CN108730218A - 一种全自动变频调速换气扇 - Google Patents

Abstract

一种全自动变频调速换气扇，包括换气扇风框、风扇叶、空气质量传感器及三相永磁无刷直流马达及控制机芯，其要点在于：换气扇风框上安装有空气质量传感器，被检测的空气穿过感应网罩进入空气质量传感器中，空气质量传感信号送到单片机，由单片机全程自动控制排气或换气操作，并根据室内空气的浑浊度或异味度变频调速；所述的三相永磁无刷直流马达及控制机芯通过支架体连接在一起，然后封装在马达上壳体和马达下壳体中，再安装在马达安装中框中，所述的控制机芯的PCB电路板上焊接有433MHz无线接收模块，可对换气扇进行排气、换气、停止、加速、减速遥控操作；本发明提供了一款低成本、低噪音的全自动变频调速换气扇的解决方案。

Description

一种全自动变频调速换气扇

技术领域

本发明涉及一种全自动变频调速换气扇，该换气扇自带空气质量传感器，主要应用于家庭以及公共场所。

背景技术

风扇是由电机带动风叶旋转驱动气流，使室内外空气交换的一类空气调节电器。风叶转动时，利用扇叶本身的攻角，在扇叶上方形成局部的真空，由柏努利原理可知，因压力差的关系，可将扇叶上方的空气，吸入扇叶下方，形成空气强制气流。通常，风扇类电器又有排气扇与换气扇之分，排气扇只能局部排风，不能进风，室内外空气不能实现流通，排气的目的就是要除去室内的污浊空气；换气扇的电机有两个转向,既有排气扇的功能,还能反过来向室内吹进新鲜空气，换气的目的一方面是要除去室内的污浊空气，另一方面是要调节温度、湿度和人体感觉。无论是排气扇或是换气扇，几十年一贯制都是手动操作，采用单相电容运转异步电动机，转速恒定，噪音大，一般安装在厕所、厨房内，不能安装在卧室或育婴房中。

据此，本发明提出了一种全自动变频调速换气扇设计方案，这种方案的驱动部件采用了一种开放式永磁无刷直流电机机芯技术，自带空气质量传感器，因此能最大限度地降低换气扇的制造成本，实现高性价比。更重要的是，换气扇采用开放式永磁无刷直流电机机芯，并与空气质量传感器相结合，可以实现换气扇的全自动操作，可根据室内空气质量实现智能的变频调速，自动调节室内空气的换气流通速度而无须人工干预；该换气扇还支持无线遥控操作，实现人机对话。由于开放式永磁无刷直流电机机芯采用交流供电，却工作在直流状态，因此允许软启动与低噪音运转，也更节能环保，可安装在厨房、卧室、医院检查治疗室或育婴房中，是家庭及公共场所换气扇的高端换代产品。

发明内容

本发明提出了一种全自动变频调速换气扇设计方案，该方案涉及以下方面的内容，一是换气扇如何与它的核心部件即开放式永磁无刷直流电机机芯结合为一体；二是换气扇如何与空气质量传感器相结合，实现扇叶的全自动转动换向以及变频调速；三是换气扇如何实现无线遥控操作。具体内容如下：

一种全自动变频调速换气扇，包括换气扇风框、 风扇叶、空气质量传感器以及开放式永磁无刷直流电机机芯，所述的开放式永磁无刷直流电机机芯为一体化结构，由两部分组成，其中三相永磁无刷直流电机部分，包括转子铁心体、定子铁心体，永磁体、转轴、线包，控制机芯部分包括PCB电路板和支架体，其特征在于：

换气扇风框的上安装有空气质量传感器，所述的空气质量传感器自带感应网罩，被检测的空气通过感应网罩进入空气质量传感器中，所述的空气质量传感器的顶端带发光二极管，其底座上带安装外螺纹；

所述的换气扇风框的中央有一圆形开口，圆形开口的边沿处镂有风框内螺纹，所述的换气扇网罩上镂刻有外螺纹，通过内螺纹与外螺纹接口，换气扇网罩可旋入换气扇风框的圆形开口处；

所述的电机上壳体的中心处有一出轴孔，电机上壳体内侧壁上带有定位肋条；

所述的电机下壳体上有一个出线孔，市电220V电源线和来自空气质量传感器的输出信号线可穿过出线孔；

所述的换气扇风框圆形开口的中心处有电机安装中框；

所述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，所述的永磁体采用钕铁硼材料，嵌入到永磁体嵌槽中；

所述的转轴上带一个转轴圆盘，转轴上套接有上轴承和下轴承，所述的转轴圆盘紧密地嵌入转子铁心体中，所述的上轴承安装在电机上壳体的出轴孔的台阶处，下轴承安装在电机下壳体的中心的台阶处，转轴从电机上壳体的中心出轴孔处伸出后接风扇叶；

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PCB电路板为圆环形，上面焊接有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，边沿处还开有矩形定位开口，

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PCB电路板上的元器件具有如下的连接关系：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以及空气质量传感器的信号线分别送单片机的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；

市电220V的电源线焊接在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输入侧的一端，高频变压器的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，高频变压器的输出侧的电压信号经整流滤波后提供PCB电路板电源，同时反馈给脉宽调制芯片；

所述的支架体为圆环形，采用难燃品级的94HB工程塑料注塑而成，其边沿处伸出一段弧形衬板，中央处带圆形内衬板，所述的支架体上有支架内台阶，所述的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并伸出支架脚，支架脚上有角形开槽；

三相永磁无刷直流电机部分装配时，所述的支架体的支架脚插入定子铁心体的边沿处开有支架脚嵌槽中，使PCB电路板、支架体和定子铁心体连接为一体，再紧密地装入上壳体中，支架脚上的角形开槽与电机上壳体内侧的定位肋条相吻合；

控制机芯部分装配时，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，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紧在支架内台阶的安装孔中；

所述的三相永磁无刷直流电机部分和控制机芯部分通过支架体连接在一起后，再封装在电机上壳体和电机下壳体所包围的空间中，然后，将合拢后的电机上壳体和电机下壳体安装在电机安装中框中。

所述的空气质量传感器顶端的发光二极管为三色发光二极管，换气扇的扇叶顺时针转动时，发红光；换气扇的扇叶逆时针转动时，发黄光；换气扇的扇叶停止转动时发绿光；发光二极管以不同的颜色来指示不同的运行工况，而闪烁的快慢与扇叶的转速同步。

所述的433MHz无线接收模块可接受手持无线遥控器操作，载频频段为免费的433MHz公共频道。

附图说明

图1 一种全自动变频调速换气扇外形图；

图2 一种全自动变频调速换气扇爆炸图一；

图3 一种全自动变频调速换气扇爆炸图二；

图4 开放式永磁无刷直流电机机芯爆炸图一；

图5 开放式永磁无刷直流电机机芯爆炸图二；

图6 开放式永磁无刷直流电机机芯爆炸图三；

图7 开放式永磁无刷直流电机机芯爆炸图四；

图8 开放式永磁无刷直流电机机芯爆炸图五；

图9 PCB电路板视图；

图10 支架体视图一；

图11 支架体视图二；

图12 开放式永磁无刷直流电机机芯视图；

图13 空气质量传感器视图。

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

8 换气扇风框

81 风扇叶

82 风框内螺纹

83 空气质量传感器

831 感应网罩

832 发光二极管

833 安装外螺纹

84 电机安装中框

9 换气扇网罩

91 外螺纹

10 电机上壳体

11 电机下壳体

12 出线孔

13 上轴承

14 下轴承

15 定位肋条

具体实施方式

本发明如图1至图13所示。为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显然，其描述中的附图仅仅是本发明的具体实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

一种全自动变频调速换气扇，包括换气扇风框8、 风扇叶81、空气质量传感器83以及开放式永磁无刷直流电机机芯，所述的开放式永磁无刷直流电机机芯为一体化结构，由两部分组成，其中三相永磁无刷直流电机部分，包括转子铁心体1、定子铁心体2，永磁体3、转轴4、线包5，控制机芯部分包括PCB电路板6和支架体7，其要点在于：

换气扇风框8的上安装有空气质量传感器83，所述的空气质量传感器83自带感应网罩831，被检测的空气通过感应网罩831进入空气质量传感器83中，所述的空气质量传感器83的顶端带发光二极管832，其底座上带安装外螺纹833；

所述的换气扇风框8的中央有一圆形开口，圆形开口的边沿处镂有风框内螺纹82，所述的换气扇网罩9上镂刻有外螺纹91，通过内螺纹与外螺纹接口，换气扇网罩9可旋入换气扇风框8的圆形开口处；

所述的电机上壳体10的中心处有一出轴孔，电机上壳体10内侧壁上带有定位肋条15；

所述的电机下壳体11上有一个出线孔12，市电220V电源线和来自空气质量传感器83的输出信号线可穿过出线孔12；

所述的换气扇风框8圆形开口的中心处有电机安装中框84；

所述的转子铁心体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采用钕铁硼材料，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4上套接有上轴承13和下轴承14，所述的转轴圆盘41紧密地嵌入转子铁心体1中，所述的上轴承13安装在电机上壳体10的出轴孔的台阶处，下轴承14安装在电机下壳体11的中心的台阶处，转轴4从电机上壳体10的中心出轴孔处伸出后接风扇叶81；

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PCB电路板6为圆环形，上面焊接有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，边沿处还开有矩形定位开口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PCB电路板6上的元器件具有如下的连接关系：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65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694的采样数据以及空气质量传感器83的信号线分别送单片机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；

市电220V的电源线焊接在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的输入侧的一端，高频变压器69的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的输出侧的电压信号经整流滤波后提供PCB电路板6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，采用难燃品级的94HB工程塑料注塑而成，其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上有支架内台阶76，所述的支架内台阶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并伸出支架脚72，支架脚72上有角形开槽74；

三相永磁无刷直流电机部分装配时，所述的支架体7的支架脚72插入定子铁心体2的边沿处开有支架脚嵌槽22中，使PCB电路板6、支架体7和定子铁心体2连接为一体，再紧密地装入上壳体10中，支架脚72上的角形开槽74与电机上壳体10内侧的定位肋条15相吻合；

控制机芯部分装配时，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，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后将其拧紧在支架内台阶76的安装孔中；

所述的三相永磁无刷直流电机部分和控制机芯部分通过支架体7连接在一起后，再封装在电机上壳体10和电机下壳体11所包围的空间中，然后，将合拢后的电机上壳体10和电机下壳体11安装在电机安装中框84中。

所述的空气质量传感器83顶端的发光二极管832为三色发光二极管，换气扇的扇叶顺时针转动时，发红光；换气扇的扇叶逆时针转动时，发黄光；换气扇的扇叶停止转动时发绿光；发光二极管832以不同的颜色来指示不同的运行工况，而闪烁的快慢与扇叶的转速同步。

所述的433MHz无线接收模块60可接受手持无线遥控器操作，载频频段为免费的433MHz公共频道。

应指出的是，换气扇通常都安装在室内的高处，所以，本换气扇上无任何额外的开关或按钮，为了实现人机对话，PCB电路板6上安装了433MHz无线接收模块60，单片机61的串行引脚接收到来自433MHz无线接收模块60输出的数据后，经解码运算，可对换气扇进行无线人工控制，无须另加控制线，这是本发明的另一大特色。

本发明通过电流精密采样电阻作为电流监测元件，加强了对换气扇电机的在线电流检测，可及时应对浪涌电流或电压突变，对VMOS管起到很好的保护作用。

本发明中，空气质量传感器83全程监控室内的空气质量，当室内的空气污浊时，空气质量传感器83自动发出信号，通知单片机61进行排气操作；当室内空气质量不佳时，空气质量传感器83通知单片机61自动进行换气操作，并适时进行变频调速，全程无须人工干预，这是本发明的一大特色。

本发明所提出的一种全自动变频调速换气扇，具有如下有益效果：

1.本发明是一款采用开放式永磁无刷直流电机机芯与空气质量传感器的高端换气扇，采用交流供电，却工作在直流状态，可以方便地变频调速，从而改变了人们对换气扇的认知：原来还有这样的换气扇。

2.本发明所配套的开放式永磁无刷直流电机机芯是本换气扇的核心部件，将三相永磁无刷直流电机本体与控制机芯结合在一起，支架体起到了承上启下的作用，既是安装PCB电路板的衬体，又巧妙地承担了与三相永磁无刷直流电机部分的合体装配，结构上相当合理简洁，从而提供了一种低成本、低噪音、节能环保，可大规模生产、便于维护的变频调速换气扇的解决方案。

3.安装在换气扇风框上的空气质量传感器全程监控室内的空气质量，通过单片机控制算法全自动完成排气或换气操作，并根据室内空气的浑浊度或异味自动变频调速，无须人工干预，这是本发明的一大特色。

4.本发明采用了433MHz无线接收模块，可对换气扇进行人为干预，实现排气、换气、停止、加速、减速无线遥控操作。

虽然，换气扇是市场上一个老掉牙的产品，但随着人居环境的改善以及对人们对厨房和居室空气质量的要求，人们开始对换气扇有了多样化的需求，并开始青睐高端的换气扇产品，而市场恰恰是创新的函数，创新的背后往往蕴藏着巨大的市场诉求，这正是本发明的初衷。

上述为本发明的优选实施方案。本说明书中，应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，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)

1.一种全自动变频调速换气扇，包括换气扇风框（8）、 风扇叶（81）、空气质量传感器（83）以及三相永磁无刷直流马达及控制机芯，所述的三相永磁无刷直流马达及控制机芯为一体化结构，由两部分组成，其中三相永磁无刷直流马达部分，包括转子铁心体（1）、定子铁心体（2），永磁体（3）、转轴（4）、线包（5），控制机芯部分包括PCB电路板（6）和支架体（7），其特征在于：

换气扇风框（8）的上安装有空气质量传感器（83），所述的空气质量传感器（83）自带感应网罩（831），被检测的空气通过感应网罩（831）进入空气质量传感器（83）中，所述的空气质量传感器（83）的顶端带发光二极管（832），其底座上带安装外螺纹（833）；

所述的换气扇风框（8）的中央有一圆形开口，圆形开口的边沿处镂有风框内螺纹（82），所述的换气扇网罩（9）上镂刻有外螺纹（91），通过内螺纹与外螺纹接口，换气扇网罩（9）可旋入换气扇风框（8）的圆形开口处；

所述的马达上壳体（10）的中心处有一出轴孔，马达上壳体（10）内侧壁上带有定位肋条（15）；

所述的马达下壳体（11）上有一个出线孔（12），市电220V电源线和来自空气质量传感器（83）的输出信号线可穿过出线孔（12）；

所述的换气扇风框（8）圆形开口的中心处有马达安装中框（84）；

所述的转子铁心体（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）采用钕铁硼材料，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（4）上套接有上轴承（13）和下轴承（14），所述的转轴圆盘（41）紧密地嵌入转子铁心体（1）中，所述的上轴承（13）安装在马达上壳体（10）的出轴孔的台阶处，下轴承（14）安装在马达下壳体（11）的中心的台阶处，转轴（4）从马达上壳体（10）的中心出轴孔处伸出后接风扇叶（81）；

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PCB电路板（6）为圆环形，上面焊接有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），边沿处还开有矩形定位开口（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PCB电路板（6）上的元器件具有如下的连接关系：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（65）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（694）的采样数据以及空气质量传感器（83）的信号线分别送单片机（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；

市电220V的电源线焊接在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）的输入侧的一端，高频变压器（69）的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）的输出侧的电压信号经整流滤波后提供PCB电路板（6）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，采用难燃品级的94HB工程塑料注塑而成，其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）上有支架内台阶（76），所述的支架内台阶（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）并伸出支架脚（72），支架脚（72）上有角形开槽（74）；

三相永磁无刷直流马达部分装配时，所述的支架体（7）的支架脚（72）插入定子铁心体（2）的边沿处开有支架脚嵌槽（22）中，使PCB电路板（6）、支架体（7）和定子铁心体（2）连接为一体，再紧密地装入上壳体（10）中，支架脚（72）上的角形开槽（74）与马达上壳体（10）内侧的定位肋条（15）相吻合；

控制机芯部分装配时，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），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）后将其拧紧在支架内台阶（76）的安装孔中；

所述的三相永磁无刷直流马达部分和控制机芯部分通过支架体（7）连接在一起后，再封装在马达上壳体（10）和马达下壳体（11）所包围的空间中，然后，将合拢后的马达上壳体（10）和马达下壳体（11）安装在马达安装中框（84）中。

2.根据权利要求1所述的一种全自动变频调速换气扇，其特征在于：所述的空气质量传感器（83）顶端的发光二极管（832）为三色发光二极管，换气扇的扇叶顺时针转动时，发红光；换气扇的扇叶逆时针转动时，发黄光；换气扇的扇叶停止转动时发绿光；发光二极管（832）以不同的颜色来指示不同的运行工况，而闪烁的快慢与扇叶的转速同步。

3.根据权利要求1所述的一种全自动变频调速换气扇，其特征在于：所述的433MHz无线接收模块（60）可接受手持无线遥控器操作，载频频段为免费的433MHz公共频道。