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無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
閱讀:4102 發(fā)布時(shí)間:2013-6-26無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
晶圓清洗機(jī)專(zhuān)用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)
1.前言
在大型和超大型集成電路製程中,晶圓洗淨(jìng)之技術(shù)及潔淨(jìng)度,是影響晶圓製程良品率、元件品質(zhì)及可靠度zui重要的因素之一。要製作精密複雜的産品,是需要非常潔淨(jìng)的晶圓表面來(lái)製作。所以,晶圓清洗作業(yè)對(duì)無(wú)塵工作環(huán)境和清洗設(shè)備都有很高的要求。
晶圓置於晶舟中生產(chǎn)過(guò)程需經(jīng)由高速清洗以便去掉表面殘留化學(xué)物質(zhì),由於晶圓結(jié)構(gòu)屬易脆品,在清洗過(guò)程中經(jīng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),緩慢加、減速旋轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)直流有刷電動(dòng)機(jī)調(diào)試性能好,永磁體?磁,控制簡(jiǎn)單,特性滿(mǎn)足晶圓清洗設(shè)備性能要求。但是有刷電動(dòng)機(jī)碳刷的磨損,給無(wú)塵工作環(huán)境帶來(lái)污染,還增加了碳刷的維護(hù)成本。
稀土永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn),有著可以與有刷直流電動(dòng)機(jī)相媲美的優(yōu)良調(diào)速性能,而電機(jī)結(jié)構(gòu)上取消了碳刷和換向器,有著類(lèi)似永磁交流同步電機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu),大大提高了電機(jī)的可靠性和免維護(hù)的方便,同時(shí)運(yùn)行效率極高,而且能夠在負(fù)載方面從輕載到滿(mǎn)載的變化範(fàn)圍內(nèi)保持近似相等的率,是一種高性能、價(jià)格低的驅(qū)動(dòng)電機(jī),受到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域上普遍的關(guān)注。
在深入分析晶圓清洗行業(yè)特殊要求的基礎(chǔ)上,TPG中國(guó)臺(tái)灣精密齒輪公司與晶圓清洗機(jī)機(jī)械廠(chǎng)合作,研製專(zhuān)用電機(jī)針對(duì)6~12吋晶圓清洗設(shè)備,由於原直流有刷電動(dòng)機(jī)功率無(wú)法滿(mǎn)足12吋晶圓滿(mǎn)載使用,因此特別提高直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及其控制器性能。讓電機(jī)從零速度到額定3000RPM無(wú)段調(diào)速,電壓系統(tǒng)採(cǎi)用單相110V/50~60Hz、或者單相220V/50~60Hz供電,滿(mǎn)足不同地區(qū)的應(yīng)用。
2.無(wú)刷電機(jī)採(cǎi)用組合定子鐵心和集中繞組結(jié)構(gòu)
晶圓清洗機(jī)專(zhuān)用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子鐵心由若干個(gè)小 T 形片(即帶一段軛的齒,小T 形片數(shù)等於齒/槽數(shù))拼接而成,其中高壓直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)即由12 個(gè)小T 形片拼成一個(gè)整圓鐵心,如圖1 所示。
圖 1:組合鐵心結(jié)構(gòu)示意圖,a.爲(wèi)T 形片,b.爲(wèi)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子鐵心採(cǎi)用此組合定子鐵心結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):
A. 組合定子鐵心沖片可以大大提高矽鋼片材料的利用率,甚至可以用大電機(jī)沖片後的邊角料進(jìn)行沖片,顯著降低電機(jī)鐵心的材料成本。
B. 組合定子鐵心,齒上爲(wèi)集中式繞組,即變壓器式同心繞組,機(jī)器繞綫設(shè)備簡(jiǎn)單,效率高,降低電機(jī)製造成本。
C. 實(shí)現(xiàn)“少槽多極”結(jié)構(gòu),增大電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,降低永磁電機(jī)齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
D. 組合定子鐵心的集中式繞組爲(wèi)整距繞組,優(yōu)化磁路設(shè)計(jì),反電動(dòng)勢(shì)波形爲(wèi)比較理想的梯形,有效率低無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),保證電機(jī)高速、低速運(yùn)行條件下轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性。
採(cǎi)用集中繞組,大大減小電機(jī)繞組端部高?和跨距,繞綫方式與電機(jī)端部(見(jiàn)圖2)所示。結(jié)合高性能燒結(jié)釹鐵硼永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì),優(yōu)化磁極形狀設(shè)計(jì),顯著提高電機(jī)氣隙磁密,電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、小巧,與傳統(tǒng)同規(guī)格電機(jī)相比,縮小框架節(jié)省矽鋼片和銅綫材料約30%,提高電機(jī)性?xún)r(jià)比。
優(yōu)化永磁轉(zhuǎn)子磁鐵設(shè)計(jì),合理設(shè)計(jì)磁路分佈,提升氣隙磁密度,得到較理想梯形波反電動(dòng)勢(shì),如圖3所示,反電動(dòng)勢(shì)波形是在無(wú)刷電機(jī)被拖動(dòng)發(fā)電狀態(tài)下,三相繞組相對(duì)星形接法中點(diǎn)的電壓波形,波形*對(duì)稱(chēng),平頂足夠?qū)挾取⑵教埂?/span>
3. 無(wú)刷電機(jī)中空軸設(shè)計(jì)、高防護(hù)等級(jí)
爲(wèi)配合晶圓清洗行業(yè)設(shè)備的安裝方式,晶圓清洗行業(yè)專(zhuān)用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)採(cǎi)用不銹鋼中空軸結(jié)構(gòu),安裝固定十分方便,大量節(jié)約軸向安裝空間,使設(shè)備更好地布局。此專(zhuān)用電機(jī)設(shè)備應(yīng)用環(huán)境中有腐蝕性化學(xué)物質(zhì),電機(jī)和控制器均採(cǎi)用高防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì),(見(jiàn)圖4)出綫盒採(cǎi)用防水接頭,連接固件採(cǎi)用密封圈,控制器置於密封的鋁合金箱體內(nèi),無(wú)刷電機(jī)與箱體的接頭採(cǎi)用塑膠軍規(guī)頭對(duì)接。
4.專(zhuān)業(yè)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
A.晶圓體為高精密易碎件,要求在運(yùn)轉(zhuǎn)清洗過(guò)程中,始終平穩(wěn)的加速、減速時(shí)間從0~20秒時(shí)間可調(diào),而且速度安定、直線(xiàn)規(guī)律化,系統(tǒng)應(yīng)用中實(shí)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化波形(見(jiàn)圖5),20秒加速、15秒減速平穩(wěn)。同時(shí)為了配合不同用戶(hù)在不同場(chǎng)合下的速度範(fàn)圍要求,設(shè)置可調(diào)位器,用來(lái)調(diào)整電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的zui大值和zui小值範(fàn)圍。
B.晶圓外徑大,清洗設(shè)備在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,依慣量自然減速停車(chē)時(shí)間長(zhǎng),為滿(mǎn)足可調(diào)的減速停車(chē)時(shí)間,設(shè)計(jì)能耗剎車(chē)減速停車(chē)電路,將晶舟的高速旋轉(zhuǎn)慣量轉(zhuǎn)移到馬力電阻上,實(shí)現(xiàn)減速、停車(chē)時(shí)間可控時(shí)間範(fàn)圍。
C.外部控制接口針對(duì)晶圓清洗行業(yè)設(shè)備控制特性設(shè)計(jì),行業(yè)中多採(cǎi)用PLC可程制,編輯驅(qū)動(dòng)晶圓清洗旋轉(zhuǎn),設(shè)計(jì)運(yùn)行與剎車(chē)製動(dòng)減速互補(bǔ)接口,一個(gè)PLC端口便可以控制提供電機(jī)速度信號(hào)輸出端口02,供上位機(jī)檢測(cè)用,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身可選配電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示模塊。晶圓清洗行業(yè)專(zhuān)用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在內(nèi)部永磁轉(zhuǎn)子附件安裝3顆磁敏感霍爾器件,用於感測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。將3路霍爾信號(hào)6倍頻轉(zhuǎn)化成方波寬度固定的脈衝信號(hào)後,脈衝頻率提供電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào),30%額定轉(zhuǎn)速時(shí)脈衝波形(如圖6)所示,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)精度高於1%。
D.控制器有輸出短路、過(guò)流、電機(jī)過(guò)載、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)錯(cuò)誤等保護(hù)功能,當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)存錯(cuò)誤狀態(tài),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)在端口01上輸出一個(gè)10毫米的低電平信號(hào)脈衝,並點(diǎn)亮D8紅包LED燈光警報(bào),直到RUN/STOP端口複位後解除鎖存。
E. 關(guān)鍵電子元器件均採(cǎi)用國(guó)際原裝進(jìn)口,品質(zhì)可靠,性能優(yōu)良,抗干擾電磁干擾能力強(qiáng),採(cǎi)用高防護(hù)等級(jí)全密封外殼,可應(yīng)用于各種惡劣的工況環(huán)境中。
5.率無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系列化
TPG阪神電機(jī)是國(guó)內(nèi)*家,建立符合IEC框架及NEMA框架尺寸的無(wú)刷馬達(dá)系列化公司,在節(jié)能減碳的前題下,研發(fā)一系列有調(diào)速功能,可以取代感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。由於無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具備、體機(jī)小、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平順、編程容易等節(jié)能優(yōu)點(diǎn),由於尺寸國(guó)際化互換性高,可以銜接應(yīng)用在各種傳動(dòng)系列原件上。(圖7) (圖8)
本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)刷電機(jī)的起停、平滑調(diào)速、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、定電流起動(dòng)等功能,並具有運(yùn)行可靠、集成度高、操作簡(jiǎn)便、保護(hù)功能完善、電機(jī)功率密度高以及調(diào)速範(fàn)圍寬,低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,正、反轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性好,系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
6、正、反向運(yùn)行性能比較:
表2給出了系統(tǒng)閉環(huán)時(shí)無(wú)刷電機(jī)的正、反向運(yùn)行性能測(cè)試資料。結(jié)果表明,無(wú)論電機(jī)空載還是滿(mǎn)載,控制器的輸入電流變化都很小,電機(jī)正、反向運(yùn)行基本對(duì)稱(chēng)。
表2 系統(tǒng)閉環(huán)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的正、反向運(yùn)行性能
需要指出的是,高壓無(wú)刷電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)的電流對(duì)稱(chēng)性不僅與電機(jī)正、反轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)波形的對(duì)稱(chēng)性有關(guān),還與霍爾元件的位置以及霍爾與反電動(dòng)勢(shì)的羅輯關(guān)係有關(guān)。當(dāng)霍爾組件位置不正確,或霍爾與反電動(dòng)勢(shì)的羅輯關(guān)係不正確時(shí),將導(dǎo)致電機(jī)一方向電流很大,甚至電機(jī)發(fā)生不能運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。
稀土永磁無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)的效率特性與永磁同步電動(dòng)機(jī)的相類(lèi)似。一、是當(dāng)電機(jī)輕載時(shí)系統(tǒng)就維持很高的效率,如電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩等於或大於2.0 N.m(本文無(wú)刷電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為8.0 N.m)時(shí),系統(tǒng)效率高於80 %;二、是系統(tǒng)zui率與額定效率很接近,1.5 kW高壓無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)的zui率為92 %,額定效率為90 %,兩者相差不太。
由於單相交流電流波形的畸變(尖頂波),導(dǎo)致系統(tǒng)的功率因數(shù)較低,電機(jī)輕載時(shí)更為嚴(yán)重。對(duì)於功率因數(shù)要求較高,或功率較大的無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng),可考慮採(cǎi)用功率因數(shù)校正技術(shù)。
7、率無(wú)刷電動(dòng)機(jī)規(guī)格:
馬力:45w - 2.2kw,電壓: 130V, 260V,
RPM 1000 / 2000 / 3000 / 4000。
阪神無(wú)刷馬達(dá)控制器規(guī)格 2.0A - 10.0A,
電壓115V, 230V,霍爾回溯裝置,過(guò)電流保護(hù)裝置。
8、一體化無(wú)刷減速電動(dòng)機(jī)系列:
在電機(jī)力矩?zé)o法滿(mǎn)足所需,轉(zhuǎn)速也無(wú)法在控制範(fàn)圍內(nèi),加上減速系統(tǒng)是*的選擇,由於傳動(dòng)環(huán)境不一,小型化結(jié)構(gòu)堅(jiān)固是工程師思考的選擇,減速方向基本上有兩大類(lèi):
1.) 平行軸減速機(jī):
率的電機(jī)擁有外部訊號(hào)迴授接口,容易接受編輯控制可定電流定轉(zhuǎn)速,加上減速箱傳動(dòng)效率大大提高力矩,除傳統(tǒng)輸送設(shè)備、紡織機(jī)、晶圓拉晶形成機(jī)、自動(dòng)化設(shè)備、包裝機(jī)械、製藥機(jī)械..等均適合使用。包括:螺旋齒輪、行星齒輪、擺線(xiàn)針輪。