六自由度微动台热特性分析与散热设计

第3期组合机床与自动化加工技术No. 32011年3月Modular Machine Tool Automatic Manufacturing TechniqueMar. 2011文章编号:1001-22652011)03-0001-03六自由度微动台热特性分析与散热设计李广12,张鸣,朱煜',段广洪', Masayoshi Tomizuka2(1.清华大学特密仪器与机械学系摩擦学国家重点实验室,北京100084;2.加州大学伯克利分校加利福尼亚州,美国CA94720)摘要:溫升是引起微动台精度和环境变化的重要因素,从热特性分析着手进行微动台优化设计是提高微动台性能的一条重要途径。论文提出了一种新型纳米精度六自由度微动台结构给出了微动台的发热热源、定子线圈等效导热系数和自然对流及强制水冷条件下表面散热系数,建立了微动台三维温度场的数学模型。根据热传导理论,完成了微动台定子线圈稳态温度场的理论计算,并采用数值方法计算了微动台在自然对流和强制水冷条件下的三维温度场分布。根据计算和分析结果,完成了微动台冷却系统的设计。结果表明,采用强制水冷后,微动台动子温升不超过1℃,满足微动台工程设计要求。关键词:微动台;热分析;散热设计;光刻机中图分类号:TH128文献标识码:ASix DOF Microstage Thermal Analysis and Cooler DesignLI Guang", ZHANG Ming, ZHU Yu, DUAN Guanghong, Masayoshi Tomizuka'(1. The State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. MechanicalEngineering Department, University of California Berkeley, CA 94720, USAAbstract: The rising temperature is a significant factor to influence the microstate precision and environment. There is an important way to improve the microstage performance, which is derived from thermal analy sis to achieve the microstage optimization design. This paper presents a new type of 6-degree-of-free-dom nanometer precision microstage structure. The microstage heat source was given, and the effectivethermal conductivity of the stator coil, the water and natural conditions convection heat coefficient of theurface was calculated Furthermore, the microstage mathematical model of three-dimensional temperaturefield was established. According to the heat transfer theory, the microstage stator coil temperature fieletheory calculation was completed. Calculated by the numerical method, the microstage three-dimensionaltemperature distribution in the natural convection and water cooling conditions was obtained. According tothe calculation and analysis, a novel powerful cooler is designed. The results show that after the watercooled, the microstage mover temperature rises less than 1C. The precision request was satisfiedKey words: microstage; thermal analysis; cooler design; lithography0引言个高精度六自由度微动台,该微动台在水平方向的自由度用于工件台精度动态补偿;竖直方向自由度高精度的微动台承担了实现纳米级定位和加工用于调平调焦。的任务。微动台一般是指行程在毫米尺寸、精度从热特性分析着手进行微动台优化设计是提高达到1~100纳米的运动平台。在光刻机中,包含微动台性能的一条重要途径。温升会限制线圈电收稿日期:2010-12-09中国煤化工基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计刘:20008724205);国家高技作者简介:李广(1982-)男,江两南吕人,清华大学精密仪器与机械学系博土CNMHG博土生,主要研究方向为超精密微动台设计,(E-mil) guang-0@ mails. tsinghua.mdu,cn;通讯作者:朱煜(1965-),男,江苏兴化人清华大学精密仪器与机械学系教授博上,博上研究生导师研究方向为精密测量与控制理论超精密机械设计与制造电子制造工艺及其装备等,(E-mail)zhuyu( tsinghua. edu. cno组合机床与自动化加工技术第3期流大小,从而降低电机推力;会导致环境变化从而影度升高。在本文设计的微动台中,热源主要来自响激光干涉仪测量精度;还会引起热变形及电参数于绕组损耗,其大小与电流平方和电阻成正比。根变化从而影响微动台性能的稳定等。据微动台设计要求,单个绕组线圈通电电流大小为11微动台结构模型安培;经实验测定,单个线圈电阻为11欧姆,因此,单个线圈绕组损耗:P=PR=11W。微动台结构如图1所示,它由十字支架和四个热特性计算有解析方法和数值方法。解析法物两自由度致动器组成。每个两自由度致动器包括沿理概念和数学推理严密,可以清楚看出哪些是影响竖直方向极化的永磁体、水平力线圈和竖直力线圈温度场的主要因素和各因素之间的相互关系。数值永磁体固定于十字支架的末端水平力线圈和竖直法以数值计算代替数学推导,其所得到的结果是一力线圜分别置于永磁体的侧面和下面,并与水磁体序列离散化的温度值。保持间隙。十字支架和四块永磁体组成微动台的动子。水平力线圈和竖直力线圈分别由骨架固定,组2.1热特性解析计算成微动台的定子。微动台的定子固定在微动台的基热传导微分方程是建立在热传导定律和能量守座上。恒原理的基础上的,其表达式如下:式中:A—导热系数,W/(mK),假设为各向异性;温度,K线圈绕组损耗,Wc——比热容,J/(KgK);温升计算对象的密度kg/m3;时间如果只对稳态温度场感兴趣,此时式中的右边定子2动子3基座5.永磁体6水平力线圈7竖直力线圈7=0,如果又是各向同性,则上式变成:8线圈骨架9.十字支架10.激光干涉仪反射镜图1六自由度微动台结构AV"T+P=0两自由度致动器工作原理如图2所示。永磁式中,V2为拉普拉斯算子。如果要定解,必须给出体沿竖直方向极化,产生穿过水平线圈和竖直线圈空间上的边界条件和时间上的初始条件。该微动台磁场。根据洛仑兹原理,将产生洛仑兹力,且磁感涉及对流换热边界条件,当边界温度高于环境温度应强度、线圈电流和洛仑兹力方向相互垂直。水平或换热流体温度时,微动台散发热量。时间条件给线圈产生图中电磁力F1和F2,二者合成为一个水定某一时刻微动台内的温度分布,该微动台的初始平方向驱动力,驱动微动台在水平方向运动;竖直条件为初始温度分布均匀线圈产生图中电磁力F3和F4,二者合成为一个竖将绕组损耗P和材料导热参数A(空气为直方向支承力,驱动微动台在竖直方向运动。通过0.023W/(mK),铝为203.5W/(mK))代入公式改变四个致动器中线圈电流方向,可以实现微动台(2),并经过简化计算,在环境温度为20℃,空气自然动子的转动。对流条件下,微动台线圈稳态的平均温度T达到524℃;在强制水冷条件下(采用常温水冷),微动台线圈稳态的平均温度T为20.7℃。2.2温度场数值计算图2致动器工作原理为了提高效率,选择一组驱动单元作为研究采用两个上述六自由度微动台,加上X-y布置对象。在自然散热条件下,微动台稳态发热及温两自由度大行程直线电机,可以构成光刻机双硅片度分布情况如图3所示。最高温度为52℃,出现台定位系统在绕中国煤化工采用导热性能优良的微动台热特性分析CNMHG圆温度上升速度H,不用J守性能较好且质量微动台是一种机电能量转换机构,在能量转换较轻的纯铝。过程中不可避免的要产生损耗,使微动台各部分温受空气热辐射的影响,永磁体最高温度达到2011年3月李广,等:六自由度微动台热特性分析与散热设计36℃,出现在散热条件最差的永磁体中间靠近线圈3.2采用水冷后温度场计算部位,如图4所示。永磁体温度分布比较均匀,整体应用 ANSYS计算,强制水冷散热后,微动台温温差不超过1℃,有利于减小永磁体的热变形。但温度分布情况如图6所示。竖直线圈考虑到直接与基升较大,将严重降低钕铁硼磁场强度并影响微动台座接触,在设计时没有采用水冷,所以温度较高,达工作性能的稳定。到27.4℃。水平线圈温升不超过1℃,满足微动台环境要求及总体设计目标。图3定子线圈温度分布七E图6采用水冷后微动台温度分布微动台动子最高温度为20.9℃,出现在永磁体钕铁硼上。温升不超过1℃,显示冷却系统起到了较好的散热效果。计算结果表明,竖直线圈必须安装水冷强制散热系统才能达到温升不超过1℃的设计目标。为了图4动子永磁体温度分布不影响磁场强度,可以考虑安装在竖直线圈底部。3散热设计4实验研究3.1水冷散热结构使用热像仪测量线圈温度变化。线圈表面发射为了控制微动台的温升,主要从减小损耗和改率设为0.95,周围环境发射率为0.98,环境温度为进冷却方式两方面入手。从分析结果可知,微动台18℃。在电流为1安培时,达到稳定后线圈温度分线圈最高温度达到52℃,将影响微动台工作环境和布情况和线圈温度上升情况分别如图7和图8所示。精度。因此只靠自然冷却方式是不够的,必须采取线圈温度在15分钟后基本达到稳定,其中线圈外侧强制冷却措施。微动台具有结构特殊性,其冷却系最高温度达到55℃,温度上升曲线如图9中Sp3所统设计必须满足体积小,质量轻,刚度高,结构简单示线圈内侧最高温度达到42℃,温度上升曲线如图的设计原则。根据计算结果可知,该微动台需要9中Sp4所示。实验结果表明,采用导热性良好的线冷却的部位是定子线圈。圈骨架材料能够明显降低线圈温升,线圈内外存在根据以上要求,设计的散热系统结构如图5所温差也说明采用平均温升的概念计算线圈温升具有示,该散热系统进出水路交错布置,从而使温度分布定的误差。均匀;散热器紧贴被冷却对象,冷却面积大,效果好散热系统直接放置在线圈上,安装方便2。进水中国煤化工CNMHG图7线圈温度分布图5微动台散热系统(下转第7页)2011年3月杨,等:车铣复合加工中心电主轴的稳定性分析和实验研究7速范围是安全的。轴承组的支承作用,这种简化方式应用于电主轴的模态理论分析中能获得较为准确的结果。通过对主轴的稳定性分析与现场测试,表明设计的主轴系统工作转速在安全范围内,满足工作要求[参考文献][1] C H. 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Vibrationand Acoustics, 1994, 116: 514-522[2]白钊,马平,胡爱玲,等.应用有限元方法对高速电主轴的优化设计[J].机床与液压,2004(10):126-128.图9采集到的激振信号[3]张珂,吴玉厚,高晓佳,等.大功率陶瓷轴承电主轴单元的研制[].制造技术与机床,2004(4):17-19[4]钟一谔,何衍宗,王正,等.转子动力学[M].北京:清华大学出版社,1987[5]邵忍平,机械系统动力学[M].北京:机械工业出版社,2003[6]朱金虎,翁世修蒋书运高频电主轴临界转速计算及其影响参数分析[J]机械设计与研究,2005,21(1):28-307]林辉,肖曙红.木工机械用高速电主轴特点及关键技术分析[J].机电工程技术,2007(12):19-22.图10激振信号的自功率谱8]张耀满。高速机床若干关键技术问題研究[D]博士4结论[9]李彦,窦怀洛,李玉亭,浅析提高电主轴可靠性的途径计算得到的主轴自由模态结果与现场测试得到[冂].机电工程技术,2010,39(6):159-161,172的主轴实际模态差别较大,分析主轴模态时必需考10]应一帜.大功率高速电主轴结构的创新设计[J.组合虑轴承的支承约束作用。QBC型角接触球轴承组由机床与自动化加工技术2009(9):81-83于支承跨度较大,用两组弹簧形式才能很好地模拟(编辑李秀敏)(上接第3页)(3)对微动台样机进行热特性实验,通过实验数据与计算结果对比,修正微动台热特性理论模型,并最终完成微动台优化设计。本研究对全面认识微动台内部的温升情况和微动台设计具有一定的指导意义。参考文献[1]阎兵.纳米级微进给平台设计与研究[J].天津职业技术师范学院学报,2000(3):15-17[2]葛宜舟,王硕桂,电动自行车用无刷直流电动机定子瞬态温度场分析与计算[].微电机,2008,41(12):9-12[3]刘泉,张建明,孙洁.平板式永磁直线电动机的热分析与冷却系统设计[冂].北京理工大学学报,2005,25(3):8-1[4]朱煜,张鸣,李广,等纳米精度六自由度磁浮微动台及应用[P].中国专利,CN101807010A,2010.08.18图8线圈温度上升曲线[5]夏正泽,异步牵引电机温度场分析[D].北京:北京交通5结束语大学,2(1)温升作为影响微动台工作性能和精度的重中国煤化工统D,杭州:浙江工要因素,在微动台设计时需要充分考虑。在空气自(7」CNMHG分析及其热变形分析然对流条件下,微动台最高温度达到52℃,,出现在[D].西安:西南交通大学,2009绕组线圈中。[8]温志伟.基于数值分析的大型同步电机内温度场的研究(2)采用强制水冷散热后,微动台总体最高温升[D].北京:中国科学院电工研究所,2006不超过1℃,满足微动台的环境要求及温升设计目标。(编辑李秀敏)