一种磁气混合支撑电主轴

本发明属于电主轴系统，具体地涉及一种磁气混合支撑电主轴。

背景技术：

1、随着越来越多的新型集成电路出现，集成电路已向轻量化和微型化发展，这也就要求晶圆上芯片的复杂度和精度越来越髙。而晶圆的划切是晶圆加工的最后一道工序，决定芯片最终的成品率，所以也是极其重合的一道工序。划切是利用晶圆划片机高速旋转的主轴带动超薄砂轮刀片，以强力磨削的方式对晶圆材料进行划切，从而实现晶粒的分离。而电主轴的性能是决定划切质量和精度的重要因素，并且晶圆的划切需要电主轴实现在不同工况中仍能实现高质量划切。

2、动压气浮轴承支撑具有精度高，寿命长，转速上限高等优点，适用于晶圆的划切。但是动压气浮轴承在启停阶段存在干摩擦，此时主轴的振动较为明显，会大大影响划切的质量。同时磁悬浮轴承具有无接触、无磨损、无需润滑、高速度等优点，在电主轴领域应用广泛。为了解决动压气浮轴承启停阶段存在的干摩擦，对于磁悬浮轴承和动压气浮轴承混合支撑的电主轴设计就尤为重要。

技术实现思路

1、本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种磁气混合支撑电主轴；本发明能够实现工作时稳定悬浮，解决气浮轴承启停阶段存在干摩擦的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、本发明提供一种磁气混合支撑电主轴，其特征在于，包括转子组件，所述转子组件上设置有推力盘，所述转子组件外设置有动压气浮轴承，所述动压气浮轴承内设置有电磁轴承组件，所述推力盘位于所述电磁轴承组件内，所述动压气浮轴承的两侧分别连接有结构相同的永磁轴承组件，其中一个所述永磁轴承组件外端与驱动电机连接，所述驱动电机与所述转子组件的一端连接用来驱动所述转子组件转动。

4、进一步地，所述动压气浮轴承包括相互配合的第一动压气浮轴承定子和第二动压气浮轴承定子，所述第一动压气浮轴承定子与所述第二动压气浮轴承定子分别与两个所述永磁轴承组件连接，所述电磁轴承组件被所述第一动压气浮轴承定子与所述第二动压气浮轴承定子夹在中间。

5、更进一步地，所述电磁轴承组件包括线圈、导磁定子和非导磁隔套，所述非导磁隔套被所述第一动压气浮轴承定子与所述第二动压气浮轴承定子夹在中间，所述导磁定子固定在所述非导磁隔套上，所述线圈设置在所述导磁定子内。

6、进一步地，所述永磁轴承组件包括永磁轴承外壳、偏心定子磁环、转子磁环、偏心套筒、压紧元件，所述永磁轴承外壳与所述动压气浮轴承连接，所述偏心套筒设置在所述永磁轴承外壳内，所述偏心套筒内装配所述偏心定子磁环并通过所述压紧元件将所述偏心定子磁环固定在所述偏心套筒内，所述转子磁环固定在所述转子组件上并与所述偏心定子磁环相互作用。

7、更进一步地，所述偏心定子磁环和所述转子磁环均为轴向充磁，且所述偏心定子磁环的内圆柱面相对于外圆柱面在径向位置向上偏移一定距离。

8、再更进一步地，所述偏心套筒的内圆柱面相对于外圆柱面在径向位置向下偏移一定距离，用来与所述偏心定子磁环配合装配。

9、再更进一步地，所述转子磁环相对于所述偏心定子磁环向所述转子组件轴向中心位置偏移一定距离。

10、更进一步地，所述永磁轴承组件还包括调整垫片，所述调整垫片布置于所述偏心套筒与所述偏心定子磁环之间。

11、进一步地，与所述驱动电机相对一侧的所述永磁轴承组件的外端连接有挡盖，所述转子组件的另一端穿过所述挡盖。

12、进一步地，所述驱动电机的电机转子与所述转子组件连接。

13、本发明的有益效果。

14、本发明的磁气混合支撑电主轴，通过对电主轴支撑方式的设计实现了磁气混合支撑的电主轴，其中动压气浮轴承可以在电主轴高速时提供主要支撑，并且随着转速不断升高，其承载力也越大。但是在启停阶段存在干摩擦，引起的振动会影响切割质量。所以布置永磁轴承组件，此永磁轴承组件主要由偏心定子磁环和转子磁环组成，且为轴向充磁，在径向上也会产生径向排斥力。此偏心定子磁环会增大永磁轴承提供的径向力，避免由于转子组件质量过大导致转子组件在静态时未悬浮。并且布置偏心套筒与偏心定子磁环配合，以便于电主轴整体的装配和配合。

15、本发明可通过调整垫片来调整偏心定子磁环和转子磁环之间的距离，此距离不同，永磁轴承之间的径向力也会改变，距离越近径向力越大，距离越远径向力越小。可以实现当转子组件质量发生变化时，可以调整此距离实现转子组件的稳定悬浮。两侧的永磁轴承在在轴向上也会产生轴向力，并且会相互抵消，大大减少轴向上电磁轴承的功耗，也能缩小电磁轴承的尺寸，使整个磁气混合支撑电主轴的体积更小，结构更加紧凑。

16、当驱动电机工作时，转子在永磁轴承的作用下，实现转子与定子之间的无接触，无摩擦。当转速不断提高时其动压气浮轴承的承载能力不断提高，实现了此磁气混合支撑电主轴能够在大转速范围下工作。当此磁气混合支撑电主轴轴向承受载荷时，电磁轴承通过调整控制电流，调节电磁轴承组件对转子组件上推力盘的轴向力，实现此磁气混合支撑电主轴的五个自由度的稳定悬浮，并且能在不同工况下仍能实现高质量划切。

技术特征：

1.一种磁气混合支撑电主轴，其特征在于，包括转子组件（1），所述转子组件（1）上设置有推力盘（2），所述转子组件（1）外设置有动压气浮轴承，所述动压气浮轴承内设置有电磁轴承组件，所述推力盘（2）位于所述电磁轴承组件内，所述动压气浮轴承的两侧分别连接有结构相同的永磁轴承组件（8），其中一个所述永磁轴承组件（8）外端与驱动电机（15）连接，所述驱动电机（15）与所述转子组件（1）的一端连接用来驱动所述转子组件（1）转动。

2.根据权利要求1所述的一种磁气混合支撑电主轴，其特征在于，所述动压气浮轴承包括相互配合的第一动压气浮轴承定子（3）和第二动压气浮轴承定子（4），所述第一动压气浮轴承定子（3）与所述第二动压气浮轴承定子（4）分别与两个所述永磁轴承组件（8）连接，所述电磁轴承组件被所述第一动压气浮轴承定子（3）与所述第二动压气浮轴承定子（4）夹在中间。

3.根据权利要求2所述的一种磁气混合支撑电主轴，其特征在于，所述电磁轴承组件包括线圈（5）、导磁定子（6）和非导磁隔套（7），所述非导磁隔套（7）被所述第一动压气浮轴承定子（3）与所述第二动压气浮轴承定子（4）夹在中间，所述导磁定子（6）固定在所述非导磁隔套（7）上，所述线圈（5）设置在所述导磁定子（6）内。

4.根据权利要求1所述的一种磁气混合支撑电主轴，其特征在于，所述永磁轴承组件（8）包括永磁轴承外壳（9）、偏心定子磁环（10）、转子磁环（11）、偏心套筒（12）、压紧元件（13），所述永磁轴承外壳（9）与所述动压气浮轴承连接，所述偏心套筒（12）设置在所述永磁轴承外壳（9）内，所述偏心套筒（12）内装配所述偏心定子磁环（10）并通过所述压紧元件（13）将所述偏心定子磁环（10）固定在所述偏心套筒（12）内，所述转子磁环（11）固定在所述转子组件（1）上并与所述偏心定子磁环（10）相互作用。

5.根据权利要求4所述的一种磁气混合支撑电主轴，其特征在于，所述偏心定子磁环（10）和所述转子磁环（11）均为轴向充磁，且所述偏心定子磁环（10）的内圆柱面相对于外圆柱面在径向位置向上偏移一定距离。

6.根据权利要求5所述的一种磁气混合支撑电主轴，其特征在于，所述偏心套筒（12）的内圆柱面相对于外圆柱面在径向位置向下偏移一定距离，用来与所述偏心定子磁环（10）配合装配。

7.根据权利要求6所述的一种磁气混合支撑电主轴，其特征在于，所述转子磁环（11）相对于所述偏心定子磁环（10）向所述转子组件（1）轴向中心位置偏移一定距离。

8.根据权利要求4所述的一种磁气混合支撑电主轴，其特征在于，所述永磁轴承组件（8）还包括调整垫片（14），所述调整垫片（14）布置于所述偏心套筒（12）与所述偏心定子磁环（10）之间。

9.根据权利要求1所述的一种磁气混合支撑电主轴，其特征在于，与所述驱动电机（15）相对一侧的所述永磁轴承组件（8）的外端连接有挡盖（16），所述转子组件（1）的另一端穿过所述挡盖（16）。

10.根据权利要求1所述的一种磁气混合支撑电主轴，其特征在于，所述驱动电机（15）的电机转子（17）与所述转子组件（1）连接。

技术总结
一种磁气混合支撑电主轴属于电主轴系统技术领域。本发明包括转子组件，所述转子组件上设置有推力盘，所述转子组件外设置有动压气浮轴承，所述动压气浮轴承内设置有电磁轴承组件，所述推力盘位于所述电磁轴承组件内，所述动压气浮轴承的两侧分别连接有结构相同的永磁轴承组件，其中一个所述永磁轴承组件外端与驱动电机连接，所述驱动电机与所述转子组件的一端连接用来驱动所述转子组件转动。本发明能够实现工作时稳定悬浮，解决气浮轴承启停阶段存在干摩擦的问题。

技术研发人员：孙凤,张鑫,赵海宁,赵川,徐方超,周冉,赵芳,金俊杰,张琪,佟玲,李野,苗宇,刘晓龙,刘东宁,刘彤
受保护的技术使用者：沈阳工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15