CN101951109A - 直接驱动型永磁直流无刷电动机 - Google Patents
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Abstract
直接驱动型永磁直流无刷电动机，由电机转动机构部分和电子控制两大部分组成，电机转动机构部分包括：壳体、转动轴、上端盖、下端盖、电机支架、接线盒盖、接线盒、风扇叶片、永磁体铁心、线圈骨架、线槽、线圈绕组、上轴承、下轴承；电子控制部分嵌套在防护散热罩体中，包括防护散热罩体、PCB电路板，焊接在PCB电路板上的单片计算机、补偿电容器组、VDMOS功率管、霍尔位置传感器、信号调理电路和U、V、W三相驱动电路，其防护散热罩体是上半部为空心的六边形柱体，下半部为圆环形板的铝型材，PCB电路板嵌套其中，可实现永磁直流无刷电动机的直接调速、刹车和巡航控制，其结构紧凑，使用简单，是永磁直流无刷电动机的更新换代产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种直接驱动型永磁直流无刷电动机，特别涉及一种可直接操控的、具有机电一体化结构的永磁直流无刷电动机。
背景技术
永磁直流无刷电动机具有低噪声、高功率密度、体积小、重量轻、效率高、调速范围宽、启动转矩大、无电刷和机械换向装置、无励磁需要、易维护、寿命长等优点，广泛地应用于电动高尔夫球车、电动推车、比赛场地车、电动摩托车、混合动力汽车、电动装载叉车以及电动游艇和各类工业调速电机控制等领域，美中不足的是，永磁直流无刷电动机不能单独使用，必须与直流无刷电机控制器配套使用。
发明内容
技术问题
现有的直接驱动型永磁直流无刷电动机主要存在以下问题：
1、现有永磁直流无刷电动机不能像交流异步电动机一样单独使用，而必须与相应驱动能力的直流无刷电机控制器配套使用，永磁直流无刷电机和电机控制器处于均为分立的独立部分，接线众多。永磁直流无刷电机对外接线盒上包括U、V、W三根相线、两根电源正极线B+和电源负极线B-、三根霍尔位置传感器连接线，两根霍尔位置传感器电源线和地线，共10根连接线。而控制器提供的连接线更多，除开以上十根连接线以外，还必须提供其它的控制连线，包括调速、刹车、巡航等基本控制信号，结果导致安装接线工艺复杂，可靠性较差，一旦损坏，维修十分困难。
2、现有配套的直流无刷电机控制器一般采用自然冷却，其散热结构不好，热阻太大，热传导特性较差。
3、现有永磁直流无刷电动机上无工况指示装置，也无调速、刹车、巡航等控制信号，仅仅是一个基于电磁原理的运动执行器，如何实现永磁直流电动机与驱动器、控制器的机电一体化结构，构成智能化的驱动控制系统，还有大量的开拓性工作要做。
技术方案
据此，本发明提出了一种直接驱动型永磁直流无刷电动机，特别涉及一种机电一体化结构的永磁直流无刷电机，其技术方案如下：
一种直接驱动型永磁直流无刷电动机，由电机转动机构部分和电子控制两大部分组成，电机转动机构部分包括：壳体、转动轴、上端盖、下端盖、电机支架、接线盒盖、接线盒、风扇叶片、永磁体铁心、线圈骨架、线槽、线圈绕组、上轴承、下轴承，电子控制部分包括：防护散热罩体、PCB电路板，焊接在PCB电路板上的单片计算机、补偿电容器组、VDMOS功率管、霍尔位置传感器、信号调理电路和U、V、W三相驱动电路，所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机内部除了包含电机转动机构部分以外，还包含有电子控制部分，所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机分别由下端盖、下轴承、转动轴、电机壳体、控制接线盒、接线盒盖、永磁体铁心、线圈骨架、线槽、线圈绕组、PCB电路板、防护散热罩体、风扇叶片、上轴承、上端盖顺序装配组合而成，所述的防护散热罩体由一个上半部为空心的六边形柱体，下半部为圆环形板的铝型材组成，所述的PCB电路板为圆环形，嵌套在防护散热罩体下半部为圆环形板的铝型材中。
所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其电机壳体上固定有一个矩形接线盒，矩形接线盒盖上有四个指示发光二极管，包括运行指示发光二极管、报警指示发光二极管、过流指示发光二极管、过热指示发光二极管，矩形接线盒内有五个接线柱，包括电源B+接线柱、电源B-接线柱、调速接线柱、刹车接线柱、巡航接线柱、地线接线柱。
所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其电动机内部包含一块圆环形的PCB电路板，在PCB电路板上焊接有单片计算机、补偿电容器组、信号调理电路、按六边形排列的六组VDMOS功率管和U、V、W三相驱动电路。
所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其电机壳体内镶嵌套一个铝合金组成的防护散热罩体，防护散热罩体的一端为圆环形板，圆环形板的圆周上开有通风槽，另一端为空心的六边形柱体，六边形柱体的一端带六边形网状的防护网罩，另一端与圆环形板相连，所述的圆环形PCB电路板嵌套在防护散热罩体的圆环形板内，PCB电路板上按六边形排列焊接的六组VDMOS功率管的散热面分别与六边形柱体的六个边紧贴，再通过六边形柱体上的紧固螺丝孔与各个VDMOS功率管相连固定。
所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其电机壳体的内壁上有一个定位凸条，在防护散热罩体的圆环形板的圆周上开有一个安装定位槽，防护散热罩体通过圆周上的安装定位槽直接插入电机壳体的内壁上的定位凸条中。
所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其电机的转动轴分别穿过圆环形PCB电路板和防护散热罩体后，在防护网罩相邻一侧的转动轴上安装有一组风扇叶片。
所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其线圈骨架上缠绕有线圈绕组，线圈骨架嵌入圆环状的线槽中，再将线槽嵌入电机壳体的内壁，在线槽的圆心处嵌入圆柱形的永磁体铁心，永磁体铁心的中心处嵌入一根转动轴，转动轴的两端分别套接上轴承和下轴承，上轴承和下轴承分别嵌套在上端盖的中心位置与下端盖的中心位置处。
所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其电机上的三个霍尔位置传感器的输出直接连接到PCB电路板上的信号调理电路中，信号调理电路的输出与单片机引脚相连，接线盒盖上的运行指示发光二极管、报警指示发光二极管、过流指示发光二极管、过热指示发光二极管分别连接到PCB电路板上的单片机引脚上，接线盒中的调速接线柱、刹车接线柱、巡航接线柱、地线接线柱的连线分别与PCB电路板上的单片机引脚相连，矩形接线盒内的电源B+接线柱、电源B-接线柱的连线分别与VDMOS功率管和U、V、W三相驱动电路相连。
技术效果
本发明所提出的直接驱动型永磁直流无刷电动机具有如下的有益效果：
1、本发明是一款永磁直流无刷电动机与核心控制器、信号调理器和功率驱动器集成于一体的新型永磁直流无刷电动机，与传统的永磁直流无刷电动机相比，本发明在结构上将永磁直流无刷电动机和直流无刷电机控制器有机地合二为一，无须再外接控制电路，可实现永磁直流无刷电动机的直接驱动和控制，即永磁直流无刷电动机可直接操控。
2、本发明完全改变了传统永磁直流无刷电动机常规的接线功能及结构，可与外部的调速转把和刹车踏板、巡航开关直接接口，所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机利用接线盒自带运行工况指示装置和与外部信号接口的控制接线柱，电机U、V、W三根相线全部内置到PCB电路板上，因此无需另配电机控制器，即可直接操控电机的加速、减速、巡航和刹车动作，产生了使用特别简单的控制效果，是一台真正意义上的可直接驱动的永磁直流无刷电动机。
3、永磁直流无刷电动机壳体内部通过嵌入一个铝合金防护散热罩体，并嵌入一块PCB电路板，PCB电路板上焊接有单片机并集成了电机控制器上所有的弱电控制电路和相线驱动电路，三个霍尔位置传感器的输出直接连接到PCB电路板上的信号调理电路单元，增强了系统的可靠性并提高了系统的抗干扰能力。
4、传统的永磁直流无刷电机控制器一般采用自然散热，其热阻较大，本发明中，巧妙地利用安装在转动轴上的风扇，对连接固定在铝合金防护散热罩体上的VDMOS管实行风冷散热，热传导效果明显，提高了系统的稳定性。
5、本发明对外的连接线降低到最少，达到系统最省，整体最优的技术效果。
附图说明
图1直接驱动型永磁直流无刷电动机外观图；
图2直接驱动型永磁直流无刷电动机逐步爆炸图一；
图3直接驱动型永磁直流无刷电动机逐步爆炸图二；
图4直接驱动型永磁直流无刷电动机逐步爆炸图三；
图5直接驱动型永磁直流无刷电动机逐步爆炸图四；
图6直接驱动型永磁直流无刷电动机完全爆炸图五；
图7直接驱动型永磁直流无刷电动机防护散热罩正面外观图；
图8直接驱动型永磁直流无刷电动机防护散热罩反面外观图；
图9直接驱动型永磁直流无刷电动机内部PCB板视图；
图10直接驱动型永磁直流无刷电动机电原理图。
标号说明：
1电机壳体 2转动轴
3上端盖 311上端盖固定螺丝
4下端盖 411下端盖固定螺丝
5电机支架 6接线盒盖
606运行指示发光二极管 607报警指示发光二极管
608过流指示发光二极管 609过热指示发光二极管
611接线盒 612电源B+接线柱
613电源B-接线柱 614调速接线柱
615刹车接线柱 616巡航接线柱
617地线接线柱 7风扇叶片
8防护散热罩体 809圆环形板
810六边形柱体 811防护网罩
812通风槽 813定位槽
814紧固螺丝孔 9线槽
10上轴承 11下轴承
12PCB电路板 13补偿电容器组
14VDMOS功率管 15永磁体铁心
16线圈骨架 17线圈绕组
18定位凸条 19信号调理电路
20单片机 21霍尔位置传感器
22U、V、W三相驱动电路
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。图1是直接驱动型永磁直流无刷电动机外观图，图2至图5是直接驱动型永磁直流无刷电动机逐步爆炸图，图6是直接驱动型永磁直流无刷电动机完全爆炸图。
本发明由电机转动机构部分和电子控制两大部分组成，电机转动机构部分包括：壳体1、转动轴2、上端盖3、下端盖4、电机支架5、接线盒盖6、接线盒611、风扇叶片7、永磁体铁心15、线圈骨架16、线槽9、线圈绕组17、上轴承10、下轴承11；电子控制部分集中封装在嵌入防护散热罩体8的PCB电路板12中，包括：防护散热罩体8、PCB电路板12，焊接在PCB电路板上的单片计算机20、补偿电容器组13、VDMOS功率管14、霍尔位置传感器21、信号调理电路19和U、V、W三相驱动电路22。
本发明的最明显的特征在于：所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机内部除了包含电机转动机构部分以外还包含有电子控制部分，是一款真正意义上的机电一体化结构的永磁直流无刷电动机，无须另加电机控制器可实现永磁直流无刷电动机的直接驱动。
本发明以逐步爆炸图的方式描述了所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机的基本组成结构，分别由下端盖4、下轴承11、转动轴2、电机壳体1、控制接线盒611、接线盒盖6、永磁体铁心15、线圈骨架16、线槽9、线圈绕组17、PCB电路板12、防护散热罩体8、风扇叶片7、上轴承10、上端盖3顺序装配组合而成，其中，上端盖3通过上端盖固定螺丝311与电机壳体1连接在一起，下端盖4通过下端盖固定螺丝411与电机壳体1连接在一起。
所述的防护散热罩体8由一个上半部为空心的六边形柱体810，下半部为圆环形板809的铝型材组成，所述的PCB电路板12为圆环形，嵌套在防护散热罩体8下半部为圆环形板809的铝型材中。
所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其电机壳体(1)上固定有一个矩形接线盒611，矩形接线盒盖6上有四个指示发光二极管，包括运行指示发光二极管606、报警指示发光二极管607、过流指示发光二极管608、过热指示发光二极管609，正常时，运行指示发光二极管606点亮，报警指示发光二极管607熄灭；异常时，报警指示发光二极管607会点亮，VDMOS功率管或电机过热时，过热指示发光二极管609将点亮，相电流过流时，过流指示发光二极管608点亮并实施保护。矩形接线盒611内有五个接线柱，包括电源B+接线柱612、电源B-接线柱613、调速接线柱614、刹车接线柱615、巡航接线柱616、地线接线柱617，电源B+接线柱612、电源B-接线柱613分别外接蓄电池组的正极和负极，调速接线柱614、刹车接线柱615和巡航接线柱616则分别与调速转把、刹车踏板开关和巡航开关相连，而传统的永磁直流无刷电动机的接线盒中，只有U、V、W三根相线接线柱，且不具备运行工况指示功能。
图9是直接驱动型永磁直流无刷电动机PCB板视图，电动机内部包含一块圆环形的PCB电路板12，在PCB电路板12上焊接有一块高性能的单片计算机20、由多个电容组成的补偿电容器组13、按六边形排列的六组VDMOS功率管14、处理霍尔信号的信号调理电路19和U、V、W三相驱动电路22，从而实现了永磁直流无刷电动机在壳体内的一体化机电控制，连接线可降低到最少，可靠性明显提高。
直接驱动型永磁直流无刷电动机的电机壳体1内镶嵌套一个铝合金组成的防护散热罩体8，防护散热罩体正面如图7所示，反面如图8所示。防护散热罩体由两部分组合而成，防护散热罩体的一端为圆环形板809，圆环形板809的圆周上开有通风槽812，另一端为空心的六边形柱体810，六边形柱体810的一端带六边形网状的防护网罩811，另一端与圆环形板809相连，所述的圆环形PCB电路板12嵌套在防护散热罩体8的圆环形板809中，PCB电路板12上按六边形排列焊接的六组VDMOS功率管14的散热面分别与六边形柱体810的六个面紧密贴装，再通过六边形柱体810上的紧固螺丝孔814与各个VDMOS功率管14相连接固定。
所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其电机壳体1的内壁上有一个定位凸条18，在防护散热罩体8的圆环形板809的圆周上开有一个安装定位槽813，防护散热罩体8通过圆周上的安装定位槽813直接插入电机壳体1的内壁上的定位凸条18中。
所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其电机的转动轴2分别穿过圆环形PCB电路板12和防护散热罩体8后，在防护网罩811相邻一侧的转动轴2上安装有一组风扇叶片7，转动轴2转动时同步带动风扇叶片7旋转，可有效地对固定在六边形柱体810上的VDMOS功率管14实施强制风冷，冷却风并通过圆环形板809的通风槽812向电机的线槽9、线圈绕组17部位传递。
所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其线圈骨架16上缠绕有线圈绕组17，线圈骨架16嵌入圆环状的线槽9中，再将线槽9嵌入电机壳体1的内壁，在线槽9的圆心处嵌入圆柱形的永磁体铁心15，永磁体铁心15的中心处嵌入一根转动轴2，转动轴2的两端分别套接上轴承10和下轴承11，上轴承10和下轴承11分别嵌套在上端盖3的中心位置与下端盖4的中心位置。
图10是直接驱动型永磁直流无刷电动机电的原理图，其电机上的三个霍尔位置传感器21的输出直接连接到PCB电路板12上的信号调理电路19的输入端，信号调理电路19的输出与单片机20引脚相连，单片机20由DC/DC模块供电，接线盒盖6上的运行指示发光二极管606、报警指示发光二极管607、过流指示发光二极管608、过热指示发光二极管609分别连接到单片机20的引脚上，接线盒611中的调速接线柱614、刹车接线柱615、巡航接线柱616、地线接线柱617的连线分别与PCB电路板12上的单片机20引脚相连，矩形接线盒611内的电源B+接线柱612、电源B-接线柱613分别的连线分别与VDMOS功率管14和U、V、W三相驱动电路22相连。
综上所述，本发明提出了一种新型直接驱动型永磁直流无刷电动机的设计结构，所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机内部除了包含电机转动机构部分以外还包含有一个嵌套在防护散热罩体中的电子控制部分，巧妙地利用转动轴上的风扇叶片对VDMOS功率管强制散热，从而完成了永磁直流无刷电动机的机电一体化控制结构，实现了对永磁直流无刷电动机的直接调速、刹车和巡航控制驱动。本发明体积小巧，结构紧凑，大大提升电机系统的稳定性和可靠性，是新型永磁直流无刷电动机的更新换代产品，其机电一体化的控制结构代表了永磁直流无刷电动机的发展趋势。
Claims (8)
1.一种直接驱动型永磁直流无刷电动机，由电机转动机构部分和电子控制两大部分组成，电机转动机构部分包括：壳体(1)、转动轴(2)、上端盖(3)、下端盖(4)、电机支架(5)、接线盒盖(6)、接线盒(611)、风扇叶片(7)、永磁体铁心(15)、线圈骨架(16)、线槽(9)、线圈绕组(17)、上轴承(10)、下轴承(11)，电子控制部分包括：防护散热罩体(8)、PCB电路板(12)，焊接在PCB电路板上的单片计算机(20)、补偿电容器组(13)、VDMOS功率管(14)、霍尔位置传感器(21)、信号调理电路(19)和U、V、W三相驱动电路(22)，其特征在于：所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机内部除了包含电机转动机构部分以外还包含有电子控制部分，所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机分别由下端盖(4)、下轴承(11)、转动轴(2)、电机壳体(1)、控制接线盒(611)、接线盒盖(6)、永磁体铁心(15)、线圈骨架(16)、线槽(9)、线圈绕组(17)、PCB电路板(12)、防护散热罩体(8)、风扇叶片(7)、上轴承(10)、上端盖(3)顺序装配组合而成，所述的防护散热罩体(8)由一个上半部为空心的六边形柱体(810)，下半部为圆环形板(809)的铝型材组成，所述的PCB电路板(12)为圆环形，嵌套在防护散热罩体(8)下半部为圆环形板(809)的铝型材中。
2.根据权利要求1所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其特征在于：所述的电机壳体(1)上固定有一个矩形接线盒(611)，矩形接线盒盖(6)上有四个指示发光二极管，包括运行指示发光二极管(606)、报警指示发光二极管(607)、过流指示发光二极管(608)、过热指示发光二极管(609)，矩形接线盒(611)内有五个接线柱，包括电源B+接线柱(612)、电源B-接线柱(613)、调速接线柱(614)、刹车接线柱(615)、巡航接线柱(616)、地线接线柱(617)。
3.根据权利要求1所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其特征在于：直接驱动型永磁直流无刷电动机内部包含一块圆环形的PCB电路板(12)，在PCB电路板(12)上焊接有单片计算机(20)、补偿电容器组(13)、信号调理电路(19)、按六边形排列的六组VDMOS功率管(14)和U、V、W三相驱动电路(22)。
4.根据权利要求1所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其特征在于：电机壳体(1)内镶嵌套一个铝合金组成的防护散热罩体(8)，防护散热罩体的一端为圆环形板(809)，圆环形板(809)的圆周上开有通风槽(812)，另一端为空心的六边形柱体(81O)，六边形柱体(810)的一端带多个六边形网状的防护网罩(811)，另一端与圆环形板(809)相连，所述的圆环形PCB电路板(12)嵌套在防护散热罩体(8)的圆环形板(809)内，PCB电路板(12)上按六边形排列焊接的六组VDMOS功率管(14)的散热面分别与六边形柱体(810)的六个面紧贴，再通过六边形柱体(810)上的紧固螺丝孔(814)与各个VDMOS功率管(14)相连固定。
5.根据权利要求1或4所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其特征在于：电机壳体(1)的内壁上有一个定位凸条(18)，在防护散热罩体(8)的圆环形板(809)的圆周上开有一个安装定位槽(813)，防护散热罩体(8)通过圆周上的安装定位槽(813)直接插入电机壳体(1)的内壁上的定位凸条(18)中。
6.根据权利要求1所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其特征在于：其电机的转动轴(2)分别穿过圆环形PCB电路板(12)和防护散热罩体(8)后，在防护网罩(811)相邻一侧的转动轴(2)上安装有一组风扇叶片(7)。
7.根据权利要求1所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其特征在于：线圈骨架(16)上缠绕有线圈绕组(17)，线圈骨架(16)嵌入圆环状的线槽(9)中，再将线槽(9)嵌入电机壳体(1)的内壁，在线槽(9)的圆心处嵌入圆柱形的永磁体铁心(15)，永磁体铁心(15)的中心处嵌入一根转动轴(2)，转动轴(2)的两端分别套接上轴承(10)和下轴承(11)，上轴承(10)和下轴承(11)分别嵌套在上端盖(3)的中心位置与下端盖(4)的中心位置处。
8.根据权利要求1或2所述的直接驱动型永磁直流无刷电动机，其特征在于：电机上的三个霍尔位置传感器(21)的输出直接连接到PCB电路板(12)上的信号调理电路(19)中，信号调理电路(19)的输出与单片机(20)引脚相连，接线盒盖(6)上的运行指示发光二极管(606)、报警指示发光二极管(607)、过流指示发光二极管(608)、过热指示发光二极管(609)分别连接到PCB电路板(12)上的单片机(20)引脚上，接线盒(611)中的调速接线柱(614)、刹车接线柱(615)、巡航接线柱(616)、地线接线柱(617)的连线分别与PCB电路板(12)上的单片机(20)引脚相连，矩形接线盒(611)内的电源B+接线柱(612)、电源B-接线柱(613)的连线分别与VDMOS功率管(14)和U、V、W三相驱动电路(22)相连。
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