CN108599470A - 一种开放式永磁无刷直流电机机芯 - Google Patents

Abstract

一种开放式永磁无刷直流电机机芯，包括转子铁心体、定子铁心体，永磁体、转轴、线包、PCB电路板、单片机、433MHz无线接收模块、支架体，其要点在于：所述的一种开放式永磁无刷直流电机机芯没有外壳，但包括电机电磁运转部件与电子控制部件，结构上，两者通过支架体结合为一体，直接采用220V市电供电驱动；功能上，本发明将机电、节能驱动、在线保护和无线遥控技术合为一体，对外连接线极少，具有性价比高，装配简单和应用的广谱性，特别适合作为一种通用开放的三相永磁无刷直流电机机芯部件嵌入到其它控制设备中，提供了一种低成本、可大规模生产和便于维护的永磁无刷直流电机机芯的解决方案，具有很好的应用前景。

Description

一种开放式永磁无刷直流电机机芯

技术领域

本发明涉及一种开放式永磁无刷直流电机机芯，主要应用于家用电器、电动工具、工业机器人、新型医疗仪器、新能源电动汽车、工业自动化设备。

背景技术

电机是将电能转化为机械能的装置。目前电机产品的效率普遍有待提高，而且大多数的直流电机都是有刷的，转子上带换相器。永磁式电机的转矩/惯性比高，无转子损耗和发热现象，能源利用率高，而重量仅仅相当于同功率的交流异步电机重量的45.8%。三相永磁无刷直流电机之所以节能，主要原因是其励磁来源于永磁体，无须额外吸收励磁电流，导致其效率和功率的乘积比同容量的交流异步电机高12%至20%，遗憾地是，现有的三相永磁无刷直流电机都不能单独使用，要与外置的电机控制器配套使用，因此使用起来反而显得麻烦。

如何在结构上设计一种开放式的三相永磁无刷直流电机机芯，然后与第三方提供的电机外壳相配套，做成不同的机电产品，这是本发明的初衷。

如何使这种直接通电就可使用的三相永磁无刷直流电机最大限度地减少控制连线，具有应用的广谱性，这是本发明的第二个目标。

通常，三相永磁无刷直流电机为了减少转动惯量，习惯于采用细长结构，结果导致机电合一后的三相永磁无刷直流电机更加细长，顺便产生了永磁材料的加工难题，如何使这种三相永磁无刷直流电机在结构上尽量缩短转轴，以利于永磁材料的加工，这是本发明的第三个目标。

发明内容

据此，本发明改变了传统三相永磁无刷直流电机的拓扑结构，提出了一种开放式永磁无刷直流电机机芯设计方案，将除开轴承和外壳以外的三相永磁无刷直流电机的电磁运转部件与电子控制部件合二为一，使其成为一种开放式的三相永磁无刷直流电机机芯，具体内容如下：

一种开放式永磁无刷直流电机机芯，由电磁运转部件与电子控制部件组成，所述的电磁运转部件包括：转子铁心体、定子铁心体，永磁体、转轴、线包；所述的电子控制部件包括：PCB电路板、433MHz无线接收模块、单片机、驱动芯片、脉宽调制芯片、功率管、VMOS管、电源滤波器、整流桥、高频变压器、电流精密采样电阻，其要点在于：

所述的一种开放式永磁无刷直流电机机芯的电磁运转部件与电子控制部件通过支架体结合为一体，直接采用220V市电供电；

所述的电磁运转部件上的转子铁心体上开有永磁体嵌槽，在转子铁心体的边沿处、两个相邻的永磁体嵌槽之间开有分隔槽，所述的永磁体嵌入到永磁体嵌槽中；所述的转轴上带一个转轴圆盘，转轴圆盘紧密地嵌入转子铁心体中；所述的定子铁心体上开有线包嵌槽，定子铁心体的边沿处有支架脚嵌槽，所述的支架脚嵌槽为开口的圆形，所述的线包嵌入线包嵌槽中；

所述的电子控制部件由PCB电路板构成，所述的PCB电路板为圆环形，上面丝印刷有三种电路，一是永磁无刷直流电机驱动电路，二是脉宽调制开关电源电路，三是由433MHz无线接收模块60组成的无线遥控电路；

所述的PCB电路板上焊接有433MHz无线接收模块、单片机、驱动芯片、脉宽调制芯片、功率管、VMOS管、电源滤波器、整流桥、高频变压器、编程下载插座、电流精密采样电阻，所述的PCB电路板上开有220V市电接线焊孔、PCB电路板安装孔，所述的PCB电路板的边沿开有矩形定位开口，所述的VMOS管的散热面通过螺丝固定在弧形散热片上；

所述的单片机为核心器件，其I/O引脚与驱动芯片的输入引脚相连，驱动芯片的输出引脚与VMOS管的栅极相连, 433MHz无线接收模块的输出引脚与单片机上的串行引脚相连，所述的电流精密采样电阻的采样数据送单片机的A/D引脚，所述的编程下载插座与单片机的程序下载引脚相连；

220V的电源线直接焊接在220V市电接线焊孔处，经电源滤波器、整流桥后送高频变压器的高压输入侧的一端，高频变压器的高压输入侧的另一端接功率管，功率管的控制端接电流型的脉宽调制芯片的输出引脚，高频变压器的低压输出侧的电压信号整流滤波后提供PCB电路板的工作电源，同时反馈给脉宽调制芯片；

所述的支架体为圆环形，边沿处伸出一段弧形衬板，中央处带圆形内衬板，所述的支架体上带有支架内台阶，支架内台阶上有凸出的定位矩形块，支架体的底部带支架脚台阶，支架脚台阶上伸出支架脚，支架脚上有角形开槽；

所述的支架体的支架脚可插入定子铁心体的边沿处开有支架脚嵌槽中，所述的圆环形PCB电路板放入支架体中，PCB电路板上的矩形定位开口刚好嵌入支架体的定位矩形块中，支架体边沿处的弧形衬板与弧形散热片相对接，螺丝穿过PCB电路板安装孔后将其拧在支架内台阶的安装孔中，使PCB电路板、支架体和定子铁心体连接为一体。

更进一步，所述的支架体采用难燃品级的94HB工程塑料注塑而成。

更进一步，所述的永磁体采用钕铁硼材料。

附图说明

为了清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显然，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以举一反三，根据这些附图获得其它的类似附图。

图1一种开放式永磁无刷直流电机机芯外形图一；

图2一种开放式永磁无刷直流电机机芯外形图二；

图3一种开放式永磁无刷直流电机机芯外形图三；

图4一种开放式永磁无刷直流电机机芯外形图四

图5一种开放式永磁无刷直流电机机芯分解图一；

图6一种开放式永磁无刷直流电机机芯分解图二；

图7一种开放式永磁无刷直流电机机芯分解图三；

图8一种开放式永磁无刷直流电机机芯分解图四；

图9一种开放式永磁无刷直流电机机芯分解图五；

图10PCB电路板的视图；

图11PCB电路板正视图；

图12支架体视图一；

图13支架体视图二。

标号说明：

1 转子铁心体

11 永磁体嵌槽

12 分隔槽

2 定子铁心体

21 线包嵌槽

22 支架脚嵌槽

3 永磁体

4 转轴

41 转轴圆盘

5 线包

6 PCB电路板

60 433MHz无线接收模块

61 单片机

62 驱动芯片

63 脉宽调制芯片

64 功率管

65 VMOS管

66 弧形散热片

67 电源滤波器

68 整流桥

69 高频变压器

690 220V市电接线焊孔

691 矩形定位开口

692 编程下载插座

693 PCB电路板安装孔

694 电流精密采样电阻

7 支架体

71 圆形内衬板

72 支架脚

73 支架脚台阶

74 角形开槽

75 弧形衬板

76 支架内台阶

77 定位矩形块

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式：

一种开放式永磁无刷直流电机机芯，由电磁运转部件与电子控制部件组成，所述的电磁运转部件包括：转子铁心体1、定子铁心体2，永磁体3、转轴4、线包5；所述的电子控制部件包括：PCB电路板6、433MHz无线接收模块60、单片机61、驱动芯片62、脉宽调制芯片63、功率管64、VMOS管65、电源滤波器67、整流桥68、高频变压器69、电流精密采样电阻694，其要点在于：

所述的一种开放式永磁无刷直流电机机芯的电磁运转部件与电子控制部件通过支架体7结合为一体，直接采用220V市电供电；

所述的电磁运转部件上的转子铁心体1上开有永磁体嵌槽11，在转子铁心体1的边沿处、两个相邻的永磁体嵌槽11之间开有分隔槽12，所述的永磁体3嵌入到永磁体嵌槽11中；所述的转轴4上带一个转轴圆盘41，转轴圆盘41紧密地嵌入转子铁心体1中；所述的定子铁心体2上开有线包嵌槽21，定子铁心体2的边沿处有支架脚嵌槽22，所述的支架脚嵌槽22为开口的圆形，所述的线包5嵌入线包嵌槽21中；

所述的电子控制部件由PCB电路板6构成，所述的PCB电路板6为圆环形，上面丝印刷有三种电路，一是永磁无刷直流电机驱动电路，二是脉宽调制开关电源电路，三是由433MHz无线接收模块60组成的无线遥控电路；

所述的PCB电路板6上焊接有433MHz无线接收模块60、单片机61、驱动芯片62、脉宽调制芯片63、功率管64、VMOS管65、电源滤波器67、整流桥68、高频变压器69、编程下载插座692、电流精密采样电阻694，所述的PCB电路板6上开有220V市电接线焊孔690、PCB电路板安装孔693，所述的PCB电路板6的边沿开有矩形定位开口691，所述的VMOS管65的散热面通过螺丝固定在弧形散热片66上；

所述的单片机61为核心器件，其I/O引脚与驱动芯片62的输入引脚相连，驱动芯片62的输出引脚与VMOS管的栅极相连, 433MHz无线接收模块60的输出引脚与单片机61上的串行引脚相连，所述的电流精密采样电阻的采样数据送单片机61的A/D引脚，所述的编程下载插座692与单片机61的程序下载引脚相连；

220V的电源线直接焊接在220V市电接线焊孔690处，经电源滤波器67、整流桥68后送高频变压器69的高压输入侧的一端，高频变压器69的高压输入侧的另一端接功率管64，功率管64的控制端接电流型的脉宽调制芯片63的输出引脚，高频变压器69的低压输出侧的电压信号整流滤波后提供PCB电路板6的工作电源，同时反馈给脉宽调制芯片63；

所述的支架体7为圆环形，边沿处伸出一段弧形衬板75，中央处带圆形内衬板71，所述的支架体7上带有支架内台阶76，支架内台阶76上有凸出的定位矩形块77，支架体7的底部带支架脚台阶73，支架脚台阶73上伸出支架脚72，支架脚72上有角形开槽74；

所述的支架体7的支架脚72可插入定子铁心体2的边沿处开有支架脚嵌槽22中，所述的圆环形PCB电路板6放入支架体7中，PCB电路板6上的矩形定位开口691刚好嵌入支架体7的定位矩形块77中，支架体7边沿处的弧形衬板75与弧形散热片66相对接，螺丝穿过PCB电路板安装孔693后将其拧在支架内台阶76的安装孔中，使PCB电路板6、支架体7和定子铁心体2连接为一体。

所述的支架体7采用难燃品级的94HB工程塑料注塑而成。

所述的永磁体3采用钕铁硼材料。

应指出的是，本发明中没有使用霍尔位置传感器元件，而是采用了硬件柔化的基于反电势法检测的起动技术，以实现无霍尔位置传感器的电动机转子检测控制，算法上采用反电势磁链估计法和扩展卡尔曼滤波法方案，这些内容属于公知技术，不属于本发明方案论证的范围。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明改变了传统三相永磁无刷直流电机的拓扑结构模式，在结构上，整个电机机芯通过支架体将除开轴承和外壳以外的三相永磁无刷直流电机部件及电子控制部件合二为一、机电一体，因此这不是两个单独的技术，而是一个综合的技术；单片机內驻三相永磁无刷直流电机驱动程序和遥控命令解释程序，使其成为一款能外接220V市电、装上电机外壳后，通电就可使用的三相永磁无刷直流电机。

2. 本发明通过电流精密采样电阻作为电流监测元件，从而加强了单片机对电机的在线电流检测，可及时控制应对浪涌电流或短路故障，对VMOS管起到很好的保护作用。

3.结构上，所述的支架体自带一段弧形衬板，巧妙地实现了VMOS管与弧形散热片之间的固定、对接和散热。

4.本发明采用了433MHz无线接收模块，单片机的串行引脚接收到来自433MHz无线接收模块输出的数据后，经解码运算，可对三相永磁无刷直流电机驱动电路进行运转、停止、反向、加速、减速进行实时控制，即意味着这种三相永磁无刷直流电机可以利用无线免费频道实施遥控操作，从而无须另加控制线，这是本发明的一大特色。

5.本发明设计成开放的机芯型式，没有画出具体的电机外壳，发明人希望本发明具有应用的广谱性，即可作为一种通用的三相永磁无刷直流电机机芯部件直接嵌入到其它控制设备中，以降低成本。

6. 本发明实质性的改变在于，所述的三相永磁无刷直流电机机芯还将电磁转动、节能驱动、在线保护和无线遥控技术合为一体，性价比高，装配简单，具有应用的广谱属性，也提供了一种低成本、可大规模生产和便于维护的一种开放式永磁无刷直流电机机芯的解决方案。

显然，世界上没有能量什么也不会发生，没有电机当然什么也不会转动，没有想象也就没有什么愿景，没有公开的信息什么也没有意义，本发明的意图正在如此。

上述为本发明的优选实施方案。说明书中阐述了本发明的原理、要旨和实施方式，仅用于帮助理解本发明核心思想，而不应理解为对本发明的限制。所属领域的技术人员都明白，在不脱离所附权利说明书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和细节上对本发明所作出的各种变化，都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种开放式永磁无刷直流电机机芯，由电磁运转部件与电子控制部件组成，所述的电磁运转部件包括：转子铁心体（1）、定子铁心体（2），永磁体（3）、转轴（4）、线包（5）；所述的电子控制部件包括：PCB电路板（6）、433MHz无线接收模块（60）、单片机（61）、驱动芯片（62）、脉宽调制芯片（63）、功率管（64）、VMOS管（65）、电源滤波器（67）、整流桥（68）、高频变压器（69）、电流精密采样电阻（694），其特征在于：

所述的一种开放式永磁无刷直流电机机芯的电磁运转部件与电子控制部件通过支架体（7）结合为一体，直接采用220V市电供电；

所述的电磁运转部件上的转子铁心体（1）上开有永磁体嵌槽（11），在转子铁心体（1）的边沿处、两个相邻的永磁体嵌槽（11）之间开有分隔槽（12），所述的永磁体（3）嵌入到永磁体嵌槽（11）中；所述的转轴（4）上带一个转轴圆盘（41），转轴圆盘（41）紧密地嵌入转子铁心体（1）中；所述的定子铁心体（2）上开有线包嵌槽（21），定子铁心体（2）的边沿处有支架脚嵌槽（22），所述的支架脚嵌槽（22）为开口的圆形，所述的线包（5）嵌入线包嵌槽（21）中；

所述的电子控制部件由PCB电路板（6）构成，所述的PCB电路板（6）为圆环形，上面丝印刷有三种电路，一是永磁无刷直流电机驱动电路，二是脉宽调制开关电源电路，三是由433MHz无线接收模块（60）组成的无线遥控电路；

所述的PCB电路板（6）上焊接有433MHz无线接收模块（60）、单片机（61）、驱动芯片（62）、脉宽调制芯片（63）、功率管（64）、VMOS管（65）、电源滤波器（67）、整流桥（68）、高频变压器（69）、编程下载插座（692）、电流精密采样电阻（694），所述的PCB电路板（6）上开有220V市电接线焊孔（690）、PCB电路板安装孔（693），所述的PCB电路板（6）的边沿开有矩形定位开口（691），所述的VMOS管（65）的散热面通过螺丝固定在弧形散热片（66）上；

所述的单片机（61）为核心器件，其I/O引脚与驱动芯片（62）的输入引脚相连，驱动芯片（62）的输出引脚与VMOS管的栅极相连, 433MHz无线接收模块（60）的输出引脚与单片机（61）上的串行引脚相连，所述的电流精密采样电阻的采样数据送单片机（61）的A/D引脚，所述的编程下载插座（692）与单片机（61）的程序下载引脚相连；

220V的电源线直接焊接在220V市电接线焊孔（690）处，经电源滤波器（67）、整流桥（68）后送高频变压器（69）的高压输入侧的一端，高频变压器（69）的高压输入侧的另一端接功率管（64），功率管（64）的控制端接电流型的脉宽调制芯片（63）的输出引脚，高频变压器（69）的低压输出侧的电压信号整流滤波后提供PCB电路板（6）的工作电源，同时反馈给脉宽调制芯片（63）；

所述的支架体（7）为圆环形，边沿处伸出一段弧形衬板（75），中央处带圆形内衬板（71），所述的支架体（7）上带有支架内台阶（76），支架内台阶（76）上有凸出的定位矩形块（77），支架体（7）的底部带支架脚台阶（73），支架脚台阶（73）上伸出支架脚（72），支架脚（72）上有角形开槽（74）；

所述的支架体（7）的支架脚（72）可插入定子铁心体（2）的边沿处开有支架脚嵌槽（22）中，所述的圆环形PCB电路板（6）放入支架体（7）中，PCB电路板（6）上的矩形定位开口（691）刚好嵌入支架体（7）的定位矩形块（77）中，支架体（7）边沿处的弧形衬板（75）与弧形散热片（66）相对接，螺丝穿过PCB电路板安装孔（693）后将其拧在支架内台阶（76）的安装孔中，使PCB电路板（6）、支架体（7）和定子铁心体（2）连接为一体。

2.根据权利要求1所述的一种开放式永磁无刷直流电机机芯，其特征在于：所述的支架体（7）采用难燃品级的94HB工程塑料注塑而成。

3.根据权利要求1所述的一种开放式永磁无刷直流电机机芯，其特征在于：所述的永磁体（3）采用钕铁硼材料。