直线电机制造技术

本发明专利技术一种直线电机，包括线圈单元和磁铁单元，磁铁单元包括两组相对平行、位于磁轭上的相对称的磁铁阵列，磁铁阵列由第一类磁铁、第二类磁铁以及它们之间的第三类磁铁沿着X轴按照Halbach磁铁阵列模式周期性交替分布，第一类磁铁和第二类磁铁沿X轴等间距交替分布且磁化方向分别沿着Y轴的正方向和反方向，第三类磁铁是一块棱柱磁铁或者包括三块棱柱磁铁，当第三类磁铁是一块棱柱磁铁时，相邻的不同类磁铁之间的相对面均是斜面，当第三类磁铁包括三块棱柱磁铁时，相邻的不同棱柱磁铁之间的相对面是斜面。本发明专利技术的直线电机中形成的磁力线更为连续的，可以提高磁铁阵列中的垂向磁通量和水平磁通量，进而提高相应方向的推力。

【技术实现步骤摘要】
直线电机
本专利技术涉及一种直线电机。
技术介绍
随着光刻技术的进步和半导体工业的快速发展，对于光刻设备有四项基本性能指标：线宽均匀性(CD，CriticalDimensionUniformity)、焦深(Focus)、套刻(Overlay)和产率(Throughput)。为了提高线宽均匀性，光刻机工件台必须提高水平向精密定位能力；为了提高焦深误差精度，工件台必须提高垂向精密定位能力；为了提高光刻机套刻误差精度，工件台必须提高其内部模态来提升动态定位特性。此外，光刻设备必须增加产率，因此台子必须高速运动，快速启动和停止。光刻设备的高速、高加速和高精密的定位能力是相互矛盾的，增加扫描速度需要功率更大的电机，为了克服这个矛盾，当前工件台技术采用了粗微动结构，实现高速和高精度的技术分离。粗动结构主要由直线电机组成，可以实现大行程和高速度运动。微动台则层叠安装于粗动台上，可以动态补偿定位偏差，微动台实现纳米精度，并具有多自由度运动来进行光刻曝光和对准。目前这种结构采用气浮轴承结构驱动设计技术，无法实现多自由度运动与执行器的一体化耦合设计，导致系统运动结构的质量增大，驱动力随着增大，驱动反力施加给系统的残余振动也增大，从而影响了系统的动态性能。此外，由于产率要求高加速度导致附加倾翻力矩加大，工件台的气浮静刚度约束采用高刚性设计，对导向平面度、预载变形、气浮工艺参数设计要求非常高。同时，考虑到配套的电、气、水、真空通路与机箱等等，工件台系统结构复杂、庞大、可靠性低、维修维护难度大。直线电机无需任何机械转换装置就可直接驱动负载做直线运动，也就不存在因转换装置的变形、齿隙等因素带来的误差，系统的惯性也相对较小。海尔贝克(Halbach)阵列是一种新型永磁体排列方式，它将不同磁化方向的永磁体按照一定的顺序排列，使得阵列一边的磁场显著增强而另一边显著减弱，且很容易得到在空间较理想正弦分布的磁场。Halbach磁铁阵列的这些优良特性使其被广泛应用在直线电机领域中。1997年，MIT的KimWJ.High在他的博士论文“PrecisionPlanarMagneticLevitation”中设计并制造了一套基于4组Halbach型直线电动机的高精度定位平台系统，该系统的4组直线电动机互相配合以产生光刻平台所需要的六维运动，该系统的定位噪音为5nm，加速度可以达到1g(g＝9.8m/s2)。另外，MIT的Williams在他的博士论文“Precisionsix-degree-of-freedommagneticallylevitatedphotolithographystage”中也设计了一套由Halbach型直线电动机和电磁铁混合驱动的高精度定位平台。美国专利US20040246458于2004年12月09日公开了一种用于光刻机工件台或掩模台的直线电机，具有高的驱动力、高效率和低的纹波力，包括两个平行相对的第一磁道和第二磁道，以及一个电枢，电枢包括三个开环线圈单元，置于第一磁道和第二磁道之间，第一磁道、第二磁道与线圈单元可以各自运动，两个相对的磁道与开环线圈之间有一个没有铁心，这种结构可以减小电机的体积，且增大力的时候不产生额外的热量。通过更有效的电磁材料和更高的电磁力可以增加电机的效率，减少轴承的使用，减小移动的质量，特别适用于真空环境中。但是，上述两种直线电机中的Halbach磁铁阵列中，由于平面磁密方向与磁铁阵列外形方向不一致，会限制垂向磁通量和水平磁通量，从而限制了垂向磁密和水平慈密，进而限制了垂向推力和水平推力，最终限制了六自由度的推力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种磁力线更为连续的直线电机，以提高Halbach磁铁阵列中的垂向磁通量和水平磁通量。为了达到上述的目的，本专利技术采用如下技术方案：一种直线电机，包括线圈单元和磁铁单元，所述磁铁单元包括两组相对平行、位于磁轭上的相对称的磁铁阵列；所述线圈单元插入两组磁铁阵列之间，所述线圈单元与所述磁铁阵列之间具有间隙，其特征在于：所述磁铁阵列由第一类磁铁、第二类磁铁以及它们之间的第三类磁铁沿着X轴按照Halbach磁铁阵列模式周期性交替分布，所述第一类磁铁和第二类磁铁沿X轴等间距交替分布且磁化方向分别沿着Y轴的正方向和反方向，所述第三类磁铁是一块棱柱磁铁或者包括三块棱柱磁铁，当所述第三类磁铁是一块棱柱磁铁时，相邻的不同类磁铁之间的相对面均是斜面，当所述第三类磁铁包括三块棱柱磁铁时，相邻的不同棱柱磁铁之间的相对面是斜面。进一步，所述第一类磁铁呈方型，其磁化方向平行于Y轴向上或向下；所述第二类磁铁呈方型，其磁化方向与第一类磁铁的磁化方向相反；所述第三类磁铁包括三块棱柱磁铁，分别是第一棱柱磁铁、第二棱柱磁铁和第三棱柱磁铁，所述第三类磁铁组合后整体呈方型，其中，所述第一棱柱磁铁的磁化方向经过其与第二棱柱磁铁的相对面进入所述第二棱柱磁铁，第二棱柱磁铁的磁化方向与X轴平行并指向第一类磁铁，第三棱柱磁铁的磁化方向经过其与第二棱柱磁铁的相对面远离所述第二棱柱磁铁，或者所述第三棱柱磁铁的磁化方向经过其与第二棱柱磁铁的相对面进入所述第二棱柱磁铁，第二棱柱磁铁的磁化方向与X轴平行并指向第一类磁铁，第一棱柱磁铁的磁化方向经过其与第二棱柱磁铁的相对面远离所述第二棱柱磁铁，由此使得相对称的磁铁阵列中对应的第一类磁铁、第二类磁铁和第三类磁铁共同形成一个闭合磁路。进一步，所述第一棱柱磁铁、第二棱柱磁铁和第三棱柱磁铁沿XY平面的截面分别为直角三角形、等腰三角形和直角三角形。进一步，所述第一棱柱磁铁、第二棱柱磁铁和第三棱柱磁铁沿XY平面的截面分别为直角三角形、等腰梯形和直角三角形。进一步，所述第一类磁铁和第二类磁铁的长和宽均一致，第一类磁铁、第二类磁铁和第三类磁铁的高度均相等。进一步，所述第一棱柱磁铁、第二棱柱磁铁和第三棱柱磁铁沿XY平面的截面分别为直角梯形、等腰三角形和直角梯形。进一步，所述第一类磁铁和第二类磁铁的长和宽均一致，第一类磁铁、第二类磁铁和第三类磁铁的高度均相等，且在第三类磁铁中，第一棱柱磁铁和第三棱柱磁铁沿XY平面的截面为具有一公共边的直角梯形。进一步，所述相对面与Y轴的夹角根据所述第一棱柱磁铁、第二棱柱磁铁和第三棱柱磁铁的尺寸及形状而定。进一步，所述第三类磁铁是一块棱柱磁铁，所述第一类磁铁、第二类磁铁和第三类磁铁均为沿XY平面的截面是等腰梯形的四棱柱磁铁，第一类磁铁的磁化方向平行于Y轴向上；第二类磁铁的磁化方向平行于Y轴向下；第三类磁铁的磁化方向与X轴平行并始终指向第一类磁铁，由此使得相对称的磁铁阵列中对应的第一类磁铁、第二类磁铁和第三类磁铁共同形成一个闭合磁路。进一步，第一类磁铁、第二类磁铁和第三类磁铁的沿XY平面的截面为腰长相等、底角相同且高度相等的等腰梯形。进一步，所述相对面与Y轴的夹角根据所述第一类磁铁、第二类磁铁和第三类磁铁的尺寸及形状而定。本专利技术提供的直线电机，包括线圈单元和磁铁单元，所述磁铁单元包括两组相对平行、位于磁轭上的相对称的磁铁阵列；所述线圈单元插入两组磁铁阵列之间，所述线圈单元与所述磁铁阵列之间具有间隙，所述磁铁阵列由第一类磁铁、第二类磁铁以及它们之间的第三类磁铁沿着X轴按照Halbach磁铁阵列模式周期性交替分布，所述第一类磁铁和第二类磁铁沿X轴等间距本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直线电机，包括线圈单元和磁铁单元，所述磁铁单元包括两组相对平行、位于磁轭上的相对称的磁铁阵列；所述线圈单元插入两组磁铁阵列之间，所述线圈单元与所述磁铁阵列之间具有间隙，其特征在于：所述磁铁阵列由第一类磁铁、第二类磁铁以及它们之间的第三类磁铁沿着X轴按照Halbach磁铁阵列模式周期性交替分布，所述第一类磁铁和第二类磁铁沿X轴等间距交替分布且磁化方向分别沿着Y轴的正方向和反方向，所述第三类磁铁是一块棱柱磁铁或者包括三块棱柱磁铁，当所述第三类磁铁是一块棱柱磁铁时，相邻的不同类磁铁之间的相对面均是斜面，当所述第三类磁铁包括三块棱柱磁铁时，相邻的不同棱柱磁铁之间的相对面是斜面。

【技术特征摘要】
1.一种直线电机，包括线圈单元和磁铁单元，所述磁铁单元包括两组相对平行、位于磁轭上的相对称的磁铁阵列；所述线圈单元插入两组磁铁阵列之间，所述线圈单元与所述磁铁阵列之间具有间隙，其特征在于：所述线圈单元包括线圈和对应相对其运动的铁芯，所述磁铁阵列由第一类磁铁、第二类磁铁以及它们之间的第三类磁铁沿着X轴按照Halbach磁铁阵列模式周期性交替分布，所述第一类磁铁和第二类磁铁沿X轴等间距交替分布且磁化方向分别沿着Y轴的正方向和反方向，所述第三类磁铁包括三块棱柱磁铁，相邻的不同棱柱磁铁之间的相对面是斜面。2.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于：所述第一类磁铁呈方型，其磁化方向平行于Y轴向上或向下；所述第二类磁铁呈方型，其磁化方向与第一类磁铁的磁化方向相反；所述第三类磁铁包括三块棱柱磁铁，分别是第一棱柱磁铁、第二棱柱磁铁和第三棱柱磁铁，所述第三类磁铁组合后整体呈方型，其中，所述第一棱柱磁铁的磁化方向经过其与第二棱柱磁铁的相对面进入所述第二棱柱磁铁，第二棱柱磁铁的磁化方向与X轴平行并指向第一类磁铁，第三棱柱磁铁的磁化方向经过其与第二棱柱磁铁的相对面远离所述第二棱柱磁铁，或者所述第三棱柱磁铁的磁化方向经过其与第二棱柱磁铁的相对面进入所述第二棱柱磁铁，第二棱柱磁铁的磁化方向与X轴平行并指向第一类...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴立伟，杨晓燕，陈庆生，
申请(专利权)人：上海微电子装备有限公司，
类型：发明
国别省市：