划片机气静压电主轴热态特性研究

ＩＣ前道技术・　・电子工业毫用ｉ殳备　－　划片机气静压电主轴热态特性研究　王明权　（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东燕效１０１６０１）　摘　要：从划片机气静压电主轴的工作机理出发．研究主轴电机的功率损耗发热、空气轴承的气　膜剪切摩擦发热；根据分析结果提出减小主轴发热和加强散热的措施。　关键词：气静压电主轴；功率损耗；空气轴承；气膜剪切摩擦；主轴散热　中图分类号：ＴＮ３０５．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４．４５０７（２００６）０７．００２４．０４　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ａｉｒ　Ｓｐｉｎｄｌｅ　Ｓ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｄｉｃｉｎｇ　Ｓａｗ　ＷＡＮＧ　Ｍｉｎｇ－ｑｉ　（Ｔｈｅ　４５ｔｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＣＥＴＣ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｅａｓｔ　Ｙａｎｊｉａｏ　１０１６０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ａｉｒ　ｓｐｉｎｄｌｅ’Ｓ　ｗｏｒｋ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｓｐｉｎｄｌｅ’Ｓ　ｈｅａｔ－ｕｐ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄ－ｉｎ　ｍｏ－　ｔｏｒ’Ｓ　ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｉｒ　ｌａｙｅｒ’Ｓ　ｓｈｅａｒ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ；Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ａｂｏｖｅ　ｓｔｕｄｉｅｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｓｏｍｅ　ｉｄｅａｓ　ｔｏ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ａｉｒ　ｓｐｉｎｄｌｅ’Ｓ　ｈｅａｔ—ｕｐ　ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｓｐｉｎｄｌｅ’Ｓ　ｈｅａｔ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｉｒ　ｓｐｉｎｄｌｅ；Ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓ；Ａｉｒ　ｂｅａｒｉｎｇ；Ａｉｒ　ｌａｙｅｒ’Ｓ　ｓｈｅａｒ　ｆｉｃｔｒｉｏｎ；Ｓｐｉｎｄｌｅ’Ｓ　ｈｅａｔ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　１　引言　划片机是集成电路产业中分割ＩＣ晶片（ｗａｆｅｒ）　量可大于１０　ｔ．ｔｍ，热变形是影响主轴精度的最主　要因素［１１。因此，研究主轴热态特性，并采取适当　的措施减小主轴发热和加强散热，达到减小由主　轴发热造成的变形的目的，是气静压电主轴研究的重　要内容。　电路单元（ｄｉｅ）的精密切割设备：是微电子元器件生　产过程中的关键工艺设备。划片机的切割机理是强　力磨削，气静压电主轴正是带动金刚石外圆刀具高　速旋转（３　０００￣６０　０００　ｒ／ｍｉｎ）切割（强力磨削）晶片　２　划片机气静压电主轴工作机理　气静压电主轴采用空气静压轴承支承，止推轴　承承受轴向载荷，轴径轴承承受径向载荷。感应电　的部件，其热态特性、刚性、轴线旋转精度等动静态　特性决定着晶片的切割质量。　气静压电主轴的径向、轴向跳动均小于３　ｕｍ，　而在实际工作中发现，由于主轴发热造成的热变形　机驱动，将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元　收稿日期：２００６—０６一ｌ７　作者简介：王明权（１９６８．），男，甘肃天水市人，高级工程师，现主要从事半导体设备研制工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｌｉｄ　电子工业毫用设备　・ＩＣ前道技术・　的壳体内，转子和机床主轴的旋转部分做成一体，　和机床主轴合二为　，实现了主轴的“零传动”［２］。　结构如图１所示。　主轴的变速范围完全由交流电机控制，使交流电机　Ａ　刀片轴　图ｌ　划片机气静压电主轴结构图　划片机工作过程中，电主轴发热主要由主轴电　机的功率损耗发热和空气轴承气膜的剪切摩擦发　热两部分组成。主轴冷却主要通过主轴电机冷却　水、切割冷却水的热传递，空气轴承排气时的热传　是轴承旋转时产生的摩擦损耗，ｏ一－是由于转子零部　件高速旋转时与空气间的摩擦损耗。　划片机气静压电主轴采用空气轴承支撑，空气　轴承摩擦阻力小，摩擦阻力是由流体剪力产生的阻　力。摩擦的功率损耗及阻力大小在本文３节中论述。　转子零部件与空气间的摩擦损耗在高速运转　的电主轴中也是要特殊考虑的热源。定、转子间气　递，主轴表面的热传递等几方面完成。　３　主轴电机功率损耗发热　电主轴结构紧凑、体积小、功率大，在电机的电　磁设计和计算过程中要严格控制损耗。同其它电机　类似，电主轴的损耗分为４类，即机械损耗、电损　耗、磁损耗和附加损耗［３］。　３．１机械损耗　隙中空气紊流时的摩擦损耗可按下式计算：　尸　式中：　Ｃｆｐｗ。Ｄ４ｌ　（１）　Ｄ、ｆ为转子的直径和长度　为转子的角速度　Ｐ为空气密度　在电主轴中，机械损耗主要有２部分组成。一　Ｃ厂为阻流系数，可用阿尔特舒尔公式计算：　维普资讯 http://www.cqvip.com

ＩＣ前道技术・　电子工业董用设蚤　●　・ｃｆ　Ｏ．ｈ　ｌ　Ｏ　Ｏ）。２５　式中：　ｈ为转子表面的凸起高度　６为气隙　Ｒ　为雷诺数，Ｒ　＝＆ｏ／ｒ，ｒ为介质的运动黏度　３．２电损耗　在电主轴中，这部分损耗主要是定子和转子的　电损耗，比较容易计算：　Ｐ：Ｆｒ＝＆ｃ／ｓ　（３）　式中：　ｒ为导体的电阻　，为定子或转子中的电流　Ｐ为导体的电阻率，是温度的线形函数　为导体的长度　．ｓ为导体的截面积　３．３磁损耗　在定、转子铁心内因磁滞和涡流所造成的主要　损耗和与主磁通对有效铁心的周期性反复磁化有　关。反复磁化又分为下列３种：①静磁化是在一定　限度内磁化电流缓慢变化时产生的磁化；②旋转　磁化是电枢铁心在磁场中旋转时产生的磁化；③　循环磁化是由交变电流产生的磁化。循环磁化时单　位质量的损耗可用下述的经验公式表示：　Ｐ１＝Ｃ　Ｂｒｍｘ２　（４）　式中：　Ｃ为与电工钢有关的常数　厂为磁化频率　Ｂ一为磁感应最大值　涡流损耗可按下式计算：　Ｐ２＝　・　ｃ　（　一）　（５）　式中：　６为硅钢片的厚度　ｙ为铁心的密度　Ｐ为铁心的电阻率　３．４附加损耗　电机定子和转子的发热来源于电机的损耗。前　⑧（总第１３８期）衄圈皿　３类是主要损耗，还存在一定的附加损耗，在总的损　耗中所占的比例很小，约占额定功率的１％～５％【３］。　４　空气轴承的摩擦发热【５１　流体膜轴承的一个表面相对于另一个表面运　动时，由于流体剪力而产生阻力。阻力的大小取决　于流体的黏度，并且不论流体是液体还是气体，其　机理从本质上说是类似的。气静压电主轴采用空气　静压轴承支承，滑动轴承和圆形止推轴承的工作机　理分别由图２和图３示出。　图２简单滑动轴承　图２示出了黏度为　的流体所隔开的两平行　板，其间距为ｈ　上板固定，下板以速度　运动。黏　度定义的公式指明，平行于流体膜表面的平面中所　产生与运动方向相反的力为：　ｄｕ　（６）　式中：　Ａ为平板面积（Ａ＝　）　／２，为膜中某位置Ｙ上的气体速度。　假定沿　方向，即沿运动方向的压力不变，则　有：　ｄ　：０　积分之得：　ｄｕ＝Ｂ，Ｂ为常数　再积分之得：／２，＝Ｂｙ＋Ｃ，　Ｃ为常数　代入边界条件：　Ｙ＝０时，Ｍ＝　Ｙ＝ｈ时，Ｍ＝０　得：　维普资讯 http://www.cqvip.com

■　电子工业董用设苗　・ＩＣ前道技术・　Ｂ一　则得：　Ｆ：ｌ￣２．ｒｒ　ｒＺｏＪ６ｒ将其代入式（６）得　（１１）　Ｆ＝　五ｌ｝　（７）　或力矩为：　ｒ　：１￣２＂ｒｒｗ　ｒ３６ｒ（１２）、　‘－，　　式（７１就是平垫轴承摩擦阻力公式。虽然这个　公式可适用于机床的某些导轨，但总的来说是很少　然后，从ｒ＝ｎ至ｒ＝ｂ积分，得：　直接被使用的。若设想流体膜是裹在直径为Ｄ长　度为Ｌ并以角速度为∞旋转的圆柱轴径周围，则　可直接从式（７）导出同心轴径轴承的摩擦阻力。此　时，ｌ：１ＴＤ；Ｕ：　）＿；ｈ：ｈ。；以及五：￡，则作用于　轴径表面的切向力为：　＝　（８）　或摩擦力矩为：　号　（９）　摩擦功率损耗为：　ｌＸ．ｒｒＤ　４　３Ｌｗｚ一　ｌ（１０）　式（１Ｏ）适用于所有的完全同心的圆柱轴径轴　承。在偏心轴承中摩擦略有增加，但对几乎所有实　际应用来说，特别是偏心率小于０．５时，这种增加　可予以忽略。　有黏度　流体隔开的（间距为＾）平行平面的圆　环止推轴承见图３。膜内径为ｎ，外径为ｂ。这个模　型适用于圆环止推轴承和具有进气孔和气腔　的简单止推轴承，因为在后者情况下，气腔深度使　得气腔面积上的摩擦力可忽略不计。　＿　ｒ　８ｒ　Ⅱｌ　ｂ　图３　圆形止推轴承　现在讨论一个半径为ｒ、宽慰　的环带部分，　将式（７）作如下代换　ｎ：３ｒ；ｆ＝２＂ｒｒｒ；Ｖ＝ｒ￣ｏ　摩擦力矩　（６　）　（１３）　摩擦功损　（ｂ４－ａ４）　（１４）　式（５）可用于估算几乎所有圆环止推轴承摩擦　功率损耗。　空气轴承气膜的剪切摩擦功率损耗与轴承的　间隙成反比，与主轴旋转的角速度的平方成正比。　５　减小主轴发热、加强主轴散热的措施　通过以上分析可知：划片机气静压电主轴体积　小，功率大，主轴电机的功率损耗也大，占电主轴的　额定功率的ｌ５％～２０％，相应的主轴的发热量很　大，如：８０×Ｄ４０　Ｏ型气静压电主轴的额定功率　７５０　Ｗ，电机的额定功率损耗ｌ５０　Ｗ，空气轴承气膜　剪切功率损耗ｌ３　ｗ，主轴发热造成的热变形量可　达ｌ３．７　ＩＪｍｔ　１。为此，必须采取措施减小主轴发热、　加强主轴散热，减小主轴的热变形。　５．１减少主轴系统的发热　气静压电主轴的发热主要由内装式电机的功率　损耗和空气轴承的剪切摩擦产生。因此减小主轴系　统的发热应从内装式电机和空气轴承两方面入手。　划片机气静压电主轴采用感应式电机驱动，为　降低电机的发热量，可以采用永磁式主轴电机。与　感应式屯机相比较，永磁式电机的转子不发热，使　得主轴的温升大大降低。　为提高电主轴的效率，减小损耗，根据电主轴　自身的特殊性，在电磁设计上可以采取如下的特殊　措施【　１：　（１）选择较低的气隙磁密。一般中小型异步电　机的气隙磁密大都在０．７　Ｔ左右，而电主轴的气隙　磁密设计为０．５～Ｏ．６　Ｔ，相应的齿、扼磁密值均设　维普资讯 http://www.cqvip.com

ＩＣ前道技术・　电子工业专用设善　－　・计的较低，这样可以大幅度降低电机的铁损。　（２　定子选择较高的电流密度，转子选择较低　的电流密度。定子的电流密度高可以有效利用槽面　积，提高电主轴的功率：而较低的转子电密可降低　转子的铜损，减小散热状况不佳的转子温升。　（３）转子采用闭口槽，可有效降低电机的附加　损耗。转子端环采用整体铜环并经银焊与导条牢固　地焊接在一起，以减小转子电阻降低转子铜损（也　可采取整体铸铝的方案）。　（４）定子槽采用半闭口槽，但采用较宽的槽口，　以减小槽漏抗，提高运行特性的硬度及过载能力。　由第３节的分析可知：空气轴承的问隙越小轴　承发热量越大，据此减小轴承发热可通过增大轴承　间隙的办法实现。但是，轴承间隙越大主轴的刚性　越小。刚性是气静压电主轴一个最重要的技术指　标，不能用减小刚性的办法解决轴承发热的问题。　而应该在主轴的结构设计中力求随着轴承发热间　隙增大，降低轴承的发热。　５．２加强主轴散热　主轴内部通入冷却液，可以大量带走电机产生　的热量，大大降低主轴的温升，从而极大地减少主　轴的热变形。在划片机的切割过程中，我们采用控　制主轴电机冷却水流量和温度的办法强制冷却电　机，取得理想的结果。主轴电机强制冷却原理见图　４。主轴电机冷却水采用去离子水，防止在主轴升温　过程中冷却水道中产生水垢。温度传感器检测冷却　水的温度，当温度高于设定值（室温）时冷冻循环水　箱自动制冷。在传感器设定时，应将冷却水的温度　控制在室温的。　值得注意的是：切割冷却水从主轴的后端流入　前端流出，流量大、对流换热系数大，对主轴的冷却　作用也大，在精密切割中应用水温控制单元（ｗａｔｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｕｎｉｔ）控制切割冷却水的温度，使　其与划片机室温的差值不要超过。由于主轴电机　冷却水和切割冷却水的流量均由划片机的流量计　控制，使冷却水的温度与室温保持一致，目的在于恒　定冷却水的散热系数，缩短主轴达到热平衡的时间。　冷却水出口　冷却水入口　冷　水　图４主轴电机强制冷却原理图　６　总结　本文分析主轴电机的功率损耗发热、空气轴承　的气膜剪切摩擦发热；主轴电机的功率损耗分机械　损耗、电损耗、磁损耗和附加损耗４类。空气轴承气　膜的剪切摩擦功率损耗与轴承的间隙成反比，与主　轴旋转的角速度的平方成正比。气静压电主轴体积　小，功率大，主轴电机的功率损耗也大，占电主轴额　定功率的１５％～２０％，由主轴电机的功率损耗造成　的发热量很大。采取选择较低的气隙磁密；定子选　择较高的电流密度，转子选择较低的电流密度；转　子采用闭口槽；定子槽采用半闭口槽等措施可减小　主轴电机功率损耗发热。强制冷却措施可以恒定冷　却水的散热系数，缩短主轴达到热平衡的时间。　参考文献：　［１］　王明权．划片机气静压电主轴热变形研究［Ｄ］．武汉：华　中科技大学，２００６．　【２］刘素华，冯利民．电主轴单元的动静态特性分析［Ｊ］．河南　冶金，２００３，１　ｌ（４）：２５—２７．　［３］Ｎ．　．菲利包夫著，杨斌译．电机中的热交换『Ｍ］．北京：　原子能出版社，１９８９．　［４］Ｊ．Ｗ．ＰＯＷＥＬＬ空气静压轴承设计［Ｍ］．北京：国防工业　出版社，１９７８．５４—５６．　［５］李立毅，崔淑梅，宋凯等．高频电主轴的发热及其对策．　微电机，２０００，３３（３）：４７．５２．