CN106169851A - 模块式永磁无刷直流电动机 - Google Patents
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Abstract
模块式永磁无刷直流电动机，由电动机模块和控制器模块两部分组成，其要点在于：所述的电机壳体（2）是一个外侧为八边形、内部为挖空的圆形柱体，通过与隔板结合，封装了永磁无刷直流电动机所需的部件，包括转动轴、线包、定子铁心体、转子铁心体、支架、钕铁硼永磁块；所述的控制器壳体与端盖结合，封装了控制器所需的部件，包括PCB板、VMOS功率管、双核单片机、驱动芯片；控制器壳体与控制器壳体通过紧固螺栓相连成一体；本发明提供了一种低成本、可大规模生产、可实现永磁无刷直流电动机与控制器一体化的模块解决方案，其市场前景相当广阔。
Description
技术领域
本发明涉及的模块式永磁无刷直流电动机，主要应用于航天航空、电动汽车、工业机器人、柔性制造系统、新型医疗设备、自动化设备、变速制冷技术和纺织机械众多工业部门。
背景技术
永磁无刷直流电动机是能效比较高的新型电动机，它的优势是明显的：一是可靠性较高，因为永磁无刷直流电动机没有机械电刷，而是利用电子换相，克服了有刷直流电动机因机械电刷换相带来可靠性的问题；二是结构简单，由于永磁体安装在转子上，电枢绕组装在定子上，使得导热性能好，电动机产生的热量更容易散发出去，磁场损失也大大减少；三是它的效率高，由于永磁无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不像交流异步电动机那样需要额外从电网吸取励磁电流，转子上既无铜耗又无铁耗，在节约能源、提高功率密度方面具有明显优势。例如，每晚只需一度电的全直流变频空调，就是用永磁无刷直流电动机驱动压缩机的空调。
总之，永磁无刷直流电动机结合了直流电动机与交流同步电动机的优点，既具备交流电动机结构简单、运行可靠的优点，又具备直流电动机重量轻、体积小、出力大、动态性能好和调速性能优良的特点，因而在当今国民经济各个领域广泛应用，已经显示出广阔的市场前景和强大生命力。
发明内容
技术问题
虽然永磁无刷直流电动机具有结构简单、运行可靠、效率高、无励磁损耗、调速性能好和启动转矩较大的优点，但美中不足的是，永磁无刷直流电动机同样也存在以下的问题:一是永磁无刷直流电动机系统必须是由电动机和控制器两部分组成，无刷直流电动机本身不能单独使用，它必须在控制器的控制下才能工作，由于传统的永磁无刷直流电动机与控制器之间连接的线束众多，所以在使用上十分不方便。二是置于永磁无刷直流电动机本体内的霍尔位置传感器容易损坏, 由于霍尔位置传感器是嵌入胶封装在定子槽中，所以一旦损坏，难于维修, 而且用于位置传感器的霍尔元件温度特性不好, 在环境恶劣的条件下，容易导致电动机稳定性下降，大大影响了电动机的寿命。三是如何让永磁无刷直流电动机能像交流电动机一样可以直接加电即可驱动使用？如何实现无刷直流电动机及控制器的机电一体化？诸如此类的问题，已经成为当前研究永磁无刷直流电动机的技术热点。
技术方案
为此，本发明对永磁无刷直流电动机控制系统率先提出了一种模块结构化的设计方案，这种模块结构化的设计思路就是，将复杂的难以维护的永磁无刷直流电动机系统分解为运动和控制互相独立、协同工作的两大部件，通过其相对的独立性，努力使这些部件结合重用；二是突破时空的限制，利用统一的接口实现跨平台的相互操作。
由此可见，模块间的联系反映了系统中各模块间的相互作用和影响;模块内的联系反映了模块内部联系紧密的程度。模块的独立性愈强,则模块的功能愈集中,模块的可读性愈好,愈容易改进和维护；同时模块的独立性也能有效地防止可能出现的错误在模块间的蔓延。更有意义的是,成熟的功能模块为新的控制系统提供可信赖的基石,通过移植,将大大减少建立一个新的系统所需要的工作量。通过强调各个模块间的联系最小,模块内的联系最大,可尽量减少模块间传递参数的个数,以加强模块内在紧密联系的程度。
本发明最重要的特色在于，一是强调电动机模块与控制器模块之间在拓扑结构上的相对独立性，强化模块内部的纵向联系，即电动机模块可以单独作永磁无刷直流电动机使用，控制器模块也可以单独作电机控制器使用；二是强调模块之间的协调性和统一性，注重模块间的横向联系，只需通过四个紧固螺栓，就可将电动机模块与控制器模块连成一体，特别容易装配；三是任何一个模块损坏，可以通过快速替换模块的方式来维修，因此特别便于维修并降低维护费用。
其技术方案具体如下：
模块式永磁无刷直流电动机，由电动机模块和控制器模块两部分组成，电动机模块部分包括：电机壳体、隔板、转动轴、线包、定子铁心体、转子铁心体、支架、钕铁硼永磁块，控制器模块部分包括：控制器壳体、端盖、PCB板、VMOS功率管、双核单片机、驱动芯片，其要点在于：
所述的电机壳体是一个外侧为八边形、内部为挖空的圆形柱体，该圆形柱体一端为开口，另一端封闭，但封闭一端的中央有一个下轴承支撑圆台阶，中心处有一个出轴孔，所述的定子铁心体先嵌入电机壳体内部挖空的圆形柱体中，再将支架嵌入定子铁心体的窗口中，所述的线包嵌入支架上，转子铁心体的中心有转动轴，转子铁心体的边沿嵌入瓦片状的钕铁硼永磁块，在转动轴上分别套接上轴承和下轴承，上轴承嵌入隔板中央的上轴承支撑圆台阶中，下轴承嵌入下轴承支撑圆台阶中，转动轴从电机壳体的出轴孔伸出，所述的隔板外侧为八边形，刚好可嵌入电机壳体的开口的一端，隔板上有一个走线孔，线包的出线从走线孔引出并焊接在PCB板（8）上，所述的控制器壳体是一个外侧带有散热肋条的八边形，其一端的内部挖空为圆形，另一端的内部挖空为七边形的空心柱体，内部挖空为圆形的一端有一个外侧为八边形台阶，通过该台阶刚好将控制器壳体与电机壳体嵌套装配，所述的圆形PCB板安装在控制器壳体上挖空为圆形的一端，PCB板上表贴焊接有双核单片机、驱动芯片，VMOS功率管，通过螺丝将VMOS功率管（18）的散热面固定在控制器壳体上内部挖空为七边形的散热面上，所述的端盖是圆形的，中心处有电缆出线孔，边沿有七个端盖安装孔，端盖安装螺丝穿过端盖安装孔与控制器壳体上的固定端盖孔相连，所述的控制器壳体、电机壳体、隔板、端盖均为铝合金材质，其中，电机壳体和隔板所封装的部分组成独立的电动机模块，控制器壳体与端盖所封装的部分组成独立的控制器模块，两个模块通过以下的结构连接成一体：所述的外部为八边形的电机壳体上的四条边上分别开有U形槽，四个紧固螺栓分别穿过U形槽底部的装配孔，然后再穿过隔板上的四个定位孔后与控制器壳体上的固定孔相连。
端盖上有一电缆出线孔，控制电缆线的一端焊接在PCB板上，另一端穿过电缆出线孔后引出。
所述的双核单片机除了自带电机控制所必需的捕获/比较单元内核外,芯片内同时集成有高速乘除法运算单元（iMDU）和用于协调旋转矢量数字计算单元（iCORDIC）内核。
技术效果
本发明提出的模块式永磁无刷直流电动机有如下有益效果：
1、本发明所述的模块式永磁无刷直流电动机，机械结构上，它改变了永磁无刷直流电动机与控制器分开安装，再连接使用的传统安装模式，而是将电动机本体和控制器、执行机构采取一体化结构，取代了繁多的外部控制线束，剔除了传统永磁无刷直流电动机对外提供的三根U、V、W相线和五根位置传感器器控制线，增强了其可靠性，实现了系统最省，整体最优。
2、本发明所述的模块式永磁无刷直流电动机，选用其铁基非晶合金取代硅钢片应用于电动机定子铁心,其加工成型技术采用由一条铁基非晶合金带按照阿基米德螺旋线一次性卷绕成型，计算机模拟仿真证明，这种定子铁心加工成型工艺，能够在很大程度上提高电动机的效率和功率密度,降低定子铁心铁损。
3、为了克服非晶合金性脆片薄的不足，本发明设计了一种材质采用阻燃耐高温工程塑料的定子铁心支架，用来支撑安装定子铁心体，以消除机械应力对非晶合金的影响。
4、采用高效双核单片机取代DSP芯片，解决了电动机高速控制与芯片价格之间的矛盾，大大降低了制造成本。
6、去掉了常用的位置传感器霍尔元件，采用了基于反电势检测技术以确定转子的实时位置，电动机从静止开始转动，采用了从静止开始加速，直至转速足够大，再切换至无刷直流电动机运行状态的三段式起动技术。
7、在散热拓扑结构上，通过采用了带圆弧缺口的铝合金散热环很好地解决了功率VMS管装配问题和功率VMOS管的散热问题。
8、在同样的输出功率情况下，本发明所述的模块式永磁无刷直流电动机获得优良的节能降耗特性，与同等功率的永磁无刷直流电动机相比，其体积只有传统电动机的60%，重量只有75%，涡流和材料中固有的磁滞损耗可下降20%。
显然，本发明所述的模块式永磁无刷直流电动机，已不再是一种单一技术或简单的电动机有效材料的代用和升级，而是一种综合的节能措施和全新的控制技术的集合。
附图说明
图1模块式永磁无刷直流电动机正向外形图；
图2模块式永磁无刷直流电动机爆炸图一；
图3模块式永磁无刷直流电动机爆炸图二；
图4模块式永磁无刷直流电动机爆炸图三；
图5模块式永磁无刷直流电动机爆炸图四；
图6模块式永磁无刷直流电动机爆炸图五；
图7模块式永磁无刷直流电动机爆炸图六；
图8模块式永磁无刷直流电动机爆炸图七；
图9模块式永磁无刷直流电动机爆炸图八；
图10模块式永磁无刷直流电动机爆炸图九；
图11模块式永磁无刷直流电动机爆炸图十；
图12模块式永磁无刷直流电动机爆炸图十一；
图13模块式永磁无刷直流电动机爆炸图十二。
标号说明：
1 控制器壳体 2 电机壳体
3 端盖 4 转动轴
5 电缆出线孔 6 隔板
7 走线孔 8 PCB板
9 八边形台阶 10 U形槽
11 装配孔 12 固定孔
13 定位孔 14 上轴承支撑圆台阶
15 上轴承 16 线包
17 散热面 18 VMOS功率管
19 双核单片机 20 驱动芯片
21 端盖安装孔 22 固定端盖孔
23 端盖安装螺丝 24 紧固螺栓
25 固定隔板孔 26 定子铁心体
27 转子铁心体 28 支架
29 下轴承 30 钕铁硼永磁块
31 下轴承支撑圆台阶 32 出轴孔
具体实施方式
本发明如图1至图13所示。
下面结合附图说明本发明的具体实施方案：
模块式永磁无刷直流电动机，由电动机模块和控制器模块两部分组成，电动机模块部分包括：电机壳体（2）、隔板（6）、转动轴（4）、线包（16）、定子铁心体（26）、转子铁心体（27）、支架（28）、钕铁硼永磁块（30），控制器模块部分包括：控制器壳体（1）、端盖（3）、PCB板（8）、VMOS功率管（18）、双核单片机（19）、驱动芯片（20），其特征在于：
所述的电机壳体（2）是一个外侧为八边形、内部为挖空的圆形柱体，该圆形柱体一端为开口，另一端封闭，但封闭一端的中央有一个下轴承支撑圆台阶（31），中心处有一个出轴孔（32），所述的定子铁心体（26）先嵌入电机壳体（2）内部挖空的圆形柱体中，再将支架（28）嵌入定子铁心体（26）的窗口中，所述的线包（16）嵌入支架（28）上，转子铁心体（27）的中心有转动轴（4），转子铁心体（27）的边沿嵌入瓦片状的钕铁硼永磁块（30），在转动轴（4）上分别套接上轴承（15）和下轴承（29），上轴承（15）嵌入隔板（6）中央的上轴承支撑圆台阶（14）中，下轴承（29）嵌入下轴承支撑圆台阶（31）中，转动轴（4）从电机壳体（2）的出轴孔（32）伸出，所述的隔板（6）外侧为八边形，刚好可嵌入电机壳体（2）的开口的一端，隔板（6）上有一个走线孔（7），线包（16）的出线从走线孔（7）引出并焊接在PCB板（8）上，所述的控制器壳体（1）是一个外侧带有散热肋条的八边形，其一端的内部挖空为圆形，另一端的内部挖空为七边形的空心柱体，内部挖空为圆形的一端有一个外侧为八边形台阶（9），通过该台阶刚好将控制器壳体（1）与电机壳体（2）嵌套装配，所述的圆形PCB板（8）安装在控制器壳体（1）上挖空为圆形的一端，PCB板（8）上表贴焊接有双核单片机（19）、驱动芯片（20），VMOS功率管（18），通过螺丝将VMOS功率管（18）的散热面固定在控制器壳体（1）上内部挖空为七边形的散热面（17）上，所述的端盖（3）是圆形的，中心处有电缆出线孔（5），边沿有七个端盖安装孔（21），端盖安装螺丝（23）穿过端盖安装孔（21）与控制器壳体（1）上的固定端盖孔（22）相连，所述的控制器壳体（1）、电机壳体（2）、隔板（6）、端盖（3）均为铝合金材质，其中，电机壳体（2）和隔板（6）所封装的部分组成独立的电动机模块，控制器壳体（1）与端盖（3）所封装的部分组成独立的控制器模块，两个模块通过以下的结构连接成一体：所述的外部为八边形的电机壳体（2）上的四条边上分别开有U形槽（10），四个紧固螺栓（24）分别穿过U形槽（10）底部的装配孔（11），然后再穿过隔板（6）上的四个定位孔（13）后与控制器壳体上的固定孔（12）相连。
端盖（3）上有一电缆出线孔（5），控制电缆线的一端焊接在PCB板（8）上，另一端穿过电缆出线孔（5）后引出。
所述的双核单片机（8）除了自带电机控制所必需的捕获/比较单元内核外,芯片内同时集成有高速乘除法运算单元（iMDU）和用于协调旋转矢量数字计算单元（iCORDIC）内核。
针对传统永磁无刷直流电动机的霍尔位置传感器带来诸多不利影响，在本发明方案中取消了霍尔位置传感器，去掉霍尔位置传感器后，实现无位置传感器的电动机转子检测控制可选择反电势法、扩展卡尔曼滤波法或磁链估计法方案，本发明采用了成熟的基于反电势法检测技术以及从静止开始加速，直至转速足够大，再切换至无刷直流电动机运行状态的三段式起动技术，这些技术属于公知技术，不是本发明方案讨论的范围。
综上所述，本发明所提出的模块式永磁无刷直流电动机，是一种全新的永磁无刷直流电动机型式，其有益意义在于：
1、本发明最重要的特色在于，一是强调电动机模块与控制器模块之间在拓扑结构上的相对独立性，强化模块内部的纵向联系，即电动机模块可以单独作永磁无刷直流电动机使用，控制器模块也可以单独作电机控制器使用；二是强调模块之间的协调性和统一性，注重模块间的横向联系，只需通过四个紧固螺栓，就可将电动机模块与控制器模块连成一体，特别容易装配；三是任何一个模块损坏，可以通过快速替换模块的方式来维修，因此特别便于维修并降低维护费用。
2、为了降低成本，以及提高各个模块的相对独立性和封装性，本发明采用了适宜的结构范型，即八边形电机壳体和带肋条的控制器壳体，通过控制器壳体上凸出的台阶，嵌入到八边形电机壳体中，提高了其导热系数和热的传导能力，同时解决了VMOS功率管的散热问题和模块间的装配问题。
3、采用高效低成本的双核单片机取代价格昂贵的DSP芯片，控制器是电动机的神经中枢，双核单片机内置反电势法检测软件模块、三段式起动软件模块和旋转矢量运算软件模块，解决了电动机高速控制与芯片价格之间的矛盾，大大降低了制造成本，剔除了传统永磁无刷直流电动机对外提供的三根U、V、W相线和五根位置传感器器控制线，取代了繁多的外部控制线束，增强了可靠性，提高了易用性和可维护性，实现了系统最省，整体最优。
4、采用了电动机模块与控制器模块之间容易装配的拓扑结构，这一模块体系既保证了永磁无刷直流电动机与控制器可以分开设计、分开制造，又实现了模块式一体化安装使用的模式。
特别有意义的是，本发明所提出的模块式永磁无刷直流电动机方案，提供了一种低成本、可大规模生产、可实现永磁无刷直流电动机与控制器一体化的解决方案，其市场前景相当广阔。
Claims (4)
1.模块式永磁无刷直流电动机，由电动机模块和控制器模块两部分组成，电动机模块部分包括：电机壳体（2）、隔板（6）、转动轴（4）、线包（16）、定子铁心体（26）、转子铁心体（27）、支架（28）、钕铁硼永磁块（30），控制器模块部分包括：控制器壳体（1）、端盖（3）、PCB板（8）、VMOS功率管（18）、双核单片机（19）、驱动芯片（20），其特征在于：
所述的电机壳体（2）是一个外侧为八边形、内部为挖空的圆形柱体，该圆形柱体一端为开口，另一端封闭，但封闭一端的中央有一个下轴承支撑圆台阶（31），中心处有一个出轴孔（32），所述的定子铁心体（26）先嵌入电机壳体（2）内部挖空的圆形柱体中，再将支架（28）嵌入定子铁心体（26）的窗口中，所述的线包（16）嵌入支架（28）上，转子铁心体（27）的中心有转动轴（4），转子铁心体（27）的边沿嵌入瓦片状的钕铁硼永磁块（30），在转动轴（4）上分别套接上轴承（15）和下轴承（29），上轴承（15）嵌入隔板（6）中央的上轴承支撑圆台阶（14）中，下轴承（29）嵌入下轴承支撑圆台阶（31）中，转动轴（4）从电机壳体（2）的出轴孔（32）伸出，所述的隔板（6）外侧为八边形，刚好可嵌入电机壳体（2）的开口的一端，隔板（6）上有一个走线孔（7），线包（16）的出线从走线孔（7）引出并焊接在PCB板（8）上，所述的控制器壳体（1）是一个外侧带有散热肋条的八边形，其一端的内部挖空为圆形，另一端的内部挖空为七边形的空心柱体，内部挖空为圆形的一端有一个外侧为八边形台阶（9），通过该台阶刚好将控制器壳体（1）与电机壳体（2）嵌套装配，所述的圆形PCB板（8）安装在控制器壳体（1）上挖空为圆形的一端，PCB板（8）上表贴焊接有双核单片机（19）、驱动芯片（20），VMOS功率管（18），通过螺丝将VMOS功率管（18）的散热面固定在控制器壳体（1）上内部挖空为七边形的散热面（17）上，所述的端盖（3）是圆形的，中心处有电缆出线孔（5），边沿有七个端盖安装孔（21），端盖安装螺丝（23）穿过端盖安装孔（21）与控制器壳体（1）上的固定端盖孔（22）相连。
2.根据权利要求1所述的模块式永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述的控制器壳体（1）、电机壳体（2）、隔板（6）、端盖（3）均为铝合金材质，其中，电机壳体（2）和隔板（6）所封装的部分组成独立的电动机模块，控制器壳体（1）与端盖（3）所封装的部分组成独立的控制器模块，两个模块通过以下的结构连接成一体：
所述的外部为八边形的电机壳体（2）上的四条边上分别开有U形槽（10），四个紧固螺栓（24）分别穿过U形槽（10）底部的装配孔（11），然后再穿过隔板（6）上的四个定位孔（13）后与控制器壳体上的固定孔（12）相连。
3.根据权利要求1或2所述的模块式永磁无刷直流电动机，其特征在于：端盖（3）上有一电缆出线孔（5），控制电缆线的一端焊接在PCB板（8）上，另一端穿过电缆出线孔（5）后引出。
4.根据权利要求1所述的模块式永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述的双核单片机（8）除了自带电机控制所必需的捕获/比较单元内核外,芯片内同时集成有高速乘除法运算单元（iMDU）和用于协调旋转矢量数字计算单元（iCORDIC）内核。
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