（机械设计及理论专业论文）应用于真空机器人的磁力传动器研究与设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 磁力传动技术是通过永磁材料或电磁铁磁极所产生同性相斥、异性相吸的磁力作 用，来实现力或转矩无接触传递的一种新技术。随着上世纪7 0 年代后期稀土永磁材料 出现以后，磁力传动技术得到了迅速的发展与应用。由于磁力传动器可以在传动的同时 通过附加密封罩起到隔离密封的作用，可以考虑将它应用在i c 制造业的真空机器人上， 以保证i c 制造业对洁净程度和真空环境的要求。 本文首先分析并介绍了国内外真空机器人和磁力传动器的研究和发展现状，然后介 绍了磁性材料的发展情况，采用了将稀土永磁体应用于磁力传动器p 方法。随之介绍了 课题的来源和主要研究内容。 、 论文介绍了磁力传动器的分类情况，并结合本课题所研究的真空机器人确定了所要 设计的传动器的基本类型，并对这一类型的磁力传动器的特点和功能做了简要阐述，同 时建立了其三维模型和设计模型。随后介绍了稀土永磁体的特性，并选取了磁路各部分 所采用的永磁材料。针对磁力传动器设计中的核心磁路部分做了详细的介绍，通过做一 些基本假设建立了磁力传动器磁路部分的模型，然后通过a n s y s 建模来进行磁场分析， 并结合关系曲线来初步选取磁极对数和其他一些关键的参数。 论文介绍了磁力传动器机械本体的设计过程与设计方法。在设计过程中，首先根据 经验公式和给定的力矩计算出其中某一个参数，然后根据相应的关系曲线和实际情况来 确定其他参数。整体结构在这里被分为许多相对独立的部分来进行设计。在设计过程结 束以后，采用经验公式法对所设计磁力传动器所能传递的转矩进行了定量验证计算，并 得到了相应的结果。 论文第五章对设计的合理性进行了分析和验证，对所设计磁力传动器的结构和性能 参数进行了分析比较，并采用有限元方法对磁极数进行了优化。同时对设计过程中产生 的问题和不足之处进行了讨论和分析，针对其不足之处进行探讨并提出了改进方法。最 后计算了涡流损失，验证了磁性材料的工作点，重新选择了磁性材料，并对下一步工作 提出了展望。 关键词：磁力传动；磁路；有限元分析；机械本体；仿真计算 应用于真空机器人的磁力传动器研究与设计 r e s e a r c ha n dd e s i g no fm a g n e t i cc o u p l i n gu s e di nv a c u u mr o b o t a b s t r a c t m a g n e t i cc o u p l i n gi st h i sk i n do fd e v i c ew h i c ht r a n s f e r st h et o r q u ew i t h o u tm e c h a n i c a l c o n t a c t s ，m a k i n gu s eo ft h em a g n e t i cf o r c eg e n e r a t e db yt h ep e r m a n e n tm a g n e t so re l e c t r i c a l m a g n e t s i tw a sn o tu n t i lt h et h u l i u mm a t e r i a lw a ss t u d i e dt h e19 7 0 st h a tt h er e s e a r c h e so f m a g n e t i ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yc o m ei n t oah i g h s p e e dd e v e l o p m e n tp e r i o d f o rt h e t e c h n o l o g yo fm a g n e t i ct r a n s m i s s i o n c a nr e s u l ta ne f f e c to ft h o r o u g h l yi s o l a t i o na n d a i 叩r o o f i n gb ya d d i n ga l li s o l a t i o nc o v e r , i tc a nb ec o n s i d e r e dt o b ea p p l i e dt ot h ev a c u u m r o b o t su s e di ni ci n d u s t r y ，a i m i n ga tt h ed e p u r a t i o no ft h ei ci n d u s t r ya n dt h er e q u i r e m e n to f v a c u u me n v i r o n m e n t a tt h eb e g i n n i n go ft h i sd i s s e r t a t i o n , t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fv a c u u m r o b o t sa n dm a g n e t i cc o u p l i n g sa r ei n t r o d u c e db o t hn a t i o n a la n da b r o a d ，t h e nt h ea c t u a l i t yo f t h em a g n e t i cm a t e r i a li si n t r o d u c e d ，a n dt h em e t h o do fa p p l y i n gt h u l i u mm a g n e t i cm a t e r i a lo n m a g n e t i cc o u p l i n g sh a sb e e nb r o u g h to u t a tt h el a s tp a r to f t h ef u s tc h a p t e r ，t h es o u r c eo ft h e p r o j e c ta n dt h em a i n l ys t u d i e dc o n t e n ta r ep r e s e n t e d t h ec l a s s i f i c a t i o n so fm a g n e t i cc o u p l i n g sa r ei n t r o d u c e da tt h eb e g i n n i n go ft h es e c o n d c h a p t e r ，t h e nt h eb a s i ct y p eo ft h em a g n e t i cc o u p l i n gt h a tm e e t so u rd e s i g n i n gg o a l i s c o n f i r m e d a n das u m m a r ya b o u tt l l ec h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o n si sm a d eo ft h em a g n e t i c c o u p l i n gt h a tw i l lb ed e s i g n e db yu s i nt h es a m et i m ew em o d e li tb o t hm a t h e m a t i c a l l ya n d p h y s i c a l l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h u l i u mm a g n e t i cm a t e r i a la r ep r e s e n t e d t h em a g n e t i c c i r c u i ti ss t u d i e da n dd e s i g n e di nd e t a i li nt h et h i r dc h a p t e r t h e nw em a k es o m eb a s i c h y p o t h e s e sa n df o u n dt h em o d e lo f t h em a g n e t i cc i r c u i t ，a n dt h em a g n e t i cp o l ep a i r sa n ds o m e r e l a t e dk e yp a r a m e t e r sa r ed e c i d e db yt h es i m u l a t i o n sa n da n a l y s i so ft h er e l a t i v ec u r v e s t h ed e s i g n i n gp r o c e s so ft h em e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o no ft h em a g n e t i cc o u p l i n gi s i n t r o d u c e di nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，o n eo ft h ep a r a m e t e r si sc a l c u l a t e d o u ta n dt h e nt h eo t h e rp a r a m e t e r sa r ef i g u r e do u ta c c o r d i n gt ot h er e l a t i v ec u r v e s t h ee n t i r e m a g n e t i cc o u p l i n gi sd i v i d e di n t om a n yp a r t s ，a n dw ea n a l y z ea n dv a l i d a t et h ec a p a b i l i t yo f t h em a g n e t i cc o u p l i n ga f t e ri ti sd e s i g n e da n dg e ts a t i s f y i n gr e s u l t i nt h ef i f t hc h a p t e ro ft h ed i s s e r t a t i o n , w ea n a l y z ea n dv a l i d a t et h er a t i o n a l i t yo ft h e d e s i g n e dm a g n e t i cc o u p l i n g ；w ea l s od os o m eo p t i m i z a t i o n st ot h ep a r a m e t e r so f t h ed e s i g n e d m a g n e t i cc o u p l i n g t h en u m b e ro fm a g n e t i cp o l ep a i r si so p t i m i z e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m e t h o d i nt h em e a nt i m e ，w ed i s c u s st h ep r o b l e m sa n dd i s a d v a n t a g e se x i s ti nt h ed e s i g n i n g i i p r o c e s sa n db r i n go u tt h ei m p r o v i n gw a y o ft h e m i nt h el a s to ft h ed i s s e r t a t i o nw ec a l c u l a t e t h ew h i r l p o o ll o s s ，v a l i d a t et h ew o r k i n gp o i n to ft h em a g n e t i cm a t e r i a la n d c h o o s ea n o t h e r m a t e r i a l ，w ea l s om a k ea l le x p e c t a t i o n a b o u tt h ef u r t h e rw o r k s k e yw o r d s ：m a g n e t i ct r a n s m i s s i o n ；m a g n e t i c c i r c u i t ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ；s i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o n i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：迩童继甾凼趣盔蠖豳坠l 芏 作者签名：二勃量日期：垄鲢墨年j 兰月口日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 目：迎塞邋熊盏盘亟遣孟妾逝 一一缝 日期：銎墨年上月且日 j 土斗 日期：尘土年上月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 引言 目前，以半导体集成电路为基础的电子信息产品世界贸易额已达到了一万亿美元， 成为了世界第一大产业。集成电路( i c ) 作为电子信息产业的核心【lj ，是推动国民经济 和社会信息化发展最主要的高新技术之一，i c 制造装备是半导体产业发展的支柱。制造 技术和工艺的更新，以及更高性能的i c 制造装备的研制又在整个半导体产业的发展中 扮演着技术先导的角色，是微电子技术中的制高点，世界i c 装备产业已成为i c 产业的 驱动力和重要的组成部分i 引。为了适应i c 技术的迅速发展对硅片制造技术和装备提出的 新要求，工业发达国家非常重视开发先进的i c 制造技术与装备。在我国，自2 0 0 0 年以 来，半导体产业的投资规模迅速扩大，技术水平也有了很大提高。随着i c 制造产业的 快速发展，机器人技术已经被引入i c 制造过程【3 】。i c 制造业的特点是超精密化、超洁 净环境和细微化，有些工艺还是在真空环境下进行的。近年来，全球半导体业在两个因 素，即不断缩小特征尺寸和增大硅片直径的推动下沿着摩尔定律发展，其产量也逐年增 长。特征尺寸的减小，带来的是对i c 生产设备更高洁净度的要求，真空机器人也不例 外。为了提高真空机器人的洁净度和真空度，除了要选用更加洁净的材料以外，还要尽 可能地避免运动尘埃的产生和做好尘埃粒子产生后的隔离工作，如采用先进的磁力传动 技术，以及采用密封方式等1 4 】。 然而，传统的传动和密封方式很难保证机器人的高洁净度。伴随着对现代磁学的进 一步研究，出现了磁力传动技术。磁力传动技术是利用永磁材料或电磁铁所产生的磁力 作用，来实现力或转矩( 功率) 无接触传递的一种新技术。如果能将这种技术应用于机 器人上，研究出一种适合于真空机器人的磁力传动器，不仅可以替代传统的机械接触式 联轴器，在轴的转动过程中不产生尘埃，而且可以将转动轴的动密封转化为静密封，实 现外界环境的气体、尘埃粒子向真空环境的零泄漏【5 】。 磁力传动器是以永磁材料或电磁铁磁极所产生同性相斥、异性相吸的磁力作用，来 实现力矩无接触传递的装置【6 】。其相关的磁力传动技术在2 0 世纪3 0 年代就被人们所提 出，但永磁材料的研究一直制约磁力传动的发展。直到上世纪7 0 年代后期稀土永磁材 料( 如稀土钴、钐钴和钕铁硼类) 的突破，促使磁力传动技术得到了迅速发展与应用【7 j 。 目前磁力传动技术的研究主要应用于磁力驱动泵上哺9 】。图1 1 所示的是东莞市卓一 水泵厂生产制造的c q 型磁力驱动泵【10 1 ，c q 型磁力驱动泵( 简称磁力泵) 是将永磁联轴 器的工作原理应用于离心泵的新产品，设计合理、工艺先进，具有全密封、无泄漏、耐腐 应用于真宅机器人的磁力传动器研究与设计 蚀的特点c 磁力泵以静密封取代动密封顺泵的过流部件处于完全密封状态，彻底解决了 使用机械传动的驱动泵所无法避免的跑、冒、滴、漏等弊病。 黼猷 辩德 图11c 型磁力驱动泵 f i g 1i c 0 t y p e m a g n e t i cd r i v i n g p u m p 图12 是c 0 型磁力驱动泵结构示意图 上呈呈曼亘旦三旦旦堕卫堡卫 泵壳2 ) 静列、3 ) 动环4 ) 叶轮5 ) 密封圈6 ) 隔板7 ) 隔离套8 ) 外磁体 9 ) 内磁_ 【车1 0 ) 泵轴1 1 ) 轴套1 2 ) 联接架1 3 ) 电机 图12 型磁力驱动泵结构示意图 f i g 12 c o n f i g u r a t i o no f c qq 严m ag r 】e l i ed r i v i n gp u m p 图13 所示的是浙江省水嘉县创新泵业制造有限公司研制的自吸式磁力驱动泵j ， 该磁力泵不需要底阀和引灌水，白吸高度达4 米。机构紧凑，外形美观，体积小，噪声 低，运行可靠，使用维修方便。 一 3 3厂筐鲑 大连理工大学颐士学位论文 图l3 自吸式磁力驱动泵 f i g 13 s e l f - a b s o r b t y p e m a g n e t i cd r i v i n g p u m p 国际上磁力传动技术发展最快的是德、英、日、美等国家。国内较早开展磁力传动 研究的是甘肃省科学院磁性器件研究所已经成功地研制了稀土钴磁力驱动器和磁力驱 动泵的系列产品，而且在某些方面已经达到国际先进水平“。国内外的研究都深入地探 讨了磁力耦台的现象及其影响因素。国外学者p a n z h e n g 等人对应用于抽取生物流体的 螺杆泵上的磁力驱动器的传动力矩展开了研究，对三种不同极数耦台的磁力传动器模型 进行了仿真，得出的四极耦台结构磁力传动器性能优良，满足应用要求。国内学者杨超 君等人研制了电磁感应式磁力驱动器，并总结了外转子的磁极对数、内转子的齿槽数、 铜条截面积等困素对磁力驱动器传动性能的影响，同时有效地解决了内磁钒高温不可逆 退磁问题，实现了无泄漏输送高温介质【1 3 l ”。 尽管国内外对磁力传动技术开展了很多研究，但只是针对传统的动力输送设备。由 于磁力传动技术可起到隔离密封作用，可以将它应用在i c 制造业的生产设备上以保 证i c 制造业的净化和对真空环境的要求。 近年来永磁传动技术已经从泵类向其它密封机械扩展，技术上集中于提高设备的可 靠性、抗介质腐蚀新材料的研究，流体技术及制造装配的精度。磁力传动器能够反映一 个国家制造技术的水平，工业发达国家的磁力传动装置在效率、寿命、制造周期、成本 和可靠性等方面都有了突破性的进展口1 5 i l ”。 在磁力传动技术广泛应用于磁力传动泵的同时，磁力传动技术在机器人上的应用实 例却少之又少。 应削于真空机器人的磁州 动器研究与醴计 1 2 真空机器人介绍 硅片传输机器人是一类面向i c 制造业，综台利用机械、电子、光学、磁学等技术 的自动化传输设备，而应用在真空度为】0 。p a 环境下的硅片传输机器人被称为真空机器 人。随着科学技术的快速发展，i c 产业的制造技术及其关键装备总是处于不断的更新换 代之中。 硅片自动传输系统的发展按照能够制造出的硅片尺寸划分为三个阶段i ”i ：小于 2 0 0 m m 阶段、2 0 0 m m 阶段和3 0 0 r a m 阶段。随之时代的进步和科技的发展对更高精度和 更高准确度的要求，普通的硅片传输机器人已经不能满足现代i c 产业的需求，此时 种特殊的硅片传输机器人，赶宁机器人在这个时候应运而牛了。圈14 所示是典型的 硅斤传输机器人结构示意图，该机器几由四大部分细成，分别是基座，升降旋转部件， 径同直线伸缩部件和末端翻转部件。 堑座2 ) 升降旋转截件3 ) 释。】：i 线伸缩部件4 ) 术端翻转部件 目14 硅片传输【器凡外观图 f i g i4 - h es k e t c h m a p o f w a f e r r t r a n s f e rr o b o t 图15 所示是真空机器人丁况图。由图可以看出，该真空机器人有两个末端执行器 警体处于真卒环境中进行硅片的传递。 大连理工大学硕士学位论文 真空机器人真空僦蝗 圄15 真空机器人工况图 f i g ，5w o r k i n gs i t u a t i o n m a po f t y p i c a l m b o t 应用在真空度为1 0 4 p a 环境下的硅片传输机器人被称为真空机器人。真空机器人通 过编程示教的方式在i c 制造的各个工艺模块之间快速、精确地传输并定位硅片i j m 。真 空机器人由于能够隔离普通大气环境和真空作业环境，因此具有高精度、高洁净度和高 可靠性的特点。这些特点是普通的硅片传输机器人所不具备的。真空机器人在设计时即 要满足净化环境的要求，同时也要考虑真空条件的要求，如脱气、散热等。目前，真空 机器人主要应用在集束型设备中，通过轨迹规划完成对硅片的定位和传输“。图1 6 所 示为典型的集束型装备示意图。 图16 硅片制造集柬型装各 f i g i6c l u s t e re q u i p m e n t o r i e n t e d t o t h e w a f e r m a n u f a c t u r i n g 应用于真空机器人的磁力传动器研究与设计 真空机器人诞生于二十世纪八九十年代，至今已有二十余年的历史。由于国外的i c 产业起步早，规模大，基础好，形成了较大的市场，较大的需求结合先进的工业机器人 技术使得真空机器人的技术不断进步和成熟【2 0 1 。但是由于国内外的科技水平有差异，国 内外真空机器人的研究和发展水平也有很大的不同。 真空机器人本身就是硅片传输机器人的一种，只是应用环境不同，因此可以根据硅 片传输机器人的形状分类方式对真空机器人进行分类。一般用于i c 制造业的真空机器 人根据结构可以分为两大类：一类为平面关节型( s c 舢认) 真空机器人。s c a r a 型真 空机器人又可以细分为s c a r a 型单托盘式真空机器人、s c a r a 型双托盘反向真空机 器人、s c a r a 型双托盘同向真空机器人；另一类为径向直线运动型( r 0 ) 机器人( 属 极坐标型) 。可以细分为r 0 型单托盘式真空机器人、r 一0 型双托盘反向真空机器人和 r 0 型双托盘同向真空机器人1 2 1 | 。图1 7 为真空机器人工作步骤图： s t e p1 s t c p3 s t c p2 s t e p 4 图1 7 真空机器人工作步骤图 f i g 1 7w o r k i n gs t e p so fv a c u u mr o b o t 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 121国外真空机器人研究及发展现状 在2 0 世纪8 0 、9 0 年代，国外的一些公司和研究机构积极地对真空机器人及其关键 技术进行了研究和开发，并取得了丰硕的成果i l ”。如日本y a s k a w a 公司研发的真空 步进电机、真空伺服电机、磁力编码器等，日本k a w a s a l d 公司开发的多系列运动控制 卡以及美国a d e p t 公司研发的应用于洁净环境下的直接驱动电机等。日本在9 0 年代后 期就己经研制出可进行单级硅片检测、预对准、反向旋转、倾斜、并与各种各样双面硅 片自动预对准台相匹配使用的超高精度片子传输装置瞄i 。日本株式会社研制的 u t v - 2 0 0 0 片子自动传输机械手采用对称双硅片传输，内部装有精密光学监测装置，可 倦送硅片直径范围为5 0 m m 2 0 0 m m 。 真空机器人自1 9 8 7 年问世以来，受到了国外很多公司的重视与研究。经过2 0 年的 发展，至今已形成一系列技术成熟的产品，如b r o o k s 公司最新产品m a g n a t r a n8 系列、 d a i h e n 公司的s p r - 3 5 2 系列、j e l 公司的s r v h r 4 0 0 0 系列等。 图18 所示为b r o o k s 公司最新研制的真空机器人m a gq u a a r a f l y 机器人。该机 器人采用了直接驱动技术而且申请了三角形轴向驱动的专利。它可传输1 0 0 m m 3 0 0 m m 的硅片，r 向最大行程达1 0 0 0 m m 以上，手臂的振动较少，稳定性较高。与m a g n a t r a n 7 系列机器人不同，该真空机器人是方形蝴蝶式双臂真空机器人。 图18b r o o k s 公司m a g n a 。t l d a r a f l y 真空机器人 f i g 18 m a g n a q u d a m + ：l y r o b o to f b r o o k s c r o p 图1 9 为j e l 公司s t v h r 4 0 0 0 系列真空机器人。该系列机器人是一种应用在集 束型装备中的双臂真空机器人，可传输3 0 0 r a m 硅片，而且采用了先进的磁流体密封技 术，可工作在真空度为1 0 s p a 的环境下。 亍 庹刚f 真空机器人的磁力传动器研究与设计 图i9j h 公司s t v i i r 4 0 0 0 系列真空机器人 f i g 19s t v h r 4 0 0 0v 8 c u 岫r o b o t o fj e l c o r p 122 国内真空机器人研究及发展现状 我国真空机器人的研究起步较晚，现阶段大都处于研发过程，还没有形成系列产品， 目前只有人连理工_ 人学现代制造技术研究所、沈阳新松机器人公司、哈尔滨工业大学等 少数单位开展了关于真空机器人的关键技术研究l ”l 。国内1 c 设备的研究和，r 技与国外 相比十分落后，在硅片传输机器人和硅片精密自动传输系统方面的研究也很少。目前， 应用在固内i c 制造业硅片生一线上的自动传输系统几乎全部从国外进口，而且国内的 硅片加工设备在技术水平、稳定性、可靠性和自动化程度等方面部与国际水平有一定差 距1 2 q 。国内9 0 年代研制的b g 一7 0 3 双而曝光机，其机械手用于直径5 0 m m 7 5 m m 的硅 片传输，先由人工上片至供片台，再由机械手完成从供片台到对准台的往返传送，谚传 输机构性能较低，功能单，没有形成标准化、通用化和模块化口”。 1 3 磁力传动技术的研究和发展现状 131 国外磁力传动技术的研究及发展现状 日耵磁力传动技术的研究主要应用于磁力驱动泵上。国际上磁力驱动泵技术技展最 快的是德、英、日、美等国家。国内外的研究都深入地探讨了磁力耦合的现象及其影响 因素。国外学者p a nz h e n g 等人对应用于抽取生物流体的螺杆泵上的磁力驱动器的传动 力矩展开了研究，对三种不同极数耦合的磁力驱动器模型进行丁仿真，得出的四极耦台 结构磁力传动嚣性能优良，满足应用要求口“。 围外的全密封磁力传动应用很普及生产厂家有英国h m d 无泄露磁力密封泵公 司、t o t t o n 泵公司、h i l g e 泵公司、美国g o u l d s 泵公司、日本1 w a k i 公司、德国k l a u s u n i o n 大连理工大学硕士学位论文 公司、d i c k o w 公司、a l l w e i l e r 公司、s i h i 公司、c p 泵公司等。1 9 4 0 年英国人c h a r l e s 和 g e o f f r e yh o w a r d 首次解决了输送危险性介质化工泵的泄漏问题，解决的方法就是应用 磁力驱动泵。英国h m d 无泄露磁力密封泵公司的磁力传动设计制造技术处于全球领先 水平，该公司是图1 1 0 和图1 1 1 所示磁路型式全密封磁力驱动泵的首创者，其中图1 1 0 所示是磁体连续排布耦合磁路配置示意图，图1 1 1 所示是磁体间隙排布耦合磁路配置示 意图。 徭骇 鼢黝 图1 1 0 磁体连续排布耦合传动装置示意图 f i g 1 10 c o n t i n u o u sc o u p l i n ga r r a n g e m e n ts k e t c h 籍狲 燃嬲 图1 1 l 磁体间隙排布耦合传动装置示意图 f i g 1 11s p a c ec o u p l i n ga r r a n g e m e n ts k e t c h 1 3 2 国内磁力传动技术的研究及发展现状 我国永磁传动技术的研究与应用起步较晚，比英国h m d 公司要滞后3 0 年左右。 现有的产品规格较少，市场占有份额也小，用户也对其缺乏认识。主要原因是一次性成 本较高，同时企业对永磁传动技术缺乏了解，加之产品缺乏可靠性，使得企业的经营者 和操作人员不敢问津。 虽然国内对于磁力传动器的研究起步较晚，参与该领域的研究单位也比较少，但仍 取得了一定的成果。我国较早开展磁力传动技术研制的是甘肃省磁性器件研究所，已先 后成功试制了稀土钴磁力驱动器和磁力驱动泵的系列产品，其技术水平在某些方面甚至 已达到国际先进水平。该所开发的新型组合式稀土钴磁力驱动器和磁力驱动设备已经投 入大量生产，在许多工业部门中得到了广泛的应用。所生产的磁力驱动泵的功率已达 1 8 5 k w ，流量为1 5 0 m 3 h ，扬程达3 8 0 m 。国内学者杨超君等人研制了电磁感应式磁力 应用于真空机器人的磁力传动器研究与设计 驱动器，并总结y 多 i - 转子的磁极对数、内转子的齿槽数、铜条截面积等因数对磁力驱动 器传动性能的影响，同时有效地解决了内磁钢高温不可逆退磁问题，实现了无泄漏输送 高温介质1 1 4 】。 国内很多化工泵和搅拌设备生产企业具备了全密封磁力传动的设计制造能力，该技 术主要应用在化工、制药、食品、高分子、微生物等生产与科研部门。浙江长城减速机 有限公司在为浙江台州仙居清泉医药化工有限公司设计搅拌传动装置过程中，由于搅拌 釜的工作压力达1 1 m p a ，传统的机械密封已经不能满足使用要求，经采用磁传动密封设 计，通过生产验证，有很好的使用效果。 虽然磁力传动技术已经发展了许多年，但国内外磁力传动装置绝大多数都是应用在 磁力驱动泵上，尤其在国内还没有应用到真空机器人上的相关技术，因此本课题有广阔 的发展空间1 2 9 ，3 0 1 。此外，我国稀土资源丰富，为磁性材料和磁力技术的研究和应用提供 了得天独厚的优势。 1 4 磁性材料的研究现状 1 4 1 磁性材料的分类 磁性材料主要由铁、镍、钴等元素及其合金组成，具有高导磁性、磁饱和性和磁滞 性等特点。磁性材料按照成分可以分为金属型和非金属型两种；按照性能可分为软磁材 料和硬磁材料两种f 2 8 1 。 详细分类情况如表1 1 所示： 表1 1 磁性材料的种类 t a b 1 1c l a s s i f i c a t i o n so fm a g n e t i cm a t e r i a l s 第代：s m c o 系 稀土永磁 第二代：s m 2 c 0 1 7 系 材料 第三代：n d f e b 系 第四代：正在开发中 硬磁材料 金属永磁第一类：a l n i c o 系 ( 永磁材料) 材料第二类：f e c r c o 系 铁氧体永 磁材料 以f e 2 0 3 为主要组元 其他永磁可加z 永磁材料、液态急冷永磁材料、微粉永磁材料、胶塑永磁 材料 材料和纳米永磁材料等 软磁材料 f e s i 系、f e - n i 系、铁氧体系、非晶材料系和其他系 信磁材料磁记录材料、磁头材料、矩磁材料、磁泡材料、旋磁微波材料和磁光材料等 特磁材料压磁材料、磁电阻材料、磁制冷材料、纳米强磁材料和复合强磁功能材料 大连理工大学硕士学位论文 1 4 2 磁性材料的研究现状和发展趋势 随着铝镍钴，铁氧体等稀土永磁材料的相继开发利用之后，在2 0 世纪6 0 年代日本、 美国先后又研制出稀土永磁材料钐钴类，如& e ，和瓯：c d ，。1 9 8 3 年高性能的稀土永磁 材料钕铁硼问世。 我国从2 0 世纪7 0 年代开始研制，直到1 9 8 5 年以后研究生产单位逐渐增多，生产 方式也大幅度改善，生产能力不断提高，1 9 8 7 年钕铁硼年产能力已达3 0 0 吨以上，现在 年产能力已经超过5 0 0 0 吨。目前国内永磁材料品种基本齐全，性能优良。 我国磁性材料工业经过四十多年的建设和发展，特别是改革开发以来，发展速度举 世瞩目，现已基本上形成了自己的产业体系，各种磁性材料的产量基本上居世界第一， 成为磁性材料生产大国和磁性材料产业中心。近年来，我国磁性材料工业得到了很大发 展，年增长率超过1 5 。现在，我国磁性材料工业在产量方面己经初具规模，中低档产 品占据了较大的国际市场，在高档产品方面开始形成竞争力。从总的需求看，磁性材料 需求旺盛，年均以1 5 的速度增长。我国产量在世界所占比重逐年上升，预计到2 0 1 0 年，我国烧结钕铁硼磁体产量将达到7 万吨，占全球产量的7 5 ；粘结钕铁硼磁体产量 将达到1 万吨，占全球产量的5 0 左右【3 l 】。 1 4 3 稀土永磁材料特性 我们生活的地球是一个大磁场。磁在我们的生产生活中有许多神奇的作用，其中之 一便是永磁材料。它们一旦在磁场中被充磁后，如撤去外磁，材料可以保留很强的磁性， 而且不易被退磁。这样，这些永磁材料做成永磁体后，它们的外部空间又形成一个恒定 的工作磁场，可以用来进行粒子加速、自动控制、核磁共振等等。利用永磁体的磁场可 以方便地进行能量转换。 稀土永磁材料指的是稀土元素铈、锗、钕、钐和过渡族元素铁、钴等组成的金属间 化合物材料【32 1 。第一代和第二代稀土永磁材料属于钐钴系稀土永磁材料，出于原料缺乏， 价格昂贵。1 9 8 3 年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司几乎同时宣布，研制成功 一种磁性能最强的新型永磁材料钕铁硼合金，第三代稀土永磁材料刚一问世便轰动了世 界。其突出优点在于最大磁能积高达3 0 3 k j m 3 ，相当于铝镍钴系永磁合金的5 - - , 6 倍。 这种新材料被广泛用于制造汽车电机、传感器、磁推力轴承、核磁共振成像仪、电子钟 表和磁选机等领域。目前，科学家们正在积极探索，继续寻找第四代新型稀土永磁材料， 期望能够进步降低成本，提高性能。主要探索方法是在稀土铁合金中添加第三种或第 四种元素。 应用于真空机器人的磁力传动器研究与设计 永磁材料的特征在于其三大特殊性能：高剩磁，高矫顽力和最大磁能积。早期生产 和使用的以碳钢为代表的淬火马氏体钢，矫顽力和最大磁能积都很低，不能令人满意。 3 0 年代以后，铝镍钴系永磁合金以其优异的性能在很长时间内在永磁材料中占了统治地 位。但由于含有稀缺物质镍和钴，成本很高。5 0 年代，铁氧体永磁材料投入工业生产。 7 0 年代以来，以钐钴合金和钕铁硼合金为代表的稀土永磁合金的先后诞生在全世界掀起 了研究和探索新型永磁材料的高潮，促进了材料的飞速发展。这类材料以及用它们和橡 胶、塑料等混合制成的粘结磁体具有很大的经济效益和应用潜力。 永磁材料是具有巨大磁滞的材料，其磁化强度或磁感应强度的变化总落后于外磁场 的变化，所以称为磁滞。通过对磁滞回线的研究，了解到永磁材料的主要参数是剩磁、 矫顽力以及磁能积【2 引。因此未来磁性材料的发展趋势主要可以归纳为以下几点： 一、高剩磁感应强度，二、高矫顽力，三、高磁能积，四、低成本。 1 5 课题主要来源和研究内容 1 5 1课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目“面向i c 制造的硅片机器人关键技术研究” ( 5 0 6 7 3 0 2 7 ) 和广东省教育部产学研结合项目“净化、真空机器人系列产品及关键技术 的研发”( 2 0 0 6 d 9 0 3 0 4 0 1 2 ) 。 1 5 2 主要工作和研究内容 本课题在充分调研了国内外真空机器人发展情况、国内外磁力传动技术和磁性材料 研究现状和发展情况的前提下，提出了将磁力传动技术应用到i c 制造业的真空机器人 上，设计了一种适用于真空机器人的径向型永磁磁力传动器。 作者的主要工作是：建立径向磁力传动器的数学和物理模型，研究磁力传动器的核 心部分磁路对整个装置性能的影响，研究磁路部分的参数对传递力矩的影响，并用有限 元方法对磁路和机械本体进行优化分析，从而得到最优解，确定磁力传动器的各个最优 参数，最终设计出一种应用于真空机器人的磁力传动器。本课题设计要解决的问题是克 服普通磁力传动器的结构缺陷，提出一种应用于真空机器人上的、能实现同步传动的、 在传动的同时能起到一定承压密封作用的，可以在非机械接触的情况下传递运动和力矩 的径向型圆筒式永磁磁力传动器。外转子上粘结外永磁体，内转子上粘结内永磁体，内 转子和外转子之间设置有密封罩以组成一个完全封闭的空间，能够有效防止空气中尘埃 粒子和由于机械接触所产生的粒子带来的污染，从而提高精密度。磁力传动器采用转矩 大连理工大学硕士学位论文 的径向型外传内结构形式，能够有效解决机械传动过程中存在的振动、无法准确对心、 泄露以及过载保护的问题。 论文的主要研究内容和组织方式如下： 第一章介绍了国内外真空机器人的研究和发展现状，磁力传动技术的研究和发展现 状。以及磁力传动技术在泵上的应用，也就是磁力传动泵。磁力传动技术应用在i c 制 造产业真空机器人上具有重要作用和意义，明确了设计内容。随后介绍了磁性材料的研 究发展情况，最后介绍了课题的主要来源和研究内容。 第二章是磁力传动技术和磁力传动器的研究基础。本章先后介绍了磁力传动器的几 种分类方式，磁力传动器区别于普通传递装置的传动特性，磁力传动器的数学模型和物 理模型，磁力传动器用磁性材料的特性以及应用于本次磁力传动器设计的磁性材料的选 择标准等。这些内容是应用于真空机器人的磁力传动器研究与设计的基础和原理。为下 面几章进行详细研究和设计奠定了良好基础。 第三章主要是对磁力传动器的核心部分磁路进行了研究，建立了磁力传动器磁路部 分的数学模型和物理模型，并采用关系曲线结合设计具体参数对磁路部分进行了优化， 对参数进行了初步选取。 第四章分为两部分，前四节是应用于真空机器人的磁力传动器机械本体的设计，后 两节是对于所设计的磁力传动器所能够传递扭矩的验证计算。包括磁路部分、动力输入 部分、动力输出部分、壳体部分、前后盖板和铁架台的设计。主要采用a u t o c a d 软件来 进行结构设计，同时采用s o l i d w o r k s 软件来进行辅助三维立体建模，以确保所设计的磁 力传动器能够传递足量的扭矩，并且能够正确的应用于i c 制造产业的真空机器人。在 本章末尾对所设计磁力传动器能够传递的扭矩进行了定量验证计算。 第五章是对所设计的磁力传动器进行了分析和优化。主要从磁路部分永磁体的结构 参数，气隙宽度，磁极数目等方面对原有参数进行了优化。最后结合磁转子长径比计算 了涡流损失，计算了磁性材料的工作点并重新选择了稀土永磁材料。 最后是结论与展望。 1 6 本章小结 本章综述了磁力传动技术的研究历史和发展背景，先后介绍了国内外真空机器人和 磁力传动器的发展和研究现状，还介绍了国内外磁性材料的发展和研究现状。结合对真 空机器人的用途介绍，明确了将磁力传动技术应用到真空机器人上的作用和意义。最后 介绍了课题的选题背景及来源，并提出了本文的主要研究内容和组织框架。 应用于真空机器人的磁力传动器研究与设计 2 磁力传动器理论基础研究 为了更好的研究磁力传动技术的特点和磁力传动器的特性，从而设计出符合要求的 能够应用于真空机器人上的磁力传动器，需要对其理论基础进行学习和了解。本章从分 类方式，传动特性和模型等几个方面对磁力传动技术的基础理论进行了阐述，并介绍了 第三代磁性材料稀土永磁材料的特性。 2 1磁力传动器分类 磁力传动器根据不同的分类方法，有如下几种分类方式【2 8 】： ( 1 ) 依据磁力传动器耦合原理。可分为同步式，涡流式和磁滞式三种 ( 2 ) 依据磁力传动器传递运动的方式。可分为直线运动式磁力传动器，旋转运动 式磁力传动器，复合运动式磁力传动器和传递特殊运动的磁力传动器。 ( 3 ) 依据磁力传动器的结构形式。可分为圆筒式和圆盘式两种形式，这是最常用 的一种分类方式，两种类型如图2 1 所示，左边是径向型( 圆筒式) 磁力传动器结构示 意图，右边是轴向型( 圆盘式) 磁力传动器结构示意图。 图2 1 磁力传动器两种结构形式 f i g 2 1 t w ok i n d so fm a g n e t i cc o u p l i n g sw i t hd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n s 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 依据永磁体的布局方式。磁力传动器可分为间隙分散式和组合推拉式两种。 如图2 2 所示，左侧为间隙分散式磁力传动器，右侧为组合推拉式磁力传动器。 旷 r鸬 忍 嬲氮 沙 厂、 f 纩v 怒 儿 n 、 图2 2 磁力传动器两种布局方式 f i g 2 2 t w od i f f e r e n ta r r a n g e m e n t so fm a g n e t i cc o u p l i n