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無刷電動機系統(tǒng)設計與應用

晶圓清洗機專用無刷電動機

1．前言

     在大型和超大型集成電路製程中，晶圓洗淨之技術及潔淨度，是影響晶圓製程良品率、元件品質及可靠度zui重要的因素之一。要製作精密複雜的産品，是需要非常潔淨的晶圓表面來製作。所以，晶圓清洗作業(yè)對無塵工作環(huán)境和清洗設備都有很高的要求。
      晶圓置於晶舟中生產(chǎn)過程需經(jīng)由高速清洗以便去掉表面殘留化學物質，由於晶圓結構屬易脆品，在清洗過程中經(jīng)由電動機驅動，緩慢加、減速旋轉。傳統(tǒng)直流有刷電動機調(diào)試性能好，永磁體?磁，控制簡單，特性滿足晶圓清洗設備性能要求。但是有刷電動機碳刷的磨損，給無塵工作環(huán)境帶來污染，還增加了碳刷的維護成本。
     稀土永磁直流無刷電動機的出現(xiàn)，有著可以與有刷直流電動機相媲美的優(yōu)良調(diào)速性能，而電機結構上取消了碳刷和換向器，有著類似永磁交流同步電機的簡單結構，大大提高了電機的可靠性和免維護的方便，同時運行效率極高，而且能夠在負載方面從輕載到滿載的變化範圍內(nèi)保持近似相等的率，是一種高性能、價格低的驅動電機，受到工業(yè)應用領域上普遍的關注。

     在深入分析晶圓清洗行業(yè)特殊要求的基礎上，TPG中國臺灣精密齒輪公司與晶圓清洗機機械廠合作，研製專用電機針對6~12吋晶圓清洗設備，由於原直流有刷電動機功率無法滿足12吋晶圓滿載使用，因此特別提高直流無刷電動機及其控制器性能。讓電機從零速度到額定3000RPM無段調(diào)速，電壓系統(tǒng)採用單相110V/50~60Hz、或者單相220V/50~60Hz供電，滿足不同地區(qū)的應用。

2．無刷電機採用組合定子鐵心和集中繞組結構
     晶圓清洗機專用無刷電動機定子鐵心由若干個小 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，其中高壓直流無刷電動機即由12 個小T 形片拼成一個整圓鐵心，如圖1 所示。

圖 1：組合鐵心結構示意圖，a.爲T 形片，b.爲無刷電動機定子鐵心採用此組合定子鐵心結構的優(yōu)點：
     A. 組合定子鐵心沖片可以大大提高矽鋼片材料的利用率，甚至可以用大電機沖片後的邊角料進行沖片，顯著降低電機鐵心的材料成本。
     B. 組合定子鐵心，齒上爲集中式繞組，即變壓器式同心繞組，機器繞綫設備簡單，效率高，降低電機製造成本。
     C. 實現(xiàn)“少槽多極”結構，增大電機電磁轉矩，降低永磁電機齒槽引起的轉矩脈動。
     D. 組合定子鐵心的集中式繞組爲整距繞組，優(yōu)化磁路設計，反電動勢波形爲比較理想的梯形，有效率低無刷電機運行過程中換向轉矩脈動，保證電機高速、低速運行條件下轉速平穩(wěn)性。
     採用集中繞組，大大減小電機繞組端部高?和跨距，繞綫方式與電機端部（見圖2）所示。結合高性能燒結釹鐵硼永磁電機轉子設計，優(yōu)化磁極形狀設計，顯著提高電機氣隙磁密，電機結構緊湊、小巧，與傳統(tǒng)同規(guī)格電機相比，縮小框架節(jié)省矽鋼片和銅綫材料約30%，提高電機性價比。
     優(yōu)化永磁轉子磁鐵設計，合理設計磁路分佈，提升氣隙磁密度，得到較理想梯形波反電動勢，如圖3所示，反電動勢波形是在無刷電機被拖動發(fā)電狀態(tài)下，三相繞組相對星形接法中點的電壓波形，波形*對稱，平頂足夠寬度、平坦。

3. 無刷電機中空軸設計、高防護等級
     爲配合晶圓清洗行業(yè)設備的安裝方式，晶圓清洗行業(yè)專用無刷電動機採用不銹鋼中空軸結構，安裝固定十分方便，大量節(jié)約軸向安裝空間，使設備更好地布局。此專用電機設備應用環(huán)境中有腐蝕性化學物質，電機和控制器均採用高防護等級設計，（見圖4）出綫盒採用防水接頭，連接固件採用密封圈，控制器置於密封的鋁合金箱體內(nèi)，無刷電機與箱體的接頭採用塑膠軍規(guī)頭對接。

4.專業(yè)的驅動系統(tǒng)設計

     A.晶圓體為高精密易碎件，要求在運轉清洗過程中，始終平穩(wěn)的加速、減速時間從0~20秒時間可調(diào)，而且速度安定、直線規(guī)律化，系統(tǒng)應用中實測電機轉速變化波形（見圖5），20秒加速、15秒減速平穩(wěn)。同時為了配合不同用戶在不同場合下的速度範圍要求，設置可調(diào)位器，用來調(diào)整電機輸出轉速的zui大值和zui小值範圍。

     B.晶圓外徑大，清洗設備在高速運轉時轉動慣量大，依慣量自然減速停車時間長，為滿足可調(diào)的減速停車時間，設計能耗剎車減速停車電路，將晶舟的高速旋轉慣量轉移到馬力電阻上，實現(xiàn)減速、停車時間可控時間範圍。

     C.外部控制接口針對晶圓清洗行業(yè)設備控制特性設計，行業(yè)中多採用PLC可程制，編輯驅動晶圓清洗旋轉，設計運行與剎車製動減速互補接口，一個PLC端口便可以控制提供電機速度信號輸出端口02，供上位機檢測用，驅動系統(tǒng)本身可選配電機轉速顯示模塊。晶圓清洗行業(yè)專用無刷電動機在內(nèi)部永磁轉子附件安裝3顆磁敏感霍爾器件，用於感測電機轉子位置。將3路霍爾信號6倍頻轉化成方波寬度固定的脈衝信號後，脈衝頻率提供電機轉速信號，30%額定轉速時脈衝波形（如圖6）所示，系統(tǒng)轉速閉環(huán)精度高於1%。

     D.控制器有輸出短路、過流、電機過載、轉子位置信號錯誤等保護功能，當發(fā)生錯誤時，驅動系統(tǒng)儲存錯誤狀態(tài)，驅動系統(tǒng)同時在端口01上輸出一個10毫米的低電平信號脈衝，並點亮D8紅包LED燈光警報，直到RUN/STOP端口複位後解除鎖存。

       E. 關鍵電子元器件均採用國際原裝進口，品質可靠，性能優(yōu)良，抗干擾電磁干擾能力強，採用高防護等級全密封外殼，可應用于各種惡劣的工況環(huán)境中。
5.率無刷電動機系列化
       TPG阪神電機是國內(nèi)*家，建立符合IEC框架及NEMA框架尺寸的無刷馬達系列化公司，在節(jié)能減碳的前題下，研發(fā)一系列有調(diào)速功能，可以取代感應電動機的直流無刷電動機。由於無刷電動機具備、體機小、效率高、運轉平順、編程容易等節(jié)能優(yōu)點，由於尺寸國際化互換性高，可以銜接應用在各種傳動系列原件上。（圖7） （圖8）

       本系統(tǒng)能夠實現(xiàn)無刷電機的起停、平滑調(diào)速、制動、正反轉、過電流保護、過熱保護、定電流起動等功能，並具有運行可靠、集成度高、操作簡便、保護功能完善、電機功率密度高以及調(diào)速範圍寬，低速轉矩脈動小，正、反轉對稱性好，系統(tǒng)效率高等優(yōu)點。

6、正、反向運行性能比較：
      表2給出了系統(tǒng)閉環(huán)時無刷電機的正、反向運行性能測試資料。結果表明，無論電機空載還是滿載，控制器的輸入電流變化都很小，電機正、反向運行基本對稱。
表2 系統(tǒng)閉環(huán)直流無刷電動機的正、反向運行性能

       需要指出的是，高壓無刷電動機正、反轉的電流對稱性不僅與電機正、反轉電動勢波形的對稱性有關，還與霍爾元件的位置以及霍爾與反電動勢的羅輯關係有關。當霍爾組件位置不正確，或霍爾與反電動勢的羅輯關係不正確時，將導致電機一方向電流很大，甚至電機發(fā)生不能運轉的現(xiàn)象。

      稀土永磁無刷電機系統(tǒng)的效率特性與永磁同步電動機的相類似。一、是當電機輕載時系統(tǒng)就維持很高的效率，如電機負載轉矩等於或大於2.0 N.m（本文無刷電機額定轉矩為8.0 N.m）時，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高壓無刷電機系統(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），導致系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，電機輕載時更為嚴重。對於功率因數(shù)要求較高，或功率較大的無刷電機系統(tǒng)，可考慮採用功率因數(shù)校正技術。
7、率無刷電動機規(guī)格：
        馬力：45w - 2.2kw，電壓: 130V, 260V，
RPM 1000 / 2000 / 3000 / 4000。
阪神無刷馬達控制器規(guī)格 2.0A - 10.0A，
電壓115V, 230V，霍爾回溯裝置，過電流保護裝置。
8、一體化無刷減速電動機系列：
      在電機力矩無法滿足所需，轉速也無法在控制範圍內(nèi)，加上減速系統(tǒng)是*的選擇，由於傳動環(huán)境不一，小型化結構堅固是工程師思考的選擇，減速方向基本上有兩大類:
1.） 平行軸減速機：
       率的電機擁有外部訊號迴授接口，容易接受編輯控制可定電流定轉速，加上減速箱傳動效率大大提高力矩，除傳統(tǒng)輸送設備、紡織機、晶圓拉晶形成機、自動化設備、包裝機械、製藥機械..等均適合使用。包括：螺旋齒輪、行星齒輪、擺線針輪。