[发明专利]气磁混合悬浮型六自由度平面电机

说明书

一、技术领域：

本发明涉及一种可用于半导体加工产业、高精度绘图仪等领域的平面电机，特别涉及一种单动子结构的气磁混合悬浮型六自由度平面电机。

二、背景技术：

随着先进制造业的快速发展，高精度定位平台技术得到了深入的研究和发展，在半导体产业、微立体光刻、纳米工作台、高精度绘图仪等领域具有广阔的应用前景，其中最重要的应用是半导体产业中的高精度光刻定位平台。光刻定位平台需在一个近似平面的空间范围内进行精密运动控制(故被称为平面电机)，包括：在水平X轴、Y轴方向实现大行程运动(用于实现晶圆的快速步进和精密扫描)，在垂直Z轴方向实现微小运动及绕X轴、Y轴、Z轴实现微小转动(用于实现调平调焦)。

高精度平面电机的第一个关键技术是平面电机的结构设计，平面电机的结构可划分为多动子结构和单动子结构两大类，其中，多动子结构平面电机常采用粗动台和精动台层叠的双层结构，粗动台由直线电机驱动，精动台由音圈电机、压电陶瓷驱动器、电磁铁驱动，以校正粗动台的定位误差和扭摆误差；单动子结构平面电机的动子平台采用单层结构，一般由直线电机结合电磁铁驱动。早期的平面电机研究集中在多动子结构上，日本日立公司、荷兰ASML公司、美国ISI公司已经推出了用于光刻的多动子结构平面电机产品并申请了相关专利。多动子结构平面电机的机械结构和动力学特性较复杂，电磁执行器数量较多，控制难度大，双层结构的动子平台总体质量较大，且电机精动台需在粗动台粗定位之后再进行精定位，造成系统定位缓慢，加工效率低；单动子结构平面电机克服了多动子结构平面电机的以上缺点，成为目前的研究热点。

高精度平面电机的第二个关键技术是平面电机动子平台的轴承支撑方式，为实现高精度平面电机的快速准确定位，必须实现动子平台的无摩擦悬浮支撑。目前可供选择的悬浮技术主要有四种，电动悬浮、超导悬浮、气体悬浮、磁悬浮，其中，利用涡流现象实现的电动悬浮会因散热过大而影响平面电机的定位精度；超导悬浮在目前的技术条件下实现起来昂贵而且复杂；气体悬浮实现方式简单，刚度也较理想，但气体悬浮的工作原理决定其只能用于设置标称悬浮位置，目前还没有动态调节气浮气隙大小的技术；磁悬浮轴承的定位精度主要由气隙传感器的精度决定，对轴承表面的精度要求较低，且能够实现悬浮气隙的快速调节，但一般需要添加若干组电磁铁用作磁悬浮电磁执行器。

高精度平面电机的第三个关键技术是电磁执行器设计，其中，大行程电磁执行器一般为永磁同步直线电机，在直线电机执行器设计时应尽量减小齿槽力和脉动力；小行程和旋转执行器多由电磁铁实现。

三、发明内容：

本发明提供一种基于四组高力能密度、低脉动力、零齿槽力的直线电机执行器的高速高精度气磁混合悬浮型六自由度平面电机。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案有：

一种气磁混合悬浮型六自由度平面电机，采用单动子结构，包括沿水平XY平面安放的定子基体以及浮于定子基体上且与定子基体平行的动子基体，其特征在于，定子基体上表面四角分别嵌有第一Halbach永磁阵列、第二Halbach永磁阵列、第三Halbach永磁阵列、第四Halbach永磁阵列，其中，第一Halbach永磁阵列和第三Halbach永磁阵列的波长方向与X轴同向，第二Halbach永磁阵列和第四Halbach永磁阵列的波长方向与Y轴同向；动子基体的下表面四角分别设有第一推力绕组、第二推力绕组、第三推力绕组、第四推力绕组，其中，第一推力绕组和第三推力绕组的波长方向与X轴同向，第二推力绕组和第四推力绕组的波长方向与Y轴同向，动子基体的下表面四边分别设有第一气体静压轴承气垫、第二气体静压轴承气垫、第三气体静压轴承气垫、第四气体静压轴承气垫。本发明的定子基体采用非导磁不锈钢制成，上下表面的平面度公差为00级，定子基体的上表面为4组气体静压轴承气垫的工作面；动子基体采用高强度低密度的聚甲醛树酯制成。