真空步进电机在真空/高温/低温等环境的应用以及真空电机原理

真空步进电机在真空/高温/低温等环境的应用以及真空电机原理

根据最近的一份新闻报道，目前至少有40个新的晶圆制造厂正处于规划阶段或正在实际建设中。由于每家工厂代表着20亿至60亿美元的投资，很容易估计，在未来3-5年内，将有大约2000亿美元进入这个市场。在20世纪80年代，设备制造商开始将他们的半导体制造工艺转移到真空室中。虽然真空环境可能是特定过程的一部分，但它也具有不支持粒子运动的优点。

在真空区内移动或定位样品或产品以及传感的能力（一些最常见的要求）是通过位于真空室外部的驱动机构和电机来实现的。在这种类型的控制方案中，驱动机构通过使用密封联轴节的真空室壁传输其运动。这种传统的真空运动控制方法有许多缺点，一个解决方案是，将电机置于真空室外部，使用磁性或机械进给机构，这迫使工程师使用有限数量的设计配置。例如，使用外部电机时，很难在真空室内实现XY双轴或者多轴运动（其中一级在另一级之上移动），因为用于传输电机功率的机械部件极大地限制了设计的可能性。此外，真空室内定位系统的精度、重复性和分辨率也会受到影响。


将电机直接放置在真空中，使工程师可以使用更多的物理布置，因为电机电缆可以以任何方式布线，而不会抑制室内的活动。通过将电机直接耦合到负载上，精度和其他系统规格也可以大大提高。最后，由于真空系统的机械通常与整个真空电机一样昂贵，因此，具有内置电机的系统的成本通常低于外部安装的替代系统。

设计专门用于真空的电机越来越多，这些电机需要考虑独特的环境条件，标准电机不是真空应用的合适选择。一般来说，标准马达在10^-4托或更低的真空中无法工作，主要原因是轴承中的润滑剂会蒸发，电机和电缆的绝缘材料也会蒸发，这种现象被称为“放气”。在真空室内放气显然是非常消极的，除了破坏电机，蒸发后的材料凝结在精密的光学元件和精密的机械装置上，影响了应用。石油基润滑脂蒸发，它们在真空室中形成了蒸汽云，其他材料蒸发得慢，硅酮是一个噩梦，因为一旦真空室被硅酮污染，几乎不可能把它全部清理干净，它会继续扩散到真空室的任何东西。

电机在真空中冷却也是一个问题，传统的电机是通过对流进入周围的空气和表面的传导来冷却。当电机在真空中通电时，对流冷却不可用，热量主要通过安装结构的传导来耗散。因此，在真空中操作电机时，必须为热交换和更高温度的操作做好准备。
泄漏是电机在真空中运行的另一个问题，即使标准电机在真空中可能不会排出气体污染物，但电机的存在很可能会妨碍真空过程。例如，一个步进电机，如果处理不当，将“泄漏”空气分子，从电机叠片、绕组、轴承和金属表面的微小裂纹中缓慢释放捕获或粘附的气体分子。当这些多孔材料的表面未经处理时，会发生泄漏，从而导致无法接受的长停机时间或真空度不足。这种泄漏是一个机械问题，而不是排气的材料问题。在真空中电动机上的暴露的高压导体会产生电晕效应，稀薄的空气很容易电离，电流会在无保护的高压导体之间流动。
放气、冷却、泄漏和电晕效应——都可以在设计合理的真空电机中找到，例如，如果电机材料，如轴承润滑脂、纸槽衬垫、保形涂层、绕组绝缘和多种胶水全部或部分汽化，则可以通过选择适当的材料来防止放气。特氟龙是真空应用中常用的材料，因为它非常稳定，具有良好的温度特性，而且价格合理。大多数金属可在真空中使用（镉和锌除外），不锈钢是真空/电机应用的特别好材料。

一般来说，在大气压在10^-4托之间，材料放气速率并不显著，在这个范围内，许多商用塑料是可用的，但润滑油通常需要仔细选择。如果真空度在10^-7托范围内，必须消除大多数天然材料，只能使用有限数量的塑料。在这个范围内，真空润滑剂是必不可少的。在10^-9托时，不包括大多数塑料，必须使用干润滑剂。排气也可能是由于电机清洁度不足造成的。在制造过程中，电机材料受到各种污染物的影响，并且总是留下微量材料，如钢暴露于切削油，塑料在从模具挤出时被润滑，环氧树脂与溶剂混合，此外，人手控制马达会留下油的残留物。不同的应用需要不同真空纯度，如果系统部件没有得到适当的清洁，肯定会有各种污染物释放到真空室中。真空电机通过专有的提取和清洁工艺，进入蒸汽脱脂无法触及的深缝隙，加速污染物的分子变化，并使它们变得惰性。一般来说，真空环境的敏感性通常需要使用由非挥发性材料制成的电机，经过真空烘烤、加工以提取污染物，然后密封。

高温除了本身是电机运行的问题外，还会导致加速放气，为了防止电机故障和抑制放气，选择驱动方式和驱动电压可以大大降低电机的工作温度。高压脉宽调制（pulse width modulation，脉冲宽度调制）驱动比低压线性驱动更能加热电机。双极驱动器一次使用电机中的所有铜产生的热量比单极驱动器使用一半铜产生的热量少。此外，具有自动减少备用电流的驱动器，在电机不移动时减少电流的伺服系统，也产生较少的热量。

可使用热敏电阻、热电偶或电阻温度计（RTD）监测电机温度，并可使用该信息调节电机功率的使用，以将温度保持在安全工作范围内。在必须产生大量电力以及导致温度升高的情况下，可以考虑使用冷板或冷却套。
真空/电机应用中的泄漏可以通过消除裂纹、裂缝和在电机内残留的气体的区域来克服。如果电机在真空中安装前没有得到适当的处理，叠片、绕组、轴承甚至金属表面都会释放出困在其表面裂纹中的空气分子。电机将需要在真空中很长一段时间来释放其残留的所有空气，从而干扰及时达到所需真空水平的需要。选择空气含量较低的精细机械加工面，可将泄漏降至z低。例如，多孔金属通常需要清洁和密封，机加工金属比铸件更可取，如果铸件不可避免，则应使用机加工对其进行改性。

半导体业的真空电机需要清洁和烘焙，经过萃取过程以去除污染物，电机绕组通常采用H级绝缘，其绕组温度比其他等级高50°C，电机应在洁净室条件下使用新的尼龙手套（即使是干净的橡胶手套也会污染电机）。即使如此，也可能需要根据所需的真空度进行额外的清洁。为进一步减少泄漏，应将盲孔变成通孔，层压结构应真空浸渍，所有表面应使用适当的密封剂。为了防止高压产生的电晕效应，暴露在外的导体必须用适当的材料绝缘以防止电弧。


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