一种用于园林工具的开关磁阻电机的制作方法

1.本发明涉及一种用于园林工具的开关磁阻电机，属于电机技术领域。


背景技术：

2.目前，大部分电动工具以及园林工具制造厂商采用串激电机来驱动机械结构回转工作。众所周知，串激电机使用碳刷和换向器，因而寿命短、故障率高，并且碳刷粉尘会污染环境。也有制造厂商采用永磁直流无刷电机但永磁材料价格高、易退磁的缺点。因此采用用于园林工具的开关磁阻电机是一个不错的选择，可以克服以上的问题。但是，用于园林工具的开关磁阻电机系统方案相比较于串激电机的系统方案，采用用于园林工具的开关磁阻电机系统方案需要解决控制器的安装和散热问题，大部分厂商采用电机本体和控制器分离的设计方案，不能满足电动工具和园林工具的电机功率密度大、成本低、体积小、便于移动的发展趋势。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种用于园林工具的开关磁阻电机，解决了控制器的安装和散热问题，满足了电动工具和园林工具的电机功率密度大、成本低、体积小、便于移动的发展趋势。
4.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
5.一种用于园林工具的开关磁阻电机，其特征在于，它包括：
6.前端盖；
7.后端盖，所述后端盖的内侧面设置有导热垫安装部；
8.定子组件，所述定子组件包括定子铁芯以及安装在定子铁芯内的线圈骨架，所述前端盖和后端盖分别固定在定子铁芯的两端；
9.控制器，所述控制器设置在定子组件与后端盖之间；
10.导热垫，所述导热垫设置在后端盖的导热垫安装部内，所述导热垫位于后端盖与控制器之间。
11.进一步，所述导热垫的形状为扇形，所述导热垫安装部是与导热垫形状适配的扇形沉槽，所述控制器包括pcb板、安装在pcb板正面的功率管，所述导热垫的一面与后端盖的导热垫安装部的扇形沉槽紧贴，所述导热垫的另一面与功率管紧贴，所述后端盖的导热垫安装部的扇形沉槽底面到功率管的散热面的距离比导热垫的自由厚度尺寸小0.5mm～1mm。
12.进一步，所述定子铁芯包括多个定子凸极和定子铁芯槽，所述线圈骨架内设置有多个线圈架，所述线圈架包裹在定子凸极上，所述线圈架上绕制有绕组，所述线圈骨架的轴向一端径向外边缘设置有多个凹槽，所述凹槽内插接有用于与线圈骨架上的绕组电性连接的刺破式端子，每个所述刺破式端子分别与对应的绕组的接线端电性连接。
13.进一步，所述线圈骨架上还设置有多个定位柱和pcb板支撑结构，所述pcb板支撑结构为设置在线圈骨架上的多个支撑柱，所述支撑柱位于定位柱的下方；所述pcb板上设置
有与线圈骨架上的定位柱对应装配的定位孔，所述pcb板通过定位孔安装到定位柱上并由所述支撑柱对pcb板进行轴向支撑；所述pcb板上设置有多个焊盘，所述焊盘与线圈骨架的凹槽内的刺破式端子对应焊接。
14.进一步，包括转子组件，所述转子组件包括转子轴、转子铁芯、前轴承、后轴承和挡光板，所述前轴承和后轴承分别固定在转子轴的两端，所述前端盖的中心设置有前轴承室，所述前轴承设置在前轴承室内，所述后端盖的中心设有后轴承室，所述后轴承设置在后轴承室内，所述转子铁芯具有多个转子凸极，所述转子铁芯的中心设置有安装轴孔，所述转子铁芯通过安装轴孔固定在外圆有凸筋的转子轴上，所述挡光板在其圆周上设置有与转子凸极数量对应的多个均匀分布的挡光部，所述挡光板轴向安装在后轴承与转子铁芯之间，所述挡光板的中心设置有与所述转子轴外圆过盈配合连接的翻边孔，所述转子铁芯的转子凸极与挡光板的挡光部的相对角度固定。
15.进一步，所述转子轴上设置有风扇，所述风扇位于转子铁芯与后轴承之间，所述前端盖的底壁上设置有多个进气孔，所述后端盖的侧壁上设置有多个贯通的散热孔。
16.进一步，所述前端盖的前轴承室的外圈到前端盖底壁的边缘壳体之间设置有辐射状的格栅，所述进气孔由格栅之间的空隙形成，所述进气孔的外径大于风扇的外径，所述格栅轴向的厚度大于前端盖底壁的厚度，所述后端盖的后轴承室的外侧周向均匀设置有多个后加强筋。
17.进一步，所述前端盖开口的一侧端面上设有前定位凸，所述前定位凸的中心设置有螺纹孔，所述后端盖开口的一侧端面上在轴向均匀设置有多个后定位凸，所述后定位凸的中心设有贯通的螺钉安装孔，所述定子铁芯的轭部开设有用于前定位凸和后定位凸插接的凸部安装孔，所述凸部安装孔轴向贯通定子铁芯且位于定子凸极径向方向的外侧，所述后定位凸的螺钉安装孔内设置有螺钉，所述螺钉依次穿过后定位凸的螺钉安装孔、定子铁芯的凸部安装孔拧入前定位凸的螺纹孔，将所述后端盖、定子铁芯和前端盖固定连接。
18.进一步，所述前定位凸到格栅外边缘的外壁之间设置有前加强筋。
19.进一步，所述控制器的pcb板的正面边缘设置有电机控制端插座和电源输入端插座，所述pcb板的反面设置有位置传感器，所述pcb板的边缘设置有用于螺钉穿过的让位槽，所述pcb板的中心设置有用于电机装配时给后轴承让位的让位孔，所述后端盖的底壁上还设置有与电机控制端插座对应的电机控制插座孔和与电机电源输入端插座对应的电机电源插座孔。
20.进一步，所述控制器包括pcb板以及布置在pcb板上的控制电路，所述控制电路包括：
21.mcu控制单元，所述mcu控制单元设置在pcb板的ⅳ区内；
22.n相绕组不对称半桥电路，所述mcu控制单元通过n相绕组不对称半桥电路控制绕组的通电或断电；
23.n相绕组检流电路，所述mcu控制单元通过n相绕组检流电路对绕组的电流进行检测，所述n相绕组中i相与i 2相绕组的绕组检流电路为同一个检流电路，其中i 2≤n，n≥4且为偶数；
24.转子位置检测电路，所述转子位置检测电路设置在pcb板的
ⅴ
区内，所述转子位置检测电路用于检测转子组件的角度位置，并传递到mcu控制单元；
25.直流电源输入端口，所述直流电源输入端口用于输入供控制器使用的直流电源；
26.辅助电源，所述直流电源输入端口将直流电输送至辅助电源，所述辅助电源为mcu控制单元供电。
27.进一步，所述n相绕组为4相绕组，所述pcb板上设置有8个焊盘，8个所述焊盘分别为焊盘a 、焊盘a－、焊盘b 、焊盘b－、焊盘c 、焊盘c－、焊盘d 、焊盘d－，所述焊盘a 、焊盘a－、焊盘c 、焊盘c－分布在pcb板的ⅰ区内，所述焊盘b 、焊盘b－、焊盘d 、焊盘d－分布在pcb板的ⅱ区内，所述线圈骨架上设置有8个凹槽，8个所述凹槽分布成与8个所述焊盘相对应的两个区域，所述凹槽分别位于pcb板上相应的焊盘下方。
28.进一步，还包括母线电压检测电路，所述母线电压检测电路设置在直流电源输入端口和辅助电源之间，所述直流电源输入端口辅助电源和母线电压检测电路均设置在pcb板的
ⅵ
区内。
29.进一步，还包括电源调试及下载口电路，所述电源调试及下载口电路与电机控制端插座均设置在pcb板的ⅲ区内。
30.进一步，还包括线圈温度检测电路，所述线圈温度检测电路用于检测电机的工作温度，所述线圈温度检测电路中的温度传感器设置在pcb板的反面。
31.进一步，所述4相绕组分别为a相绕组、b相绕组、c相绕组和d相绕组；
32.所述4相绕组不对称半桥电路包括用于驱动电机的a相绕组和c相绕组的a相和c相不对称半桥电路、用于驱动电机的b相绕组和d相绕组的b相和d相不对称半桥电路，所述a相和c相不对称半桥电路设置在pcb板的ⅰ区内，所述b相和d相不对称半桥电路设置在pcb板的ⅱ区内；
33.所述4相绕组检流电路包括用于检测a相绕组和c相绕组电流的a相和c相检流电路、用于检测b相绕组和d相绕组电流的b相和d相检流电路，所述a相和c相检流电路设置在pcb板的ⅰ区内，所述b相和d相检流电路设置在pcb板的ⅱ区内。
34.采用了上述技术方案，本发明将控制器安装在后端盖于定子组件之间，通过定位柱与定位孔限制其周向上的运动，通过骨架上的端子与控制器pcb板上的焊盘焊接固定，并由pcb板支撑结构配合后端盖、导热垫对控制器进行轴向支撑和限位，使控制器的安装更加牢固。本发明通过导热垫对控制器上的功率管进行散热，并采用进气孔、风扇以及散热孔组成的散热风道对控制器和定子组件进行辅助散热，散热效果更好，不需要另外加装散热器对驱动板上的功率器件散热，结构紧凑、节省了安装空间。
附图说明
35.图1为本发明的一种用于园林工具的开关磁阻电机的主视图；
36.图2为本发明的一种用于园林工具的开关磁阻电机的内部结构示意图；
37.图3为本发明的后端盖的内侧结构示意图；
38.图4为本发明的后端盖的外侧结构示意图；
39.图5为本发明的前端盖的内侧结构示意图；
40.图6为本发明的定子组件的分解示意图；
41.图7为本发明的定子铁心的结构示意图；
42.图8为本发明的线圈骨架的结构示意图；
43.图9为图8的局部放大图；
44.图10为本发明的定子组件的绕组和凹槽的结构示意图；
45.图11为本发明的转子组件的主视图；
46.图12为本发明的转子组件的侧视图；
47.图13为本发明的控制器的俯视图；
48.图14为图13的侧视图；
49.图15为本发明的控制器的电气布局分布图；
50.图16为本发明的散热风道的结构示意图；
51.图17为本发明的控制器的控制电路原理框图。
具体实施方式
52.为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
53.如图1～16所示，一种用于园林工具的开关磁阻电机，它包括前端盖1、后端盖2、导热垫5、定子组件3、控制器4和转子组件6。前端盖1材料首选金属铝质材料，压铸加工，后端盖2材料首选金属铝质材料，压铸加工。前端盖1的中心设置有前轴承室11，后端盖2的中心设有后轴承室22。后端盖2的后轴承室22的外侧周向均匀设置有多个后加强筋24，加强筋是为了提高后轴承室22的刚性，防止电机重负载时产生振动和噪声。
54.如图3、4所示，后端盖2的内侧面设置有导热垫安装部21，导热垫5的形状为扇形，安装在后端盖2的导热垫安装部21中，导热垫5位于后端盖2与控制器4之间。导热垫安装部21是与导热垫5形状适配的扇形沉槽，槽深0.5～2mm。
55.如图6～10所示，定子组件3包括定子铁芯31以及安装在定子铁芯31内的线圈骨架32，前端盖1和后端盖2分别固定在定子铁芯31的两端，线圈骨架32上还设置有多个定位柱321和pcb板支撑结构，线圈骨架32的轴向一端径向外边缘设置有多个凹槽33，凹槽33内插接有用于与线圈骨架32上的绕组34电性连接的刺破式端子35。
56.定子铁芯31包括多个定子凸极311和定子铁芯槽312，线圈骨架32内设置有多个线圈架322，线圈架322包裹在定子凸极311上，绕组34绕制在线圈架322上，每个刺破式端子35分别与对应的绕组34的接线端电性连接。
57.如图13～15所示，控制器4包括pcb板41、安装在pcb板41正面的功率管42以及安装在pcb板41反面的位置传感器47。位置传感器47采用光电开关，位置传感器47直接安装在控制器4上，位置传感器47与控制器4不需要导线连接，位置信号传输可靠、抗干扰性好、成本低。
58.pcb板41上设置有与线圈骨架32上的定位柱321对应装配的定位孔43，pcb板41通过定位孔43安装到定位柱321上并由pcb板支撑结构对pcb板41进行轴向支撑，pcb板支撑结构为设置在线圈骨架32上的多个支撑柱323，支撑柱323位于定位柱321的下方，另外支撑柱323也可以设置在不具有定位柱321的线圈骨架32上。pcb板41安装到线圈骨架32上时，通过定位孔43安装到定位柱321上保证pcb板41周向上不旋转。支撑柱323和后端盖2通过导热垫5压紧控制器4来限制其轴向上的运动，实现控制器4的可靠连接。
59.pcb板41上设置有多个焊盘44，焊盘44与线圈骨架32的凹槽33内的刺破式端子35
对应焊接，通过线圈骨架32上的刺破式端子35与pcb上的焊盘44焊接。电机的绕组34接线端通过刺破式端子35与控制器4的pcb板41上的焊盘44直接焊接形成电连接，不需要导线连接，对外部产生的干扰信号小、成本低。
60.如图1、2所示，导热垫5安装在后端盖2与控制器4之间，导热垫5的一面与后端盖2的内侧面贴紧，导热垫5的另一面与控制器4的功率管42贴紧。为了贴合可靠，后端盖2的导热垫安装部21到功率管42的散热面的距离比导热垫5的自由厚度尺寸小0.5mm～1mm，通过压缩导热垫5，可以使导热垫5与后端盖2和功率管42充分贴合，最大限度的保证散热效果。导热垫5是具有弹性、粘性、可压缩的绝缘导热材料，首选硅橡胶为基材、氮化硼和氧化铝为填充剂的材料。
61.电机运行时功率管42产生的热量通过导热垫5传递给后端盖2，不需要另外在功率管42表面安装散热器。具有电机结构紧凑、成本低的优点。设置导热垫5还能够增加功率管42的引脚到端盖的爬电距离，避免了由于功率管42的高压引脚与端盖距离过近引起的触电事故。
62.如图11、12所示，转子组件6包括转子轴61、转子铁芯62、前轴承63、后轴承64和挡光板65，转子铁芯62具有多个转子凸极621，转子铁芯62的中心设置有安装轴孔，转子铁芯62通过安装轴孔固定在外圆有凸筋的转子轴61上，前轴承63和后轴承64分别固定在转子轴61的两端，前轴承63设置在前轴承室11内，后轴承64设置在后轴承室22内。
63.挡光板65在其圆周上设置有与转子凸极621数量对应的多个均匀分布的挡光部651，挡光板65轴向安装在后轴承64与转子铁芯62之间，挡光板65是由金属板材料冲压制成的，挡光板65的中心设置有与转子轴61外圆过盈配合连接的翻边孔652，转子铁芯62的转子凸极621与挡光板65的挡光部651的相对角度固定，转子铁芯62和挡光板65装配时，通过辅助定位工装保证两者之间的相对位置固定。安装在pcb板41反面的两个位置传感器47通过检测安装有挡光板65的转子组件6来确定转子组件6的角度位置，当转子组件6旋转到预设定的位置时，控制器4上的控制电路控制功率管42开通或关断，使相应的定子组件3上的线圈绕组34通电或断电，使转子组件6在线圈的电磁力的作用下持续旋转。
64.为了解决定子组件3上的线圈绕组与控制器4上的功率管42的散热问题，转子轴61上设置有风扇66，风扇66位于转子铁芯62与后轴承64之间，后端盖2的侧壁上设置有多个贯通的散热孔23。前端盖1的底壁上设置有多个进气孔，如图5所示，前端盖1的前轴承室11的外圈到前端盖1底壁的边缘壳体之间设置有辐射状的格栅12，进气孔由格栅12之间的空隙形成，进气孔的外径大于风扇66的外径，格栅12轴向的厚度大于前端盖1底壁的厚度，为了增强前轴承室11的强度。
65.电机旋转时，风扇66随转子轴61一起旋转，前端盖1附近的空气流入进气孔，流入进气孔的空气在风扇66的作用下，经过定子组件3上的线圈绕组34，从后端盖2的散热孔23流出。如图16所示为进气孔、风扇66以及散热孔23组成的散热风道，这样的结构可以使定子组件3上的线圈绕组34和控制器4上的功率管42同时冷却。与电机本体和驱动板分离的系统相比，本发明的一体结构的电机，不需要分别考虑设计电机线圈和驱动板上的功率器件的散热结构方案。
66.如图1～9所示，前端盖1开口的一侧端面上设有前定位凸13，前定位凸13的中心设置有螺纹孔131。后端盖2开口的一侧端面上在轴向均匀设置有多个后定位凸25，后定位凸
25自端面轴向延伸的长度为3
‑
5mm，后定位凸25的中心设有贯通的螺钉安装孔251。定子铁芯31的轭部开设有用于前定位凸13和后定位凸25插接的凸部安装孔313，前定位凸13和后定位凸25结构和形状均相同，前后定位凸与凸部安装孔313均为间隙配合。凸部安装孔313轴向贯通定子铁芯31且位于定子凸极311径向方向的外侧，后定位凸25的螺钉安装孔251内设置有螺钉7，螺钉7依次穿过后定位凸25的螺钉安装孔251、定子铁芯31的凸部安装孔313拧入前定位凸13的螺纹孔131，将后端盖2、定子铁芯31和前端盖1固定连接。
67.本发明的前后端盖和定子铁芯31不需要另外加工止口结构，用前后定位凸就能保证前后端盖与定子铁芯31的同轴度，使电机的转子组件6与定子组件3的气隙均匀，运转平衡；本发明不需要电机壳体，由定子铁芯31的外圆部位、前端盖1和后端盖2对电机转子组件6、控制器4等内部零部件进行防护。
68.如图5所示，前定位凸13到格栅12外边缘的外壁之间设置有前加强筋14，前加强筋14可以保证前端盖1底壁的强度。
69.如图13～15所示，控制器4的pcb板41的正面边缘设置有电机控制端插座45和电源输入端插座46，pcb板41的反面设置有位置传感器47，pcb板41的边缘设置有用于螺钉7穿过的让位槽411，pcb板41的中心设置有用于电机装配时给后轴承64让位的让位孔412，后端盖2的底壁上还设置有与电机控制端插座45对应的电机控制插座孔26和与电机电源输入端插座46对应的电机电源插座孔27。
70.如图13～15所示，本实施例中，以4相电机为例：
71.pcb板41上设置有8个焊盘44，8个焊盘44分别为焊盘a 、焊盘a－、焊盘b 、焊盘b－、焊盘c 、焊盘c－、焊盘d 、焊盘d－，焊盘a 、焊盘a－、焊盘c 、焊盘c－分布在pcb板41的ⅰ区内，焊盘b 、焊盘b－、焊盘d 、焊盘d－分布在pcb板41的ⅱ区内，线圈骨架32上设置有8个凹槽33，8个凹槽33分布成与8个焊盘44相对应的两个区域，凹槽33分别位于pcb板41上相应的焊盘44下方。
72.定子组件的线圈有8个，分别缠绕安装在包裹定子凸极311的线圈架322上，其中每2个线圈串联或并联组成一相绕组34，4相绕组分别为a相绕组341、b相绕组342、c相绕组343、d相绕组344；每相绕组34有两个接线端，分别为：属于a相绕组的接线端a 和接线端a－、属于b相绕组的接线端b 和接线端b－、属于c相绕组的接线端c 和接线端c－、属于d相绕组的接线端d 和接线端d－。每个绕组34的接线端分别与对应的位于凹槽33内的刺破式端子35电性连接。
73.如图17所示，控制器4的控制电路包括mcu控制单元、n相绕组不对称半桥电路、n相绕组检流电路、转子位置检测电路、直流电源输入端口、辅助电源、母线电压检测电路、电源调试及下载口电路以及线圈温度检测电路。
74.mcu控制单元设置在pcb板41的ⅳ区内。
75.mcu控制单元通过n相绕组不对称半桥电路控制绕组的通电或断电。
76.mcu控制单元通过n相绕组检流电路对绕组的电流进行检测，n相绕组中i相与i 2相绕组的绕组检流电路为同一个检流电路，其中i 2≤n，n≥4且为偶数，本实施例中n＝4；根据转子位置检测电路检测的转子组件6的角度位置，传递到muc控制单元，通过n相绕组不对称半桥电路控制绕组34的通电或断电。由于i相与i 2相绕组不同时通电，所以在n相绕组不对称半桥电路设计中，i相与i 2相共用一个检流电路，整个电路可以减少一半数量的检
流电路，减少了零部件的使用。对应的，电路设计在pcb板41上时，i相与i 2相的半桥电路及共用的检流电路设置在一个区域，元器件之间的布线最短、路径最优，整体布局更优。
77.转子位置检测电路用于检测转子组件6的角度位置，如图15所示，转子位置检测电路设置在pcb板41的
ⅴ
区内，并传递到mcu控制单元。
78.直流电源输入端口用于输入供控制器4使用的直流电源。
79.直流电源输入端口将直流电输送至辅助电源，辅助电源为mcu控制单元供电。
80.母线电压检测电路设置在直流电源输入端口和辅助电源之间，如图15所示，直流电源输入端口辅助电源和母线电压检测电路均设置在pcb板41的
ⅵ
区内。
81.如图15所示，电源调试及下载口电路与电机控制端插座45均设置在pcb板41的ⅲ区内。
82.线圈温度检测电路用于检测电机的工作温度，如图14所示，线圈温度检测电路中的温度传感器48设置在pcb板41的反面。为了防止电机过载运行时电机温升太高而烧坏电机，pcb板41上还设置有检测定子组件3线圈绕组34温度的线圈温度检测电路，当线圈温度检测电路检测到附近的定子组件3线圈绕组34的温度超规定的值时，mcu控制单元控制n相绕组不对称半桥电路使电机降低功率运行或停止运行，电机温度不再升高，使电机在安全的工作温度范围内运行。
83.4相绕组不对称半桥电路包括用于驱动电机的a相绕组和c相绕组的a相和c相不对称半桥电路、用于驱动电机的b相绕组和d相绕组的b相和d相不对称半桥电路，如图15所示，a相和c相不对称半桥电路设置在pcb板41的ⅰ区内，b相和d相不对称半桥电路设置在pcb板41的ⅱ区内；
84.4相绕组检流电路包括用于检测a相绕组和c相绕组电流的a相和c相检流电路、用于检测b相绕组和d相绕组电流的b相和d相检流电路，如图15所示，a相和c相检流电路设置在pcb板41的ⅰ区内，b相和d相检流电路设置在pcb板41的ⅱ区内。
85.以上的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。