CN106301103B - 大功率永磁无刷直流电机控制器 - Google Patents

大功率永磁无刷直流电机控制器 Download PDF

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Abstract

一种大功率永磁无刷直流电机控制器，包括：拉盖、∏型散热体、前盖板、后盖板、航空插座、PCB电路板、轴流风机，其要点是：所述的∏型散热体是一个带散热肋条、贯穿式散热风洞、贯穿式散热风孔的铝型材，铝型材上开有一个散热槽，散热风孔均匀地围绕在散热风洞四周，所述的散热风洞内部也均匀分布有散热肋条，∏型散热体上还有两个圆弧形的导槽，铝型材的拉盖通过其两端的导轨，穿过∏型散热体上的导槽，使两者连成一体。PCB电路板上焊接有双核单片机、前置驱动芯片、VMOS功率管、三相出线铜条。本发明所提出的大功率永磁无刷直流电机控制器方案，整体紧凑，美观大方，提供了一种低成本的大功率永磁无刷直流电机控制器的解决方案。

Description

大功率永磁无刷直流电机控制器
技术领域
本发明涉及大功率永磁无刷直流电机控制器，主要应用于家用电器、电动工具、工业设备、电动汽车、船舶的电力推进***领域。
背景技术
公知的大功率永磁无刷直流电机，优点众多。一是起动力矩大、运行平稳、噪音低；二是采用直流供电，几乎不受电网电压波动的影响；三是无电刷和机械换向器，可以无级调速, 有较宽的调速范围、工作转速范围很大，因此可满足各种运行模式下的转速要求，因为电机定子为集中绕组，而转子无绕组，特别适用于高速运转；四是可以在超低转速状态下保持输出力矩, 这一点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***；五是永磁无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，无需像异步电动机那样需要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，是目前世界上推崇的能效电机。
基于以上的优点，大功率永磁无刷直流电机已开始在家用电器、电动工具、工业设备、电动汽车、船舶的电力推进***各个领域得到广泛的应用。例如，功率永磁无刷直流电机作为核心部件用于高速离心机萃取设备、无刷直流电机水泵、高频混凝土震动棒、驱动涡旋式直流变频空调、单螺杆气泵总成、转向压力泵总成、抽油烟机、除尘器、地板打磨机、用于新能源电动汽车前桥/后桥驱动、无离合器的工业缝纫机驱动，可以说，其应用范围已涉及到现代社会的方方面面。
据此，本发明提出了一种大功率永磁无刷直流电机控制器，该控制器性能良好，硬件结构简单、整体紧凑，美观大方，灵活可靠，提供了一种低成本、可大规模生产和便于维护的大功率永磁无刷直流电机控制器的解决方案，特别适合额定功率大于3kW，小于10kW的永磁无刷直流电动机的控制开发。
发明内容
技术问题
作为一种大功率永磁无刷直流电机控制器主要面对的问题是：
1、散热性：所有大功率永磁无刷直流电机控制器面临最大的问题是散热问题，如何减少热阻，尽量提高散热效率。
2、安全性：由于大功率永磁无刷直流电机可控参数多，开通角、关断角、相电压、相电流都可影响转矩，因此要求VMOS功率变换器不至于发生一般逆变控制器所谓的VMOS管上下桥臂直通短路故障。
3、方便性：应考虑方便调节、方便操作、方便接线的问题，具有较强的普适性应用能力。
4、可维护性：一旦不慎损坏，维修方便。
5、经济性：大功率永磁无刷直流电机控制器如何做到***最省，整体最优。
技术方案
为此，本发明提出了一种大功率永磁无刷直流电机控制器设计方案，采用铝型材外壳，适合额定功率小于10kW的永磁无刷直流电动机的控制。
一种大功率永磁无刷直流电机控制器，包括：拉盖、∏型散热体、前盖板、后盖板、航空插座、PCB电路板、轴流风机，其要点在于：
所述的∏型散热体采用上部平直、中部圆凸、下部开槽的结构，是一款带散热肋条、贯穿式散热风洞、贯穿式散热风孔的铝型材，铝型材上开有一个散热槽，散热风孔均匀地围绕在散热风洞四周，所述的散热风洞内部也均匀分布有散热肋条，∏型散热体上还有两个圆弧形的导槽，铝型材的拉盖通过其两端的导轨，穿过∏型散热体上的导槽，使两者连成一体，
前端盖板上，分别伸出W相铜条、V相铜条、U相铜条、B+铜条、R铜条、B-铜条，前端盖板上安装有14芯航空插座，
后端盖板上，安装有轴流风机，轴流风机安装的位置正好对准∏型散热体的散热风洞和散热风孔的位置，
PCB电路板上焊接有双核单片机、前置驱动芯片、VMOS功率管、电容器，W相铜条、V相铜条、U相铜条、B+铜条）、R铜条、B-铜条，以上所述的铜条上均有加强筋，其B+铜条和R铜条有多个安装孔，VMOS功率管的固定散热安装分两步进行：
先安装上臂的VMOS功率管，将B+铜条贴装在∏型散热体上开有散热槽的一边，然后通过螺丝穿过VMOS功率管的散热面上的安装孔，再穿过B+铜条上的安装孔，将VMOS功率管和B+铜条同时固定在∏型散热体上的VMOS功率管安装孔处，
再安装下臂的VMOS功率管，下臂的VMOS功率管的散热面上预先贴好聚酯薄膜片，将R铜条贴装在∏型散热体上开有散热槽的另一边，然后通过螺丝穿过VMOS功率管的散热面上的安装孔，再穿过R铜条上的安装孔，将VMOS功率管和R铜条同时固定在∏型散热体上的VMOS功率管安装孔处。
所述的双核单片机为TSSOP-38表贴封装，是指同时带有一个专用永磁无刷直流电机旋转矢量运算内核和一个通用单片机运算内核的单片机，所述的前置驱动芯片的输入控制引脚分别与双核单片机的I/O引脚相连。
所述的前端盖板和后端盖板均为可耐高热的绝缘材料，在前端盖板上，各个铜条伸出处均标有W、V、B+、R、B-的字符。
康铜条通过螺丝直接与前端盖板上伸出的R铜条与B-铜条相连。
大功率永磁无刷直流电机控制器安装时，拉盖朝上，∏型散热体上的散热肋条朝下，∏型散热体两边各有二个环形的控制器安装孔。
技术效果
本发明所提出的大功率永磁无刷直流电机控制器，具有如下有益效果：
1、本发明采用了多管齐下的散热方案，其中包括设计了由铝型材构成的∏型散热体，∏型散热体兼具散热肋条、贯穿式的散热风洞和散热风孔，通过强制性的轴流风机冷却，热阻明显减少，散热效果大大加强。
2、本发明的弱电控制输入均采用航空插座连接器完成，安装、调试和使用特别方便。
3、本发明的强电输出均采用铜排接线，而且强电包括U、V、W相线和电源线均在同侧，接线标识简单明了。
4、本发明的拉盖与∏型散热体采用导轨安装模式，85%以上的元件为表面贴焊接，因此特别便于维护和维修。
5、本发明所提出的大功率永磁无刷直流电机控制器方案，其性能良好，硬件结构简单、经济性能好、整体紧凑，美观大方，灵活可靠，提供了一种低成本、可大规模生产和便于维护的大功率永磁无刷直流电机控制器的解决方案。
附图说明
图1 大功率永磁无刷直流电机控制器外形图一；
图2 大功率永磁无刷直流电机控制器外形图二；
图3 大功率永磁无刷直流电机控制器分解图三；
图4 大功率永磁无刷直流电机控制器分解图四；
图5 大功率永磁无刷直流电机控制器分解图五；
图6 大功率永磁无刷直流电机控制器分解图六；
图7 大功率永磁无刷直流电机控制器去掉拉盖后的分解图七；
图8 大功率永磁无刷直流电机控制器去掉拉盖后分解图八；
图9 ∏型散热体视图；
图10 大功率永磁无刷直流电机控制器去掉拉盖后分解图九；
图11 大功率永磁无刷直流电机控制器去掉拉盖后分解图十；
图12 大功率永磁无刷直流电机控制器去掉拉盖和∏型散热体后视图。
标号说明：
1 拉盖 2 ∏型散热体
3 前端盖板 4 后端盖板
5 航空插座 6 PCB电路板
7 轴流风机 8 VMOS管
9 散热肋条 10 散热风洞
11 W相铜条 12 V相铜条
13 U相铜条 14 B+铜条
15 R铜条 16 B-铜条
17 前置驱动芯片 18 导槽
19 散热风孔 20 控制器安装孔
21 单片机 22 散热槽
23 VMOS功率管安装孔 24 加强筋
25 VMOS功率管 26 电容器
27 康铜条 28 导轨
具体实施方式
本发明如图1至图12所示。下面结合附图说明本发明的具体实施方案：
一种大功率永磁无刷直流电机控制器，包括：拉盖（1）、∏型散热体（2）、前盖板（3）、后盖板（4）、航空插座（5）、PCB电路板（6）、轴流风机（7），其特征在于：
所述的∏型散热体（2）采用上部平直、中部圆凸、下部开槽的结构，是一款带散热肋条（9）、贯穿式散热风洞、贯穿式散热风孔的铝型材，铝型材的下端开有一个散热槽（22），从而将本为T形状的散热体分割成∏型散热体，使∏型散热体（2）的一边安装上臂的VMOS功率管，另一侧安装下臂的VMOS功率管，为了减少热阻，∏型散热体（2）的中部有一个散热风洞（10），散热风洞（10））四周围绕有辅助的散热风孔（19），所述的散热风洞（10）内部也均匀分布有散热肋条，∏型散热体（2）上还有两个圆弧形的导槽（18），铝型材的拉盖（1）通过其两端的导轨（28），可穿过∏型散热体（2）上的导槽（18），使两者连成一体，这种设计是防水的，
前端盖板（3）上，分别伸出W相铜条（11）、V相铜条（12）、U相铜条（13）、B+铜条（14）、R铜条（15）、B-铜条（16），前端盖板（3）上安装有14芯航空插座（5），
后端盖板（4）上，安装有轴流风机（7），轴流风机（7）安装的位置正好对准∏型散热体（2）的散热风洞（10）和散热风孔（19）的位置，
PCB电路板（6）上焊接有双核单片机（21）、前置驱动芯片（17）、VMOS功率管（25）、电容器（26），W相铜条（11）、V相铜条（12）、U相铜条（13）、B+铜条（14）、R铜条（15）、B-铜条（16），以上所述的铜条上均有加强筋（24），其B+铜条（14）和R铜条（15）有多个安装孔，这些孔是为安装VMOS功率管（25）而准备的，VMOS功率管（25）的固定散热安装分两步进行：
先安装上臂的VMOS功率管（25），将B+铜条（14）贴装在∏型散热体（2）上开有散热槽（22）的一边，然后通过螺丝穿过VMOS功率管（25）的散热面上的安装孔，再穿过B+铜条（14）上的安装孔，将VMOS功率管（25）和B+铜条（14）同时固定在∏型散热体（2）上的VMOS功率管安装孔（23）处，
再安装下臂的VMOS功率管（25），下臂的VMOS功率管（25）的散热面上预先贴好聚酯薄膜片，将R铜条（15）贴装在∏型散热体（2）上开有散热槽（22）的另一边，然后通过螺丝穿过VMOS功率管（25）的散热面上的安装孔，再穿过R铜条（15）上的安装孔，将VMOS功率管（25）和R铜条（15）同时固定在∏型散热体（2）上的VMOS功率管安装孔（23）处。
应指出的是，这种安装模式下，由于铜的导热系数比铝的导热系数大很多，因此能将VMOS功率管（25）工作时产生的热量快速地传导开来；∏型散热体（2）上贯穿式的散热风洞（10）和散热风孔（19）结构，又人为地增加了导热路径和散热面积；轴流风机（7）则大大降低了VMOS功率管（25）热沉的温度。
所述的双核单片机（21）为TSSOP-38表贴封装，是指同时带有一个专用永磁无刷直流电机旋转矢量运算内核和一个通用单片机运算内核的单片机，所述的前置驱动芯片（17）的输入控制引脚分别与双核单片机（21）的I/O引脚相连。
所述的前端盖板（3）和后端盖板（4）均为可耐高热的绝缘材料，在前端盖板（3）上，各个铜条伸出处均标有W、V、B+、R、B-的字符。
康铜条（27）通过螺丝直接与前端盖板（3）上伸出的R铜条（15）与B-铜条（16）相连，从而保证用于检测相电流的康铜条（27）工作时产生的发热量便于散发。
大功率永磁无刷直流电机控制器安装时，拉盖（1）朝上，∏型散热体（2）上的散热肋条（9）朝下，直接与安装平台相接接触，∏型散热体（2）两边各有二个环形的控制器安装孔（20）。
本发明的安全性是这样实现的：一是通过输出控制前置驱动IC芯片内部的逻辑互锁技术，规避了VMOS管可能产生的上下桥臂直通短路故障；二是双核单片机引脚获取康铜条对电流的采样值后，会对电流敏感值从硬件上快速作出判断，过流时将自动封锁关闭VMOS管的上下桥臂，从而排除了由于软件编程错误带来的安全风险。
本发明最重要的创建在于：通过设计一种上部平直、中部圆凸、下部开槽的∏型散热体结构，用最经济的方式实现了一种多管齐下的散热方案，这种同时兼具散热肋条、贯穿式的散热风洞和散热风孔的结构，使∏型散热体除了兼具散热功能之外，同时可兼做控制器壳体，并通过强制性的轴流风机冷却，热阻明显减少，散热效果大大加强。
本发明意想不到的效果主要有四个：
一是解决了大功率永磁无刷直流电机控制器与结构成本之间的矛盾，所述的∏型散热体铝型材可一次拉伸成型，无须额外加工。
二是解决了大功率永磁无刷直流电机控制器散热方面的老大难问题，尤其是康铜条发热体直接安装在控制器外侧。
三是解决了大功率永磁无刷直流电机控制器安装制造上的麻烦，上下桥臂VMOS功率管从∏型散热体的开槽处分开连接，通过铜牌实现功率走线，控制器上无任何其它接线，PCB板无须另外连接，在结构上做到***最省，整体最优。
四是通过带有专用永磁无刷直流电机旋转矢量运算内核和一个通用单片机运算内核的单片机，使控制的实时性大大加强。
本发明的弱电输入和强电输出均在前端盖板处完成，弱电输入控制由航空插座完成，接线标识简单明了，安装、维修和使用特别方便。
本发明所提出的大功率永磁无刷直流电机控制器方案，其性能良好，硬件结构简单、整体紧凑，美观大方，灵活可靠，提供了一种低成本、可大规模生产和便于维护的大功率永磁无刷直流电机控制器的解决方案，特别适合额定功率大于3kW，小于10kW的永磁无刷直流电动机的控制开发。

Claims (5)

1.一种大功率永磁无刷直流电机控制器，包括：拉盖（1）、∏型散热体（2）、前盖板（3）、后盖板（4）、航空插座（5）、PCB电路板（6）、轴流风机（7），其特征在于：
所述的∏型散热体（2）采用上部平直、中部圆凸、下部开槽的结构，是一款带散热肋条（9）、贯穿式散热风洞（10）、贯穿式散热风孔（19）的铝型材，铝型材上开有一个散热槽（22），散热风孔（19）均匀地围绕在散热风洞（10）四周，所述的散热风洞（10）内部也均匀分布有散热肋条，∏型散热体（2）上还有两个圆弧形的导槽（18），铝型材的拉盖（1）通过其两端的导轨（28），穿过∏型散热体（2）上的导槽（18），使两者连成一体，
前端盖板（3）上，分别伸出W相铜条（11）、V相铜条（12）、U相铜条（13）、B+铜条（14）、R铜条（15）、B-铜条（16），前端盖板（3）上安装有14芯航空插座（5），
后端盖板（4）上，安装有轴流风机（7），轴流风机（7）安装的位置正好对准∏型散热体（2）的散热风洞（10）和散热风孔（19）的位置，
PCB电路板（6）上焊接有双核单片机（21）、前置驱动芯片（17）、VMOS功率管（25）、电容器（26），W相铜条（11）、V相铜条（12）、U相铜条（13）、B+铜条（14）、R铜条（15）、B-铜条（16），以上所述的铜条上均有加强筋（24），其B+铜条（14）和R铜条（15）有多个安装孔，VMOS功率管（25）的固定散热安装分两步进行：
先安装上臂的VMOS功率管（25），将B+铜条（14）贴装在∏型散热体（2）上开有散热槽（22）的一边，然后通过螺丝穿过VMOS功率管（25）的散热面上的安装孔，再穿过B+铜条（14）上的安装孔，将VMOS功率管（25）和B+铜条（14）同时固定在∏型散热体（2）上的VMOS功率管安装孔（23）处，
再安装下臂的VMOS功率管（25），下臂的VMOS功率管（25）的散热面上预先贴好聚酯薄膜片，将R铜条（15）贴装在∏型散热体（2）上开有散热槽（22）的另一边，然后通过螺丝穿过VMOS功率管（25）的散热面上的安装孔，再穿过R铜条（15）上的安装孔，将VMOS功率管（25）和R铜条（15）同时固定在∏型散热体（2）上的VMOS功率管安装孔（23）处。
2.根据权利要求1所述的大功率永磁无刷直流电机控制器，其特征在于：所述的双核单片机（21）为TSSOP-38表贴封装，是指同时带有一个专用永磁无刷直流电机旋转矢量运算内核和一个通用单片机运算内核的单片机，所述的前置驱动芯片（17）的输入控制引脚分别与双核单片机（21）的I/O引脚相连。
3.根据权利要求1所述的大功率永磁无刷直流电机控制器，其特征在于：所述的前端盖板（3）和后端盖板（4）均为可耐高热的绝缘材料，在前端盖板（3）上，各个铜条伸出处均标有W、V、B+、R、B-的字符。
4.根据权利要求1或3所述的大功率永磁无刷直流电机控制器，其特征在于：康铜条（27）通过螺丝直接与前端盖板（3）上伸出的R铜条（15）与B-铜条（16）相连。
5.根据权利要求1所述的大功率永磁无刷直流电机控制器，其特征在于：大功率永磁无刷直流电机控制器安装时，拉盖（1）朝上，∏型散热体（2）上的散热肋条（9）朝下，∏型散热体（2）两边各有二个环形的控制器安装孔（20）。
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