永磁无刷直流变频轴流风机的制作方法

本发明涉及一种永磁无刷直流变频轴流风机，主要应用于固定或移动设备的通风降温和干燥除湿。

背景技术：

气体平行于风机转动轴流动的风机，称为轴流风机。常用的电风扇，空调外机风扇就是以轴流方式运行的风机。比如，用于纳凉用的电风扇，都是安放在固定位置并使空气流动的电器设备，它吹出的室温风能加快人体汗液蒸发，降低体表温度，因而获得广泛使用。一般而言，轴流式风机由于不改变空气介质的流向，通常应用在气体流量要求较高而压力要求较低的场合，即所谓大风量低阻力的场合：即用于电脑CPU、大功率电子设备的散热降温，或用于饭店、体育馆、会议室、车间、仓库、游泳池、温室的通风、空调系统、制冷系统和干燥除湿系统。

传统的轴流风机按照电动机驱动的类型划分，可分为单相交流罩极式驱动、单相交流电容式驱动、交直流两用串激式电机驱动。但是这类驱动方式因为使用交流电，从而限制了其使用范围，一般只能应用在存在交流电源的固定场合，而且风扇调速只能通过改变线圈电压，分成几个固定档位进行。交直流两用串激式电机驱动的轴流风机虽然也可以用在移动设备上，但其内部存在电刷和机械换向器，特别容易由于积碳造成损坏。

采用永磁无刷直流电动机驱动的轴流风机，由于使用直流供电，不受电网电压波动的影响，可以广泛地应用在车辆、船舶、航天器等各种移动设备上。显然，永磁无刷直流电动机驱动的优势是十分明显的，电动机内没有电刷和机械换向器，所有可以实现无级调速，运行平稳、噪音低，起动力矩大，有较宽的调速范围，工作转速范围很大，可满足各种运行模式下的转速要求，可以在超低转速状态下保持输出力矩，寿命长，很多方面已经超越了交流变频器的性能，完全可以取代小功率交流变频调速系统。在节能方面，永磁无刷直流电动机的采用永磁体励磁，无需从电网吸取励磁电流，所以转子中无交变磁通，转子上既无铜耗又无铁耗，节能效果好，效率比同容量异步电动机高10%左右。

技术实现要素：

1、一个完整的永磁无刷直流变频轴流风机应该包括四个部分：一是产生动力源的永磁无刷直流电动机；二是带叶轮的旋转部分；三是检测电机转子当前位置的位置传感器；四是变频调速控制器。

2、由于完整的永磁无刷直流变频轴流风机包括四部分装置，因此安装使用上也麻烦，需要将四部分装置通过内部和外部接线连接起来，所以一旦损坏，维护起来颇不方便。

据此，本发明提出了一种永磁无刷直流变频轴流风机方案，该发明的最大特点是直接将永磁无刷直流变频轴流风机所需要的部分整合成一体，且经优化控制算法后，通过软件柔化的方式剔除了霍尔位置传感器，具有结构紧凑、安装使用简单、成本低廉、节能降耗、适合大规模生产的特点，具有十分广阔的应用前景。

技术方案

为此，本发明提出了一种永磁无刷直流变频轴流风机设计方案，其技术方案具体如下：

永磁无刷直流变频轴流风机，包括风扇框架、叶轮、罩盘、线包、转子铁心体、永磁体、定子铁心体、PCB电路板、散热框架、控制电缆线、双核单片机、前置驱动芯片、VMOS功率管，其要点在于：

所述的散热框架采用铝合金材质，外形呈圆柱体，圆柱上镂刻有圆柱体外螺纹，散热框架内部中央位置挖空成六边形，散热框架上有四个挂耳，每个挂耳的中心有孔，螺丝可穿过风扇框架上的风扇框架固定孔分别与散热框架上带孔的挂耳相连为一体；

PCB电路板为中央带孔的圆形印制板，PCB电路板的圆周上分别均匀分布四个弧形的缺口，保证PCB电路板绕过挂耳后嵌入到散热框架中，PCB电路板焊接有双核单片机、前置驱动芯片，采用TOP220封装的VMOS功率管的引脚焊接在PCB电路板上，其散热面则通过卧式安装方式用螺丝固定在散热框架的中央呈六边形的框架上，六边形的每一边上最多允许安装四个TOP220封装的VMOS功率管；

所述的罩盘是一个中间有隔离板的空心圆柱体，在隔离板中心位置有一个轴承B安装台阶，隔离板将罩盘分隔成两部分，在罩盘的一端内壁带内螺纹，另外一端内壁上带有突出的弧形凸条，其中装配了PCB电路板后的散热框架通过其圆柱体外螺纹旋入到罩盘的内螺纹中，使散热框架（10）与罩盘连成一体；

定子铁心体是由多片硅钢冲片叠合而成，定子铁心体上有开口和弧形凹槽，将线包装入转子铁心体的开口后，可将转子铁心体沿着弧形凹槽的方向插入安装在一端带弧形凸条的罩盘中，隔离板上有用于线包的穿线孔，线包中的各个线圈出线通过穿线孔与PCB电路板相连，

转子铁心体的中央位置安装有转动轴，转子铁心体的边缘上开有定位弧形凹槽并且嵌有瓦片状的永磁体，转动轴上分别装配轴承A和轴承B，轴承A再嵌入到风扇框架的轴承A安装台阶中，轴承B嵌入到罩盘分隔板的轴承B安装台阶中；

叶轮上带有叶片，叶轮的中心位置有一个含加强肋的圆形台阶，圆形台阶中心处有一个转动轴连接孔，转动轴上的一端螺纹与叶轮的转动轴连接孔相连。

所述的风扇框架采用铝合金材质，外侧呈六边形，中间呈圆形，风扇框架上有一个出线护套孔和四条加强肋条，其中一条加强肋条上开有嵌线槽，所述的控制电缆线沿着嵌线槽走线，一端穿过出线护套孔后引出，控制电缆线的另一端直接焊接在PCB电路板上。

所述的控制电缆线为八芯电缆线，分别是：电源正极（B+）、电源负极（B-）、紧急制动(BRK)、风机启动/停止（BRK）、风机正反转（F/R）、调速（SPEED）、Vc(+5V)、公共端（COM），其中，风机启动/停止（BRK）接启动/停止开关，风机正/反转（F/R）外接电机正/反转开关，紧急制动(BRK)接紧急制动开关，所述的调速（SPEED）及Vc(+5V)、公共端（COM）共同外接调速转把。

所述的双核单片机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，双核单片机的I/O引脚与前置驱动芯片相连，VMOS功率管的控制端再与前置驱动芯片相连。

本发明提出的永磁无刷直流变频轴流风机有如下有益效果：

1、本发明所述的永磁无刷直流变频轴流风机，集成了永磁无刷直流电动机、叶轮和控制器部件，实现变频调速、驱动、控制三位一体的功能，使用简单，安装方便，实现了系统最省，整体最优。

2、在拓扑结构上，通过对风扇框架、叶轮、铝合金散热框架和罩盘的设计，很好地解决了风机、电动机和控制器的一体化结构，结构紧凑合理，同时解决了VMOS功率管装配和散热问题。

3、剔除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。

4、采用高效双核单片机取代DSP控制芯片，解决了永磁无刷直流变频轴流风机与硬件开销之间的矛盾，大大降低了制造成本。

显然，本发明所述的永磁无刷直流变频轴流风机，已不再是一种单一技术整合，综合技术含量有了明显的提升，属于一种全新的直流变频轴流风机，可广泛应用各种固定或移动设备中。

附图说明

图1永磁无刷直流变频轴流风机外形图；

图2永磁无刷直流变频轴流风机爆炸图一；

图3去掉风扇框架、叶轮后的内部视图一；

图4去掉风扇框架、叶轮后的内部视图二；

图5永磁无刷直流变频轴流风机爆炸图二；

图6永磁无刷直流变频轴流风机爆炸图三；

图7永磁无刷直流变频轴流风机爆炸图四；

图8永磁无刷直流变频轴流风机爆炸图五；

图9永磁无刷直流变频轴流风机爆炸图六；

图10永磁无刷直流变频轴流风机爆炸图七。

标号说明：

1 风扇框架 2 叶轮

3 叶片 4 罩盘

5 线包 6 转子铁心体

7 永磁体 8 定子铁心体

9 PCB电路板 10 散热框架

11 双核单片机 12 轴承B安装台阶

13 转动轴连接孔 14 轴承A安装台阶

15 加强肋条 16 前置驱动芯片

17 圆柱体外螺纹 18 VMOS功率管

19 六面体盖板 20 走线孔

21 风扇框架固定孔 22 内螺纹

23 带护套圈出线孔 24 挂耳

25 控制电缆线 26 转动轴

27 嵌线槽 28 VMOS管固定孔

29 轴承A 30 轴承B

31 弧形凸条 32 弧形凹槽

33 缺口

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：

永磁无刷直流变频轴流风机，包括风扇框架（1）、叶轮（2）、罩盘（4）、线包（5）、转子铁心体（6）、永磁体（7）、定子铁心体（8）、PCB电路板（9）、散热框架（10）、控制电缆线（25）、双核单片机（11）、前置驱动芯片（16）、VMOS功率管（18），其要点在于：

所述的散热框架（10）采用铝合金材质，外形呈圆柱体，圆柱上镂刻有圆柱体外螺纹（17），散热框架（10）内部中央位置挖空成六边形，散热框架（10）上有四个挂耳（24），每个挂耳（24）的中心有孔，螺丝可穿过风扇框架（1）上的风扇框架固定孔（21）分别与散热框架（10）上带孔的挂耳（24）相连为一体；

所述的PCB电路板（9）为中央带孔的圆形印制板，PCB电路板（9）的圆周上分别均匀分布四个弧形的缺口（33），保证PCB电路板（9）绕过弧形的挂耳（24）后嵌入到散热框架（10）中，PCB电路板（9）焊接有双核单片机（11）、前置驱动芯片（16），采用TOP220封装的VMOS功率管（18）的引脚焊接在PCB电路板（9）上，其散热面则通过卧式安装方式用螺丝固定在散热框架（10）的中央呈六边形的框架上，六边形的每一边上最多允许安装四个TOP220封装的VMOS功率管（18）；

所述的罩盘（4）是一个中间有隔离板的空心圆柱体，在隔离板中心位置有一个轴承B安装台阶（12），隔离板将罩盘（4）分隔成两部分，其中在罩盘（4）的一端内壁带内螺纹（22），另外一端内壁上带有突出的弧形凸条（31），其中装配了PCB电路板（9）后的散热框架（10）通过其圆柱体外螺纹（17）旋入到罩盘（4）的内螺纹（22）中，使散热框架（10）与罩盘（4）连成一体；

所述的定子铁心体（8）是由多片硅钢冲片叠合而成，定子铁心体（8）上有开口（34）和弧形凹槽（32），将线包（5）装入转子铁心体（6）的开口（34）后，可将转子铁心体（6）沿着弧形凹槽（32）的方向插入安装在一端带弧形凸条（31）的罩盘（4）中，隔离板上有用于线包（5）的穿线孔（20），线包（5）中的各个线圈出线通过穿线孔（20）与PCB电路板（9）相连；

所述的转子铁心体（6）的中央位置安装有转动轴（26），转子铁心体（6）的边缘上开有定位弧形凹槽（32）并且嵌有瓦片状的永磁体（7），转动轴（26）上分别装配轴承A（29）和轴承B（30），轴承A（29）再嵌入到风扇框架（1）的轴承A安装台阶（14）中，轴承B（30）嵌入到罩盘（4）分隔板的轴承B安装台阶（12）中；

所述的叶轮（2）上带有叶片（3），叶轮（2）的中心位置有一个含加强肋的圆形台阶，圆形台阶中心处有一个转动轴连接孔（13），转动轴（26）上的一端螺纹与叶轮（2）的转动轴连接孔（13）相连。

所述的风扇框架（1）采用铝合金材质，外侧呈六边形，中间呈圆形，风扇框架（1）上有一个出线护套孔（23）和四条加强肋条（15），其中一条加强肋条上开有嵌线槽（27），所述的控制电缆线（25）沿着嵌线槽（27）走线，一端穿过出线护套孔（26）后引出，控制电缆线（25）的另一端直接焊接在PCB电路板（9）上。

所述的控制电缆线（11）为八芯电缆线，分别是：电源正极（B+）、电源负极（B-）、紧急制动(BRK)、风机启动/停止（BRK）、风机正反转（F/R）、调速（SPEED）、Vc(+5V)、公共端（COM），其中，风机启动/停止（BRK）接启动/停止开关，风机正/反转（F/R）外接电机正/反转开关，紧急制动(BRK)接紧急制动开关，所述的调速（SPEED）及Vc(+5V)、公共端（COM）共同外接调速转把。

所述的双核单片机（8）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，双核单片机（8）的I/O引脚与前置驱动芯片（16）相连，VMOS功率管（18）的控制端再与前置驱动芯片（16）相连。

应指出的是，本发明最巧妙的设计包括四部分，一是采用风机与控制器机电一体化的拓扑结构，改变了风机与控制分离的传统格局；二是PCB电路板（9）与散热框架（10）的连接方式，在PCB电路板（9）的电子元器件均焊接在散热框架（10）中央位置挖空成六边形的位置处，而U、V、W三组上下桥臂VMOS功率管（18）与散热框架（10）以卧式相连，大大提高了散热率；三是罩盘（4）通过分隔板将其分成两部分，其中一部分安装散热框架（10），另一部分安装定子铁心体（8），有效地克服了电磁干扰；四是采用双核单片机（8），使其实时控制性能明显提高。

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，本发明所提出的永磁无刷直流变频轴流风机，其有益意义在于：

本发明所述的永磁无刷直流变频轴流风机，集成了永磁无刷直流电动机、叶轮和控制器部件，实现变频调速、驱动、控制三位一体的功能，适合100W至2KW的轴流风机，具有使用简单，安装和维护方便的特点，实现了系统最省，整体最优。

在拓扑结构上，通过对风扇框架、叶轮、散热框架和罩盘的拓扑设计，很好地解决了风机、电动机和控制器的一体化结构，结构紧凑合理，同时解决了VMOS功率管装配和散热问题。

剔除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。

采用高效双核单片机取代DSP控制芯片，解决了永磁无刷直流变频轴流风机与硬件开销之间的矛盾，大大降低了制造成本。

显然，本发明所述的永磁无刷直流变频轴流风机，已不再是一种单一技术整合，综合技术含量有了明显的提升，属于一种全新的直流变频轴流风机，可广泛应用各种固定或移动设备中。

特别有意义的是，本发明所提出的永磁无刷直流变频轴流风机方案，提供了一种低成本节能的直流变频轴流风机的解决方案，其风机与电机一体化的结构，代表了永磁无刷直流变频轴流风机的发展方向，其应用前景相当广阔。