专利名称：降低复杂性的自轴承无刷直流电机的制作方法
技术领域：
所披露的实施例涉及电磁轴承和电机(motor)，尤其涉及具有数量减少的绕组组(winding set)的自轴承(self bearing)电机。
背景技术：
在某些利用电机的应用中，材料必须在受控的清洁气氛中处理，在这种环境中微观的污染物可能意味着严重问题。在这些应用中，洁净度可能会直接与产量有关，其可能因而影响成本。其他电机应用还可能包括利用高度腐蚀性气体和高温的不良气氛的加工步骤。带有接触式轴承的电机可能会磨损，从而造成微粒污染，并最终因为不良环境而导致故障。轴承在出故障前还可能出现过量的振动和跳动。
1998年10月6日发表的第5,818,137号美国专利中描述了一种带有定子的一体式磁电机驱动和悬挂系统，它具有提升转子的永久磁铁、8个保持转子的径向位置和倾斜取向稳定的控制绕组，以及激励转子的驱动绕组。2004年3月16日发表的第6,707,200号美国专利描述了一个带有一体式磁轴承的旋转磁性万向节(gimbal)，它利用了4个等长的线圈段，每个线圈段至少有2相。对每个线圈段独立施加力矩(或对线圈段组施加力矩，例如，与三相电机类似)，以获得所需要的旋转速度和所需要的径向位置。2006年7月18日发表的第7,078,839号美国专利描述了一个自轴承的非对称步进电机，该电机有5个线圈段，每个线圈段有3相。提供给各线圈的电流大小根据转子中心的几何偏心度各异，因而各电磁铁产生各不相同的磁力。由于磁力的不同，转子能够受到支撑，并且对几何偏差进行了补偿。
发明内容
所披露的实施例针对一种电机换向(commutating)方法，该方法包括在操作中将电机的定子和受激励部件进行对接，相对于受激励部件布置至少两个绕组组，并独立控制该至少两个绕组组，从而用该至少两个绕组组对激励器进行驱动和定心。
在另一种实施例中，用于电机换向的装置包括相对于电机受激励部件布置的至少两个绕组组，和用于独立控制该至少两个绕组组从而用该至少两个绕组组对受激励部件进行驱动和定心的换向电路。
在另一实施例中，电机包括具有至少两个独立受控的绕组组的定子，在操作中对接定子的受激励部件，以及通信地连接到该至少两个绕组组以控制该至少两个绕组组独立驱动和定心受激励部件的控制器，其中该至少两个绕组组相对于受激励部件布置，并且控制器被编程来控制该至少两个绕组组从而用该至少两个绕组组对受激励部件进行驱动和定心。
在其他实施例中，基片加工装置具有电机，该电机带有具有至少两个独立受控的绕组组的定子，在操作中与定子对接的受激励部件，以及通信地连接到该至少两个绕组组以控制该至少两个绕组组以独立驱动和定心受激励部件的控制器，其中该至少两个绕组组相对于受激励部件布置，并且控制器被编程来控制该至少两个绕组组从而用该至少两个绕组组对受激励部件进行驱动和定心。
在其他实施例中，用于电机换向的方法包括计算调节电角度，并在常用换向方程中利用调节电角度，以独立扭转并主动定心电机转子，从而用至少两个电机绕组组来主动定心转子。
在另一实施例中，电机换向的方法包括计算调节电角度，并将调节电角度代入用于电机换向的换向方程中，以独立扭转并主动定心电机转子，从而用至少两个电机绕组组主动定心转子。
在另一实施例中，用于电机换向的装置包括用于计算调节电角度的电路，以及电流放大器，该电流放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使常用换向方程组能够在具有至少两个绕组组的电机中以及在具有至少三个绕组组的电机中产生力矩和主动定心力。
在另一实施例中，电机包括转子和由电流放大器驱动的绕组，电流放大器具有用于计算调节电角度的电路和用于在常用换向方程组中利用调节电角度从而使常用换向方程组能够在电机中产生各不相同的主动定心力和力矩的放大器，其中该电机至少是两个绕组组的电机或者三个绕组组的电机之一。
在另一实施例中，基片加工装置包括用于电机换向的控制器，该控制器包括用于计算调节电角度的电路和电流放大器，该电流放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使常用换向方程组能够在电机中产生各不相同的主动定心力和力矩，其中该电机至少是两个绕组组的电机或者三个绕组组的电机之一。
在又一实施例中，基片加工装置包括具有转子和由电流放大器驱动的绕组的电机，电流放大器具有用于计算调节电角度的电路，以及用于在常用换向方程组中利用调节电角度从而使常用换向方程组能够在电机中产生各不相同的主动定心力和力矩的放大器，其中该电机至少是两个绕组组的电机或者三个绕组组的电机之一。
目前所披露的实施例的上述方面及其他特性在下文中参考附图加以说明，其中 图1所示为适于实现所披露实施例的示例电机的示意图。
图1A所示为图1实施例的操作的示例流程图。
图2所示为具有线性配置的示例电机实施例； 图3所示为有两个绕组组的示例电机实施例，两个绕组组间偏移约180度； 图4所示为具有在电机圆周上分布的绕组组的示例实施例； 图5所示为将绕组组分成多个绕组子组组的示例实施例； 图6所示为利用三个绕组组的示例实施例； 图7所示为利用四个绕组组的示例实施例； 图8所示为一种传感器系统的示例实施例，该系统适于为所披露的实施例提供位置反馈； 图9所示为基片加工装置1000的顶视图，该装置结合了所披露实施例的特点。
具体实施例方式 图1所示为适于实现本文所披露实施例的示例电机100的示意图。尽管目前所披露的实施例将参照图予以描述，但应当理解的是，它们可以以许多替代形式体现。应当理解的是，可以使用任何尺寸、形状或类型的元件或材料。
电机100包括受激励部件110，在本实施例中采用转子及绕组组115和120的形式。为了所披露实施例的目的，应当理解的是，术语受激励部件包括响应于由本文所述绕组组所产生的力而执行运动或施加力的设备。所披露实施例的转子和压板是受激励部件的实例。
图1所示示例电机100的实施例被示为具有旋转式配置，尽管其他实施例可能包括如下文中将予以描述的线性配置。受激励部件110也被称为转子，可以采用任何适用结构。绕组组115和120可包括一个或多个绕组，且可以由电流放大器125驱动，电流放大器可包括适于驱动绕组组的软件、硬件或软硬件的组合。
图1A所示为图1实施例的操作的示例流程图。对照图1和图1A，框10中，控制器112可操作来从电机100(框60)的一个或多个传感器或传感器系统105接收激励部件的位置信息。然后控制器可以根据位置信息和系统控制原则确定力和力矩命令。在框20中，控制器112接着可应用一个或多个力转换功能块来产生一系列受控缠绕力(windingforce)。在框30中，受控缠绕力接着可被用来确定换向参数，如下文将予以解释的I和Δ。然后，控制器可将换向参数提供给电流放大器125。
电流放大器125还可包括用于驱动绕组组的电流回路功能块135、换向功能块130和处理器127。处理器通常可控制和协调换向和电流回路功能块的操作。处理器可为换向功能块130提供换向参数，如框40所示，可根据一组换向方程确定每个绕组组中一个或多个绕组的受控电流。在框50中，电流回路功能块135可为电机绕组115和120提供实际电流。电流回路功能块也可以提供反馈和驱动能力以保持电流如所确定的那样通过绕组。本文所披露的每个电流放大器都包括按要求来执行所披露实施例的功能和计算的任意组合的电路、硬件和软件。
图2所示为另一具有线性配置的示例实施例。电机200包括受激励部件210，在该实施例中具有压板和绕组组215、220的形式。与图1实施例类似，受激励部件210可以任何适用方式构造，而绕组组215、220可包括一个或多个绕组。为了所披露实施例的目的，应理解的是，转子可限于沿径向。
应当理解的是，各绕组组215、220可具有任何合适的取向。电流放大器225可驱动绕组组215和225，并且可以包括适于驱动绕组组的软件、硬件或二者的任意组合。电流放大器225可使用处理器230、换向功能块235和电流回路功能块240驱动与图1中的实施例类似的绕组组215和225。处理器230、换向功能块235和电流回路功能块240可还包括用于从提供位置信息的一个或多个传感器或传感器系统接收反馈的电路。
所披露实施例针对自轴承电机，其有利地利用最少量的绕组组来影响自轴承电机功能。例如，一个或多个实施例可以利用少至两个电机绕组组来产生自轴承所需要的力。绕组可包括任何类型的适用于在所披露实施例中使用的绕组。
所披露实施例可利用相同的绕组来提供充分去耦的扭力和径向力，以主动控制旋转式实施例中的转子或受激励部件的旋转中心。在线性实施例中，可利用相同的绕组，提供充分去耦的、在运动方向上的线性力和用于主动控制压板在跨过定子和压板间间隙的距离附近的导向力。为了所披露实施例的目的，运动方向上的线性力和力矩被合称为驱动力。为了所披露实施例的目的，用于主动控制旋转式实施例中转子的旋转中心的径向力、以及跨过定子和压板间间隙的导向力被合称为定心力。
所披露电机实施例可包括分段绕组，例如，分解为沿转子或压板所需的部分分布的一个或多个绕组子组组的绕组组。每个绕组子组组可包括一个或多个绕组，并可被驱动以在旋转实施例中同时产生充分去耦的径向力和切向力，以及在线性实施例中提供充分去耦的推力和导向力。在至少一个实施例中，可在常用换向方程组中计算出并采用调节电角度来为绕组提供动力。也可以利用其他换向实现方式。如上所述，实施例中的受激励部件，如转子110和压板210，可用少至两个的电机绕组组进行主动定心。自轴承电机的其他实施例可使用绕组和磁极的新颖布置。
自轴承电机的某些实施例可利用少至两个绕组组和少至两条控制信道。可利用一个或多个换向功能块，其为具有转子形式的受激励部件提供既沿切向又沿径向的力，或者为具有压板形式的受激励部件提供沿运动和导引方向的力。可采用洛伦兹和麦克斯韦型力。可采用优化技术来提高产生驱动力和定心力的方面的效率。
可包括提供位置和间隙反馈的传感器系统。例如，可以将传感器系统配置为提供沿第一和第二轴的同步位置测量。传感器系统还可或者与第一和第二轴同步或者可单独来提供沿第三轴的测量。在一个或多个实施例中，传感器系统可单独、同步或以任何组合方式提供所有测量。在至少一个实施例中，一个轴可切向延伸到电机转子或压板，而另一个轴则可能垂直于转子或压板的表面。
在进一步的实施例中，电机实施例的位置和间隙反馈是通过利用有限数量的传感器获得的。在至少一个实施例中，可使用少至两对传感器，而无需使用大量传感器设备。在每一对中，可将传感器分开一定的机械或电角度定位。第一对中的对应传感器可与另外对中的对应传感器分开一定的机械或电角度定位。在至少一个实施例中，使用两对传感器为所披露电机提供反馈。
所披露实施例的应用可包括任何适用的电机应用，例如半导体加工中的机器人技术。所披露自轴承电机也可作为常规轴承的替代来使用。例如，自轴承电机可以有利地由控制机器人手臂的驱动轴使用。取消接触式轴承有利地减少了微粒的产生，并且减少放大器信道数量提供了硬件实施方面的成本节约。
图3、4、5、6和图7示出如本文所披露的自轴承无刷电机的另外的实施例。为简单起见，示出每电机仅一相。由指示离开纸面方向的点和指示进入纸面方向的“x”来指示各种导体中的电流方向。每台电机可包含永磁受激励部件，例如具有一系列标有“N”和“S”的交替磁极的转子310，然而，可利用任何适合的转子结构。
在示例实施例中，定子可有“铁”芯(如由任何适合的材料如铁磁性材料制成的定子背衬(backing))，或者电机具有无芯定子。本文描述了对于利用洛伦兹力的电机布置以及对于使用洛伦兹和麦克斯韦力的组合的布置来说的对于在图3、4、5、6和7中所示实施例的所需驱动力力矩(T)和沿x轴的定心力(Fx)以及沿y轴的定心力(Fy)的关系。这些关系可用于确定每个绕组组的合适的换向操作，这些操作将同时产生所需的力矩T、力Fx和力Fy。
在至少一个实施例中，这些关系可用于确定在电机中将同时产生去耦力矩T和径向力Fx，Fy的对于每个绕组组的合适的相电流幅度(Ij，j＝A，B，C，...)以及电角度偏移量(Δj，j＝A，B，C，...)。一旦被确定，相电流幅度(Ij，j＝A，B，C，...)和电角度偏移量(Δj，j＝A，B，C，...)可用来与常用换向方程组一同产生所需的力矩(T)以及所需的沿x轴的定心力(Fx)和沿y轴的定心力(Fy)。
在某些实施例中，电机可由3相正弦换向驱动。在其他实施例中，作为正弦换向的替代，对于Y型配置的绕组，可使用空间矢量调制来产生通过绕组的等值正弦波电流。
对照图3，下面示出作为对于2个绕组组-即绕组组A315和B320-来说的利用洛伦兹力的径向和切向力Frj和Ftj(j＝A，B)的函数的所需力矩(T)和定心力Fx(沿x轴)以及定心力Fy(沿y轴)的示例关系。
应当理解的是，这些关系、计算和所得到的换向方案仅为示例性的，并且在披露的实施例中可利用任何适合的换向方案(solution)来确定去耦驱动力和定心力。尽管所示为两个绕组组，但应当理解的是，电机可以包括除了根据所披露实施例所使用的那些绕组或绕组组之外的额外的绕组或绕组组。还应当理解的是，可利用任意数目的绕组组来提供本文所述实施例所需的去耦驱动力和定心力。尽管绕组组A315和B320示为偏移约180度，但应当理解的是，也可以利用其他偏移量。
如前所述，其上放置绕组组的定子可以具有铁背衬(例如带芯定子)，或定子可以是无芯的。图3的利用洛伦兹力的该实施例的示例性力的关系可以如下所示，其中R是转子的半径。
T＝R(FtA+FtB) (1) Fx＝FtA-FtB(2) Fy＝FrA-FrB(3) 可以看出，力的关系表示为3个方程和4个未知数。此外，另一方程例如可通过找出下列代价函数(cost function)中的最小值得出。
需要注意的是，以上使用的代价函数是方便地将y方向力均等分配在两个绕组组之间并防止不同的径向力之间相互干扰的例子。也可以用其他代价函数来解决该问题。例如，可利用另一个基于由绕组牵引(draw)的电流的代价函数。
最小化上述代价函数将提供受到(1)-(3)约束的最小径向力 解(1)和(2)求FtA和FtB 下列的力/电流的关系可用于图3的利用洛伦兹力的实施例(假设为3相绕组组) FtA＝1.5KtIAcosΔA(9) FrA＝1.5KrIAsinΔA(10) FtB＝1.5KtIBcosΔB(11) FrB＝1.5KrIBsinΔB(12) 其中 IA＝绕组A的相电流幅度(A) IB＝绕组B的相电流幅度(A) ΔA＝绕组组A的电角度偏移量(弧度角) ΔB＝绕组组B的电角度偏移量(弧度角) 用(7)-(12) 为了所披露实施例的目的，本文所述所有反正切函数(atan)也可解释为四象限反正切函数(atan2)和由此的相关自变量(argument)。
可利用以下示例性电机换向方程 iAj＝IAsin[θA(x，z)-ΔA+(2π/3)j]，j＝0，1，2(17) iBj＝IBsin[θB(x，z)-ΔB+(2π/3)j]，j＝0，1，2(18) 其中IA、ΔA、IB和ΔB控制由绕组组A和B所产生的力矢量的幅度和取向，并且其中 j＝每个绕组组的各个相。
因此，在本例中，通过用电角度偏移量ΔA及ΔB调节电角度θA及θB，常用或标准的电机换向方程组可用于利用(在该实施例中)产生洛伦兹力的仅2个绕组组来产生所需的力矩(T)和沿x轴的主动定心力(Fx)以及沿y轴的主动定心力(Fy)。也可采用使用任何适合的换向实施方式的其他换向方案。
以此方式利用标准换向方程组的适用示例技术可参见申请日为2007年6月27日、标题为电磁推进和导向系统的换向(Commutation of AnElectromagnetic Propulsion and Guidance System)的、律师号为390-012197-US(PAR)的美国专利申请，其全部可通过参考结合于此。
再参考图3，根据另一个示例实施例的电机布置可利用洛伦兹力和麦克斯韦力的组合。作为径向和切向力(Frj，Ftj，j＝A，B)的函数的所需力矩(T)和沿x轴的定心力(Fx)以及沿y轴的定心力(Fy)的关系与方程(1)-(3)所示相同。与上述实施例相似的是，应当理解这些关系、计算和所得到的换向方案是示例性的，并且在所披露实施例中可利用任何适合的换向方案。
下列力/电流的关系可用于图3的利用洛伦兹和麦克斯韦力的实施例。
FtA＝1.5KtIAcosΔA(19) FtB＝1.5KtIBcosΔB(21) 导出结果可分为两种情况，即Fy＞0和Fy＜0(与图3中所示的标记惯例有关)。这两种情况都是示例性的。应当理解的是，也可以使用其他技术和力分布来确定IA、ΔA、IB、ΔB的解，同时仍可按照所披露实施例，利用单个绕组组来产生切向力和径向力。
在Fy＞0的情况下，使 ΔB＝0(23) 以便例如使与绕组组B320有关的麦克斯韦力最小，否则会干扰Fy。
在Fy＜0的情况下，使 ΔA＝0(24) 以便例如使与绕组组A315有关的麦克斯韦力最小，否则会干扰Fy。
因此，在示例中Fy＞0的情况下 ΔB＝0(28) 而在示例中Fy＜0的情况下 ΔA＝0(31) 其中作为T，Fx和Fy的函数的aj、bj和cj(j＝A，B)定义见以下表1
表1 通过将如所得出的IA、ΔA、IB、ΔB应用到驱动绕组组A315和B320的换向功能块130中，使用例如上面的(17)和(18)，常用电机换向方程组可用来利用(在本实施例中)产生洛伦兹力和麦克斯韦力的仅2个绕组组来产生所需要的力矩(T)和沿x轴的定心力(Fx)和沿y轴的定心力(Fy)。
因此，与上述实施例类似，通过用电角度偏移量ΔA及ΔB调节电角度θA及θB，常用或标准的电机换向方程组可用于利用(在本实施例中)产生洛伦兹力和麦克斯韦力的仅2个绕组组来产生所需要的力矩(T)和沿x轴的定心力(Fx)和沿y轴的定心力(Fy)。也可采用使用任何适合的换向实施方式的其他换向方案。
图4示出了其中绕组组415、420分布于转子410圆周上的所需位置的示例实施例。每个绕组组415、420均可分段成任意数量的绕组子组，其可以分布在任意数量的所需位置。绕组子组彼此间或相对于转子410以任意所需的电或机械偏移量分组或分布。可利用任意数量的绕组组和绕组子组和任意合适的分布。图4所示为利用两个绕组组415、420的示例实施例，每个绕组组分别布置为两个绕组子组425、430以及435、440。每个绕组组中的两个绕组子组电耦合，并相对彼此移动任意合适的电和机械偏移量。
图5所示为利用两个绕组组A515和B520的示例实施例，每个绕组组分别布置为两个绕组子组525、530以及535、540。每个绕组组中的两个绕组子组电耦合，并相对彼此移动约90度的电角度。因此，当该对中的两个绕组子组之一产生纯切向力时，该对中的另一个绕组子组则产生纯径向力，反之亦然。在所示的示例实施例中，各绕组组的每一个的分段可几何上布置为呈约90°角。在替换实施例中，各绕组组的绕组段之间的几何角度偏移量和电角度偏移量可以各不相同。在该实施例中，绕组组A515具有两个绕组子组A0530和A90525，绕组组B520具有两个绕组子组B0540和B90535。绕组组A和B的每一个都可由与图1的电流放大器125类似的电流放大器驱动。
在下面所示为利用洛伦兹力的图5的实施例的分段绕组组515、520的所需力矩(T)和沿x轴的定心力(Fx)和沿y轴的定心力(Fy)的关系。应当理解的是，这些关系、计算和所得到的换向方案仅为示例性的，并且在所披露实施例中可利用任何适合的换向方案。虽然示出了两个绕组组，但应当理解的是，可利用任意数量的绕组组。相似地，虽然示出了四个绕组子组，但应当理解的是可利用任意数量的绕组子组。此外，虽然绕组子组525、530、535、540示出为偏移90度，但应当理解的是也可利用其他偏移量。
图5的实施例的力的关系可表示如下 请注意，因为在每个绕组组中，绕组子组偏移为90度电角度，所以以下方程成立。
β＝Kr/Kt(40) 下列力/电流的关系可用于图5的利用洛伦兹力的实施例 为得出就径向力和切向力而言的IA、ΔA、IB、ΔB的解，需要增加另外一个方程，因为变量多于方程。有很多方法可以解决这一问题，并可根据所利用的设计标准而获得不同的解。例如，提出下面通过将代价函数最小化来获得额外方程 从(33)-(45)的方程中，可能得出以下解 通过将得出的IA、ΔA、IB和ΔB应用到驱动绕组子组525、530和绕组子组535、540的例如(图1的)换向功能块130中，使用例如上面的(17)和(18)，常用电机换向方程组可用来利用(在本实施例中)产生洛伦兹力的仅2个绕组组来产生所需要的力矩(T)和沿x轴的定心力(Fx)和沿y轴的定心力(Fy)。
因此，与上述实施例类似，通过用电角度偏移量ΔA及ΔB调节电角度θA及θB，常用或标准的电机换向方程组可用于利用(在本实施例中)产生洛伦兹力的仅2个绕组组来产生所需要的力矩(T)和沿x轴的定心力(Fx)和沿y轴的定心力(Fy)。也可采用使用任何适合的换向实施方式的其他换向方案。
图6所示为利用了三个绕组组A615、B620和C625的示例实施例，其中绕组组延伸到转子的3个扇区上，图中标记为A、B、C。应当理解的是，可包括延伸到任何数量的扇区上的任何数量的绕组组。绕组组A615、B620和C625的每个都可以由电流放大器630驱动。电流放大器630可包括适于驱动绕组组的软件、硬件和软件硬件的组合。电流放大器630还可包括适于驱动所需数量的绕组组的电流回路功能块645、换向功能块640和处理器635。与图1中的电流放大器125类似，换向功能块640可根据一组特定方程，确定每个绕组组的绕组的电流，而电流回路功能块645可提供反馈和驱动性能，以保持电流如所确定的那样通过绕组组。处理器635、换向功能块640和电流回路功能块645还可包括用于从提供位置信息的一个或多个传感器或传感器系统接收反馈的电路。
如前所述，图6所示示例实施例中的电机可配置为基于洛伦兹力工作。再回到图6，可以如下所示表示利用洛伦兹力的所需力矩(T)和沿x轴的定心力(Fx)和沿y轴的定心力(Fy)的示例关系。应当理解的是，这些关系、计算和所得到的换向方案仅为示例性的，并且在所披露实施例中可利用任何适合的换向方案。虽然示出了三个绕组组，但应当理解的是，可利用任意数量的绕组组。虽然所示绕组组A615、B620和C625绕定子基本均等地分布，偏移量约120度，但应当理解的是，也可以利用其他偏移量。在其他替代实施例中，绕组可按绕所期望轴线大致对称但绕定子周长不均等分布的配置来布置。
图6的利用洛伦兹力的实施例的力的关系可表示如下 T＝R[FtA+FtB+FtC](54) 假定 FtA＝FtB＝FtC＝Ft(57) 以为了均等地将产生力矩的切向力分布在三个绕组组之间。应当理解的是，均等分布是示例性方案，并且可使用其他技术和力分布来确定IA、ΔA、IB、ΔB的解。可利用其他力分布，例如通过引入如上述实施例中所示的代价函数。例如，可根据通过绕组的电流来利用代价函数。
使用(54)、(55)、(56)和(57) 与图1的实施例类似，对于图6的实施例，有2个方程和3个未知数。因此，还需要另一个方程。另外一个方程可通过将以下示例代价函数最小化获得。如前所述，也可利用其他代价函数和力分布。
这得出如下最优解 下列力/电流的关系可用于图6的利用洛伦兹力的实施例 Ftj＝1.5IjKtcosΔj，j＝A，B，C(65) Frj＝1.5IjKrsinΔj，j＝A，B，C(66) 因此 其中j代表每个绕组组，且 与上述实施例类似，可将Ij和Δj(j＝A，B，C)应用到换向功能块640中， 使用例如具有如可应用于绕组组A、B和C的(17)的形式的换向方程，用以使用产生洛伦兹力的三个绕组组615、620和625来提供所需力矩T和定心力Fx、Fy。
与上述实施例类似，可用电角度偏移量Δj(j＝A，B，C)调节电角度，以使用常用电机换向方程组来提供所需力矩和定心力。也可采用使用任何适合的换向实施方式的其他换向方案。
仍然参照图6，另一个实施例的电机可以被配置为使用洛伦兹力和麦克斯韦力的组合操作。作为径向力和切向力(Frj，Ftj，j＝A，B，C)的函数的所需力矩(T)和沿x轴的定心力(Fx)和沿y轴的定心力(Fy)的示例关系可以与图3中上述利用洛伦兹力和麦克斯韦力的组合的实施例相似。
在该实施例中，可根据所需定心力矢量(Fx，Fy)相对于图6中的电机所限定的三个扇区A、B、C的位置获得解。例如，每个扇区可以是120度，这样就可以找到3个解，即每个扇区有一个解。
下列力/电流的关系可用于图6所示利用洛伦兹力和麦克斯韦力的实施例。
Ftj＝1.5IjKtcosΔj，j＝A，B，C(73) 图6的利用洛伦兹力和麦克斯韦力的实施例的示例解见以下表2，其中
表2 该实施例的换向函数可以以与上述实施例类似的方式导出。例如，与上述实施例类似，电角度可用电角度偏移量Δj(j＝A，B，C)进行调节，以便用常用电机换向方程组-如适用于绕组组A、B和C的(17)的形式的换向方程-提供所需力。也可采用使用适用换向实施方式的其他换向方案。
图7所示为利用了四个绕组组A715、B720、C725和D730的实施例，其中绕组组延伸到转子的4个扇区，图中分别标记为A、B、C、D。绕组组A715、B720、C725和D730中的每一个都可以由能够驱动4个绕组组的电流放大器735驱动(尽管示出为绕定子周长均匀分布，但在替换实施例中可按其他所需方式布置)。电流放大器735可包括适于驱动绕组组的软件、硬件或软硬件的组合。电流放大器735还可包括适于驱动4个绕组组的电流回路功能块750、换向功能块745和处理器740。与电流放大器125类似，换向功能块745可根据一组特定函数，确定每个绕组组的绕组的电流，而电流回路功能块750可提供反馈和驱动性能，以保持电流如所确定的那样通过绕组。处理器740、换向功能块745和电流回路功能块750还可包括用于从提供位置信息的一个或多个传感器或传感器系统接收反馈的电路。
在图7所示示例实施例中，电机可配置为基于洛伦兹力操作。下面示出作为图7的实施例中的径向和切向力(Frj，Ftj，j＝A，B，C)函数的利用洛伦兹力的所需力矩(T)和沿x轴的定心力(Fx)以及沿y轴的定心力(Fy)的示例关系。也可使用其他关系、计算和所得到的换向方案。
T＝R(FtA+FtB+FtC+FtD) (75) Fx＝FtA+FrB-FtC-FrD(76) Fy＝FrA+FtB-FrC+FtD(77) 假定 FtA＝FtB＝FtC＝FtD＝Ft (78) 以为了均等地将产生力矩的切向力分布在四个绕组组之间。应当理解的是，均等分布是示例性方案，并且可使用其他技术和力分布来确定Ij和Δj(j＝A，B，C，D)的解。可采用其他力分布，例如，通过引入上述实施例中所示的代价函数或其他示例代价函数。其他示例代价函数可基于通过绕组的电流。
因此 Fx＝FrB-FrD(80) Fy＝FrA-FrC(81) 假定 以为了均等地将定心力分布在相对侧上的绕组之间。如上所述，应当理解的是，均等分布是示例性方案，也可采用其他技术和力分布。
下列力/电流的关系可用于图7的利用洛伦兹力的实施例 Ftj＝1.5IjKtcosΔj，j＝A，B，C，D(86) Frj＝1.5IjKrsinΔj，j＝A，B，C，D(87) 因此 对于每个绕组组j，j＝A715、B720、C725及D730，其中且 Ij和Δj(j＝A，B，C，D)可应用于换向功能块745中，以使用产生洛伦兹力的4个绕组组715、720、725和430来提供所需力矩T和定心力Fx、Fy。
与上述实施例类似，可用电角度偏移量Δj(j＝A，B，C，D)调节电角度，以使用常用电机换向方程组来提供所需力矩和定心力。因而，分段绕组A、B、C、D可被驱动以同时产生去耦力矩和定心力，以在常用换向方程组中使用调节电角度来驱动和定心电机转子。此外，也可使用其他任何适合的换向操作。
再参考图7，另一个实施例中的电机可利用洛伦兹力和麦克斯韦力的组合。作为径向和切向力(Frj，Ftj，j＝A，B，C，D)函数的所需力矩(T)和沿x轴的定心力(Fx)以及沿y轴的定心力(Fy)的关系与方程(75)-(81)中的那些相同。与上述利用洛伦兹力和麦克斯韦力的实施例相似，可根据所需定心力矢量(Fx，Fy)相对于图7实施例所限定的4个扇区的位置来获得解。在该实施例中，每个扇区可以是90度，从而可求出4组解，每个扇区一个。
下列力/电流的关系可用于图7的利用洛伦兹和麦克斯韦力的实施例。
图7的利用洛伦兹力和麦克斯韦力的实施例的示例解见以下表3， 其中 且(表3)。
表3 该实施例的换向函数可以以与上述实施例类似的方式导出。例如，与上述实施例类似，电角度可用电角度偏移量Δj(j＝A，B，C，D)进行调节，以便用常用电机换向方程组-如适用于绕组组A、B、C和D的(17)形式的换向方程-提供所需力。也可采用使用任何适合换向实施方式的其他换向方案。
与上述实施例类似，可用电角度偏移量Δj(j＝A，B，C，D)调节电角度，以使用常用电机换向方程组来提供所需力。因而，绕组组A、B、C、D可被驱动以同时产生去耦力矩和定心力，以在常用换向方程组中使用调节电角度对电机转子进行扭转和主动定心。
图8所示为传感器系统的实施例，该传感器系统适用于为所披露的实施例提供位置反馈。该传感器系统可包括多个成对布置的传感器。各传感器对可间隔一定的机械或电角度定位。第一对中的对应传感器可与其他对中的对应传感器呈一定的机械或电角度定位。
在图8所示示例实施例中，两对霍尔效应传感器810、815可提供反馈，以确定上述实施例中的转子位置。第一对霍尔效应传感器810可包括传感器霍尔元件A1和A2，而第二对霍尔效应传感器815可包括传感器霍尔元件B1和B2。在该实施例中，第一传感器对810与第二传感器对815的位置偏移90度机械角度。每个传感器也可与其对的对应传感器呈90度电角度偏移。例如，传感器霍尔元件A1与传感器霍尔元件B1间可有90度的电角度偏移，而传感器霍尔元件A2与传感器霍尔元件B2间可有90度的电角度偏移。每个传感器，霍尔元件A1、霍尔元件A2、霍尔元件B1、霍尔元件B2可连接到合适的电流放大器125、225、630、735，以提供位置反馈。
图8的示例实施例中，传感器霍尔元件A1和霍尔元件A2也可以彼此呈90度电角度定位，从而在转子转动时产生依赖相移位置的正弦信号。转子110的电位置可计算如下 θ＝atan(A1/A2)(91) 其中A1、A2是分别来自传感器霍尔元件A1和霍尔元件A2的信号。沿X和Y方向上的转子位移可用两套传感器计算 其中A1和A2是分别来自传感器霍尔元件A1和霍尔元件A2的信号，而B1和B2则是分别来自传感器霍尔元件B1和霍尔元件B2的信号，其中常数KgX和KgY例如可对照已知间隙参考值，通过实验确定。
因此，在该实施例中，只有两对霍尔效应传感器提供所披露实施例所需要的位置反馈。在转子旋转时，转子的交替极可产生来自每个传感器的正弦输出。因此，每对传感器810、815产生相移正弦波输出，从中可以确定转子的位置。如上所述，可以计算出由例如传感器霍尔元件A1和霍尔元件A2的两个信号之比的反正切所确定的角度。此外，沿X和Y轴的间隙可通过例如将相应的常数除以每个传感器对输出的两个传感器信号的平方和的4次方根来确定。
图9所示为示例基片加工装置1000的顶视图，该装置结合了所述实施例的各类特点。基片加工装置1001通常有通大气部(atmosphericsection)1050(即对大气敞开)以及相邻的真空部1100(其被配备以起到真空室的作用)。通大气部1050可有一个或多个基片容纳盒1150，以及通大气的基片运送装置1200。真空部1100可以有一个或多个加工模块1250，以及真空基片运送装置1300。图9所示实施例可以有加载锁1350和1400，以便在不影响可以存在于真空部1100中的任意真空的完整性情况下，让基片在通大气部1050和真空部1100之间通过。
基片加工装置1000还可以包括控制器1700，其控制基片加工装置1000的操作。控制器1700可包括处理器1730和内存1780。控制器1700可通过链接1830连接到基片加工系统1000。为了所披露实施例的目的，基片例如可以是半导体晶片(如200mm或300mm晶片)、平板显示器基板、适于用基片加工装置1000加工的任何其它类型的基片、空白基片(blank substrate)，或者是具有类似于基片的特性的物品，如具有某些尺寸或特定质量的物品。
通大气的基片运送装置1200可包括一个或多个自轴承电机，如根据所披露实施例的1600。自轴承电机1600可有利地利用最少数量的绕组组来影响自轴承电机功能，并可用相同的绕组来提供根据所述实施例的充分去耦的驱动力和定心力。自轴承电机1600可由电流放大器1250驱动，电流放大器1250可以同上述电流放大器类似。真空基片运送装置1300还可包括一个或多个根据所披露实施例的自轴承电机1900。自轴承电机1900可由一个或多个电流放大器1500驱动，电流放大器1500可以同上述电流放大器类似。在适合的情况下，基片加工装置1000可包括如本文所披露的其他自轴承电机。
总之，所述实施例针对自轴承电机，其有利地利用最少量的绕组组来影响自轴承电机功能。减少绕组组数量有很多好处，因为例如，可以降低用于控制独立绕组的相关的复杂且昂贵的控制系统和电子设备。在至少一个实施例中，可使用少至2个电机绕组组来实现自轴承电机功能。在所披露示例旋转实施例中，可使用相同的绕组来提供充分去耦的驱动力和定心力，以主动控制转子的旋转中心。可利用相同的绕组来提供充分去耦的推进力和导向力，以控制示例线性实施例中的压板。所披露电机实施例可包括分段绕组，例如，沿转子或压板的所需位置分布且被分解以形成具有一个或多个绕组子组的绕组组的绕组。此外，可包括提供位置和间隙反馈的示例传感器系统。例如，可以将传感器系统配置为提供沿第一和第二轴的同步位置测量。传感器系统还能够提供或者与第一和第二轴同步或者单独的沿第三轴的测量。
应当理解的是，以上描述仅为当前实施例的图解说明。本领域技术人员可以设计各种替代和修改而不偏离本文所披露的实施例。因而，实施例意图于包括所有这些替代、修改和变化，其均落入所附权利要求的范围。
权利要求
1.一种电机换向方法，包括
操作地对接电机的受激励部件和定子；
相对于受激励部件布置至少两个绕组组；及
独立控制该至少两个绕组组，从而使用该至少两个绕组组来驱动和定心该受激励部件。
2.权利要求1的方法，还包括
相对于受激励部件布置至少三个绕组组；及
独立控制该至少三个绕组组，从而使用该至少三个绕组组驱动和定心该受激励部件。
3.权利要求1的方法，还包括
相对于受激励部件布置至少四个绕组组；及
独立控制该至少四个绕组组，从而使用该至少四个绕组组驱动和定心该受激励部件。
4.权利要求1的方法，还包括
将该至少两个绕组组的每一个设置为一对绕组子组；且
将每对绕组子组中的绕组子组偏移，从而使该对的一个绕组子组产生径向力，而另一个绕组子组在受激励部件上产生切向力。
5.权利要求4的方法，包括将每对绕组子组中的绕组子组偏移90度电角度。
6.一种电机换向装置，包括
相对于电机的受激励部件布置的至少两个绕组组；及
用于独立控制该至少两个绕组组从而使用该至少两个绕组组来驱动和定心该受激励部件的换向电路。
7.权利要求6的装置，还包括
相对于受激励部件布置的至少三个绕组组；及
用于独立控制该至少三个绕组组从而使用该至少三个绕组组来驱动和定心该受激励部件的换向电路。
8.权利要求6的装置，还包括
相对于受激励部件布置的至少四个绕组组；及
用于独立控制该至少四个绕组组从而使用该至少四个绕组组来驱动和定心该受激励部件的换向电路。
9.权利要求6的装置，其中
该至少两个绕组中的每个包括一对绕组子组；且
每对绕组子组中的绕组子组被偏移，从而使该对的一个绕组子组产生径向力，而另一个绕组子组产生切向力。
10.权利要求9的装置，其中每对绕组子组中的绕组子组偏移90度电角度。
11.一种电机，包括
具有至少两个独立受控的绕组组的定子；
操作地对接定子的受激励部件；及
通信地连接到该至少两个绕组组以控制该至少两个绕组组独立驱动和定心受激励部件的控制器，
其中该至少两个绕组组相对于受激励部件布置，并且控制器被编程来控制该至少两个绕组组从而用该至少两个绕组组驱动和定心受激励部件。
12.权利要求11的电机，其中
定子包括至少三个独立受控的绕组组；
控制器通信地连接到该至少三个绕组组以控制该至少两个绕组组独立驱动和定心受激励部件；且
该至少三个绕组组相对于受激励部件布置，并且控制器被编程来控制该至少三个绕组组从而用该至少三个绕组组驱动和定心受激励部件。
13.权利要求11的电机，其中
定子包括至少四个独立受控的绕组组；
控制器通信地连接到该至少四个绕组组以控制该至少四个绕组组独立驱动和定心受激励部件；且
该至少四个绕组组相对于受激励部件布置，并且控制器被编程来控制该至少四个绕组组从而用该至少四个绕组组驱动和定心受激励部件。
14.权利要求11的电机，其中
该至少两个独立受控的绕组中每个包括一对绕组子组；且
每对绕组子组中的绕组子组被偏移，从而使该对的一个绕组子组产生径向力，而另一个绕组子组产生切向力。
15.权利要求14的电机，其中每对绕组子组中的绕组子组偏移90度电角度。
16.一种基片加工装置，包括
电机，其包括
具有至少两个独立受控的绕组组的定子；
操作地对接定子的受激励部件；及
通信地连接到该至少两个绕组组以控制该至少两个绕组组独立驱动和定心受激励部件的控制器，
其中该至少两个绕组组相对于受激励部件布置，并且控制器被编程来控制该至少两个绕组组从而用该至少两个绕组组驱动和定心受激励部件。
17.权利要求16的基片加工装置，其中
定子具有至少三个独立受控的绕组组；
控制器通信地连接到该至少两个绕组组以控制该至少两个绕组组独立驱动和定心受激励部件；且
该至少三个绕组组相对于受激励部件布置，并且控制器被编程来控制该至少三个绕组组从而用该至少三个绕组组驱动和定心受激励部件。
18.权利要求16的基片加工装置，其中
定子具有至少四个独立受控的绕组组；
控制器通信地连接到该至少四个绕组组以控制该至少四个绕组组独立驱动和定心受激励部件；且
该至少四个绕组组相对于受激励部件布置，并且控制器被编程来控制该至少四个绕组组从而用该至少四个绕组组驱动和定心受激励部件。
19.权利要求16的基片加工装置，其中
该至少两个独立受控的绕组中每个包括一对绕组子组；且
每对绕组子组中的绕组子组被偏移，从而使该对的一个绕组子组产生径向力，而另一个绕组子组产生切向力。
20.权利要求19的基片加工装置，其中每对绕组子组中的绕组子组偏移90度电角度。
21.一种电机换向方法，包括
计算调节电角度；及
在常用换向方程组中利用调节电角度来独立扭转和主动定心电机转子，从而用至少两个电机绕组组主动定心转子。
22.权利要求21的方法，还包括在常用换向方程组中利用绕组相电流结合调节电角度。
23.权利要求21的方法，还包括在常用换向方程组中利用调节电角度来独立扭转和主动定心电机转子，从而用至少三个电机绕组组主动定心转子。
24.权利要求21的方法，还包括在常用换向方程组中利用调节电角度来独立扭转和主动定心电机转子，从而用至少四个电机绕组组主动定心转子。
25.权利要求21的方法，还包括在常用换向方程组中利用调节电角度来使用洛伦兹力独立扭转和主动定心转子。
26.权利要求21的方法，还包括在常用换向方程组中利用调节电角度来使用麦克斯韦力独立扭转和主动定心转子。
27.权利要求21的方法，还包括在常用换向方程组中利用调节电角度来使用洛伦兹力和麦克斯韦力的组合独立扭转和主动定心转子。
28.一种电机换向方法，包括
计算调节电角度；及
将调节电角度代入用于电机换向的换向方程，以独立扭转和主动定心电机转子，从而用至少两个电机绕组组主动定心转子。
29.权利要求28的方法，还包括将调节电角度代入用于电机换向的换向方程，以独立扭转和主动定心电机转子，从而用至少三个电机绕组组主动定心转子。
30.权利要求28的方法，还包括将调节电角度代入用于电机换向的换向方程，以独立扭转和主动定心电机转子，从而用至少四个电机绕组组主动定心转子。
31.权利要求28的方法，还包括确定调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括洛伦兹力。
32.权利要求28的方法，还包括确定调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括麦克斯韦力。
33.权利要求28的方法，还包括确定调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括洛伦兹力和麦克斯韦力的组合。
34.一种电机换向装置，包括
计算调节电角度的电路；及
电流放大器，用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使常用换向方程组能够在具有至少两个绕组组的电机中以及在具有至少三个绕组组的电机中产生力矩和主动定心力。
35.权利要求34的装置，还包括用于在常用换向方程组中利用绕组相电流结合调节电角度的电路。
37.权利要求34的装置，其中电流放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使常用换向方程组能够在具有至少四个绕组组的电机中产生力矩和主动定心力。
38.权利要求34的装置，其中电流放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括洛伦兹力。
39.权利要求34的装置，其中电流放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括麦克斯韦力。
40.权利要求34的装置，其中电流放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括洛伦兹力和麦克斯韦力的组合。
41.一种电机，包括
转子；及
由电流放大器驱动的绕组，该电流放大器具有
用于计算调节电角度的电路；及
放大器，用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使常用换向方程组能够在电机中产生各不相同的主动定心力和力矩，其中该电机至少是两个绕组组的电机或三个绕组组的电机之一。
42.权利要求41的电机，其中电流放大器包括用于在常用换向方程组中利用绕组相电流结合调节电角度的电路。
43.权利要求41的电机，其中放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使常用换向方程组能够在电机中产生各不相同的主动定心力和力矩，其中该电机至少是四个绕组组的电机。
44.权利要求41的电机，其中放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括洛伦兹力。
45.权利要求41的电机，其中放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括麦克斯韦力。
46.权利要求41的电机，其中放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括洛伦兹力和麦克斯韦力的组合。
47.一种基片加工装置，包括
用于电机换向的控制器，包括
用于计算调节电角度的电路；及
电流放大器，用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使常用换向方程组能够在电机中产生各不相同的主动定心力和力矩，其中电机至少是两个绕组组的电机或三个绕组组的电机之一。
48.权利要求47的基片加工装置，还包括用于在常用换向方程组中利用绕组相电流结合调节电角度的电路。
49.权利要求47的基片加工装置，其中电流放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使常用换向方程组能够在电机中产生各不相同的主动定心力和力矩，其中电机至少是四个绕组组的电机。
50.权利要求47的基片加工装置，其中电流放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括洛伦兹力。
51.权利要求47的基片加工装置，其中电流放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括麦克斯韦力。
52.权利要求47的基片加工装置，其中电流放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括洛伦兹力和麦克斯韦力的组合。
53.一种基片加工装置，包括
电机，包括
转子；及
由电流放大器驱动的绕组，该电流放大器具有
用于计算调节电角度的电路；及
放大器，用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使常用换向方程组能够在电机中产生各不相同的主动定心力和力矩，其中该电机至少是两个绕组组的电机或三个绕组组的电机之一。
54.权利要求53的基片加工装置，其中电流放大器包括用于在常用换向方程组中利用绕组相电流结合调节电角度的电路。
55.权利要求53的基片加工装置，其中放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使常用换向方程组能够在电机中产生各不相同的主动定心力和力矩，其中该电机是四个绕组组的电机。
56.权利要求53的基片加工装置，其中电流放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括洛伦兹力。
57.权利要求53的基片加工装置，其中放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括麦克斯韦力。
58.权利要求53的基片加工装置，其中电流放大器用于在常用换向方程组中利用调节电角度，从而使电机中的力矩和主动定心力包括洛伦兹力和麦克斯韦力的组合。
全文摘要
一种电机换向方法包括工作中对接电机的受激励部件和定子；相对于受激励部件布置至少两个绕组组；及独立控制该至少两个绕组组，从而使用该至少两个绕组组来驱动和定心该受激励部件。
文档编号H02K13/04GK101790834SQ200880104666
公开日2010年7月28日 申请日期2008年6月25日 优先权日2007年6月27日
发明者M·霍泽克, J·T·穆拉, C·霍夫梅斯特 申请人:布鲁克斯自动化公司