真空步進電機在真空/高溫/低溫等環(huán)境的應(yīng)用以及真空電機原理

真空步進電機在真空/高溫/低溫等環(huán)境的應(yīng)用以及真空電機原理

根據(jù)最近的一份新聞報道，目前至少有40個新的晶圓制造廠正處于規(guī)劃階段或正在實際建設(shè)中。由于每家工廠代表著20億至60億美元的投資，很容易估計，在未來3-5年內(nèi)，將有大約2000億美元進入這個市場。在20世紀80年代，設(shè)備制造商開始將他們的半導(dǎo)體制造工藝轉(zhuǎn)移到真空室中。雖然真空環(huán)境可能是特定過程的一部分，但它也具有不支持粒子運動的優(yōu)點。

在真空區(qū)內(nèi)移動或定位樣品或產(chǎn)品以及傳感的能力（一些最常見的要求）是通過位于真空室外部的驅(qū)動機構(gòu)和電機來實現(xiàn)的。在這種類型的控制方案中，驅(qū)動機構(gòu)通過使用密封聯(lián)軸節(jié)的真空室壁傳輸其運動。這種傳統(tǒng)的真空運動控制方法有許多缺點，一個解決方案是，將電機置于真空室外部，使用磁性或機械進給機構(gòu)，這迫使工程師使用有限數(shù)量的設(shè)計配置。例如，使用外部電機時，很難在真空室內(nèi)實現(xiàn)XY雙軸或者多軸運動（其中一級在另一級之上移動），因為用于傳輸電機功率的機械部件極大地限制了設(shè)計的可能性。此外，真空室內(nèi)定位系統(tǒng)的精度、重復(fù)性和分辨率也會受到影響。


將電機直接放置在真空中，使工程師可以使用更多的物理布置，因為電機電纜可以以任何方式布線，而不會抑制室內(nèi)的活動。通過將電機直接耦合到負載上，精度和其他系統(tǒng)規(guī)格也可以大大提高。最后，由于真空系統(tǒng)的機械通常與整個真空電機一樣昂貴，因此，具有內(nèi)置電機的系統(tǒng)的成本通常低于外部安裝的替代系統(tǒng)。

設(shè)計專門用于真空的電機越來越多，這些電機需要考慮獨特的環(huán)境條件，標準電機不是真空應(yīng)用的合適選擇。一般來說，標準馬達在10^-4托或更低的真空中無法工作，主要原因是軸承中的潤滑劑會蒸發(fā)，電機和電纜的絕緣材料也會蒸發(fā)，這種現(xiàn)象被稱為“放氣”。在真空室內(nèi)放氣顯然是非常消極的，除了破壞電機，蒸發(fā)后的材料凝結(jié)在精密的光學(xué)元件和精密的機械裝置上，影響了應(yīng)用。石油基潤滑脂蒸發(fā)，它們在真空室中形成了蒸汽云，其他材料蒸發(fā)得慢，硅酮是一個噩夢，因為一旦真空室被硅酮污染，幾乎不可能把它全部清理干凈，它會繼續(xù)擴散到真空室的任何東西。

電機在真空中冷卻也是一個問題，傳統(tǒng)的電機是通過對流進入周圍的空氣和表面的傳導(dǎo)來冷卻。當電機在真空中通電時，對流冷卻不可用，熱量主要通過安裝結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)來耗散。因此，在真空中操作電機時，必須為熱交換和更高溫度的操作做好準備。
泄漏是電機在真空中運行的另一個問題，即使標準電機在真空中可能不會排出氣體污染物，但電機的存在很可能會妨礙真空過程。例如，一個步進電機，如果處理不當，將“泄漏”空氣分子，從電機疊片、繞組、軸承和金屬表面的微小裂紋中緩慢釋放捕獲或粘附的氣體分子。當這些多孔材料的表面未經(jīng)處理時，會發(fā)生泄漏，從而導(dǎo)致無法接受的長停機時間或真空度不足。這種泄漏是一個機械問題，而不是排氣的材料問題。在真空中電動機上的暴露的高壓導(dǎo)體會產(chǎn)生電暈效應(yīng)，稀薄的空氣很容易電離，電流會在無保護的高壓導(dǎo)體之間流動。
放氣、冷卻、泄漏和電暈效應(yīng)——都可以在設(shè)計合理的真空電機中找到，例如，如果電機材料，如軸承潤滑脂、紙槽襯墊、保形涂層、繞組絕緣和多種膠水全部或部分汽化，則可以通過選擇適當?shù)牟牧蟻矸乐狗艢狻Ｌ胤埵钦婵諔?yīng)用中常用的材料，因為它非常穩(wěn)定，具有良好的溫度特性，而且價格合理。大多數(shù)金屬可在真空中使用（鎘和鋅除外），不銹鋼是真空/電機應(yīng)用的特別好材料。

一般來說，在大氣壓在10^-4托之間，材料放氣速率并不顯著，在這個范圍內(nèi)，許多商用塑料是可用的，但潤滑油通常需要仔細選擇。如果真空度在10^-7托范圍內(nèi)，必須消除大多數(shù)天然材料，只能使用有限數(shù)量的塑料。在這個范圍內(nèi)，真空潤滑劑是必不可少的。在10^-9托時，不包括大多數(shù)塑料，必須使用干潤滑劑。排氣也可能是由于電機清潔度不足造成的。在制造過程中，電機材料受到各種污染物的影響，并且總是留下微量材料，如鋼暴露于切削油，塑料在從模具擠出時被潤滑，環(huán)氧樹脂與溶劑混合，此外，人手控制馬達會留下油的殘留物。不同的應(yīng)用需要不同真空純度，如果系統(tǒng)部件沒有得到適當?shù)那鍧崳隙〞懈鞣N污染物釋放到真空室中。真空電機通過專有的提取和清潔工藝，進入蒸汽脫脂無法觸及的深縫隙，加速污染物的分子變化，并使它們變得惰性。一般來說，真空環(huán)境的敏感性通常需要使用由非揮發(fā)性材料制成的電機，經(jīng)過真空烘烤、加工以提取污染物，然后密封。

高溫除了本身是電機運行的問題外，還會導(dǎo)致加速放氣，為了防止電機故障和抑制放氣，選擇驅(qū)動方式和驅(qū)動電壓可以大大降低電機的工作溫度。高壓脈寬調(diào)制（pulse width modulation，脈沖寬度調(diào)制）驅(qū)動比低壓線性驅(qū)動更能加熱電機。雙極驅(qū)動器一次使用電機中的所有銅產(chǎn)生的熱量比單極驅(qū)動器使用一半銅產(chǎn)生的熱量少。此外，具有自動減少備用電流的驅(qū)動器，在電機不移動時減少電流的伺服系統(tǒng)，也產(chǎn)生較少的熱量。

可使用熱敏電阻、熱電偶或電阻溫度計（RTD）監(jiān)測電機溫度，并可使用該信息調(diào)節(jié)電機功率的使用，以將溫度保持在安全工作范圍內(nèi)。在必須產(chǎn)生大量電力以及導(dǎo)致溫度升高的情況下，可以考慮使用冷板或冷卻套。
真空/電機應(yīng)用中的泄漏可以通過消除裂紋、裂縫和在電機內(nèi)殘留的氣體的區(qū)域來克服。如果電機在真空中安裝前沒有得到適當?shù)奶幚恚B片、繞組、軸承甚至金屬表面都會釋放出困在其表面裂紋中的空氣分子。電機將需要在真空中很長一段時間來釋放其殘留的所有空氣，從而干擾及時達到所需真空水平的需要。選擇空氣含量較低的精細機械加工面，可將泄漏降至z低。例如，多孔金屬通常需要清潔和密封，機加工金屬比鑄件更可取，如果鑄件不可避免，則應(yīng)使用機加工對其進行改性。

半導(dǎo)體業(yè)的真空電機需要清潔和烘焙，經(jīng)過萃取過程以去除污染物，電機繞組通常采用H級絕緣，其繞組溫度比其他等級高50°C，電機應(yīng)在潔凈室條件下使用新的尼龍手套（即使是干凈的橡膠手套也會污染電機）。即使如此，也可能需要根據(jù)所需的真空度進行額外的清潔。為進一步減少泄漏，應(yīng)將盲孔變成通孔，層壓結(jié)構(gòu)應(yīng)真空浸漬，所有表面應(yīng)使用適當?shù)拿芊鈩榱朔乐垢邏寒a(chǎn)生的電暈效應(yīng)，暴露在外的導(dǎo)體必須用適當?shù)牟牧辖^緣以防止電弧。


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