本發(fā)明涉及的模塊式永磁無刷直流電動機，主要應(yīng)用于航天航空、電動汽車、工業(yè)機器人、柔性制造系統(tǒng)、新型醫(yī)療設(shè)備、自動化設(shè)備、變速制冷技術(shù)和紡織機械眾多工業(yè)部門。

背景技術(shù)：

永磁無刷直流電動機是能效比較高的新型電動機，它的優(yōu)勢是明顯的：一是可靠性較高，因為永磁無刷直流電動機沒有機械電刷，而是利用電子換相，克服了有刷直流電動機因機械電刷換相帶來可靠性的問題；二是結(jié)構(gòu)簡單，由于永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組裝在定子上，使得導(dǎo)熱性能好，電動機產(chǎn)生的熱量更容易散發(fā)出去，磁場損失也大大減少；三是它的效率高，由于永磁無刷直流電動機的勵磁來源于永磁體，所以不像交流異步電動機那樣需要額外從電網(wǎng)吸取勵磁電流，轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，在節(jié)約能源、提高功率密度方面具有明顯優(yōu)勢。例如，每晚只需一度電的全直流變頻空調(diào)，就是用永磁無刷直流電動機驅(qū)動壓縮機的空調(diào)。

總之，永磁無刷直流電動機結(jié)合了直流電動機與交流同步電動機的優(yōu)點，既具備交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠的優(yōu)點，又具備直流電動機重量輕、體積小、出力大、動態(tài)性能好和調(diào)速性能優(yōu)良的特點，因而在當今國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，已經(jīng)顯示出廣闊的市場前景和強大生命力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題

雖然永磁無刷直流電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率高、無勵磁損耗、調(diào)速性能好和啟動轉(zhuǎn)矩較大的優(yōu)點，但美中不足的是，永磁無刷直流電動機同樣也存在以下的問題:一是永磁無刷直流電動機系統(tǒng)必須是由電動機和控制器兩部分組成，無刷直流電動機本身不能單獨使用，它必須在控制器的控制下才能工作，由于傳統(tǒng)的永磁無刷直流電動機與控制器之間連接的線束眾多，所以在使用上十分不方便。二是置于永磁無刷直流電動機本體內(nèi)的霍爾位置傳感器容易損壞, 由于霍爾位置傳感器是嵌入膠封裝在定子槽中，所以一旦損壞，難于維修, 而且用于位置傳感器的霍爾元件溫度特性不好, 在環(huán)境惡劣的條件下，容易導(dǎo)致電動機穩(wěn)定性下降，大大影響了電動機的壽命。三是如何讓永磁無刷直流電動機能像交流電動機一樣可以直接加電即可驅(qū)動使用？如何實現(xiàn)無刷直流電動機及控制器的機電一體化？諸如此類的問題，已經(jīng)成為當前研究永磁無刷直流電動機的技術(shù)熱點。

技術(shù)方案

為此，本發(fā)明對永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)率先提出了一種模塊結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方案，這種模塊結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思路就是，將復(fù)雜的難以維護的永磁無刷直流電動機系統(tǒng)分解為運動和控制互相獨立、協(xié)同工作的兩大部件，通過其相對的獨立性，努力使這些部件結(jié)合重用；二是突破時空的限制，利用統(tǒng)一的接口實現(xiàn)跨平臺的相互操作。

由此可見，模塊間的聯(lián)系反映了系統(tǒng)中各模塊間的相互作用和影響;模塊內(nèi)的聯(lián)系反映了模塊內(nèi)部聯(lián)系緊密的程度。模塊的獨立性愈強,則模塊的功能愈集中,模塊的可讀性愈好,愈容易改進和維護；同時模塊的獨立性也能有效地防止可能出現(xiàn)的錯誤在模塊間的蔓延。更有意義的是,成熟的功能模塊為新的控制系統(tǒng)提供可信賴的基石,通過移植,將大大減少建立一個新的系統(tǒng)所需要的工作量。通過強調(diào)各個模塊間的聯(lián)系最小,模塊內(nèi)的聯(lián)系最大,可盡量減少模塊間傳遞參數(shù)的個數(shù),以加強模塊內(nèi)在緊密聯(lián)系的程度。

本發(fā)明最重要的特色在于，一是強調(diào)電動機模塊與控制器模塊之間在拓撲結(jié)構(gòu)上的相對獨立性，強化模塊內(nèi)部的縱向聯(lián)系，即電動機模塊可以單獨作永磁無刷直流電動機使用，控制器模塊也可以單獨作電機控制器使用；二是強調(diào)模塊之間的協(xié)調(diào)性和統(tǒng)一性，注重模塊間的橫向聯(lián)系，只需通過四個緊固螺栓，就可將電動機模塊與控制器模塊連成一體，特別容易裝配；三是任何一個模塊損壞，可以通過快速替換模塊的方式來維修，因此特別便于維修并降低維護費用。

其技術(shù)方案具體如下：

模塊式永磁無刷直流電動機，由電動機模塊和控制器模塊兩部分組成，電動機模塊部分包括：電機殼體、隔板、轉(zhuǎn)動軸、線包、定子鐵心體、轉(zhuǎn)子鐵心體、支架、釹鐵硼永磁塊，控制器模塊部分包括：控制器殼體、端蓋、PCB板、VMOS功率管、雙核單片機、驅(qū)動芯片，其要點在于：

所述的電機殼體是一個外側(cè)為八邊形、內(nèi)部為挖空的圓形柱體，該圓形柱體一端為開口，另一端封閉，但封閉一端的中央有一個下軸承支撐圓臺階，中心處有一個出軸孔，所述的定子鐵心體先嵌入電機殼體內(nèi)部挖空的圓形柱體中，再將支架嵌入定子鐵心體的窗口中，所述的線包嵌入支架上，轉(zhuǎn)子鐵心體的中心有轉(zhuǎn)動軸，轉(zhuǎn)子鐵心體的邊沿嵌入瓦片狀的釹鐵硼永磁塊，在轉(zhuǎn)動軸上分別套接上軸承和下軸承，上軸承嵌入隔板中央的上軸承支撐圓臺階中，下軸承嵌入下軸承支撐圓臺階中，轉(zhuǎn)動軸從電機殼體的出軸孔伸出，所述的隔板外側(cè)為八邊形，剛好可嵌入電機殼體的開口的一端，隔板上有一個走線孔，線包的出線從走線孔引出并焊接在PCB板（8）上，所述的控制器殼體是一個外側(cè)帶有散熱肋條的八邊形，其一端的內(nèi)部挖空為圓形，另一端的內(nèi)部挖空為七邊形的空心柱體，內(nèi)部挖空為圓形的一端有一個外側(cè)為八邊形臺階，通過該臺階剛好將控制器殼體與電機殼體嵌套裝配，所述的圓形PCB板安裝在控制器殼體上挖空為圓形的一端，PCB板上表貼焊接有雙核單片機、驅(qū)動芯片，VMOS功率管，通過螺絲將VMOS功率管（18）的散熱面固定在控制器殼體上內(nèi)部挖空為七邊形的散熱面上，所述的端蓋是圓形的，中心處有電纜出線孔，邊沿有七個端蓋安裝孔，端蓋安裝螺絲穿過端蓋安裝孔與控制器殼體上的固定端蓋孔相連，所述的控制器殼體、電機殼體、隔板、端蓋均為鋁合金材質(zhì)，其中，電機殼體和隔板所封裝的部分組成獨立的電動機模塊，控制器殼體與端蓋所封裝的部分組成獨立的控制器模塊，兩個模塊通過以下的結(jié)構(gòu)連接成一體：所述的外部為八邊形的電機殼體上的四條邊上分別開有U形槽，四個緊固螺栓分別穿過U形槽底部的裝配孔，然后再穿過隔板上的四個定位孔后與控制器殼體上的固定孔相連。

端蓋上有一電纜出線孔，控制電纜線的一端焊接在PCB板上，另一端穿過電纜出線孔后引出。

所述的雙核單片機除了自帶電機控制所必需的捕獲/比較單元內(nèi)核外,芯片內(nèi)同時集成有高速乘除法運算單元（iMDU）和用于協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)矢量數(shù)字計算單元（iCORDIC）內(nèi)核。

技術(shù)效果

本發(fā)明提出的模塊式永磁無刷直流電動機有如下有益效果：

1、本發(fā)明所述的模塊式永磁無刷直流電動機，機械結(jié)構(gòu)上，它改變了永磁無刷直流電動機與控制器分開安裝，再連接使用的傳統(tǒng)安裝模式，而是將電動機本體和控制器、執(zhí)行機構(gòu)采取一體化結(jié)構(gòu)，取代了繁多的外部控制線束，剔除了傳統(tǒng)永磁無刷直流電動機對外提供的三根U、V、W相線和五根位置傳感器器控制線，增強了其可靠性，實現(xiàn)了系統(tǒng)最省，整體最優(yōu)。

2、本發(fā)明所述的模塊式永磁無刷直流電動機，選用其鐵基非晶合金取代硅鋼片應(yīng)用于電動機定子鐵心,其加工成型技術(shù)采用由一條鐵基非晶合金帶按照阿基米德螺旋線一次性卷繞成型，計算機模擬仿真證明，這種定子鐵心加工成型工藝，能夠在很大程度上提高電動機的效率和功率密度,降低定子鐵心鐵損。

3、為了克服非晶合金性脆片薄的不足，本發(fā)明設(shè)計了一種材質(zhì)采用阻燃耐高溫工程塑料的定子鐵心支架，用來支撐安裝定子鐵心體，以消除機械應(yīng)力對非晶合金的影響。

4、采用高效雙核單片機取代DSP芯片，解決了電動機高速控制與芯片價格之間的矛盾，大大降低了制造成本。

6、去掉了常用的位置傳感器霍爾元件，采用了基于反電勢檢測技術(shù)以確定轉(zhuǎn)子的實時位置，電動機從靜止開始轉(zhuǎn)動，采用了從靜止開始加速，直至轉(zhuǎn)速足夠大，再切換至無刷直流電動機運行狀態(tài)的三段式起動技術(shù)。

7、在散熱拓撲結(jié)構(gòu)上，通過采用了帶圓弧缺口的鋁合金散熱環(huán)很好地解決了功率VMS管裝配問題和功率VMOS管的散熱問題。

8、在同樣的輸出功率情況下，本發(fā)明所述的模塊式永磁無刷直流電動機獲得優(yōu)良的節(jié)能降耗特性，與同等功率的永磁無刷直流電動機相比，其體積只有傳統(tǒng)電動機的60%，重量只有75%，渦流和材料中固有的磁滯損耗可下降20%。

顯然，本發(fā)明所述的模塊式永磁無刷直流電動機，已不再是一種單一技術(shù)或簡單的電動機有效材料的代用和升級，而是一種綜合的節(jié)能措施和全新的控制技術(shù)的集合。

附圖說明

圖1模塊式永磁無刷直流電動機正向外形圖；

圖2模塊式永磁無刷直流電動機爆炸圖一；

圖3模塊式永磁無刷直流電動機爆炸圖二；

圖4模塊式永磁無刷直流電動機爆炸圖三；

圖5模塊式永磁無刷直流電動機爆炸圖四；

圖6模塊式永磁無刷直流電動機爆炸圖五；

圖7模塊式永磁無刷直流電動機爆炸圖六；

圖8模塊式永磁無刷直流電動機爆炸圖七；

圖9模塊式永磁無刷直流電動機爆炸圖八；

圖10模塊式永磁無刷直流電動機爆炸圖九；

圖11模塊式永磁無刷直流電動機爆炸圖十；

圖12模塊式永磁無刷直流電動機爆炸圖十一；

圖13模塊式永磁無刷直流電動機爆炸圖十二。

標號說明：

1 控制器殼體 2 電機殼體

3 端蓋 4 轉(zhuǎn)動軸

5 電纜出線孔 6 隔板

7 走線孔 8 PCB板

9 八邊形臺階 10 U形槽

11 裝配孔 12 固定孔

13 定位孔 14 上軸承支撐圓臺階

15 上軸承 16 線包

17 散熱面 18 VMOS功率管

19 雙核單片機 20 驅(qū)動芯片

21 端蓋安裝孔 22 固定端蓋孔

23 端蓋安裝螺絲 24 緊固螺栓

25 固定隔板孔 26 定子鐵心體

27 轉(zhuǎn)子鐵心體 28 支架

29 下軸承 30 釹鐵硼永磁塊

31 下軸承支撐圓臺階 32 出軸孔

具體實施方式

本發(fā)明如圖1至圖13所示。

下面結(jié)合附圖說明本發(fā)明的具體實施方案：

模塊式永磁無刷直流電動機，由電動機模塊和控制器模塊兩部分組成，電動機模塊部分包括：電機殼體（2）、隔板（6）、轉(zhuǎn)動軸（4）、線包（16）、定子鐵心體（26）、轉(zhuǎn)子鐵心體（27）、支架（28）、釹鐵硼永磁塊（30），控制器模塊部分包括：控制器殼體（1）、端蓋（3）、PCB板（8）、VMOS功率管（18）、雙核單片機（19）、驅(qū)動芯片（20），其特征在于：

所述的電機殼體（2）是一個外側(cè)為八邊形、內(nèi)部為挖空的圓形柱體，該圓形柱體一端為開口，另一端封閉，但封閉一端的中央有一個下軸承支撐圓臺階（31），中心處有一個出軸孔（32），所述的定子鐵心體（26）先嵌入電機殼體（2）內(nèi)部挖空的圓形柱體中，再將支架（28）嵌入定子鐵心體（26）的窗口中，所述的線包（16）嵌入支架（28）上，轉(zhuǎn)子鐵心體（27）的中心有轉(zhuǎn)動軸（4），轉(zhuǎn)子鐵心體（27）的邊沿嵌入瓦片狀的釹鐵硼永磁塊（30），在轉(zhuǎn)動軸（4）上分別套接上軸承（15）和下軸承（29），上軸承（15）嵌入隔板（6）中央的上軸承支撐圓臺階（14）中，下軸承（29）嵌入下軸承支撐圓臺階（31）中，轉(zhuǎn)動軸（4）從電機殼體（2）的出軸孔（32）伸出，所述的隔板（6）外側(cè)為八邊形，剛好可嵌入電機殼體（2）的開口的一端，隔板（6）上有一個走線孔（7），線包（16）的出線從走線孔（7）引出并焊接在PCB板（8）上，所述的控制器殼體（1）是一個外側(cè)帶有散熱肋條的八邊形，其一端的內(nèi)部挖空為圓形，另一端的內(nèi)部挖空為七邊形的空心柱體，內(nèi)部挖空為圓形的一端有一個外側(cè)為八邊形臺階（9），通過該臺階剛好將控制器殼體（1）與電機殼體（2）嵌套裝配，所述的圓形PCB板（8）安裝在控制器殼體（1）上挖空為圓形的一端，PCB板（8）上表貼焊接有雙核單片機（19）、驅(qū)動芯片（20），VMOS功率管（18），通過螺絲將VMOS功率管（18）的散熱面固定在控制器殼體（1）上內(nèi)部挖空為七邊形的散熱面（17）上，所述的端蓋（3）是圓形的，中心處有電纜出線孔（5），邊沿有七個端蓋安裝孔（21），端蓋安裝螺絲（23）穿過端蓋安裝孔（21）與控制器殼體（1）上的固定端蓋孔（22）相連，所述的控制器殼體（1）、電機殼體（2）、隔板（6）、端蓋（3）均為鋁合金材質(zhì)，其中，電機殼體（2）和隔板（6）所封裝的部分組成獨立的電動機模塊，控制器殼體（1）與端蓋（3）所封裝的部分組成獨立的控制器模塊，兩個模塊通過以下的結(jié)構(gòu)連接成一體：所述的外部為八邊形的電機殼體（2）上的四條邊上分別開有U形槽（10），四個緊固螺栓（24）分別穿過U形槽（10）底部的裝配孔（11），然后再穿過隔板（6）上的四個定位孔（13）后與控制器殼體上的固定孔（12）相連。

端蓋（3）上有一電纜出線孔（5），控制電纜線的一端焊接在PCB板（8）上，另一端穿過電纜出線孔（5）后引出。

所述的雙核單片機（8）除了自帶電機控制所必需的捕獲/比較單元內(nèi)核外,芯片內(nèi)同時集成有高速乘除法運算單元（iMDU）和用于協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)矢量數(shù)字計算單元（iCORDIC）內(nèi)核。

針對傳統(tǒng)永磁無刷直流電動機的霍爾位置傳感器帶來諸多不利影響，在本發(fā)明方案中取消了霍爾位置傳感器，去掉霍爾位置傳感器后，實現(xiàn)無位置傳感器的電動機轉(zhuǎn)子檢測控制可選擇反電勢法、擴展卡爾曼濾波法或磁鏈估計法方案，本發(fā)明采用了成熟的基于反電勢法檢測技術(shù)以及從靜止開始加速，直至轉(zhuǎn)速足夠大，再切換至無刷直流電動機運行狀態(tài)的三段式起動技術(shù)，這些技術(shù)屬于公知技術(shù)，不是本發(fā)明方案討論的范圍。

綜上所述，本發(fā)明所提出的模塊式永磁無刷直流電動機，是一種全新的永磁無刷直流電動機型式，其有益意義在于：

1、本發(fā)明最重要的特色在于，一是強調(diào)電動機模塊與控制器模塊之間在拓撲結(jié)構(gòu)上的相對獨立性，強化模塊內(nèi)部的縱向聯(lián)系，即電動機模塊可以單獨作永磁無刷直流電動機使用，控制器模塊也可以單獨作電機控制器使用；二是強調(diào)模塊之間的協(xié)調(diào)性和統(tǒng)一性，注重模塊間的橫向聯(lián)系，只需通過四個緊固螺栓，就可將電動機模塊與控制器模塊連成一體，特別容易裝配；三是任何一個模塊損壞，可以通過快速替換模塊的方式來維修，因此特別便于維修并降低維護費用。

2、為了降低成本，以及提高各個模塊的相對獨立性和封裝性，本發(fā)明采用了適宜的結(jié)構(gòu)范型，即八邊形電機殼體和帶肋條的控制器殼體，通過控制器殼體上凸出的臺階，嵌入到八邊形電機殼體中，提高了其導(dǎo)熱系數(shù)和熱的傳導(dǎo)能力，同時解決了VMOS功率管的散熱問題和模塊間的裝配問題。

3、采用高效低成本的雙核單片機取代價格昂貴的DSP芯片，控制器是電動機的神經(jīng)中樞，雙核單片機內(nèi)置反電勢法檢測軟件模塊、三段式起動軟件模塊和旋轉(zhuǎn)矢量運算軟件模塊，解決了電動機高速控制與芯片價格之間的矛盾，大大降低了制造成本，剔除了傳統(tǒng)永磁無刷直流電動機對外提供的三根U、V、W相線和五根位置傳感器器控制線，取代了繁多的外部控制線束，增強了可靠性，提高了易用性和可維護性，實現(xiàn)了系統(tǒng)最省，整體最優(yōu)。

4、采用了電動機模塊與控制器模塊之間容易裝配的拓撲結(jié)構(gòu)，這一模塊體系既保證了永磁無刷直流電動機與控制器可以分開設(shè)計、分開制造，又實現(xiàn)了模塊式一體化安裝使用的模式。

特別有意義的是，本發(fā)明所提出的模塊式永磁無刷直流電動機方案，提供了一種低成本、可大規(guī)模生產(chǎn)、可實現(xiàn)永磁無刷直流電動機與控制器一體化的解決方案，其市場前景相當廣闊。