电机在信息技术领域中的应用(3)

作者：信息产业部电子第21研究所 顾鸿祥

欢迎访问e展厅 展厅 1 电动机展厅 三相异步电动机, 单相电机, 马达, 伺服电机, 直流电机, ... 3.3　激光视盘 播放视频和音频信号的光驱有激光视盘（LD）、视频压缩光盘（VCD）和数字视频光盘（DVD）。 激光视盘的典型工作原理框图见图19。 以应用于激光视盘VCD为例，一般需要3台电动机作为机构系统的动力源： （1）采用永磁式稳速直流电动机 带动VCD托盘和压力机构动作，见图19中项1（托盘电机）。 （2）采用片状无刷直流电动机 带动项2（碟片）作旋转运动，见图19中项3（主轴电机）。这是一种轴向磁路、永磁激磁、呈薄片状的新型电机。它的基本原理与传统的永磁式直流电动机无本质差别，主要是追求小型化与薄形化。从图20可见其结构示意。 应用于视听设备中的片状无刷直流电动机结构力求小型化、薄型化，可采用精密光刻工艺，在敷铜箔板上刻蚀出项4（电枢线圈），为确保既小又薄的电动机能产生足够的转矩，项3（永磁体）现均采用钕铁硼永磁。由于没有铁心，因此齿槽效应引起的转矩波动和振动以及噪声都将降到最低。项6（印制板）一般可由分配器（CH250）、外同步电路（CP脉冲发生器）、反电势检测电路（LM324）和功率驱动组成，直接驱动片状无刷直流电动机转动。片状无刷直流电动机主要性能指标为：额定电压1.5～12V，额定转矩0.294～4.9mNm，额定转速2 200～7 000r／min，额定电流0.105～0.39A，外形尺寸有Φ25mm×4.1mm，Φ30mm×4.1mm，Φ62.7mm×10mm，40mm×40mm×5.8mm。重量15～300g。由于片状久等诸多优点，目前除已应用于激光视盘、耳机式立体声收录机、录像机等信息电子领域，还可广泛应用于家用空调器中作空气净化风扇驱动用。考虑到制造成本问题，目前VCD和DVD机中的主轴电机还大量采用普通的永磁式稳速直流电动机。 3.4　图像输入机 3.4.1　分类 图像输入机的分类有摄像机、扫描鼓、激光扫描器、红外成像仪等。这些设备主要应用于工业（如机器人、材料检查）、医学（如X射线、超声、CT图像诊断）及遥感等领域。下面分类介绍电动机的主要选用。 3.4.2　摄像机 摄像机的功能是将图像变成视频信号，其基本原理见图21。 以一体化摄录机为例，机中共有6台电动机，分别是：①主轴电动机。②鼓电机。③加载电动机（以上电动机的类型、功能、特点及指标参见“录像机用电动机分类表”）。④聚焦电动机。⑤变焦电动机。⑥光圈电动机。在④—⑥中的驱动电动机采用永磁式直流稳速电动机，基本要求是无论在负载变化或电源电压变动的恶劣条件下，都能保证转速和抖晃误差小。从稳速原理看，有离心稳速、电子稳速和伺服控制系统三种，前两种用于中低档机，后者主要用于高档机中。 3.4.3　扫描鼓 原理结构示意见图22。 将有图像的纸卷绕在项13（读取鼓）上，项10（驱动电路）控制项11（鼓电动机）带动项13（读取鼓）旋转，实行行扫描。另一路项15（步进电动机）由项16（驱动器）带动项14（读取头）平移，依此完成整幅图像的扫描。 由项6（CPU）发出信号，经过项7（接口）、D／A变换器，送入项5（逆对数电路）和项2（光调制放大管）及项3（反射镜）后将图像输入到项12（写入鼓）。 项11（鼓电动机）采用带有稳速要求的永磁式直流伺服电动机。项15（步进电动机）采用永磁式步进电动机结构，具有结构简单、控制方便、断电后还有定位转矩等优点，主要性能指标是：电压5V，12V，24V，30V；最大静转矩4.9～140mNm，定位转矩0.49～22mNm，空载起动频率240～950脉冲／s，外形尺寸Φ20mm，25mm，42mm，55mm。 3.4.4　激光扫描器 工作原理示意图见图23。 将待输入的图像文字放在项1（平板）工作面上，项2（直流电动机1）带动项1正向匀速直线运动。激光束由项6（激光器）发出，经项5（分色镜）→项4（校正扫描镜）→项7（聚焦透镜）→项8（扫描镜）后沿光线箭头方向到达图像，形成扫描线。而项3（直流电动机2）完成逆向运转。项2和项3直流电动机要求带有稳速功能。 3.4.5　红外成像仪 这是一种高科技的信息传递产品，可根据被测物体发出的能量，通过带增量码盘锁相的低速直流力矩电动机及光电控制系统转换成清晰的图像，已应用在航空、航海及医疗诊断等领域。低速直流力矩电动机的主要指标：连堵转速60r／min，转矩波动≤±5％，外形尺寸Φ40mm×20mm。 4　办公设备 4.1　打印机 打印机是计算机系统输出设备中很重要且常用的工具。 4.1.1　打印机及电动机分类 按打印机分类有击打式（针式点阵）和非击打式。前者有24针汉字、9针字符及微型式；后者有激光、喷墨及热传式。驱动电机有：在9针字符及微型式打印机中较多采用BY型步进电动机，其外径有Φ20mm，25mm，35mm，42mm，四相驱动，其步矩角为7.5°／15°，电压5～28V，最大静转矩7.35—78.4mNm。在24针打印机中较多采用BH型步进电机，其外形尺寸40mm×36mm，42mm×36.5mm，57mm×52mm，步矩角1.8°，激磁电压12V，最大静转矩70～280mNm。 4.1.2　串式点阵式打印机 以串式点阵式打印机为例，介绍步进电动机的具体应用，见图24。 由项3（字车步进电动机）通过项6（同步带）驱动项8（字车）沿项7（导轨）作往复直线运动；由项5（输纸步进电动机）通过项2（输纸辊）驱动项1（打印纸）按垂直方向移动；由项6（同步带）驱动齿轮和换向机构，从而带动项9（色带驱动轴）传动。项4（光棚盘）检出每个光信号后从而确定项8（字车）的位置。项3与项5均采用四相步进电机。 彩色激光打印机中进纸和出纸传动采用无刷直流电动机，其指标为：额定电压25.5V，额定转速为2 100r／min，额定转矩88.2mNm，外径尺寸Φ60mm，控制板与外转子电机组合装配成一体。 4.2　激光式印字机 在具有最高印字速度和分辨率的激光式印字机中，稳速驱动采用无刷直流电动机的工作原理见图25。 由计算机输出的2进制信息字符点阵调制的光源通过项2（半导体激光器）发出激光束，又经项3（准直透镜）整形为准直光束进入项5（多面转镜）后由项6（无刷直流稳速电动机）带动项5一起旋转，从而形成激光束的扫描，再经过项9（聚焦镜）投射到项1（光导鼓）上，形成一行点阵。当完成以上的预扫描后，由控制器产生页同步信号及由页面存储器的控制板发出视频信号，对项1进行文字或图像扫描曝光，以形成文字或图像的静电潜像。再经过项8（显影器）的显影、项10—项14的转印、分离和定影等过程，可以完成文字或图象的印制。因此对项6的转速稳定要求很高，无刷电动机的额定电压有12、24V，输出功率0.2～18W，转速400～4000r／min，电流0.15～2A，起动时间0.1～3s。 4.3　传真机 4.3.1　主要功能 传真机是一种高科技的信息传送设备，能迅速地将文字和图像信息进行有纸化传递。以喷墨台式—84—传真接受发送机为例，具有以下主要功能： （1）在普通纸上喷墨打印。（2）14.4kB／s的高速传真。（3）可存储80页稿件。（4）具有7种语言显示和报告功能（英，德，法，意，西班牙，葡萄牙和荷兰）。（5）具有电话，复印，传真，自动应答功能。 4.3.2　应用 在传真机内进行光扫描的发送和接受电动机，采用交流同步电动机，而传送记录纸均采用步进电机带动尼龙齿轮传动的方法，步进电机的电压有12V，24V；步矩角3.75°，7.5°；驱动方式1—2，2—2相；外形尺寸一般采用Φ35mm×15mm，功率大些的采用Φ42mm×22mm。目前传真机用电动机的类型均采用步进电机，还可完成切纸等功能。 4.4　复印机 4.4.1　工作原理 复印机属光机电化学一体化产品，在有纸化的信息办公领域中得到广泛的应用。利用静电原理制成的复印机是一种用途普遍的办公用具，目前正向彩色静电复印方向发展。 各种静电复印机的基本原理是相同的，但其工作过程比较复杂，国产复印机采用硒作为导电层，复印的最大幅面2 797mm×420mm，复印速度每分钟10～16张。需要几台微特电动机完成不同的功能，其结构示意见图26。 4.4.2　应用 在图26中，项4（硒鼓组件）由4极单相异步电动机驱动，其功率120W，工作电流2A，起动电流12.5A，起动转矩／额定转矩倍数1.7；项5（毛刷组件）的擦毛部分与项4接触，刷粉用的4极单相电容式异步电动机，工作电流0.4A，起动转矩／额定转矩倍数0.5；项6（吸尘室）的气泵由2极单相电容式异步电动机驱动，功率60W、起动转矩／额定转矩倍数0.35；项8（送丝轮）由齿形带轮和单向轮组成搓纸器，为保持输纸速度与项4运转同步，采用单相反应式同步电动机，其电压127V、输入功率10W，工作电流0.1A，工作转速1 500r／min；项3（光学系统）的通风降温采用单相轴流风机，风叶直径125mm、转速3 000r／min、风量2.5m3／min；项7（红外显影器）的通风降温也采用单相轴流风机，风叶直径100mm、转速3 000r／min、风量1.4m3／min。 4.4.3　电动机类型 新一代的复印机由于改进了结构、增加了功能，主要采用以下5种类型电动机： （1）主轴电机 驱动复印机构作往复运动。采用单相交流电容电动机，电压为110／220V，功率30～40W，2极，电机出轴端带1∶20—1∶40的齿轮减速机构，噪声＜55dB，外径Φ80～90mm。 （2）缩放机构驱动电机 驱动透镜移动，调节缩小、放大倍数。采用HB型感应子式步进电机和PM型永磁式步进电机。电动机均采用2相绕组，步距角采用0.9°，1.8°，3.6°，7.5°不等，HB型电机外形尺寸为Φ40mm，Φ41mm，而PM型电机外形尺寸集中在Φ55mm和Φ57mm。 （3）扫描系统拖动电机 用于对硒鼓（或硫化鼓）的扫描控制。采用带有编码器的齿轮减速、稳速式永磁直流盘式伺服电动机，功率10～12W，转速2800～5000r／min，外形尺寸Φ95mm。 （4）走纸及撒油墨粉电机 走纸电机采用稳速式永磁直流伺服电动机，其功率5W、减速比1∶20，1∶26，寿命要求连续送纸50万次，外形尺寸Φ45～70mm。 撒油墨粉电机采用交流同步电动机，其转速10r／min，外形尺寸Φ48～55mm。 （5）通风电机 作复印机内部冷却用。风机结构有轴流式和离心式，电源有交、直流两种，交流220／110V，直流24V，功率9～15W、转速2 100～2 300r／min，噪声≤45dB。 4.5　办公粉碎机 4.5.1　文件粉碎机特点 办公用文件粉碎机主要应用于粉碎文件纸、信用卡、身份证、钉书针等，碎纸速度快，效果佳，保密性强。其性能指标为： （1）进纸宽度：130mm，220mm，230mm，260mm，400mm。 （2）碎纸厚度：4、6、8、14、16层，70g／m2。 （3）碎纸效果：mm：2×2，2×9，2.5×9，2.5×16，3×16，3.3×18，4×32，4×50。 （4）碎纸速度：3 000，3 500，4 000，4 500，6 000mm／min。 （5）整机功率：150W，200W，350W，750W。 （6）空载噪声：60～68dB。 4.5.2　电动机类型及指标 4.5.2.1　采用单相齿轮减速式异步电动机 出轴与特制刀具配合，可根据需要将各类物品粉碎成粒状、条状及碎沫状。整机在过热及超载时可自动停机。采用这种具有低速、大扭矩特点的电动机，可以承受短时堵转和完成多达6层70g／m2办公用纸的粉碎工作。 主要指标：额定电压110／220V，额定转矩20Nm，额定转速70±5r／min，额定电流1.5A，外形尺寸80mm×80mm×180mm。 4.5.2.2　采用单相串激式电动机 （1）主要指标 电压110／220V，功率50～150W，转速16 000～24 000r／min，外形尺寸Φ52mm（扁向45）×30mm。 （2）特点 a.转速高，可以快速粉碎办公用纸。 b.具有较软的机械特性，并在电机内部按装有用硅酮纤维玻璃套壳保护的恒温器，因此可以承受各种坚硬异物的长时堵转而不会烧坏。 c.噪声（300mm处）≤70dB。 d.具有较小的体积和较低的价格，在国外办公用粉碎机中得到大量应用。 5　移动式通讯及BP机 5.1　工作原理 在信息通讯日益发展的领域中，带有偏振头的空芯杯式直流电动机广泛应用于移动式大哥大手机和BP传呼机。以超薄型大哥大和手表型BP传呼机为例，目前已采用外径尺寸4mm的空芯杯式直流电动机作振动用。其结构示意图见图27。 当接受到传呼信号后，项1（空芯杯式直流电动机）通电高速旋转，带动项2（偏振头）产生偏心振动，也可传递给蜂鸣器发出声音，提醒使用者接受回电。 5.2　电动机特征 微电机的外径有Φ4mm、6mm、7mm、10mm，额定电压1.3V，额定转速4 800～10 000r／min，额定电流0.055～0.08A，启动电流0.17A，始动电压为0.6V。 由于通讯接受机的体积与重量愈来愈小和轻，所以项1的重量也做得愈发轻巧，重量仅1.2～5.4g；寿命要求在1.3VDC时，循环周期开8s，关1s，总循环次数确保20 000次。 6　应用与发展的特点 6.1　需求数量 由于信息电子类产品作为新的经济增长点，已形成为支柱性产业，使电机及电控得以迅猛发展。据资料统计，信息技术领域中电动机需求数量占电机总量的54％，其中信息处理机（含通讯机器）约占29％，音像设备约占18％，视像设备约占7％。 6.2　增长速度 年增长率高达20％，集中在VCD、DVD、CD－ROM、CD－RAM、个人电脑等场合，电动机的品种以永磁式直流电动机、步进电动机、空芯杯（CORELESS）直流电动机为多。 6.3　新材料的应用 钕铁硼稀土永磁取代铁氧体或铝镍钴永磁，耐磨性陶瓷取代轴承的金属结构材料，耐高温、耐高压的工程塑料取代铸造铝或结构钢。 6.4　机电一体化 采用集成电路的电控和精密机械将电动机有机地集合起来，有利于向“微、轻、薄”的机电一体化方向发展。 6.5　超微型化 随着信息技术类产品的微型化发展，电动机也向“轻、薄、短、小、高效、低噪、低价”方向发展，在微型视频视听设备、OA、HA等领域有十分广阔的应用前景。 6.6　产业化 采用CAD、CAT、CAM专业化设计，样机一次性成功后即可投入批产，而采用成套的自动化设备制造，可确保生产效率和产品质量。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/25/2005)