无刷电机结构设计毕业设计开题报告

科学技术学院

毕业设计（论文）开题报告

题目：刻录机用电机Ф24.5×13的(机械结构)设计

学科部：理工学科

专业：机械设计制造及其自动化

班级：

学号：

姓名：

指导教师：

填表日期：2011 年12 月17 日

一、选题的依据及意义

本人的课题是刻录机用电机Φ24.5×13的设计，电机分为无刷直流电机和有刷电机。

无刷直流电机是同步电机的一种，它将同步电机加上电子式控制，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。它无电刷、低干扰、噪音低、运转顺畅、寿命长、低维护成本。无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。有刷电机内含电刷装置的将电能转换成机械能(电动机)或将机械能转换成电能(发电机)的旋转电机电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换向器和电刷来完成的。由于有刷电机的结构原因，电刷和换向器的接触电阻很大，造成电机整体电阻较大，容易发热影响有刷电机的寿命。从而也导致电机功率下降，工作效率远比无刷低。再有碳刷长期使用清理十分不方便。

表1无刷电机与有刷电机比较

电机

类别

无刷电机有刷电机

适用范围乳制品行业、酿造行业、肉制品加工

行业、豆制品加工行业、饮料加工行

业、糕点加工业、药品业、电子精密

厂、等一些更高要求的无尘车间等。

只能适用于各式洗手间等对要求不是太高

的区域，而像无尘车间和防爆车间就无法使

用了。

使用寿命可连续工作20000小时左右，常规的

使用寿命7-10年。通常使用寿命在几

万小时这个数量级，但是由于轴承的

不同无刷电机使用寿命也有很大不

同。

可连续工作5000小时左右，常规的使用寿

命2-3年。通常有刷电机的连续工作寿命在

几百到1千多个小时，到达使用极限就需要

更换碳刷，不然很容易造成轴承的磨损。

使用效果通常是数字变频控制，可控性强，从

每分钟几转，到每分钟几万转都可以

很容易实现。

一般启动以后工作转速恒定，调速不是很容

易，串激电机也能达到每分钟20000。

节能方面采用变频技术控制的会比串激电机节

能很多，无刷电机的耗电量只是碳刷

的1/3。

采用碳刷摩擦产生热、耗能大。

日后维修无碳刷、维修方便、省钱。碳刷电机磨损后，不仅更换碳刷，还更换转

齿等电机周边的附件，成本要高出很多。最

主要的是，整体的功能将会受到影响。

噪音

方面

无碳刷噪音相对较低。碳刷磨损，噪音高。

通过比较有刷电机与无刷电机，本人决定用无刷电机作为刻录机用电机。

近几年来，无刷电机成为在模型领域里快速发展的一种动力。由于产量和价格的原因，过去几年无刷电机多使用在中高档航空模型中，现在由于机械加工技术的快速发展，无刷电机的生产成本下降许多，目前它正进入模型领域的各个层面，从电动遥控车到电动遥控船再到电动模型飞机，无处不在。

现在电机作为一种能量转换的装置，在国民经济中起着重要作用，无论是在工农生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量的使用着各种各样的电机，如汽车、电视机、电风扇、空调、刻录机等等也离不开电机。而普通的只能旋转的电机已经不能满足生产要求，我们必须不断改进才能跟上产品的更新换代。

将此课题作为毕业设计，不仅能巩固大学四年所学知识，而且能培养我们分析问题和解决问题的独立工作能力。最重要的是，能活跃我们的思维、提高我们的创新能力。若能在原有基础上提出改进方案，将能给社会带来更大的福利。

二、国内外研究现状及发展趋势

1、国内现状

八十年代以前，国内对无刷直流电动机的研究几乎是空白。1987年，在北京举办的

联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系

统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意。

图1 刻录机无刷电机

图1为刻录机无刷电机图片，从图中看出目前国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。但是对于高性能实用无刷直流电动机控制系统，国内目前已经形成系列产品的生产厂家较少。从无刷直流电动机及其控制系统的设计和制造水平来看，我国与国际水平还有着比较大的差距。在控制理论及控制方法上虽然已经有了相关的报道，但与国外先进水平也存在一定的差距。

随着电子技术的迅速发展，各种大功率点在器件的广泛采用，人们发明可以不用电刷和换向器装置的直流电动机，无刷直流电动机在我国的用途非常广泛，可作为直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数

控装置、医疗化工等高新技术领域。今年来出现的无刷直流电动机，用晶体管开关的电路和位置传感器代替电刷和换向器。

2、国外现状

无刷电机最早是日本的大畑克己;中野正嗣;高木哲尚发明的。这一突破为人类提供了便利。美国MTT公司在“1986～1991年美国无刷直流电机的市场和技术展望”一文中说,尽管无刷电机成本比交流或有刷电机高,但前途无量。美国目前无刷电机的用量为五百六十万台,占全部电子控制电机的7％。预计不久，无刷电机的用量将达2650万台,价值630万美元。电机的年增长率为37％,美元的年增长率为29％。随着电机本体及其相关技术的迅速发展，“无刷直流电动机”的概念已由最初“特指”具有特定电子换向的直流电动机发展到“泛指”一切具备有刷直流电动机外部特性且没有电刷的永磁直流电动机。

随着电力电子工业的飞速发展，国外还发现了许多新型的高性能半导体功率器件，如GRT、MOSFET、IGBT等。用高性能永磁材料，如铁、钴、硼等作为无刷电机的材料，大大提高了电机性能。

图2 拆分无刷电机图

图2是一个拆开的无刷电机图，它采用了目前比较流行的无刷电机结构。主要由定子、转子、主轴和外壳三部分组成。转子是一个永磁体环，主轴在装配过程中与转子固定在一起，定子由底座、软性线路板、霍尔传感器、几组线圈和铁心组成。以前不采用霍尔元件、IC驱动，但这样一来使无刷电机不准确。而用了霍尔元件和IC驱动增添的检测反馈装置，大大提高了准确度。国外在这方面要比我们先进的多。

3、发展趋势

21世纪无刷电机应是高效率低能耗、高出力省材料、高性能可靠性高、小尺寸轻重量等，由于永磁性材料、电力电子技术、集成电路和计算机的迅速发展，使用无刷电机具有上述特点。无刷电机的检测反馈装置也在不断更新，霍尔元件逐渐替代其它检测装置。

不仅是在检测方面，而且在IC驱动方面也在不断的更新，如BA6858AFP、BD7904FS等都是十分先进的IC驱动。如图3这些都是高效率低能耗的无刷电机。这些形形色色的无刷电机正是顺应时代的发展。它们已经作为数据存储高端应用领域的产品，比如刻录机、高速CDROM/DVDROM甚至硬盘驱动器。

图3 形形色色无刷电机

三、本课题研究内容

无刷电机具有响应快速、较大的启动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，目前是应用最广泛的电机。本课题的研究内容如下：

1、国内外无刷电机技术现状、水平和发展趋势分析。

目前形形色色的无刷电机已经出现，水平与国外有一定距离，无刷电机正想低能耗、高效率、小尺寸方向发展。

2、无刷电机工作原理分析。

通过改变交变磁场来推动电机旋转。

3、无刷电机的结构组成及材料分析。

无刷电机由定子、转子、主轴及机壳等组成。材料选择：定子材料选高导磁性材料。转子材料：考虑到成本选择永磁磁钢。永磁体材料采用钕铁硼。

4、无刷电机控制结构及电路分析。

通过专用的驱动芯片去实现电子换相。用霍尔传感器实现电子换相的位置检测。

5、无刷电机结构设计计算分析。

四、本课题研究方案

方案一、采用有刷直流电机，原理通过改变交变磁场来推动电机旋转，它通过电刷和整流子实现机械换相的。有刷电机内含有电刷装置将电能转换成机械能或将机械能转化为电能的旋转电机有刷电机是所有电机的基础，它具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑调速、控制电路相对简单。但因有碳刷使得电机磨损大、噪音大、从而维护成本就大大的提高了，降低了产品效率。

方案二、采用无刷直流电机，通过改变交变场来推动电机旋转。它无碳刷、低干扰、

噪音低、运转顺畅、成本低。它以BD7904FS作为IC驱动、永磁体材料采用钕铁硼材料、用霍尔传感器作为相位检测装置。不但转换速度快，而且能够准确检测转子的相位，大大提高了电机的性能，顺应电机的发展方向。无刷电机IC驱动提高转换速率，像BD7904FS、BA6858AFP等都可用于刻录机用无刷电机，我选择的是BD7904FS,它性价比高，在刻录机用无刷电机中应用最广泛。无刷电机要实现电子换向必须准确检测转子的相位。方法是多种多样的，如反相电动势、霍尔传感器等，我采用霍尔传感器，由于反向电动势法只在高转速和恒定转速状态下有优势，一般在CD机芯的主轴电机领域检测相位都是用霍尔传感器。

通过两个方案的比较得到结论方案二比较适合刻录机用电机。我主要从三个方面进行我的设计1、硬件部分（机壳本体、定子、转子、）2、软件部分（电子换向电路、位置检测电路）3、相关计算。

五、研究目标、主要特色及工作进度

1、研究目标：了解无刷电机的结构及工作原理。了解无刷电机的控制原理。了解无刷电机的用途。绘制三张A0的图、绘制结构图一张、绘制控制总图一张、零件图若干、工作原理图、毕业设计说明书、毕业论文、实习报告、外文文献原文、外文文献译文、任务书等。

2、主要特色：无刷电机采用霍尔元件作为检测相位，它的优点是对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、寿命长、输出电压变化大等优点而且在测量、计算机、信息技术等领域广泛应用。还有的像反相电动势法。由于反相电动势只在高转速和恒定转速状态下有优势，所以不适合刻录机用无刷电机。在CD机芯的电机领域检测相位使用的几乎都是传感器法。

IC驱动采用BD7904FS，BD7904FS是CD机、DVD系统上的所有驱动和3.3V调节组成的单晶片。用有雪橇和主轴电机驱动的PWM驱动系统来实现低压头操作。广泛应用在DVD 驱动器光盘驱动器等。它的特点：三台驱动，一台为PWM驱动和三个阶段电机驱动。所有电机和制动器的CD、DVD驱动器，每一个驱动器的开关，制动方式开关的主轴和待机模式切换被两个控制终端控制。内置triangular-wave电机SSOP-A54强头辐射。采用热关机功能电路，三个阶段合成输出成品。另外适合刻录机电机的IC驱动还有BA6858AFP是一块三相主轴电机驱动集成电路，可将DVD视盘机主轴伺服控制电压处理成三相驱动电压以驱动三相主轴电机。考虑成本和适用性，BD7904FS更适合。

3、工作进度如表2所示

表2 工作进度

序号各阶段工作内容时间

1收集资料，准备开题报告两周

2提出设计方案，进行比较一周

3刻录机用无刷电机的设计及其计算两周

4计算机绘图两周

5编写设计说明书两周

6修改及外文翻译一周

7复核，打印装订，准备答辩一周

六、参考文献：

[1] 何希才. 传感器及其应用电路[M]. 北京:电子工业出版社, 2001.

[2] 刘锦波. 电机与拖动[M].清华大学出版社, 2006:105-167.

[3] 何小艇. 电子系统设计[M].浙江大学出版社, 1998:235-239

[4] 王伯平.互换性与测量技术基础.北京：机械工业出版社，2008.12.

[5] 永磁无刷直流电机技术，机械工业出版社出版.

[6] 无刷直流电动机的设计(VII)中国电子科技集团公司叶金虎.

[7] 王秋秩著.微特电机应用手册.上海科学技术出版社.2003.

[8] 王爽，李铁才，王治国.无刷直流电机换向力矩波动抑制[J].电机与控制学报，2008,5（3):288-293.