無刷電機結構設計畢業(yè)設計開題報告

1、<p><b>　　科學技術學院</b></p><p>　　畢業(yè)設計（論文）開題報告</p><p>　　題 目： 刻錄機用電機Ф24.5×13的(機械結構)設計 </p><p>　　學 科 部： 理 工 學 科 </p><p>　　專 業(yè)：

2、 機械設計制造及其自動化 </p><p>　　班 級： </p><p>　　學 號： </p><p>　　姓 名： </

3、p><p>　　指導教師： </p><p>　　填表日期： 2011 年 12 月 17 日</p><p>　　一、　選題的依據(jù)及意義</p><p>　　本人的課題是刻錄機用電機Φ24.5×13的設計，電機分為無刷直流電機和有刷電機。&

4、lt;/p><p>　　無刷直流電機是同步電機的一種，它將同步電機加上電子式控制，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式。它無電刷、低干擾、噪音低、運轉(zhuǎn)順暢、壽命長、低維護成本。無刷電機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子 維持一定的轉(zhuǎn)速。有刷電機內(nèi)含電刷裝置的將電能轉(zhuǎn)換成機械能(電動機)或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成電能(發(fā)電機)的旋轉(zhuǎn)電機電機工作時，線圈和換

5、向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是隨電機轉(zhuǎn)動的換向器和電刷來完成的。由于有刷電機的結構原因，電刷和換向器的接觸電阻很大，造成電機整體電阻較大，容易發(fā)熱影響有刷電機的壽命。從而也導致電機功率下降，工作效率遠比無刷低。再有碳刷長期使用清理十分不方便。</p><p>　　表1　無刷電機與有刷電機比較</p><p>　　通過比較有刷電機與無刷電機，本人決定用無刷電機作為刻錄機用

6、電機。</p><p>　　近幾年來，無刷電機成為在模型領域里快速發(fā)展的一種動力。由于產(chǎn)量和價格的原因，過去幾年無刷電機多使用在中高檔航空模型中，現(xiàn)在由于機械加工技術的快速發(fā)展，無刷電機的生產(chǎn)成本下降許多，目前它正進入模型領域的各個層面，從電動遙控車到電動遙控船再到電動模型飛機，無處不在。</p><p>　　現(xiàn)在電機作為一種能量轉(zhuǎn)換的裝置，在國民經(jīng)濟中起著重要作用，無論是在工農(nóng)生產(chǎn)、交通

7、運輸、國防宇航、醫(yī)療衛(wèi)生、商務與辦公設備，還是日常生活中的家用電器，都大量的使用著各種各樣的電機，如汽車、電視機、電風扇、空調(diào)、刻錄機等等也離不開電機。而普通的只能旋轉(zhuǎn)的電機已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求，我們必須不斷改進才能跟上產(chǎn)品的更新?lián)Q代。</p><p>　　將此課題作為畢業(yè)設計，不僅能鞏固大學四年所學知識，而且能培養(yǎng)我們分析問題和解決問題的獨立工作能力。最重要的是，能活躍我們的思維、提高我們的創(chuàng)新能力。若能在原有

8、基礎上提出改進方案，將能給社會帶來更大的福利。</p><p>　　二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p><b>　　1、 國內(nèi)現(xiàn)狀</b></p><p>　　八十年代以前，國內(nèi)對無刷直流電動機的研究幾乎是空白。1987年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國金屬加工設備展覽會上，SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動器

9、，引起了國內(nèi)有關學者的廣泛注意。</p><p>　　圖1 刻錄機無刷電機</p><p>　　圖1為刻錄機無刷電機圖片，從圖中看出目前國內(nèi)已有無刷直流電動機的系列產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。但是對于高性能實用無刷直流電動機控制系統(tǒng)，國內(nèi)目前已經(jīng)形成系列產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家較少。從無刷直流電動機及其控制系統(tǒng)的設計和制造水平來看，我國與國際水平還有著比較大的差距。在控制理論及控制方法上雖然已經(jīng)有

10、了相關的報道，但與國外先進水平也存在一定的差距。</p><p>　　隨著電子技術的迅速發(fā)展，各種大功率點在器件的廣泛采用，人們發(fā)明可以不用電刷和換向器裝置的直流電動機，無刷直流電動機在我國的用途非常廣泛，可作為直流電動機、伺服電動機和力矩電動機等使用，尤其適用于高級電子設備、機器人、航空航天技術、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新技術領域。今年來出現(xiàn)的無刷直流電動機，用晶體管開關的電路和位置傳感器代替電刷和換向器。<

11、;/p><p><b>　　2、 國外現(xiàn)狀</b></p><p>　　無刷電機最早是日本的大畑克己;中野正嗣;高木哲尚 發(fā)明的。這一突破為人類提供了便利。美國MTT公司在“1986～1991年美國無刷直流電機的市場和技術展望”一文中說,盡管無刷電機成本比交流或有刷電機高,但前途無量。美國目前無刷電機的用量為五百六十萬臺,占全部電子控制電機的7％。預計不久，無刷電機的用

12、量將達2650萬臺,價值630萬美元。電機的年增長率為37％,美元的年增長率為29％。隨著電機本體及其相關技術的迅速發(fā)展，“無刷直流電動機”的概念已由最初“特指”具有特定電子換向的直流電動機發(fā)展到“泛指”一切具備有刷直流電動機外部特性且沒有電刷的永磁直流電動機。</p><p>　　隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，國外還發(fā)現(xiàn)了許多新型的高性能半導體功率器件，如GRT、MOSFET、IGBT等。用高性能永磁材料，如鐵、

13、鈷、硼等作為無刷電機的材料，大大提高了電機性能。</p><p>　　圖2 拆分無刷電機圖</p><p>　　圖2是一個拆開的無刷電機圖，它采用了目前比較流行的無刷電機結構。主要由定子、</p><p>　　轉(zhuǎn)子、主軸和外殼三部分組成。轉(zhuǎn)子是一個永磁體環(huán)，主軸在裝配過程中與轉(zhuǎn)子固定在一起，定子由底座、軟性線路板、霍爾傳感器、幾組線圈和鐵心組成。以前不采用霍爾元件

14、、IC驅(qū)動，但這樣一來使無刷電機不準確。而用了霍爾元件和IC驅(qū)動增添的檢測反饋裝置，大大提高了準確度。國外在這方面要比我們先進的多。</p><p><b>　　3、 發(fā)展趨勢</b></p><p>　　21世紀無刷電機應是高效率低能耗、高出力省材料、高性能可靠性高、小尺寸輕重量等，由于永磁性材料、電力電子技術、集成電路和計算機的迅速發(fā)展，使用無刷電機具有上述特點

15、。無刷電機的檢測反饋裝置也在不斷更新，霍爾元件逐漸替代其它檢測裝置。不僅是在檢測方面，而且在IC驅(qū)動方面也在不斷的更新，如BA6858AFP、BD7904FS等都是十分先進的IC驅(qū)動。如圖3這些都是高效率低能耗的無刷電機。這些形形色色的無刷電機正是順應時代的發(fā)展。它們已經(jīng)作為數(shù)據(jù)存儲高端應用領域的產(chǎn)品，比如刻錄機、高速CDROM/DVDROM甚至硬盤驅(qū)動器。</p><p>　　圖3 形形色色無刷電機</

16、p><p>　　三、 本課題研究內(nèi)容</p><p>　　無刷電機具有響應快速、較大的啟動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，目前是應用最廣泛的電機。本課題的研究內(nèi)容如下：</p><p>　　1、 國內(nèi)外無刷電機技術現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢分析。</p><p>　　目前形形色色的無刷電機已經(jīng)出現(xiàn)，水平與國外有一定距離，無刷電機正

17、想低能耗、高效率、小尺寸方向發(fā)展。</p><p>　　2、 無刷電機工作原理分析。</p><p>　　通過改變交變磁場來推動電機旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　3、 無刷電機的結構組成及材料分析。</p><p>　　無刷電機由定子、轉(zhuǎn)子、主軸及機殼等組成。材料選擇：定子材料選高導磁性材料。轉(zhuǎn)子材料：考慮到成本選擇永磁磁鋼。永磁體材料采用

18、釹鐵硼。</p><p>　　4、 無刷電機控制結構及電路分析。</p><p>　　通過專用的驅(qū)動芯片去實現(xiàn)電子換相。用霍爾傳感器實現(xiàn)電子換相的位置檢測。</p><p>　　5、 無刷電機結構設計計算分析。</p><p>　　四、 本課題研究方案</p><p>　　方案一、采用有刷直流電機，原理通過改變交

19、變磁場來推動電機旋轉(zhuǎn)，它通過電刷和整流子實現(xiàn)機械換相的。有刷電機內(nèi)含有電刷裝置將電能轉(zhuǎn)換成機械能或?qū)C械能轉(zhuǎn)化為電能的旋轉(zhuǎn)電機有刷電機是所有電機的基礎，它具有啟動快、制動及時、可在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、控制電路相對簡單。但因有碳刷使得電機磨損大、噪音大、從而維護成本就大大的提高了，降低了產(chǎn)品效率。</p><p>　　方案二、采用無刷直流電機，通過改變交變場來推動電機旋轉(zhuǎn)。它無碳刷、低干擾、噪音低、運轉(zhuǎn)順暢、成本低。

20、它以BD7904FS作為IC驅(qū)動、永磁體材料采用釹鐵硼材料、用霍爾傳感器作為相位檢測裝置。不但轉(zhuǎn)換速度快，而且能夠準確檢測轉(zhuǎn)子的相位，大大提高了電機的性能，順應電機的發(fā)展方向。無刷電機IC驅(qū)動提高轉(zhuǎn)換速率，像BD7904FS、BA6858AFP等都可用于刻錄機用無刷電機，我選擇的是BD7904FS,它性價比高，在刻錄機用無刷電機中應用最廣泛。無刷電機要實現(xiàn)電子換向必須準確檢測轉(zhuǎn)子的相位。方法是多種多樣的，如反相電動勢、霍爾傳感器等，我采

21、用霍爾傳感器，由于反向電動勢法只在高轉(zhuǎn)速和恒定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下有優(yōu)勢，一般在CD機芯的主軸電機領域檢測相位都是用霍爾傳感器。</p><p>　　通過兩個方案的比較得到結論方案二比較適合刻錄機用電機。我主要從三個方面進行我的設計1、硬件部分（機殼本體、定子、轉(zhuǎn)子、）2、軟件部分（電子換向電路、位置檢測電路）3、相關計算。</p><p>　　五、 研究目標、主要特色及工作進度</p>

22、;<p>　　1、 研究目標：了解無刷電機的結構及工作原理。了解無刷電機的控制原理。了解無刷電機的用途。繪制三張A0的圖、繪制結構圖一張、繪制控制總圖一張、零件圖若干、工作原理圖、畢業(yè)設計說明書、畢業(yè)論文、實習報告、外文文獻原文、外文文獻譯文、任務書等。</p><p>　　2、 主要特色：無刷電機采用霍爾元件作為檢測相位，它的優(yōu)點是對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、壽命長、輸出電壓變化大

23、等優(yōu)點而且在測量、計算機、信息技術等領域廣泛應用。還有的像反相電動勢法。由于反相電動勢只在高轉(zhuǎn)速和恒定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下有優(yōu)勢，所以不適合刻錄機用無刷電機。在CD機芯的電機領域檢測相位使用的幾乎都是傳感器法。</p><p>　　IC驅(qū)動采用BD7904FS，BD7904FS是CD機、DVD系統(tǒng)上的所有驅(qū)動和3.3V調(diào)節(jié)組成的單晶片。用有雪橇和主軸電機驅(qū)動的PWM驅(qū)動系統(tǒng)來實現(xiàn)低壓頭操作。廣泛應用在DVD驅(qū)動器光盤驅(qū)動器

24、等。它的特點：三臺驅(qū)動，一臺為PWM驅(qū)動和三個階段電機驅(qū)動。所有電機和制動器的CD、DVD驅(qū)動器，每一個驅(qū)動器的開關，制動方式開關的主軸和待機模式切換被兩個控制終端控制。內(nèi)置triangular-wave電機SSOP-A54強頭輻射。采用熱關機功能電路，三個階段合成輸出成品。另外適合刻錄機電機的IC驅(qū)動還有BA6858AFP是一塊三相主軸電機驅(qū)動集成電路，可將DVD視盤機主軸伺服控制電壓處理成三相驅(qū)動電壓以驅(qū)動三相主軸電機?？紤]成本和適

25、用性，BD7904FS更適合。</p><p>　　3、 工作進度如表2所示</p><p><b>　　表2 工作進度</b></p><p><b>　　六、 參考文獻：</b></p><p>　　[1] 何希才. 傳感器及其應用電路[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2001. <

26、;/p><p>　　[2] 劉錦波. 電機與拖動[M].清華大學出版社, 2006:105-167. [3] 何小艇. 電子系統(tǒng)設計[M].浙江大學出版社, 1998:235-239</p><p>　　[4] 王伯平.互換性與測量技術基礎.北京：機械工業(yè)出版社，2008.12.</p><p>　　[5] 永磁無刷直流電機技術，機械工業(yè)出版社出版.</p>