專利名稱：一種集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真空機器人領(lǐng)域的方法，具體涉及一種集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法。
背景技術(shù)：
隨著大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，其主流技術(shù)正由0 300mm、65nm向0450mm、32nm過渡，而實踐證明，0.35 μ m及其以下尺寸的許多前端工藝，如離子注入、刻蝕、鍍膜、沉積、濺射等都必須在超高潔凈度的真空環(huán)境下進行。為了提高潔凈度和生產(chǎn)效率，降低成本，集束型設(shè)備已成為半導(dǎo)體前端設(shè)備的發(fā)展主流。真空機器人是集束型設(shè)備中晶圓在各反應(yīng)工藝腔室之間傳輸?shù)暮诵牟考?，由于真空機器人需要在真空環(huán)境下運作，而大氣環(huán)境與真空環(huán)境之間的密封隔離與動力傳遞正是制約真空機器人性能提高的技術(shù)瓶頸。由于電機軸系及其位移測量裝置是真空機器人的核心部件，因此處理好電機與位置檢測部件的真空隔離問題成為設(shè)計真空機器人軸系的關(guān)鍵技術(shù)。大氣機器人與真空機器人最核心的區(qū)別是它們的動力傳遞方式不同。大氣機器人可以把電機直接安裝在關(guān)節(jié)位置來驅(qū)動手臂；而真空機器人的手臂必須在高真空高潔凈環(huán)境下工作，如果仍將電機直接連接手臂，電機定子電樞表面的塑料絕緣材料在真空環(huán)境下釋放的微粒與氣體將破壞高潔凈度高真空環(huán)境，此外直接驅(qū)動電機的銅損(熱功)較大，在真空環(huán)境中很難散熱，所以必須把電機定子置于大氣環(huán)境中。因此如何將電機提供的動力從大氣環(huán)境傳遞給真空環(huán)境中的機械手臂成為了真空機器人研發(fā)的技術(shù)瓶頸。常用的真空機械手軸系的隔離方法有:一種屬于機械動態(tài)密封的磁流體密封，采用磁流體動態(tài)密封的方式設(shè)計真空機械手，優(yōu)點是真空腔室沒有軸承，可以減少對真空環(huán)境的污染，同時電機、傳感器、軸承可以采用標(biāo)準(zhǔn)的，從而降低了硬件成本。但是這種密封方式很難達到高的真空度，磁流體在真空環(huán)境下易于蒸發(fā)，受環(huán)境溫度的影響比較大，可靠性受到限制。相對于動態(tài)密封的隔離方法，靜態(tài)密封技術(shù)可以獲得更高的真空度和可靠性，可以在比較惡劣的環(huán)境下工作，一般通過磁性聯(lián)軸器可以實現(xiàn)靜態(tài)密封，但是也存在以下缺點:軸承在真空環(huán)境下，需要采用特殊潤滑方式以減少顆粒產(chǎn)生對真空環(huán)境的污染；永磁體及粘結(jié)膠在真空環(huán)境下，會帶來一定的氣體泄露；電機定子與轉(zhuǎn)子、磁性聯(lián)軸器主動轉(zhuǎn)子與隨動轉(zhuǎn)子之間都存在間隙，給系統(tǒng)的控制增加了復(fù)雜性，同時降低了系統(tǒng)的剛性。在軸系系統(tǒng)中往往還需要實時地檢測出電機轉(zhuǎn)子的位置，包括轉(zhuǎn)子的絕對位置和增量式位置，同時還需要計算出電機的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及其位置的高精度控制，以獲取良好的性能。用來檢測電機轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器主要有光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。其中光電編碼器因其數(shù)據(jù)處理電路簡單，容易實現(xiàn)高分辨率，檢測精度高，輸出信號平滑，是今天使用最普遍的位置檢測傳感器，但是需要對電機的動態(tài)模型進行精確建模，對電機的參數(shù)有較大依賴性，更重要的是它的，內(nèi)部集成了處理電路，有很多電子元器件，在真空環(huán)境下抗干擾性差，易造成性能不穩(wěn)定；相比較而言，由于旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁式傳感器，本質(zhì)上是一種測量角度用的小型交流電動機，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度，其內(nèi)部沒有任何電子元件，僅僅由定子和轉(zhuǎn)子組成，結(jié)構(gòu)簡單。因此隨著對電機自動化控制的要求日益增加，用于轉(zhuǎn)動軸系的電機附帶旋轉(zhuǎn)變壓器成為常見的配置。但是由于對用于真空機器人軸系上的電機在重量和空間上較大，現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)在布置旋轉(zhuǎn)變壓器時，電機軸承與旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子在空間上會有干涉從而導(dǎo)致布置困難，同時由于空間限制，旋轉(zhuǎn)變壓器與其它零部件的距離狹小，給設(shè)計、制造、維修都會帶來較大困難，同時無法解決電機與位移測量裝置之間的真空隔離問題，因此在真空軸系中很少采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為軸系的位移測量裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是為了克服上述已有技術(shù)的不足之處，提出一種集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法。本發(fā)明針對的軸系主要由驅(qū)動組件、傳動組件、密封部件、位置檢測部件等部件組成。該軸系采用一種具有磁力直接驅(qū)動技術(shù)的永磁同步電機作為軸系的驅(qū)動與傳動組件將運動源從大氣環(huán)境傳遞到真空容器中；由于永磁同步電機采用轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制策略，需要選用一種位置檢測部件檢測電機轉(zhuǎn)子的絕對位置及轉(zhuǎn)速以及電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的位置，本發(fā)明方法將一種旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機的位置檢測部件，并將它同電機一起集成在真空密封環(huán)境下，保證其整個軸系在工作中外界大氣環(huán)境無法向真空容器內(nèi)漏氣，并能夠?qū)㈦姍C的位置、速度信號從真空環(huán)境傳遞到大氣環(huán)境中；密封部件則用來將真空環(huán)境下的傳動組件、位置檢測部件和大氣環(huán)境下的部件進行隔離，從而保證真空機器人的整個軸系以靜態(tài)傳動的形式運行于真空環(huán)境中。根據(jù)軸系的設(shè)計，提供一種集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法，技術(shù)方案如下:步驟1:設(shè)計一種具有磁力直接驅(qū)動技術(shù)的永磁同步電機作為軸系的驅(qū)動與傳動組件，該永磁同步電機主要由電機外磁定子和電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子組成，電機外磁定子和電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子之間沒有任何接觸。電機外磁定子主要由旋轉(zhuǎn)電磁場線圈組成，作為軸系的驅(qū)動組件，該旋轉(zhuǎn)電磁場線圈通電后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動被隔離密封套封閉在真空容器中的電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子和真空機器人的手臂直接相連，中間無需任何減速機構(gòu)如齒輪、皮帶輪等便能達到帶動負(fù)載進行運動的目的。電磁外磁定子和電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子之間留有一定的空隙，方便進行真空隔離。步驟2:設(shè)計一種正余弦磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機的位置檢測部件，可以實時檢測電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速；該旋轉(zhuǎn)變壓器主要由旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子和旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子組成，旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子和旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子之間沒有任何接觸，與永磁同步電機結(jié)構(gòu)類似；步驟3:為了將軸系的動態(tài)密封轉(zhuǎn)變成靜態(tài)密封，由于設(shè)計的永磁同步電機與設(shè)計的旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)相似和工作原理相似，因此本發(fā)明方法提出一種將電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子集成一體化設(shè)計的方法，將電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的端部進行加長，從而代替變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子，使得電機和旋轉(zhuǎn)變壓器共用一個內(nèi)磁轉(zhuǎn)子，簡化了整個軸系的結(jié)構(gòu)，為軸系的靜態(tài)真空隔離方法提供了必要條件。步驟4:由于內(nèi)磁轉(zhuǎn)子需要運行于高潔凈度的真空環(huán)境下，而磁體的表面容易吸附微小的鐵磁性微粒，可能污染破壞潔凈環(huán)境，影響芯片的加工質(zhì)量。所以設(shè)計了一種隔離密封套，將整個電機、旋轉(zhuǎn)變壓器的一體化內(nèi)磁轉(zhuǎn)子封閉在此密封套中，同時限制了磁體徑向和軸向的運動，提高了可靠性。步驟5:由于電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子外側(cè)的磁體會吸引電機外磁定子內(nèi)側(cè)的齒槽，所以在電機軸系的設(shè)計裝配過程中，采用專門設(shè)計的分體式真空直驅(qū)電機軸系組裝工裝克服了磁體與齒槽間強大的吸引力，而將電機的轉(zhuǎn)子組件平穩(wěn)插入電機的定子組件中，并保證所需要的安裝精度要求。優(yōu)選地，步驟I中的磁力直接驅(qū)動技術(shù)是一種在真空機器人中采用的靜態(tài)密封技術(shù)，通過拉大電機外磁定子、電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子之間的間隙，在電機外磁定子、電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子之間放置真空隔離密封套。電機的外磁定子和內(nèi)磁轉(zhuǎn)子分別工作在大氣和真空環(huán)境下，這種方式的優(yōu)點是能夠得到高的真空度，設(shè)計相對較簡單，并且所有的電機接線端均在大氣環(huán)境下。優(yōu)選地，步驟I中的電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子采用中空結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可使配線從軸系的中間穿過。優(yōu)選地，步驟I中的永磁同步直驅(qū)電機設(shè)計，因為在電機外磁定子和電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子之間需要安裝隔離密封套，所以電機外磁定子和電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子之間的間隙要比普通電機之間的間隙要大，需要達到1.5mm 2.5mm的間隙。定、轉(zhuǎn)子之間間隙的變化會對電機的性能帶來影響。因此比較了不同間隙電機的間隙磁通密度，發(fā)現(xiàn)隨著間隙的增大，間隙磁密的值逐漸減小，但磁密的正弦性要好。對不同間隙的磁密進行諧波分析，最后綜合考慮不同定、轉(zhuǎn)子間隙電機的性能，選擇了 2mm的定、轉(zhuǎn)子間隙,可以發(fā)揮電機的最佳性能。優(yōu)選地，步驟2中的旋轉(zhuǎn)變壓器的原、副繞組均分布在旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子側(cè)，而旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子上沒有繞組，由于原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角有關(guān)。當(dāng)勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與內(nèi)磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，因此可以用于坐標(biāo)變換、三角運算和角度數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)選地，步驟2中的旋轉(zhuǎn)變壓器與電機同軸安裝，也采用中空式設(shè)計。優(yōu)選地，在步驟3中，電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的延長端，由于正余弦磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的繞組都在定子上，轉(zhuǎn)子部分僅是一塊具有永磁材料的鐵心，沒有嵌放任何繞組，轉(zhuǎn)子上每對磁阻磁極的形狀使得氣隙磁導(dǎo)隨轉(zhuǎn)子位置的變化中只含有恒定分量和基波分量，從而在信號繞組中獲取按正弦變化的位置信號。這種新型的磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器類的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與永磁同步電機的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子十分相似，因此將電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子延長同時作為旋轉(zhuǎn)變壓器的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子，這樣可以在定子與轉(zhuǎn)子之間進行真空與大氣的隔離，從而實現(xiàn)真空與大氣的絕對隔離，而且真空與大氣之間沒有電氣信號的連接。優(yōu)選地，步驟4中的隔離密封套選用非導(dǎo)磁的材料，如鋁或不銹鋼等，以避免改變磁通密度的分布?；陔姍C內(nèi)外轉(zhuǎn)子、定子之間間隙寬度的限制，隔離密封套的側(cè)面厚度不宜過大，本發(fā)明選為0.75mm。優(yōu)選地，步驟4中由于隔離密封套是薄壁型容器構(gòu)件，在磁力傳動設(shè)計中，還必須為隔離密封套選擇合適的材料，并校核隔離密封套的強度是否足夠承受兩側(cè)介質(zhì)的不同壓力，以及受壓變形量是否滿足應(yīng)用的要求。整個隔離密封套安裝在電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與電機外磁定子之間的間隙中。優(yōu)選地，步驟4中的隔離密封套與一體化內(nèi)磁轉(zhuǎn)子之間采用O型橡膠圈進行進一步的密封。優(yōu)選地，步驟5中利用自主搭建的分體式真空直驅(qū)電機軸系組裝工裝，并設(shè)計了專門的電機轉(zhuǎn)子裝配夾具，通過Z向?qū)к壍倪\動成功地組裝了分體式真空機器人軸系，實際運行情況良好。優(yōu)選地，軸系的一體化內(nèi)磁轉(zhuǎn)子同時使用了膠粘和定位法蘭兩種方法來固定磁體的位置，以提高軸系的連接可靠性。定位法蘭可以選擇燕尾槽型或T形槽型。優(yōu)選地，為了保護磁體，一體化內(nèi)磁轉(zhuǎn)子、電機外磁定子、以及旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子上的所有磁體表面可鍍鎳或鍍鋅。與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過本發(fā)明提供的一種集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法的優(yōu)點在于:1.整個軸系帶寬增加，由于取消掉了滾珠絲杠、減速器等中間環(huán)節(jié)，電機的慣量變小，位置環(huán)、速度環(huán)的帶寬增大，整個軸系的動態(tài)響應(yīng)性能大幅提升。2.由于采用了磁力直接驅(qū)動技術(shù)，沒有高速旋轉(zhuǎn)的部件，因此高速旋轉(zhuǎn)部件不平衡帶來的振動、噪聲也不存在，不但使整個軸系的諧振頻率降低，控制對象的靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差都得到了有效的控制。3.將伺服系統(tǒng)的中間傳輸環(huán)節(jié)取消掉，將直接驅(qū)動電機(直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機或直接驅(qū)動直線電機)直接耦合或連接到從動負(fù)載上，實現(xiàn)電機軸與負(fù)載的剛性耦合，從而實現(xiàn)所謂的“零傳動”方式，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲小。4.在轉(zhuǎn)動過程中，隔離密封套將內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與外磁定子隔離開，磁力線穿過隔離密封套將外磁定子的動力與運動傳遞給內(nèi)磁轉(zhuǎn)子，化動態(tài)密封為無摩擦，無潤滑要求的靜態(tài)密封，從而實現(xiàn)了無接觸的“零泄漏”密封傳動。5.設(shè)計簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，整合了電機和旋轉(zhuǎn)變壓器的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子后，系統(tǒng)的體積減少，同時系統(tǒng)相對簡單，節(jié)省了開發(fā)周期。


通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:圖1為本發(fā)明所提供的真空隔離方法的原理示意圖；圖2為本發(fā)明比較不同間隙電機的磁通密度示意圖。圖中:I為電機外磁定子；2為電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子；3為旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子；4為旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子；5為隔離密封套。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明提供的方法應(yīng)用于真空機器人軸系裝置中，該裝置主要由驅(qū)動部件、位置檢測部件及密封部件組成。其中:設(shè)計一種具有磁力直接驅(qū)動技術(shù)的大間隙永磁同步電機作為驅(qū)動部件；設(shè)計一種正余弦磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器作為軸系的位置檢測部件，設(shè)計一種隔離密封套作為密封部件。該軸系采用具有磁力直接驅(qū)動技術(shù)的驅(qū)動部件將運動源從大氣環(huán)境傳遞到真空環(huán)境中，并和位置檢測部件一體化，一起密封在真空環(huán)境中，能夠?qū)㈦姍C的位置、速度信號從大氣環(huán)境傳遞到真空環(huán)境中；密封部件則用來將真空環(huán)境下的傳動組件、位置檢測部件和大氣環(huán)境下的驅(qū)動部件進行隔離，保證其整個軸系在工作中外界環(huán)境無法向真空容器內(nèi)漏氣，從而保證真空機器人的整個軸系以靜態(tài)傳動的形式運行于真空環(huán)境中。根據(jù)軸系的設(shè)計，提供一種集成旋轉(zhuǎn)變壓器的電機軸系靜態(tài)真空隔離方法，具體實施方案如下:步驟1:設(shè)計一種具有磁力直接驅(qū)動技術(shù)的永磁同步電機作為軸系的驅(qū)動與傳動組件，該永磁同步電機主要由電機外磁定子和電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子組成，電機外磁定子和電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子之間沒有任何接觸。電機外磁定子主要由旋轉(zhuǎn)電磁場線圈組成，作為軸系的驅(qū)動組件，該旋轉(zhuǎn)電磁場線圈通電后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動被隔離密封套封閉在真空容器中的電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子和真空機器人的手臂直接相連，中間無需任何減速機構(gòu)如齒輪、皮帶輪等便能達到帶動負(fù)載進行運動的目的。電磁外磁定子和電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子之間留有一定的空隙，方便進行真空隔離。搭建上述的優(yōu)選裝置，需要執(zhí)行如下步驟:1.優(yōu)選地，設(shè)計電機外磁定子1:定子采用雙層集中式繞組，減少了繞組端部重疊，定子產(chǎn)生的焦耳熱要少，從而提高了電機的效率。2.優(yōu)選地，設(shè)計電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子2:轉(zhuǎn)子采用凸出式的表面磁極結(jié)構(gòu)。該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生逼近正弦曲線的磁密，同時表面凸出式轉(zhuǎn)子具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，轉(zhuǎn)動慣量小等優(yōu)點；同時轉(zhuǎn)子采用中空盤式結(jié)構(gòu)的設(shè)計，便于實現(xiàn)真空機器人的多軸軸系的空間同軸布置，并且可使配線從中穿過；由于該轉(zhuǎn)子是要放置在真空環(huán)境中，因此在轉(zhuǎn)子的磁鐵外圍包有非磁性的保護管防止永磁體被拋散污染真空環(huán)境。3.優(yōu)選地，由于在電機外磁定子I和電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子2之間需要安裝隔離密封套5，所以電機外磁定子I和電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子2之間的間隙要比普通電機之間的間隙要大，需要達到1.5mm 2.5mm的間隙。定、轉(zhuǎn)子之間間隙的變化會對電機的性能帶來影響。因此比較了不同間隙電機的間隙磁通密度，發(fā)現(xiàn)隨著間隙的增大，間隙磁密的值逐漸減小，但磁密的正弦性要好。圖2比較了不同間隙電機的間隙磁通密度。從圖中可以看出，隨著間隙的增大，間隙磁密的值逐漸減小，但磁密的正弦性要好。對不同間隙的磁密進行諧波分析，間隙達到2.0mm以上，磁通密度曲線的諧波分量明顯減少。在間隙達到2.5mm時，在磁通密度曲線的峰值處出現(xiàn)了尖峰，曲線不再平滑。綜合考慮不同定、轉(zhuǎn)子間隙電機的性能，本文選擇2mm的定、轉(zhuǎn)子間隙。
4.優(yōu)選地，對電機的各種參數(shù)的計算。包括繞組系數(shù)、電感、漏感、損耗及有限元分析。5.優(yōu)選地，將電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子2和真空機器人的手臂軸系直接相連從而達到直接驅(qū)動負(fù)載的功能。步驟2:設(shè)計一種正余弦磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機的位置檢測部件，可以實時檢測電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速；該旋轉(zhuǎn)變壓器主要由旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子和旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子組成，旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子和旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子之間沒有任何接觸，與永磁同步電機結(jié)構(gòu)類似；搭建上述的優(yōu)選裝置，需要執(zhí)行如下步驟:1.優(yōu)選地，設(shè)計旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子4:將原、副繞組均分布在旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子側(cè)，定子部分作為輸出繞組，當(dāng)勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與內(nèi)磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，因此可以用于坐標(biāo)變換、三角運算和角度數(shù)據(jù)傳輸。2.優(yōu)選地，設(shè)計旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁定子3:由于轉(zhuǎn)子上沒有繞組，故采用凸極設(shè)計，與電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一致，利用轉(zhuǎn)子磁極的凸極效應(yīng)，使得勵磁繞組與信號繞組之間的互感隨磁阻轉(zhuǎn)子的位置變化而變化，從而在信號繞組中感應(yīng)出具有轉(zhuǎn)子位置信息的變壓器電動勢，僅僅通過定子槽數(shù)、轉(zhuǎn)子極數(shù)的選取，可以方便地構(gòu)成兩相或多相正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。3.優(yōu)選地，由于而轉(zhuǎn)子凸極的形狀和尺寸對氣隙大小造成的影響將直接影響氣隙磁導(dǎo)以及氣隙磁導(dǎo)中的各次諧波的含量。因此對轉(zhuǎn)子形狀的優(yōu)化將關(guān)系到氣隙磁導(dǎo)隨轉(zhuǎn)子位置變化的波形、各次諧波幅值的大小以至于影響到它的信號繞組上輸出的反電勢波形等等。由于原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角有關(guān)。4.優(yōu)選地，為了保護磁體，旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子上的所有磁體表面可鍍鎳或鍍鋅。5.優(yōu)選地，使用了膠粘和定位法蘭兩種方法來固定磁體的位置，以提高軸系的連接可靠性。定位法蘭可以選擇燕尾槽型或T形槽型。步驟3:為了將軸系的動態(tài)密封轉(zhuǎn)變成靜態(tài)密封，由于設(shè)計的永磁同步電機與設(shè)計的旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)相似和工作原理相似，因此本發(fā)明方法提出一種將電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子集成一體化設(shè)計的方法，將電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的端部進行加長，代替旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子，形成一體化內(nèi)磁轉(zhuǎn)子，使得電機和旋轉(zhuǎn)變壓器共用一個一體化內(nèi)磁轉(zhuǎn)子，簡化了整個軸系的結(jié)構(gòu)，為軸系的靜態(tài)真空隔離方法提供了必要條件。搭建上述的優(yōu)選裝置，需要執(zhí)行如下步驟:1.優(yōu)選地，步驟3中電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的延長端即旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子部位的設(shè)計采用的是正弦磁阻式，由于旋轉(zhuǎn)變壓器的設(shè)計是將一相勵磁繞組和兩相信號繞組都嵌放在旋轉(zhuǎn)變壓器定子齒槽中，因此而該轉(zhuǎn)子部分僅是一塊具有特定形狀的鐵心，它內(nèi)部沒有電刷，沒有耦合變壓器，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，對電機的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的磁路不會產(chǎn)生影響。轉(zhuǎn)子上每對磁阻磁極的形狀使得氣隙磁導(dǎo)隨轉(zhuǎn)子位置的變化中只含有恒定分量和基波分量，從而在信號繞組中獲取按正弦變化的位置信號。2.優(yōu)選地，由于電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的一體化設(shè)計，需要將旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子安裝在電機外磁定子的下部，使整個軸系更加緊湊，也不會影響電機位置信號的獲取。步驟4:由于內(nèi)磁轉(zhuǎn)子需要運行于高潔凈度的真空環(huán)境下，而磁體的表面容易吸附微小的鐵磁性微粒，可能污染破壞潔凈環(huán)境，影響芯片的加工質(zhì)量。所以設(shè)計了一種隔離密封套，將整個電機、旋轉(zhuǎn)變壓器的一體化內(nèi)磁轉(zhuǎn)子封閉在此密封套中，同時限制了磁體徑向和軸向的運動，提高了可靠性。搭建上述的優(yōu)選裝置，需要執(zhí)行如下步驟:1.優(yōu)選地，由于隔離密封套是薄壁型容器構(gòu)件，在磁傳動設(shè)計中，必須為隔離密封套選擇合適的材料選擇隔離密封套的材料時，除了注意材料的強度，也不可忽視材料的韌性。因為在磁場間隙中工作，受磁場間隙的制約和磁場的影響，理論上希望隔離密封套壁薄且耐壓高。綜合考慮本方法中電機定轉(zhuǎn)子間隙磁場尺寸的限制，以及工作環(huán)境的要求等，選用316不銹鋼作為隔離密封套的材料。2.優(yōu)選地，由于隔離密封套選用金屬材料，當(dāng)內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)運動時，隔離密封套處在交變磁場中。由于磁場的方向和大小按一定規(guī)律隨時間而變化，從而使隔離密封套壁殼中的磁通量也隨時間而變化，作為導(dǎo)體將產(chǎn)生環(huán)繞磁通量變化方向的渦流。該渦流的產(chǎn)生會減弱有效工 作磁場，降低傳遞的有效扭矩。損耗功率又以熱量的形式在隔離密封套上釋放出來，致使附近的永磁材料的工作環(huán)境溫度上升，當(dāng)溫度上升超過永磁體的允許工作溫度時，磁性能會隨著這一溫度的升高而降低，當(dāng)溫度升高到永磁體的居里溫度時，電機將失效而停止工作，帶來巨大的損失。所以在磁傳動設(shè)計中，還需要校核金屬隔離密封套的渦流損失。當(dāng)渦流損失較大時，應(yīng)采用有效的冷卻措施控制溫升。3.優(yōu)選地，由于隔離密封套位于磁力交替的中間，在磁傳動設(shè)計中，需要校核隔離密封套的強度是否足夠承受兩側(cè)介質(zhì)的不同壓力，以及受壓變形量是否滿足應(yīng)用的要求。隔離密封套徑向變形時，會引起隔離密封套位置以及內(nèi)外間隙的變化，壓力低時這種變形不必考慮；壓力大時，變形量較大，應(yīng)對其進行校核，以保證變形不影響隔離密封套的正常工作。徑向變形量的計算公式如下:
權(quán)利要求
1.一種集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:將具有磁力直接驅(qū)動功能的永磁同步電機作為軸系的驅(qū)動與傳動組件，其中，該永磁同步電機主要由電機外磁定子和電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子組成，電機外磁定子和電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子之間存在間隙；電機外磁定子主要由旋轉(zhuǎn)電磁場線圈組成，作為軸系的驅(qū)動組件，該旋轉(zhuǎn)電磁場線圈通電后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動被隔離密封套封閉在真空容器中的電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子和真空機器人的手臂直接相連； 步驟2:將正余弦磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機的位置檢測部件，用于實時檢測電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速；該旋轉(zhuǎn)變壓器主要由旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子和旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子組成，旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子和旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子之間存在間隙； 步驟3:將電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的端部進行加長，將旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子除去，形成一體化內(nèi)磁，轉(zhuǎn)子使得電機和旋轉(zhuǎn)變壓器共用一個一體化內(nèi)磁轉(zhuǎn)子； 步驟4:將整個電機、旋轉(zhuǎn)變壓器的一體化內(nèi)磁轉(zhuǎn)子封閉在隔離密封套中，隔離密封套用于限制磁體徑向和軸向的運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法，其特征在于，所述電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子和/或旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子采用中空結(jié)構(gòu)的設(shè)計，該中空結(jié)構(gòu)用于使配線能夠從軸系的中間芽過。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法，其特征在于，電機外磁定子與一體化轉(zhuǎn)子之間的間隙、以及旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子與一體化轉(zhuǎn)子之間的間隙，均為1.5mm 2.5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法，其特征在于，電機外磁定子與一體化轉(zhuǎn)子之間的間隙、以及旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子與一體化轉(zhuǎn)子之間的間隙，均為2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法，其特征在于，旋轉(zhuǎn)變壓器的原、副繞組均分布在旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法，其特征在于，隔離密封套選用非導(dǎo)磁的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法，其特征在于，隔離密封套與一體化轉(zhuǎn)子之間采用O型橡膠圈進行密封。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法，其特征在于，軸系的一體化轉(zhuǎn)子同時使用膠粘和定位法蘭兩種方法來固定磁體的位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法，其特征在于，定位法蘭為燕尾槽型或T形槽型。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法，其特征在于，一體化轉(zhuǎn)子、電機外磁定子、以及旋轉(zhuǎn)變壓器外磁定子上的所有磁體表面可鍍鎳或鍍鋅。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種集成旋轉(zhuǎn)變壓器的軸系靜態(tài)真空隔離方法，包括步驟步驟1將具有磁力直接驅(qū)動功能的永磁同步電機作為軸系的驅(qū)動與傳動組件；步驟2將正余弦磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機的位置檢測部件；步驟3將電機內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的端部進行加長，將旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)磁轉(zhuǎn)子除去，形成一體化內(nèi)磁，轉(zhuǎn)子使得電機和旋轉(zhuǎn)變壓器共用一個一體化內(nèi)磁轉(zhuǎn)子；步驟4將整個電機、旋轉(zhuǎn)變壓器的一體化內(nèi)磁轉(zhuǎn)子封閉在隔離密封套中，隔離密封套用于限制磁體徑向和軸向的運動。本發(fā)明實現(xiàn)了所謂的“零傳動”方式，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲小，并且實現(xiàn)了無接觸的“零泄漏”密封傳動。
文檔編號H02K29/06GK103219856SQ20131007706
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月11日
發(fā)明者劉品寬, 張波, 朱曉博, 李玉潔 申請人:上海交通大學(xué)