36 V高能鋰電電動冰鉆的設(shè)計

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(泰州潤元機電科技發(fā)展有限公司，江蘇 泰州 225300)

36 V高能鋰電電動冰鉆的設(shè)計

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(泰州潤元機電科技發(fā)展有限公司，江蘇 泰州 225300)

隨著小型通用電動機的發(fā)展，人們采用電動冰鉆在冰上鉆洞，既省力速度又快。概述了一款36 V高能鋰電電動冰鉆的結(jié)構(gòu)、工作原理以及電機、電池等零件的配置及設(shè)計計算。

鋰電動冰鉆；無刷電機；電動動力頭

0 引言

動力冰鉆[1-2]屬于戶外運動娛樂范圍內(nèi)的新產(chǎn)品。由于其專業(yè)性比較強，且對時令節(jié)氣有要求，只適宜在冬天使用，所以這類產(chǎn)品的市場主要集中在冬季比較寒冷的北美、北歐、俄羅斯等國家和地區(qū)，在我國的東北、內(nèi)蒙、河北、北京等地區(qū)也有一定的市場。

電動冰鉆是用電機代替發(fā)動機，以可反復(fù)充放電的蓄電池作為能源的手持式動力產(chǎn)品。所用電池，可分為鉛酸和鋰電兩種，由于在氣溫非常低時鉛酸電池放電性能很差，所以現(xiàn)在電動冰鉆趨向于用鋰電[3]。電機分有刷的和無刷兩種，有刷電機的效率相對較低，且噪聲大，碳刷易磨損，可靠性差，所以電動冰鉆采用直流永磁無刷電機的較多[4]。本文主要介紹的是泰州潤元機電科技發(fā)展有限公司設(shè)計的一款鋰電電動冰鉆。

1 電動冰鉆設(shè)計

1.1 電動冰鉆的構(gòu)成

電動冰鉆主要包括電動動力頭和冰鉆頭兩部分，電動動力頭由安裝支架、電池組、電機、變速箱、控制器、充電器和調(diào)速手柄以及外飾塑料件等組成；冰鉆頭由鉆桿組焊件、刀片和定心刀片以及刀片保護罩等組成。冰鉆頭插在電動冰鉆頭的輸出軸上，并用一只內(nèi)六角螺栓緊固起來，如圖1所示。

1.2 技術(shù)性能要求

根據(jù)冰釣活動的要求，對冰鉆有如下性能要求：

(1) 最大鉆洞直徑：Φ200 mm。

(2) 最大鉆洞深度：500 mm～600 mm。

(3) 在環(huán)境溫度為-20 ℃時，鉆Φ200 mm深600 mm的洞，充一次電可連續(xù)鉆40個洞。

(4) 循環(huán)使用壽命(以2 C放電，滿充滿放)：循環(huán)充放電≥300次。

1.3 電機的選擇

為提高電機使用壽命和減輕重量，提高電機效率，我們選用直流永磁無刷電機，根據(jù)經(jīng)驗已知在冰上鉆Φ200 mm的洞所需的扭矩≥25 N·m，最佳輸出轉(zhuǎn)速為200 r/min～250 r/min。我們選定減速箱的速比i=15.3，所以電機的額定轉(zhuǎn)速n=3 200 r/min，額定功率P=600 W，電機的額定電壓為36 V。

1-電動動力頭；2-冰鉆頭；3-安裝螺栓

電機輸出扭矩為：

(1)

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)計算得：TN=1.79 N·m。

6種獼猴桃酒理化指標的測定結(jié)果見表3。由表3可知，以紅陽獼猴桃作為原料釀造的果酒酒精度最高(13.4%vol)，維生素含量最高(244 mg/L)，滴定酸結(jié)果最低(6.2 g/L)；而以海沃德作為原料釀造的果酒酒精度最低(10.2%vol)，總糖含量最低(5.7 g/L)；以翠香作為原料釀造的果酒干浸出物最高(17.4 g/L)，以徐香作為原料釀造的果酒干浸出物最低(15.6 g/L)；以秦美作為原料釀造的果酒維生素含量最低(168 mg/L)。

減速箱輸出的扭矩為：

T=TN×i.

(2)

將相關(guān)參數(shù)代入式(2)，計算得：T=27.4 N·m>25 N·m。

1.4 變速箱的選擇

電動冰鉆是單人手持操作，除要重量輕之外，還要求結(jié)構(gòu)對稱，輸出軸放置在對稱中心上，所以選擇行星減速器；因為速比大，且要求重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，所以采用二級行星減速，外齒圈的齒數(shù)Z0為39，一級太陽輪的齒數(shù)Z1為12，二級太陽輪的齒數(shù)Z2為15。則總的減速比為：

(3)

代入相關(guān)參數(shù)，計算得i=15.3。

1.5 電池組的設(shè)計

選用標準的18650功率型鋰電池，電池的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

考慮到電機的電壓和電流最平衡點，選擇電機的額定電壓為36 V，所以電池組采用2并10串的方式，組成的電池組的電壓是36 V，容量是4 Ah。電池包組裝電路圖如圖2所示。

表1 18650功率型鋰電池技術(shù)參數(shù)

圖2 電池包組裝電路圖

為保護鋰電池，電池盒內(nèi)還裝有一保護電路板，對每級電池進行保護，其主要具有如下幾個功能：

(1) 過充保護功能：當電池組中任意一節(jié)電池的電壓高于4.20 V±0.05 V過充保護點時關(guān)斷充電，以確保所有電池都在過充保護點以內(nèi)工作。

(2) 過放保護功能：當電池組中任意一節(jié)電池的電壓低于2.5 V過放保護點時關(guān)斷放電，以確保所有電池都在過放保護點以上工作。

(3) 過流保護功能：當電池組在放電過程中，放電電流大于設(shè)置的過流保護點時關(guān)斷輸出，以確保電池組在安全的電流范圍內(nèi)工作。

(4) 短路保護功能：在電池組的輸出端口出現(xiàn)短路狀況時關(guān)斷輸出，以確保電池組不會因為短路而損壞。1.6 控制器

控制器安裝在動力頭上，通過輸出線分別與電源、電機、調(diào)速手把以及熄火開關(guān)相連，工作電壓范圍為30 V～45 V，工作溫度范圍為-30 ℃～55 ℃。控制器接線圖見圖3。1.7 調(diào)速手柄

電動冰鉆是冬季使用，操作者要戴棉手套，所以為操作方便，設(shè)計成扳手式手柄，打開熄火開關(guān)后，用拇指向下按壓扳手，電機的轉(zhuǎn)速從低到高變化，松開扳手

后，扳手自動回位，電機停止轉(zhuǎn)動。考慮到安全性和操作方便，將調(diào)速手柄和熄火開關(guān)做成一體，既美觀，又緊湊，安全性好。調(diào)速手柄如圖4所示。

圖3 控制器接線圖 圖4 調(diào)速手柄

1.8 充電器

充電器采用與筆記本電腦相似的充電插頭，充電方便，插拔輕松。考慮到為出口產(chǎn)品，充電器的輸入電源為220 V±10%(頻率50 Hz)和110 V±10%(頻率60 Hz)兩種均可，輸出電壓為42 V，最大充電流5 A。

1.9 安裝支架及覆蓋件

電動冰鉆是單人手持操作，重量要輕，所以采用鋁合金手把，為減少包裝尺寸，兩手把可拆卸，通過兩螺栓安裝在電機底座上。電機、控制器用專門設(shè)計的塑料件覆蓋起來，塑料件上設(shè)計有散熱柵窗，既輕便又美觀。安裝支架及覆蓋件安裝示意圖如圖5所示。

1.10 冰鉆頭

冰鉆頭由中間管、螺旋葉片和刀架焊接而成，刀架上安裝有兩只弧形刀片，減少了鉆冰時的阻力，鉆入冰面后，鉆頭無須定位不易滑動，在鉆底部還裝有一定心刀片，可有效地防止鉆冰時打滑。鉆頭示意圖見圖6。

圖5 安裝支架及覆蓋件安裝示意圖 圖6 鉆頭示意圖

2 結(jié)語

本文面向冬季活動需求，將鋰電池、直流永磁電機和冰鉆等關(guān)鍵技術(shù)進行結(jié)合，設(shè)計出高性能鋰電電動冰鉆，為類似產(chǎn)品的設(shè)計提供借鑒。

[1] 王寶林,樹龍珍.弧形冰鉆的設(shè)計與加工[J].黑龍江科技信息,2014(18):126-128.

[2] 吳曉曦.哈爾濱市區(qū)居民冬季戶外健身活動現(xiàn)狀分析[J].哈爾濱體育學(xué)院學(xué)報,2012,30(2):36-39.

[3] 趙輝,李鐵才,孫立志,等.電池供電的永磁電動機系統(tǒng)的再生制動[J].電機與控制學(xué)報,1999(3):207-210.

[4] 胡文靜.永磁無刷直流電動機的發(fā)展及展望[J].微電機，2002,35(3):37-38.

Design of Electric Ice Drill with 36 V High-energy Lithium Battery

ZHOU Yang-bao

(Taizhou Runyuan Mechanical and Electrical Technology Development Co., Ltd., Taizhou 225300, China)

With the development of small and general motors, electric drills are popular in market because of labor saving and high speed. The paper designs an electric ice drill with 36 V high-energy lithium-ion battery. The working principle, motor part, batteries, configuration and the design calculation of the ice drill are introduced.

lithium electric ice drilling; brushless motor; electric power head

1672- 6413(2015)06- 0109- 02

2015- 05- 22；

2015- 09- 18

周羊?qū)?1967-)，男，江蘇泰州人，工程師，大專。

TM925

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