基于MEMS工艺的轴向磁化永磁微电机结构优化及性能分析

论文摘要

论文针对轴向磁化永磁微电机微小型化的过程中,其转矩和效率的变化、能满足实际应用的最小电机尺寸、该类微电机的最优设计方法以及最优的批量化制造工艺等问题进行了如下研究工作:论述了轴向磁化永磁微电机的研究意义、发展现状,采用有限元软件ANSYS电磁模块对电机微小型化过程中的结构参数进行了仿真分析,分析了主要参数变化对气隙磁密的影响规律,得出了适合不同直径电机的结构参数,以指导该类微电机的实际设计。对电机微小型化过程中的转矩和效率进行了仿真分析和计算,计算了不同直径时的转矩值,得到了定子线圈的最佳布线密度和在结构、转矩及气隙磁密等因素共同限制下电机所能达到的最小尺寸,即直径10mm,厚4mm,通以0.1A的电流时能获得47μN m的转矩。在PCB板上制作出了不同尺寸的定子线圈,采用精密机械加工工艺制作出相应电机转子及相关零部件,制作出若干样机,以验证仿真计算结果,并为利用MEMS工艺技术制作更小线宽及线间距的电机积累了丰厚的基础。对该类型电机定子线圈的制作工艺进行了研究改进,解决了电铸铜线与基片结合不牢、电铸时导线翻边、电铸颗粒过大且均匀性差、电铸高深宽比线圈及批量化制作等具体问题,提高了工艺的可重复性,给出了高深宽比平面绕组线圈设计及制作的成熟工艺。在易于微机械加工的硅片上提出并采用深刻蚀成型电铸工艺制作成了无空洞、小线宽(40μm )、深线条(80μm )、性能可靠的高深宽比平面线圈,与轴向充磁永磁环组装成了直径10mm的轴向磁化永磁微电机。对电机搭建了控制电路并进行了控制实验,电机运转平稳、运行可靠、性能良好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微电机种类及国内外研究现状
• 1.3 微电机的应用前景及发展趋势
• 1.4 微电机制作工艺
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 轴向磁化永磁微电机结构优化及工作原理分析
• 2.1 引言
• 2.2 轴向磁化永磁微电机永磁材料的选择
• 2.3 轴向磁化永磁微电机主要结构尺寸分析
• 2.4 轴向磁化永磁微电机永磁转子设计及制作
• 2.5 基于有限元方法的轴向磁化永磁微电机结构参数分析
• 2.6 轴向磁化永磁微电机工作原理
• 2.7 小结
• 第三章 轴向磁化永磁微电机性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 轴向磁化永磁微电机热分析
• 3.3 轴向磁化永磁微电机转矩的有限元分析及最小尺寸的确定
• 3.4 轴向磁化永磁微电机转矩的解析计算
• 3.5 轴向磁化永磁微电机工作特性
• 3.6 小结
• 第四章 轴向磁化永磁微电机定子线圈制作工艺研究
• 4.1 引言
• 4.2 轴向磁化永磁微电机定子线圈的制作
• 4.3 轴向磁化永磁微电机定子线圈制作中关键工艺的研究
• 4.4 与定子线圈研究相关的微机械工艺实验设备
• 4.5 小结
• 第五章 轴向磁化永磁微电机驱动方式及控制电路设计
• 5.1 引言
• 5.2 轴向磁化永磁微电机驱动方式选择
• 5.3 轴向磁化永磁微电机控制电路设计
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 附录1：有限元计算程序一例
• 附录2：定子线圈的宏命令流
• 攻读博士期间发表论文情况
• 作者简介
• 致谢