技术领域
[0001] 本发明涉及一种适应于一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机，是一种
净化厨房环境的新型厨房电器设备中的核心控制部件。
背景技术
[0002] 抽油烟机是一种厨房电器设备，它通常安装在厨房炉灶上方或侧壁，能将炉灶燃
烧的废气物和烹饪过程中产生的对人体有害的油烟雾霾和氮氧化物迅速抽走，排出室外，
减少污染，净化室内空气。
[0003] 抽油烟机的工作原理是，接通抽油烟机电源，驱动电机，使得离心风轮高速旋转，
在涡壳内产生螺旋线风压差，叶片间的空气在离心力的作用下，从叶轮中心被甩向叶轮外
沿，以较高的速度离开叶轮，进入涡壳并沿其内壁流动，使炉灶上方一定的空间范围内形成
负压区，将室内的油烟气体吸入抽油烟机内部，油烟气体经过油网过滤，进行第一次油烟分
离，然后进入烟机风道内部，通过涡轮的旋转对油烟气体进行第二次的油烟分离，风柜中的
油烟受到离心力的作用，油雾凝集成油滴，通过油路收集到油杯，净化后的烟气最后经过出
风口和排气管排向室外。
[0004] 抽油烟机的吸油烟效果与风量、风压有关，其中，风量就是排风量，是单位时间吸
油烟机吸收排放空气的总量，例如，15立方米/分钟的排风量可以在1分钟里面把15立方米
大小厨房的空气换一遍，如果厨房的体积是30立方米，那么就需要2分钟；风压是油烟管道
出风口的压力。至于抽油烟机工作时产生的噪声，已构成家居环境中最大的噪声源，对用户
体验来说，噪音当然是越小越好。
[0005] 抽油烟机按结构形式上来分，有深型和薄型两种，还有半深型、欧式及柜式机型。
但是，无论采用哪种形式，驱动电机始终是抽油烟机的关键核心部件，是提高抽油烟机性价
比的重要环节。由于几十年一贯制，市场上基本都采用全封闭的单相电容运转式异步电机，
镀锌铁壳全封闭，电机轴承为双列滚珠轴承，外带启动电容的容量为4微法左右。单相电容
运转式异步电机运转时只能有级调速，分快档、中档和慢档三速，能效比低、噪声大，普通吸
力的抽油烟机排风量是大约是14立方米/分钟，大吸力的抽油烟机排风量是大约是22立方
米/分钟，但驱动电机功率亦要相应提高，如何提高抽油烟的排净率，作为抽油烟机用的电
机和控制部件真的需要推陈出新。
[0006] 永磁无刷直流电机属于能效比较高的新型电机，它的优势十分明显：一是永磁无
刷直流电机没有机械电刷，而是利用电子换相，克服了有刷直流电机因机械电刷换相带来
可靠性的问题，可靠性较高；二是结构简单，由于永磁体安装在转子上，电枢绕组装在定子
上，使得导热性能好，电机产生的热量更容易散发出去，磁场损失也大大减少；三是它的效
率高，由于永磁无刷直流电机的励磁来源于永磁体，所以不像交流异步电机那样需要额外
从电网吸取励磁电流，转子上既无铜耗又无铁损，在节约能源、提高功率密度方面优势明
显。例如，每晚低至一度电的全直流变频空调，就是采用永磁无刷直流电机驱动压缩机的空
调。更重要的是，永磁无刷直流电机比单相电容运转式异步电机具有更好的调速特性和低
噪声的机械特性，既具备交流电机结构简单、运行可靠的优点，又具备直流电机重量轻、体
积小、出力大、动态性能好和调速性能优良的特点，特别适合在抽油烟机中直接取代单相电
容运转式异步电机，并将传统的抽油烟机升级换代成节能型的大吸力抽油烟机。
发明内容
[0007] 技术问题
[0008] 抽油烟机用永磁无刷直流电机虽然具有结构简单、运行可靠、效率高、无励磁损
耗、调速性能好、启动转矩较大和噪声低的优点，但是直接取代抽油烟机中的单相电容运转
式异步电机同样存在诸多问题:比如永磁无刷直流电机系统通常由电机和控制器两部分组
成，无刷直流电机本身不能单独使用，它必须在控制器的控制下才能工作，由于传统的永磁
无刷直流电机本体与单独的控制器之间连接的线束众多，所以在使用上十分不方便。另一
方面是置于永磁无刷直流电机内的霍尔位置传感器容易损坏, 由于霍尔位置传感器是嵌
入胶封装在定子槽中，所以一旦损坏，难于维修, 而且用于位置传感器的霍尔元件温度特
性不好, 在油污环境恶劣的条件下，容易导致电机稳定性下降，大大影响了电机的寿命。显
然，如何让永磁无刷直流电机能像单相电容运转式异步电机独立工作，如何实现抽油烟机
用无刷直流电机及控制器的一体化控制，解决这些问题，已经成为当前研究一种抽油烟机
用内置控制器的永磁无刷直流电机的技术热点。
[0009] 技术方案
[0010] 本发明对一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机提出了一种可直接替
换原抽油烟机中单相电容运转式异步电机的设计方案，这种设计思路就是，所述的一种抽
油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机与原来同功率的单相电容运转式异步电机具有
相同的外壳和机构尺寸，即将新的永磁无刷直流电机及控制器封装在原来单相异步电机相
同的外壳当中，从而保证抽油烟机在不作出任何模具修改或结构变动的情况下，可实现直
接替换，并使驱动功率和节能、降耗、降噪能力大大提升。
[0011] 本发明最重要的特色在于，将一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机分
解为电机运动和控制两大部分，突破时空的限制，将涉及电机运动的电磁和机械部件封装
在下端盖壳体中，控制器部分则封装在上端盖壳体中，再通过其相对的独立性，使电机运动
和控制部件结合，上、下端盖壳体合拢后，形成机电一体化结构，特别容易装配，便于维修。
[0012] 其技术方案具体如下：
[0013] 一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机，由上端盖部分和下端盖部分组
成，下端盖部分包括：下端盖壳体、转动轴、带护套定子铁心体、线包、转子铁心体、钕铁硼永
磁块、上轴承、下轴承，上端盖部分包括：上端盖壳体、内衬支架、盖板、PCB板、双核单片机、
驱动芯片，VMOS功率管、电解电容、电缆线，所述的下端盖壳体和上端盖壳体均为一次冲压
成型的空心圆柱体，其中下端盖壳体上冲压有一个下轴承支撑圆柱形台阶，下轴承支撑圆
柱形台阶的中心有一出轴孔，上端盖壳体上冲压有一个上轴承支撑圆柱形台阶，下端盖壳
体的圆环上有一道防油污的凹圈，上端盖壳体的圆环上有一道防油污的凸圈，下端盖壳体
与上端盖壳体合拢后，其凸圈正好嵌入凹圈中，其要点在于：
[0014] 所述的抽油烟机用永磁无刷直流电机的电磁部件和机械部件封装在下端盖壳体
中，所述的控制器安装在上端盖部分中，下端盖部分与上端盖部分合拢后，永磁无刷直流电
机及控制器合二为一；所述的带护套定子铁心体通过上下两层绝缘护套相扣，将定子铁心
体包裹起来，然后将线包先嵌入带护套定子铁心体的窗口中，再一起嵌入到下端盖壳体中；
所述的转子铁心体安装在带护套定子铁心体的中心位置，转子铁心体的外边沿嵌有瓦片状
的钕铁硼永磁块，转子铁心体的中心穿过转动轴，转动轴上装配有上轴承和下轴承，上端盖
部分和下端盖部分合拢后，上轴承安装到上轴承支撑圆柱形台阶中，下轴承安装到下轴承
支撑圆柱形台阶中，转动轴从下端盖壳体中心处的出轴孔伸出；所述的内衬支架采用阻燃
耐高温工程塑料，结构上是一端开口，另一端有内衬支架底板并带有六个支撑足的空心圆
柱体，内衬支架底板的中央有一个过轴圆柱体，过轴圆柱体开有一个中心孔，内衬支架的内
侧有四根限位肋条，外侧带防滑齿，紧密地嵌入上端盖壳体中；所述的PCB板是一个带四个
缺口的圆形电路板，顺着内衬支架内侧限位肋条的位置，刚好安装在内衬支架内，PCB板上
表贴焊接有双核单片机、驱动芯片，VMOS功率管、电解电容，驱动芯片的输入端与双核单片
机的I/O引脚相连，驱动芯片的输出端与VMOS功率管的控制端相连，VMOS功率管的输出端与
线包相连；所述的盖板是一个中央带孔的圆形板，扣在内衬支架的开口的一端，盖板上有定
位孔，通过螺丝将其与限位肋条上的固定孔相连。
[0015] 所述的一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机，其上端盖壳体上有一过
线圈孔，内衬支架上有一穿线孔，电缆线的一端焊接在PCB板上，另一端分别穿过穿线孔和
线圈孔后引出，所述的电缆线为五芯电缆，其中一根接AC220V的L端，另一根接AC220V的N
端，第三根接保护地，剩下的两根外接一个调速按键或者外接一个调速电位器。
[0016] 所述的一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机，其双核单片机除了自带捕获/
比较单元内核外,同时集成有高速乘除法运算单元和用于协调旋转矢量数字计算单元内核。
[0017] 技术效果
[0018] 本发明提出的一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机有如下有益效果：
[0019] 1、本发明最重要的特色在于，将一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机分
解为电机运动和控制两大部分，突破结构空间的限制，将其中涉及电机运动的电磁和机械部
件封装在下端盖壳体中，控制器部分封装在上端盖壳体中，并且通过其相对的独立性，使电机
运动和控制部件结合在一起，上、下端盖壳体合拢后，形成机电一体化结构，节能、降噪显著，。
[0020] 2、本发明所述的一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机，由于直接采用
了原来单相电容运转式异步电机的壳体，其结构和尺寸上无须作任何改动，即可直接取代
原抽油烟机中的单相电容运转式异步电机和控制器方案，适应不同结构类型的抽油烟机具
的更新换代。在相同的壳体体积的限制下，输出功率可在原单相电容运转式异步电机的基
础上提升30%，其风轮排风量从传统的17立方米/分钟最大可提升到22立方米/分钟，其油烟
和氮氧化物的抽净率可提高10%以上，实现了系统最省，整体最优。
[0021] 3、本发明所述的一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机，由于采用新型
钕铁硼永磁材料，在很大程度上提高电机的效率和功率密度，与同等功率的单相电容运转
式异步电机相比，其体积与传统电机的相同，但重量只有75%，涡流和材料中固有的磁滞损
耗可下降15%，节能效果明显。
[0022] 4、本发明设计了一种材质采用阻燃耐高温工程塑料的内衬支架，用来安装PCB板，
保证了控制器在拓扑结构上的独立性。
[0023] 5、本发明内置控制器采用高效双核单片机为核心控制部件，操作采用单个轻触按
键或者旋转电位器来无级调速或关停控制，使用特别简单；相比之下，传统采用单相电容运
转式异步电机的抽油烟机最多只有快档、中档和慢档三种调速模式。
[0024] 6、本发明所述的定子铁心体中，去掉了常用的位置传感器霍尔元件，采用了成熟
的基于反电势法检测的三段式起动技术，以实现无位置传感器的电动机转子检测控制，算
法上采用反电势磁链估计法和扩展卡尔曼滤波法方案，支持电动机软启动操作。
[0025] 7、在同样的输出功率情况下，本发明所述的一种抽油烟机用永磁无刷直流电机，
由于无须励磁电流，大大减少了电磁调制干扰，从而获得优良的低噪声特性和可靠性。
[0026] 8、由于电机运动部件与控制器模块分别安装在下端盖壳体和上端盖壳体结构中，
这一拓扑结构支持永磁无刷直流电机与控制器可以分开制造，再一体化安装模式。
[0027] 显然，本发明所述的一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机，已不再是
一种单一技术的代用和升级，而是一种综合了节能措施和全新的控制技术的集合，大大提升了
抽油烟机的效率，它可以直接替代传统抽油烟机中的单相电容运转式异步电机和外部控制电
路，其意想不到的效果是，以本发明一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机为核心驱
动部件，可将其用户已安装的普通抽油烟机改造升级成为大吸力抽油烟机，市场前景广阔。
附图说明
[0028] 图1 永磁无刷直流电机与控制器壳体与风轮正向连接图；
[0029] 图2 永磁无刷直流电机与控制器壳体与风轮反向连接图；
[0030] 图3 永磁无刷直流电机与控制器壳体与风轮正向分离外形图；
[0031] 图4 永磁无刷直流电机与控制器壳体与风轮反向分离外形图；
[0032] 图5 去掉风轮后的永磁无刷直流电机及控制器壳体正向外形图；
[0033] 图6 去掉风轮后的永磁无刷直流电机及控制器壳体反向外形图；
[0034] 图7 永磁无刷直流电机及控制器爆炸图一；
[0035] 图8 永磁无刷直流电机及控制器爆炸图二；
[0036] 图9 永磁无刷直流电机及控制器爆炸图三；
[0037] 图10 永磁无刷直流电机及控制器爆炸图四；
[0038] 图11 去掉上端盖壳体、下端盖壳体后永磁无刷直流电机的内部图；
[0039] 图12 去掉上、下端盖壳体、带护套定子铁心体和线包后的内部图；
[0040] 图13 内衬支架和PCB板视图；
[0041] 图14 内衬支架和PCB板图爆炸图；
[0042] 图15 永磁无刷直流电机及控制器爆炸图五；
[0043] 图16 永磁无刷直流电机及控制器爆炸图六；
[0044] 图17 永磁无刷直流电机及控制器爆炸图七；
[0045] 图18 永磁无刷直流电机及控制器爆炸图八。
[0046] 标号说明：
[0047] 1 上端盖壳体 2 下端盖壳体
[0048] 3 转动轴 4 电缆线
[0049] 5 内衬支架 6 盖板
[0050] 7 带护套定子铁心体 8 过线圈孔
[0051] 9 线包 10 穿线孔
[0052] 11 出轴孔 12 PCB板
[0053] 13 过轴圆柱体 14 上轴承
[0054] 15 下轴承 16 钕铁硼永磁块
[0055] 17 转子铁心体 18 中心孔
[0056] 19 限位肋条 20 双核单片机
[0057] 21 VMOS功率管 22 电解电容
[0058] 23 驱动芯片 24 内衬支架底板
[0059] 25 上轴承支撑圆柱形台阶 26 下轴承支撑圆柱形台阶
[0060] 27 凹圈 28 凸圈
[0061] 29 支撑足 30 固定孔
[0062] 31 定位孔 32 风轮
[0063] 33 风轮与转动轴固定手柄 34 风轮支撑圆柱
[0064] 35 转动轴螺纹 36 风轮叶片
[0065] 37 缺口 38 安装栓孔
具体实施方式
[0066] 本发明如图1至图18所示。下面结合附图说明本发明的具体实施方案：
[0067] 一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机，由上端盖部分和下端盖部分组
成，下端盖部分包括：下端盖壳体2、转动轴3、带护套定子铁心体7、线包9、转子铁心体17、钕
铁硼永磁块16、上轴承14、下轴承15，上端盖部分包括：上端盖壳体1、内衬支架5、盖板6、PCB
板12、双核单片机20、驱动芯片23，VMOS功率管21、电解电容22、电缆线4，所述的下端盖壳体
2和上端盖壳体1均为一次冲压成型的空心圆柱体，其中下端盖壳体2上冲压有一个下轴承
支撑圆柱形台阶26，下轴承支撑圆柱形台阶26的中心有一出轴孔11，上端盖壳体1上冲压有
一个上轴承支撑圆柱形台阶25，下端盖壳体2的圆环上有一道防油污的凹圈27，上端盖壳体
1的圆环上有一道防油污的凸圈28，下端盖壳体2与上端盖壳体1合拢后，其凸圈28正好嵌入
凹圈27中，以防止油污侵入，其特征在于：
[0068] 所述的抽油烟机用永磁无刷直流电机的电磁部件和机械部件封装在下端盖壳体
中，所述的控制器安装在上端盖部分中，下端盖部分与上端盖部分合拢后，永磁无刷直流电
机及控制器合二为一；所述的带护套定子铁心体7通过上下两层绝缘护套相扣，将定子铁心
体包裹起来，然后将线包9先嵌入带护套定子铁心体7的窗口中，再一起嵌入到下端盖壳体2
中；所述的转子铁心体17安装在带护套定子铁心体7的中心位置，转子铁心体17的外边沿嵌
有瓦片状的钕铁硼永磁块16，转子铁心体17的中心穿过转动轴3，转动轴3上装配有上轴承
14和下轴承15，上端盖部分和下端盖部分合拢后，上轴承14安装到上轴承支撑圆柱形台阶
25中，下轴承15安装到下轴承支撑圆柱形台阶26中，转动轴3从下端盖壳体2中心处的出轴
孔11伸出；所述的内衬支架5采用阻燃耐高温工程塑料，结构上是一端开口，另一端有内衬
支架底板24带有六个支撑足29的空心圆柱体，内衬支架底板24中央有一个过轴圆柱体13，
过轴圆柱体13开有一个中心孔18，内衬支架5的内侧有四根限位肋条19，外侧带防滑齿，紧
密地嵌入上端盖壳体1中；所述的PCB板12是一个带四个缺口的圆形电路板，顺着内衬支架5
内侧限位肋条19的位置，刚好安装在内衬支架5内，PCB板12上表贴焊接有双核单片机20、驱
动芯片23，VMOS功率管21、电解电容22，驱动芯片23的输入端与双核单片机20的I/O引脚相
连，驱动芯片23的输出端与VMOS功率管21的控制端相连，VMOS功率管21的输出端与线包9相
连，所述的盖板6是一个中央带孔的圆形板，扣在内衬支架5的开口的一端，盖板6上有定位
孔31，通过螺丝将其与限位肋条19上的固定孔30相连。
[0069] 所述的一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机，其上端盖壳体1上有一
过线圈孔8，内衬支架5上有一穿线孔10，电缆线4的一端焊接在PCB板8上，另一端分别穿过
穿线孔10和线圈孔8后引出，所述的电缆线4为五芯电缆，其中一根接AC220V的L端，另一根
接AC220V的N端，第三根接保护地，剩下的两根外接一个调速按键或者外接一个调速电位
器。
[0070] 所述的一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机，其双核单片机8除了自
带捕获/比较单元内核外,同时集成有高速乘除法运算单元和用于协调旋转矢量数字计算
单元内核，这对于提高永磁无刷直流电机的实时控制是必不可少的。
[0071] 本发明剔除了传统永磁无刷直流电机对外提供的三根U、V、W相线和五根位置传感
器器控制线，取代了繁多的外部控制线束，增强了可靠性，提高了易用性和可维护性。相比
之下，普通采用单相电容运转式异步电机的抽油烟机，其电缆线也是五芯电缆，黑线+红线
是快档、黑线+绿线是中档，黑线+白线是慢档，花线是保护地线。
[0072] 控制器是电动机的神经控制中枢，针对传统永磁无刷直流电机的霍尔位置传感器
带来诸多工艺上的麻烦，本发明方案中，取消了在定子铁心中嵌入霍尔位置传感器的方案，
去掉霍尔位置传感器后，本发明采用了成熟的基于反电势法检测的三段式起动技术，以实
现无位置传感器的电动机转子检测控制，算法上采用反电势磁链估计法和扩展卡尔曼滤波
法方案，这些内容属于公知技术，不是本发明方案论证的范围。
[0073] 为了更好地说明一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机与风轮32的连
接情况，本发明还分别绘出了永磁无刷直流电机的上端盖壳体1与下端盖壳体2与风轮32的
连接情况，所述的风轮32是带风轮叶片36的圆形钢构件，与普通抽油烟机的风轮无异，其中
图1至图4是抽油烟机用永磁无刷直流电机与控制器壳体与风轮的各种连接情形，永磁无刷
直流电机的转动轴3上有一个安装栓孔38，只须将安装栓孔38处插入一根固定栓，再卡在风
轮32中心的缺口37处，然后将风轮与转动轴固定手柄33旋入转动轴螺纹35，就将永磁无刷
直流电机与控制器壳体与风轮33固定在一起。图1到图4没有专利权要求，只是表明，所述的
一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机与同等功率的单相电容运转式异步电机
具有相同的尺寸、安装位置和安装方式，所以能很方便的替换安装。
[0074] 综上所述，本发明所提出的一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机，是
一种全新的抽油烟机驱动型式，其突出的创新设计在于：
[0075] 本发明提供了一种吸油烟机全新的内腔拓扑结构，外形上乍一看，与抽油烟机用
的单相电容运转式异步电机一模一样，但内腔设计完全突破了结构空间的限制，其中，涉及
电机运动的电磁和机械部件封装在下端盖壳体中，PCB板控制器部分封装在上端盖壳体中，
具有相对的独立性，当上、下端盖壳体合拢后，形成一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷
直流电机一体化结构。这一全新的拓扑结构支持永磁无刷直流电机与控制器可以分段生
产，一体化总装并结合成一体。由于电机与电控线路集成在内腔中，外接的仅一根五芯电缆
线，从而保证抽油烟机在油烟这种强腐蚀的条件下能够稳定可靠工作，实现了系统最省，整
体最优。
[0076] 本发明所述的控制器集成在PCB板上，所述的双核单片机、驱动芯片、VMOS功率管
均表贴焊接在PCB板上，PCB板安装在采用阻燃耐高温工程塑料的内衬支架中，该内衬支架
紧密地嵌入上端盖壳体中，有效解决了电机转动时PCB板如何抗震动以及如何保证其可靠
性的安装难题。
[0077] 本发明所述的抽油烟机用永磁无刷直流电机，由于采用新型钕铁硼永磁材料，无
须额外的励磁电流，从而大大提高了电机的效率和功率密度，通过适当的绕组结构和控制
方式，可以将转矩脉动与电磁调制干扰降到很低的水平，电机工作时可获得优良的低噪声
特性，与同等功率的抽油烟机用单相电容运转式异步电机实测相比，其体积与传统电机的
相同，但重量只有75%，涡流和材料中固有的磁滞损耗可下降15%，节能、降耗、降噪效果明
显。
[0078] 本发明其结构和尺寸上无须作任何改动，即可直接取代原抽油烟机中的单相电容
运转式异步电机和控制器，因此特别适应不同结构类型的抽油烟机具的更新换代。实测表
明，采用永磁无刷直流电机及控制器的方案，其输出功率可在原单相电容运转式异步电机
的基础上提升30%，风轮排风量可从传统的17立方米/分钟最大提升到22立方米/分钟，其油
烟和氮氧化物的抽净率可提高10%以上，市场前景看好。
[0079] 显然，有前途和有价值的创新才是有意义的。本发明所述的一种抽油烟机用内置
控制器的永磁无刷直流电机，已不再是一种简单技术的代用和升级，而是集成了新型拓扑
结构、节能算法、高效材料和全新控制技术，大大提升了抽油烟机的效率，它提供了一种低
成本，便于大规模生产，实现永磁无刷直流电机与控制器一体化的解决方案，可以十分方便
替代传统抽油烟机中的单相电容运转式异步电机和外部控制电路。
[0080] 本发明中，所述的双核单片机固化有两种无级调速控制模式：如果两根控制连线
外接单个轻触按键，即可实现键控型的无级调速控制；如果两根控制连线外接电位器，就可
以支持旋转无级调速控制，使用特别简单。此外，本发明所述的控制器支持抽油烟机电机的
软启动操作。
[0081] 本发明意想不到的效果是，可直接将用户已安装的普通抽油烟机更新换代改造成
为大吸力抽油烟机，或者是以本发明一种抽油烟机用内置控制器的永磁无刷直流电机为核
心驱动部件，推出大吸力、节能型、低噪声的抽油烟机。特别重要的是，本发明突出了节能、
降耗、降噪、环保的优点，市场前景相当广阔。
