CN106208546A - 基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机 - Google Patents
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Abstract
基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机，其要点是：电动机本体和控制器均封装在上部壳体端盖和下部壳体端盖所包围的空间内，电枢线圈组由24个线包组成，定子铁心支架带24个线圈护套，定子铁心体是将一条长条形的一边切割有凹凸有序排列的铁基非晶合金带，按照阿基米德螺旋线紧密卷绕而成，成形后的定子铁心体带24个铁心凸极，转子铁心体为铁基非晶合金组成的圆柱体，钕铁硼永磁块以浅掩埋方式嵌入转子铁心体的圆柱体轴向平面中，并安装在轴套上，转动轴穿过轴套与转子铁心体形成一体，双核单片机和控制元件焊接在PCB板上，功率VMOS管通过定位装配孔固定在铝合金散热环上，结构紧凑，是一种新型节能永磁无刷直流电动机。
Description
技术领域
本发明涉及的基于非晶合金的一体化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最近三十年发展起来的新型电动机，与其它类型的电动机相比，它具有以下明显的优势：一是永磁无刷直流电动机没有机械电刷，而是利用电子换相，克服了串励/他励有刷直流电动机因机械电刷换相带来可靠性的问题；二是永磁体安装在转子上，电枢绕组装在定子上，结构简单，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；三是它的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步和震荡现象；四是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，由于转子中无线圈绕组，因此转子上既无铜耗又无铁耗，效率比同容量异步电动机高10%左右，在节约能源、提高功率密度方面具有明显优势。
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:
1、一个完整的永磁无刷直流电动机系统必须是由电动机本体、转子位置传感器和控制器三部分组成，无刷直流电动机本体不能单独使用，它必须与转子位置传感器、控制器配合才能工作，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，包括电源线、多相相线和各种控制线，使用辨识非常麻烦，所以在使用上十分不方便。
2、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。
3、涉及到无刷直流电动机制造的电工钢片、导电材料，基本上仍沿袭采用传统的硅钢片、普通漆包线，导致铁损和铜损较大，另外，定子铁心加工工艺十年一贯制，基本上是采取多片硅钢片叠加成型的方法，生产效率有待提高，所以，无刷直流电动机的节能降耗仍有很大的提升空间。
因此，如何让永磁无刷直流电动机能像三相交流异步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，如何去除霍尔位置传感器、实现转子的定位有效控制，如何进一步提高永磁无刷直流电动机的高效节能等级，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，本发明提出了一种基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机设计方案，适合额定功率不小于350W的永磁无刷直流电机，其中所述采用的非晶合金材料，是由80%的铁（Fe）、20%的硅（Si）和硼（B）类金属元素所组成，这种非晶合金材料具有长程无序、短程有序的结构特征，由此材料组成的电动机铁心，具有优良的高磁通密度、低磁致伸缩系数和高效磁导率性能，是一种有别于硅钢片的电动机用绿色功能材料。
本发明所述的一体化设计包括三个方面，其一是电动机本体与控制器采用一体化拓扑结构，即电动机本体与控制器同时装置在同一个电动机壳体内，而不是分开安装再连接使用；其二是定子铁心体不再分别是由多片硅钢片重叠组成，而是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；其三转子铁心体不再分别是由多片硅钢片重叠组成，而是由铁基非晶合金圆柱体构成，并在轴向方向嵌入钕铁硼永磁块。
其技术方案具体如下：
基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机，由电动机本体部分和控制器两部分组成，电动机本体部分包括：上部壳体端盖、下部壳体端盖、转动轴、出线孔、过线护圈、电枢线圈组、定子铁心支架、定子铁心体、转子铁心体、钕铁硼永磁块、上轴承、下轴承、轴套，控制器部分包括：PCB板、铝合金散热环、功率VMOS管、双核单片机、控制电缆线，其要点在于：电动机本体部分和控制器部分均封装在上部壳体端盖和下部壳体端盖所包围的空间内，所述的定子铁心支架是一个采用阻燃耐高温工程塑料的带24个线圈护套的圆环体，电枢线圈组由24个线包组成，每个线包分别套装在定子铁心支架的线圈护套上，所述的定子铁心体是先将一条长条形的铁基非晶合金带的一条长边上按照有序的间距，通过热切割机或用激光切割出铁心槽，形成具有凹凸有序排列的长条形铁基非晶合金带，然后将其按照阿基米德螺旋线紧密卷绕，成形后的定子铁心体是一个带有24个铁心凸极和铁心槽的空心圆柱体，再将定子铁心体上的24个铁心凸极分别插入定子铁心支架的24个线圈护套中，所述的转子铁心体为铁基非晶合金组成的圆柱体，16块环状的钕铁硼永磁块以浅掩埋方式嵌入转子铁心体轴向的圆柱体平面中，然后将转子铁心体嵌入紧密安装在轴套上，转动轴穿过轴套的中心，与转子铁心体形成一体，所述的控制器元件全部焊接在PCB板上，功率VMOS管采用直插式焊接安装，功率VMOS管的散热面通过定位装配孔用螺丝分别固定在铝合金散热环的功率VMOS管安装固定孔处，所述的铝合金散热环整体上为圆形，但是与功率VMOS管散热面相接触之处却呈平面，铝合金散热环上未安装功率VMOS管的一段开有圆弧缺口，铝合金散热环上带有四个定位凸头，所述的定子铁心支架上有四个定位凹槽，装配时，铝合金散热环通过其四个定位凸头刚好嵌入定子铁心支架的四个定位凹槽中。
所述的电机上部壳体端盖和电机下部壳体端盖均为铝合金压铸件，电机上部壳体端盖上有一出线孔，出线孔中安装有过线护圈，控制电缆线的一端焊接在PCB板上，另一端穿过相嵌在出线孔中的过线护圈后引出，电机上部壳体端盖与电机下部壳体端盖之间分别通过四颗固定螺丝固定连成一体。
所述的控制电缆线为8芯电缆线，分别代表电源正极（VCC）、地线（GND）、电机启动/停止（ENBL）、电机正反转（F/R）、制动信号(BRK) 、调速（SPEED），VD(+5V)、公共端（COM），其电机启动/停止（ENBL）线外接电机启动/停止开关，电机正反转（F/R）线外接电机正反转开关，制动信号(BRK)线外接制动信号开关踏板，所述的调速（SPEED），VD(+5V)与公共端（COM）外接调速转把。
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。
所述电机上部壳体端盖中有支撑上轴承的上部壳体端盖内圆台阶，电机下部壳体端盖中有出轴孔和支撑下轴承的下部壳体端盖内圆台阶，在PCB板的中央位置有一个中心孔，转动轴的一端穿过PCB板的中心孔后套接上轴承，上轴承再镶嵌入上部壳体端盖内圆台阶内，转动轴的另一端套接下轴承，下轴承镶嵌入下部壳体端盖内圆台阶中，转动轴则从下部壳体端盖上的出轴孔伸出。
组成电枢线圈组的24个线包均用无氧铜线（OFC）绕制。
转子铁心体上浅掩埋的钕铁硼永磁块与定子铁心体上伸出的铁心凸极在位置上有如下的关系，即16块环状的钕铁硼永磁块所处的外环半径和内环半径分别与定子铁心体上所带的24个铁心凸极的横截面的外圆周半径和内圆周半径相同，这样，转子铁心体转动时，浅掩埋其上的16块环状的钕铁硼永磁块的可见面正对准并分别掠扫过定子铁心体上的24个铁心凸极的横截面。
技术效果
本发明提出的基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机有如下有益效果：
1、本发明所述的基于非晶合金的一体化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、本发明所述的基于非晶合金的一体化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、通过采用无氧铜线（OFC）绕制电枢线圈组以降低铜损，使电动机的节能降耗效果明显，应用领域更加广泛。
5、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，本发明所述的基于非晶合金的一体化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，本发明所述的基于非晶合金的一体化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 基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机正向外形图；
图2 基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机反向外形图；
图3 基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机爆炸图一；
图4 基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机爆炸图二；
图5 去掉上部壳体端盖、下部壳体端盖后的内部视图；
图6 去掉上部壳体端盖、下部壳体端盖后的爆炸图三；
图7 去掉上部壳体端盖、下部壳体端盖后的爆炸图四；
图8 去掉上部壳体端盖、下部壳体端盖后的爆炸图五；
图9 去掉上部壳体端盖、下部壳体端盖后的爆炸图六；
图10 基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机爆炸图七。
标号说明：
1 上部壳体端盖 2 下部壳体端盖
3 转动轴 4 固定螺丝
5 出线孔 6 PCB板
7 功率VMOS管 8 双核单片机
9 过线护圈 10 中心孔
11 出轴孔 12 电枢线圈组
13 定子铁心支架 14 铝合金散热环
15 定子铁心体 16 转子铁心体
17 钕铁硼永磁块 18 上轴承
19 下轴承 20 铁心槽
21 铁心凸极 22 定位装配孔
23 圆弧缺口 24 轴套
25 功率VMOS管安装固定孔 26 定位凹槽
27 定位凸头 28 上部壳体端盖内圆台阶
29 下部壳体端盖内圆台阶 30 控制电缆线
31 线圈护套
具体实施方式
本发明如图1至图10所示。
下面结合附图说明本发明的具体实施方案：
基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机，由电动机本体部分和控制器两部分组成，电动机本体部分包括：上部壳体端盖1、下部壳体端盖2、转动轴3、出线孔5、过线护圈9、电枢线圈组12、定子铁心支架13、定子铁心体15、转子铁心体16、钕铁硼永磁块17、上轴承18、下轴承19、轴套24，控制器部分包括：PCB板6、铝合金散热环14、功率VMOS管7、双核单片机8、控制电缆线30，其要点在于：电动机本体部分和控制器部分均封装在上部壳体端盖1和下部壳体端盖2所包围的空间内，所述的定子铁心支架13是一个采用阻燃耐高温工程塑料的带24个线圈护套31的圆环体，电枢线圈组12由24个线包组成，每个线包分别套装在定子铁心支架13的线圈护套21上，所述的定子铁心体15是先将一条长条形的铁基非晶合金带的一条长边上按照有序的间距，通过热切割机或用激光切割出铁心槽20，形成具有凹凸有序排列的长条形铁基非晶合金带，然后将其按照阿基米德螺旋线紧密卷绕，成形后的定子铁心体15是一个带有24个铁心凸极21和铁心槽20的空心圆柱体，再将定子铁心体15上的24个铁心凸极21分别插入定子铁心支架13的24个线圈护套31中，所述的转子铁心体16为铁基非晶合金组成的圆柱体，16块环状的钕铁硼永磁块17以浅掩埋方式嵌入转子铁心体16轴向的圆柱体平面中，所谓浅掩埋方式是指钕铁硼永磁块17以一面可见的方式嵌入到转子铁心体16的圆柱体轴向的平面中，然后将转子铁心体16紧密安装在由非导磁体材料构成的轴套24上，转动轴3穿过轴套24的中心，与转子铁心体16形成一体，所述的控制器元件全部焊接在PCB板6上，功率VMOS管7采用直插式焊接安装，功率VMOS管7的散热面通过定位装配孔22用螺丝分别固定在铝合金散热环14的功率VMOS管安装固定孔25处，所述的铝合金散热环14整体上为圆形，但是与功率VMOS管7散热面相接触之处却呈平面，铝合金散热环14上未安装功率VMOS管7的一段开有圆弧缺口23，铝合金散热环14上带有四个定位凸头27，所述的定子铁心支架13上有四个定位凹槽26，装配时，铝合金散热环14通过其四个定位凸头27刚好嵌入定子铁心支架13的四个定位凹槽26中。
所述的电机上部壳体端盖1和电机下部壳体端盖2均为铝合金压铸件，电机上部壳体端盖1上有一出线孔5，出线孔5中安装有过线护圈9，控制电缆线30的一端焊接在PCB板6上，另一端穿过相嵌在出线孔5中的过线护圈9后引出，电机上部壳体端盖1与电机下部壳体端盖2之间分别通过四颗固定螺丝4固定连成一体。
所述的控制电缆线30为8芯电缆线，分别代表电源正极（VCC）、地线（GND）、电机启动/停止（ENBL）、电机正反转（F/R）、制动信号(BRK)、调速（SPEED），VD(+5V)、公共端（COM），其电机启动/停止（ENBL）线外接电机启动/停止开关，电机正反转（F/R）线外接电机正反转开关，制动信号(BRK)线外接制动信号开关踏板，所述的调速（SPEED），VD(+5V)与公共端（COM）外接调速转把。
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。
所述电机上部壳体端盖1中有支撑上轴承18的上部壳体端盖内圆台阶28，电机下部壳体端盖2中有出轴孔36和支撑下轴承19的下部壳体端盖内圆台阶32，在PCB板6的中央位置有一个中心孔10，转动轴3的一端穿过PCB板6的中心孔10后套接上轴承18，上轴承18再镶嵌入上部壳体端盖内圆台阶28内，转动轴3的另一端套接下轴承19，下轴承19镶嵌入下部壳体端盖内圆台阶29中，转动轴3则从下部壳体端盖2上的出轴孔11伸出。
所述的转子铁心体16上浅掩埋的钕铁硼永磁块17与定子铁心体15上伸出的铁心凸极21在位置上有如下的关系，即16块环状的钕铁硼永磁块所处的外环半径和内环半径分别与定子铁心体15上所带的24个铁心凸极的横截面的外圆周半径和内圆周半径相同，这样，转子铁心体16转动时，浅掩埋其上的16块环状的钕铁硼永磁块17的可见面正对准并分别掠扫过定子铁心体15上的24个铁心凸极的横截面。
所述的电枢线圈组12由24个线包组成，每个线包均用无氧铜（OFC）线绕制，所谓的无氧铜线是不含氧或氧含量极低的纯铜，与传统的漆包线相比，无氧铜线的电阻率比常规漆包线更小，导电率高，由于无氧铜线表层没有氧化缺陷，使漆膜附着性增强，加工性能、耐蚀性能、柔软度和低温性能均好，其硬度小，易弯曲，下线方便，制成的线包回弹角小，其漆膜连续性和击穿电压指标优于传统的漆包线。特别有意义的是，无氧铜线通过采用电化学法和同位素辐照改性方法，改变了铜线表面的金属结构，同一根铜导线的表面适合传输5kHz以上的频率信号，而其中心适合传输5kHz以下的频率信号，从而使高、低频PWM控制信号各行其道，互相不干扰。
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。
本发明的新颖创造性在于：
1、采用铁基非晶合金带按照阿基米德螺旋线紧密卷绕成带凸极的定子铁心体，与叠片硅钢片铁芯相比，一方面，在频率1KHz情况下，非晶合金的铁心损耗为7.77w/kg,其涡流损耗可以下降17%，比硅钢定子铁心降低了58.8%；另一方面，由于定子铁心没有气隙，铁芯的磁通密度高，而铁芯的截面积可大为减小，铁损更小。
2、采用阻燃耐高温工程塑料设计的定子铁心支架，定子铁心支架的结构不但可用来支撑安装固定定子铁心体，而且其电枢线圈组的每个线包可均匀紧密地套装在定子铁心支架所带的线圈护套上，线圈产生的磁力线方向与铁心磁路几乎完全重合，因而漏磁小，使磁致伸缩应力很容易被吸收，因而保证了应用无噪音，且激磁能量和铁心损耗将减小25％。
3、为了降低成本，本发明采用了热导率仅仅为0.36W/(m.K),热膨胀系数为13～17ppm/K的普通PCB板，但设计了一个高导热系数的铝合金散热环，直接将功率VMOS管安装在高导热的铝合金散热环上，有效解决了其散热问题，同时其拓扑结构也解决了电机内嵌PCB板的安装固定问题。
4、转子铁心体采用了圆柱状的铁基非晶合金材料，其铁基非晶合金材料分别是由80%的铁（Fe）、20%的硅（Si）和硼（B）类金属元素所组成，具有优良的高磁通密度、低磁致伸缩系数和高效磁导率性能，是一种有别于硅钢片的电动机用绿色功能材料，由于转子铁心体没有气隙，且具有均匀圆形截面，所以电阻损耗和产热都非常低，与叠片铁芯相比，铁芯的磁通密度高，铁芯的截面积可大为减小
综上所述，本发明所提出的基于非晶合金的一体化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：
采用了电动机本体与控制器一体化的拓扑结构，而控制器是电动机的神经中枢，这一体系彻底改变了永磁无刷直流电动机与控制器分开设计、分开制造、分别安装，再连接使用的传统使用模式，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，适合额定功率不小于350W的永磁无刷直流电机。
在电动机制造的有效材料上，采用铁基非晶合金取代硅钢，应用于电动机定子铁心和转子铁心,在很大程度上降低铁损；通过采用无氧铜线绕制电枢线圈组的线包以降低铜损，使电动机的节能降耗效果明显，同时提高电动机的效率和功率密度。虽然选用了无氧铜线，价格偏高，但由于电磁系统磁通密度B高，与采用普通漆包线的同功率永磁无刷直流电动机相比，线包匝数可减少近10%，或者说又可省铜近10%。
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，既可用来支撑安装定子铁心体，消除机械应力对铁基非晶合金材料的影响，该定子铁心支架上的线圈护套又可作为安装电枢线圈组的线包骨架。
本发明还采用了一体化的定子铁心加工成型技术，通过计算机计算将定子铁心展开成一条凹凸有序排列的长条形铁基非晶合金带，再按照阿基米德螺旋线一次性紧密卷绕成型，这种定子铁心加工成型工艺简单，能够在很大程度上提高电动机的效率和功率密度,大大降低了定子铁心铁损。
采用高效低成本的双核单片机取代价格昂贵的DSP芯片，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。
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，提高了其导热系数和热的传导能力，很好地解决了功率VMOS管的散热问题和功率VMOS管的装配问题。
特别有意义的是，本发明所提出的基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机方案，不但是一种高功率密度和高效率的永磁无刷直流电动机，而且提供了一种低成本、可大规模生产、可实现永磁无刷直流电动机本体与控制器一体化的解决方案。无疑，新型电工材料的应用也代表了永磁无刷直流电动机节能的发展方向，其市场前景相当广阔。
Claims (7)
1.基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机，由电动机本体部分和控制器两部分组成，电动机本体部分包括：上部壳体端盖（1）、下部壳体端盖（2）、转动轴（3）、出线孔（5）、过线护圈（9）、电枢线圈组（12）、定子铁心支架（13）、定子铁心体（15）、转子铁心体（16）、钕铁硼永磁块（17）、上轴承（18）、下轴承（19）、轴套（24），控制器部分包括：PCB板（6）、铝合金散热环（14）、功率VMOS管（7）、双核单片机（8）、控制电缆线（30），其特征在于：电动机本体部分和控制器部分均封装在上部壳体端盖（1）和下部壳体端盖（2）所包围的空间内，所述的定子铁心支架（13）是一个采用阻燃耐高温工程塑料的带24个线圈护套（31）的圆环体，电枢线圈组（12）由24个线包组成，每个线包分别套装在定子铁心支架（13）的线圈护套（21）上，所述的定子铁心体（15）是先将一条长条形的铁基非晶合金带的一条长边上按照有序的间距，通过热切割机或用激光切割出铁心槽（20），形成具有凹凸有序排列的长条形铁基非晶合金带，然后将其按照阿基米德螺旋线紧密卷绕，成形后的定子铁心体（15）是一个带有24个铁心凸极（21）和铁心槽（20）的空心圆柱体，再将定子铁心体（15）上的24个铁心凸极（21）分别插入定子铁心支架（13）的24个线圈护套（31）中，所述的转子铁心体（16）为铁基非晶合金组成的圆柱体，16块环状的钕铁硼永磁块（17）以浅掩埋方式嵌入转子铁心体（16）轴向的圆柱体平面中，然后将转子铁心体（16）嵌入紧密安装在轴套（24）上，转动轴（3）穿过轴套（24）的中心，与转子铁心体（16）形成一体，所述的控制器元件全部焊接在PCB板（6）上，功率VMOS管（7）采用直插式焊接安装，功率VMOS管（7）的散热面通过定位装配孔（22）用螺丝分别固定在铝合金散热环（14）的功率VMOS管安装固定孔（25）处，所述的铝合金散热环（14）整体上为圆形，但是与功率VMOS管（7）散热面相接触之处却呈平面，铝合金散热环（14）上未安装功率VMOS管（7）的一段开有圆弧缺口（23），铝合金散热环（14）上带有四个定位凸头（27），所述的定子铁心支架（13）上有四个定位凹槽（26），装配时，铝合金散热环（14）通过其四个定位凸头（27）刚好嵌入定子铁心支架（13）的四个定位凹槽（26）中。
2.根据权利要求1所述的基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述的电机上部壳体端盖（1）和电机下部壳体端盖（2）均为铝合金压铸件，电机上部壳体端盖（1）上有一出线孔（5），出线孔（5）中安装有过线护圈（9），控制电缆线（30）的一端焊接在PCB板（6）上，另一端穿过相嵌在出线孔（5）中的过线护圈（9）后引出，电机上部壳体端盖（1）与电机下部壳体端盖（2）之间分别通过四颗固定螺丝（4）固定连成一体。
3.根据权利要求1或2所述的基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述的控制电缆线（30）为8芯电缆线，分别代表电源正极（VCC）、地线（GND）、电机启动/停止（ENBL）、电机正反转（F/R）、制动信号(BRK)、调速（SPEED），VD(+5V)、公共端（COM），其电机启动/停止（ENBL）线外接电机启动/停止开关，电机正反转（F/R）线外接电机正反转开关，制动信号(BRK)线外接制动信号开关踏板，所述的调速（SPEED），VD(+5V)与公共端（COM）外接调速转把。
4.根据权利要求1所述的基于非晶合金的一体化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。
5.根据权利要求1所述的基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述电机上部壳体端盖（1）中有支撑上轴承（18）的上部壳体端盖内圆台阶（28），电机下部壳体端盖（2）中有出轴孔（36）和支撑下轴承（19）的下部壳体端盖内圆台阶（32），在PCB板（6）的中央位置有一个中心孔（10），转动轴（3）的一端穿过PCB板（6）的中心孔（10）后套接上轴承（18），上轴承（18）再镶嵌入上部壳体端盖内圆台阶（28）内，转动轴（3）的另一端套接下轴承（19），下轴承（19）镶嵌入下部壳体端盖内圆台阶（29）中，转动轴（3）则从下部壳体端盖（2）上的出轴孔（11）伸出。
6.根据权利要求1所述的基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机，其特征在于：组成电枢线圈组（12）的24个线包均用无氧铜线（OFC）绕制。
7.根据权利要求1所述的基于非晶合金的一体化永磁无刷直流电动机，其特征在于：转子铁心体（16）上浅掩埋的钕铁硼永磁块（17）与定子铁心体（15）上伸出的铁心凸极（21）在位置上有如下的关系，即16块环状的钕铁硼永磁块所处的外环半径和内环半径分别与定子铁心体（15）上所带的24个铁心凸极的横截面的外圆周半径和内圆周半径相同，这样，转子铁心体（16）转动时，浅掩埋其上的16块环状的钕铁硼永磁块（17）的可见面正对准并分别掠扫过定子铁心体（15）上的24个铁心凸极的横截面。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107317452A (zh) * | 2017-08-21 | 2017-11-03 | 彭希南 | 一体化永磁无刷直流轮毂电机 |
| CN107332373A (zh) * | 2017-08-22 | 2017-11-07 | 彭希南 | 一种大扭矩带冷却水管的永磁无刷电机定子与转子结构 |
| CN111052543A (zh) * | 2017-09-29 | 2020-04-21 | 日立金属株式会社 | 径向间隙型旋转电机及其制造方法、旋转电机用齿片的制造装置、旋转电机用齿构件的制造方法 |
| WO2020107891A1 (zh) * | 2018-11-29 | 2020-06-04 | 山西百晓可瑞科技有限公司 | 一种电机 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101256884A (zh) * | 2007-12-29 | 2008-09-03 | 北京中机联供非晶科技发展有限公司 | 非晶铁芯的生产方法 |
| KR20120096638A (ko) * | 2011-02-23 | 2012-08-31 | 주식회사 고아정공 | 더블로터 및 싱글스테이터형 ｂｌｄｃ 모터 |
| US20130057105A1 (en) * | 2011-09-02 | 2013-03-07 | Dean James Patterson | Permanent magnet motors and methods of assembling the same |
| CN203660843U (zh) * | 2013-12-05 | 2014-06-18 | 广州迪生泵业有限公司 | 带内置变频器的永磁同步电机 |
-
2016
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101256884A (zh) * | 2007-12-29 | 2008-09-03 | 北京中机联供非晶科技发展有限公司 | 非晶铁芯的生产方法 |
| KR20120096638A (ko) * | 2011-02-23 | 2012-08-31 | 주식회사 고아정공 | 더블로터 및 싱글스테이터형 ｂｌｄｃ 모터 |
| US20130057105A1 (en) * | 2011-09-02 | 2013-03-07 | Dean James Patterson | Permanent magnet motors and methods of assembling the same |
| CN203660843U (zh) * | 2013-12-05 | 2014-06-18 | 广州迪生泵业有限公司 | 带内置变频器的永磁同步电机 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107317452A (zh) * | 2017-08-21 | 2017-11-03 | 彭希南 | 一体化永磁无刷直流轮毂电机 |
| CN107332373A (zh) * | 2017-08-22 | 2017-11-07 | 彭希南 | 一种大扭矩带冷却水管的永磁无刷电机定子与转子结构 |
| CN111052543A (zh) * | 2017-09-29 | 2020-04-21 | 日立金属株式会社 | 径向间隙型旋转电机及其制造方法、旋转电机用齿片的制造装置、旋转电机用齿构件的制造方法 |
| CN111052543B (zh) * | 2017-09-29 | 2022-03-25 | 日立金属株式会社 | 径向间隙型旋转电机及其制造方法、旋转电机用齿片的制造装置、旋转电机用齿构件的制造方法 |
| WO2020107891A1 (zh) * | 2018-11-29 | 2020-06-04 | 山西百晓可瑞科技有限公司 | 一种电机 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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