臺灣博碩士論文加值系統

本論文之目的為發展一微型線性磁阻馬達系統，利用半導體厚膜光阻製程及電鑄加工製作馬達定子及可動子元件，達到低成本與高精度之目的。馬達設計採用四相、四極、單相激磁設計，齒寬為45µm，槽寬為55µm，氣隙為15µm，步級量為25µm，行程為14.7mm，馬達定子尺寸為15mm×2mm×0.6mm，可動子尺寸為3.6mm×1.7mm×0.6mm。
我們利用堆疊與拆解設計概念，提出一新型線性磁阻馬達設計。藉由有限元素法ANSYS分析軟體計算馬達推力、並改變幾何尺寸達到最佳化設計。定子與可動子採用厚膜光阻SU-8製作微結構件，再電鑄加工製作導磁材料部分，表面經研磨平坦，定子塗佈第二層光阻製作引導凸塊，可動子則利用銅箔及快乾膠製作氣隙層。馬達基座及導磁片採用線切割放電加工製作，每導磁片繞組15圈。馬達元件經組裝後，結合自行開發之馬達驅動器可達到開路控制。
由於馬達步級量微小無法以肉眼觀測，因此必需架設觀測系統進行特性實驗。我們設計一旋轉平臺，利用地心引力來量測表面摩擦係數與馬達激磁力，由實驗得知馬達之摩擦係數為0.5，在激磁電流0.4A時，推力為1.2×10-4N。最後，我們利用雷射測距儀量測馬達位移，在激磁電流0.4A時，位移量為20µm至25µm，達到馬達設計目標。

This thesis has proposed a new micro linear reluctance motor (µLRM) design integrating semiconducting compatible processes to achieve low cost and high precision. The µLRM is a 4 phase 4 pole design. It has a teeth width of 45µm, slot width of 55µm, air gap of 15µm, step increment of 25µm, and maximum travel of 14.7mm. The dimensions of the carrier and stator are 3.6mm´1.7mm´0.6mm and 15mm´2mm´0.6mm.
The new µLRM is proposed using part composition and decomposition design concept. The motor dimensions are designed using the finite element sofware, ANSYS, for optimum output force. The carrier and stator are fabricated by the SU-8 thick film process and electroplated with magnetic materials. The stator is polished before the second layer of SU-8 is added for the carrier guide. A copper foil glues on the bottom of the carrier as the air gap. The magnetic connectors and base are made by the WEDM. There are 15 turns of coils are wound on the magnetic connectors. All the µLRM parts are carefully assembled together and wired to a self-developed motor driver.
The µLRM is difficult to test due to its miniature size so an observation system are set up including a laser interferometer, optical lens, and CCD camera. The friction and magnetic force are measured using a tilting table with help of the gravity force. The friction coefficient is 0.5, and output force is 1.2×10-3 N at 0.4A excitation. The step increment of 20µm to 25µm is recorded which has meet the design goal.

摘 要 I
ABSTRACT III
目 錄 V
圖 錄 IX
表 錄 XV
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 國內外相關研究 2
1.2.1 線性馬達相關研究 2
1.2.2 微型線性磁阻馬達相關研究 7
1.3 研究目的及內容 13
第二章 機電設計與參數最佳化 14
2.1 微型線性磁阻馬達設計裕度考量 14
2.2 系統幾何參數 16
2.3 微型線性磁阻馬達結構設計 19
2.4 系統電性參數 23
2.5 微引導凸塊設計與規劃 24
2.6 馬達躍步現象產生 26
2.7 微型線性磁阻馬達電磁分析 27
2.8 系統設計最佳化流程 30
第三章 微型線性磁阻馬達之有限元素法電磁分析 31
3.1 分析研究與設計 31
3.2 有限元素法基本定義與原理 33
3.3 有限元素法運用流程 34
3.3.1 前置處理器 36
3.3.2 中級處理器 37
3.3.3 後級處理器 37
3.4 電磁場統御方程式與磁力線的繪製原理 38
3.5 微型線性磁阻馬達分析流程與限制 42
3.6 模擬結果分析 44
3.6.1 可動子X方向位移與激磁力量關係 44
3.6.2 馬達最佳氣隙分析 50
3.6.3 可動子與定子齒寬大小分析 51
3.6.4 可動子與定子齒數分析 64
第四章 微型線性磁阻馬達加工製作 71
4.1 光阻選擇與製程設計 71
4.2 SU-8厚膜光阻特性 73
4.3 SU-8微結構製程步驟 75
4.4 雙層結構製作 85
4.5 厚膜光阻SU-8問題與討論 89
4.5.1 塗佈品質 89
4.5.2 黏光罩 90
4.5.3 尺寸誤差 91
4.5.4 顯影後殘留 92
4.5.5 結構底部傾斜 94
4.5.6 光阻剝離 95
4.5.7 光阻應力破裂 95
4.6 微電鑄加工 98
4.7 微奈米粉末 100
4.8 氣隙層與磨潤層設計 102
4.8.1 定子與可動子表面平坦化 102
4.8.2 氣隙層設計 103
4.8.3 定子與可動子磨潤層規劃與製作 104
4.9 導磁片及基座放電加工 106
第五章 微型磁阻馬達驅動器設計與製作 109
5.1 激磁原理與激磁時序 109
5.2 驅動器設計與功能規劃 111
5.3 硬體電路設計 112
5.4 INTEL 89C51內部規劃 117
5.5 電路訊號量測 121
第六章 微型線性磁阻馬達系統組裝 125
6.1 馬達系統組裝規劃 125
6.2 定子與可動子表面加工 127
6.3 氣隙層與磨潤層製作 129
6.4 導磁片線圈繞組 132
6.5 組裝後維護 133
第七章 微型線性磁阻馬達系統測試 135
7.1 馬達觀測系統架設與規劃 135
7.2 馬達量測系統架設 137
7.3 激磁位移測試 138
7.4 摩擦實驗與測試 151
7.4.1 馬達摩擦係數實驗 152
7.4.2 可動子正向吸力測試 153
7.4.3 可動子拉力測試 155
第八章 結論 159
8.1 完成事項及討論 159
8.2 現有困難及未來展望 161
參考文獻 165

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