接件（52）设于所述第一连接件（51）的底端，所述第二连接件（52）沿所述中间铁轭（2）厚度方向的两侧分别与两个所述PCB板（6）固定连接，且两块所述PCB板（6）分别插入至两处所述气隙内时，所述第二连接件（52）的底端与所述中间铁轭（2）的顶端相抵接。

3.根据权利要求1所述的晶圆检测设备用无铁芯直线电机，其特征在于，两个所述外侧铁轭（1）的位于同一表面上的各所述永磁体（4）均采用垂直方向充磁方式，且每相邻的两个所述永磁体（4）的充磁方向相反。

4.根据权利要求1所述的晶圆检测设备用无铁芯直线电机，其特征在于，两个所述外侧铁轭（1）、所述中间铁轭（2）和两个所述第一固定件（3）形成双U形结构。

5.根据权利要求1所述的晶圆检测设备用无铁芯直线电机，其特征在于，两块所述PCB板（6）均由10层的子PCB板（9）沿所述中间铁轭（2）的厚度方向堆叠形成，每相邻的两个所述子PCB板（9）之间分别通过芯板相连接。

6.根据权利要求1所述的晶圆检测设备用无铁芯直线电机，其特征在于，各所述永磁体（4）采用的材料为烧结钕铁硼N50H。