36 V高能锂电电动冰钻的设计

周羊宝

(泰州润元机电科技发展有限公司，江苏 泰州 225300)

36 V高能锂电电动冰钻的设计

周羊宝

(泰州润元机电科技发展有限公司，江苏 泰州 225300)

随着小型通用电动机的发展，人们采用电动冰钻在冰上钻洞，既省力速度又快。概述了一款36 V高能锂电电动冰钻的结构、工作原理以及电机、电池等零件的配置及设计计算。

锂电动冰钻；无刷电机；电动动力头

0 引言

动力冰钻[1-2]属于户外运动娱乐范围内的新产品。由于其专业性比较强，且对时令节气有要求，只适宜在冬天使用，所以这类产品的市场主要集中在冬季比较寒冷的北美、北欧、俄罗斯等国家和地区，在我国的东北、内蒙、河北、北京等地区也有一定的市场。

电动冰钻是用电机代替发动机，以可反复充放电的蓄电池作为能源的手持式动力产品。所用电池，可分为铅酸和锂电两种，由于在气温非常低时铅酸电池放电性能很差，所以现在电动冰钻趋向于用锂电[3]。电机分有刷的和无刷两种，有刷电机的效率相对较低，且噪声大，碳刷易磨损，可靠性差，所以电动冰钻采用直流永磁无刷电机的较多[4]。本文主要介绍的是泰州润元机电科技发展有限公司设计的一款锂电电动冰钻。

1 电动冰钻设计

1.1 电动冰钻的构成

电动冰钻主要包括电动动力头和冰钻头两部分，电动动力头由安装支架、电池组、电机、变速箱、控制器、充电器和调速手柄以及外饰塑料件等组成；冰钻头由钻杆组焊件、刀片和定心刀片以及刀片保护罩等组成。冰钻头插在电动冰钻头的输出轴上，并用一只内六角螺栓紧固起来，如图1所示。

1.2 技术性能要求

根据冰钓活动的要求，对冰钻有如下性能要求：

(1) 最大钻洞直径：Φ200 mm。

(2) 最大钻洞深度：500 mm～600 mm。

(3) 在环境温度为-20 ℃时，钻Φ200 mm深600 mm的洞，充一次电可连续钻40个洞。

(4) 循环使用寿命(以2 C放电，满充满放)：循环充放电≥300次。

1.3 电机的选择

为提高电机使用寿命和减轻重量，提高电机效率，我们选用直流永磁无刷电机，根据经验已知在冰上钻Φ200 mm的洞所需的扭矩≥25 N·m，最佳输出转速为200 r/min～250 r/min。我们选定减速箱的速比i=15.3，所以电机的额定转速n=3 200 r/min，额定功率P=600 W，电机的额定电压为36 V。

1-电动动力头；2-冰钻头；3-安装螺栓

电机输出扭矩为：

(1)

将相关参数代入式(1)计算得：TN=1.79 N·m。

6种猕猴桃酒理化指标的测定结果见表3。由表3可知，以红阳猕猴桃作为原料酿造的果酒酒精度最高(13.4%vol)，维生素含量最高(244 mg/L)，滴定酸结果最低(6.2 g/L)；而以海沃德作为原料酿造的果酒酒精度最低(10.2%vol)，总糖含量最低(5.7 g/L)；以翠香作为原料酿造的果酒干浸出物最高(17.4 g/L)，以徐香作为原料酿造的果酒干浸出物最低(15.6 g/L)；以秦美作为原料酿造的果酒维生素含量最低(168 mg/L)。

减速箱输出的扭矩为：

T=TN×i.

(2)

将相关参数代入式(2)，计算得：T=27.4 N·m>25 N·m。

1.4 变速箱的选择

电动冰钻是单人手持操作，除要重量轻之外，还要求结构对称，输出轴放置在对称中心上，所以选择行星减速器；因为速比大，且要求重量轻、结构紧凑，所以采用二级行星减速，外齿圈的齿数Z0为39，一级太阳轮的齿数Z1为12，二级太阳轮的齿数Z2为15。则总的减速比为：

(3)

代入相关参数，计算得i=15.3。

1.5 电池组的设计

选用标准的18650功率型锂电池，电池的主要技术参数如表1所示。

考虑到电机的电压和电流最平衡点，选择电机的额定电压为36 V，所以电池组采用2并10串的方式，组成的电池组的电压是36 V，容量是4 Ah。电池包组装电路图如图2所示。

表1 18650功率型锂电池技术参数

图2 电池包组装电路图

为保护锂电池，电池盒内还装有一保护电路板，对每级电池进行保护，其主要具有如下几个功能：

(1) 过充保护功能：当电池组中任意一节电池的电压高于4.20 V±0.05 V过充保护点时关断充电，以确保所有电池都在过充保护点以内工作。

(2) 过放保护功能：当电池组中任意一节电池的电压低于2.5 V过放保护点时关断放电，以确保所有电池都在过放保护点以上工作。

(3) 过流保护功能：当电池组在放电过程中，放电电流大于设置的过流保护点时关断输出，以确保电池组在安全的电流范围内工作。

(4) 短路保护功能：在电池组的输出端口出现短路状况时关断输出，以确保电池组不会因为短路而损坏。1.6 控制器

控制器安装在动力头上，通过输出线分别与电源、电机、调速手把以及熄火开关相连，工作电压范围为30 V～45 V，工作温度范围为-30 ℃～55 ℃。控制器接线图见图3。1.7 调速手柄

电动冰钻是冬季使用，操作者要戴棉手套，所以为操作方便，设计成扳手式手柄，打开熄火开关后，用拇指向下按压扳手，电机的转速从低到高变化，松开扳手

后，扳手自动回位，电机停止转动。考虑到安全性和操作方便，将调速手柄和熄火开关做成一体，既美观，又紧凑，安全性好。调速手柄如图4所示。

图3 控制器接线图 图4 调速手柄

1.8 充电器

充电器采用与笔记本电脑相似的充电插头，充电方便，插拔轻松。考虑到为出口产品，充电器的输入电源为220 V±10%(频率50 Hz)和110 V±10%(频率60 Hz)两种均可，输出电压为42 V，最大充电流5 A。

1.9 安装支架及覆盖件

电动冰钻是单人手持操作，重量要轻，所以采用铝合金手把，为减少包装尺寸，两手把可拆卸，通过两螺栓安装在电机底座上。电机、控制器用专门设计的塑料件覆盖起来，塑料件上设计有散热栅窗，既轻便又美观。安装支架及覆盖件安装示意图如图5所示。

1.10 冰钻头

冰钻头由中间管、螺旋叶片和刀架焊接而成，刀架上安装有两只弧形刀片，减少了钻冰时的阻力，钻入冰面后，钻头无须定位不易滑动，在钻底部还装有一定心刀片，可有效地防止钻冰时打滑。钻头示意图见图6。

图5 安装支架及覆盖件安装示意图 图6 钻头示意图

2 结语

本文面向冬季活动需求，将锂电池、直流永磁电机和冰钻等关键技术进行结合，设计出高性能锂电电动冰钻，为类似产品的设计提供借鉴。

[1] 王宝林,树龙珍.弧形冰钻的设计与加工[J].黑龙江科技信息,2014(18):126-128.

[2] 吴晓曦.哈尔滨市区居民冬季户外健身活动现状分析[J].哈尔滨体育学院学报,2012,30(2):36-39.

[3] 赵辉,李铁才,孙立志,等.电池供电的永磁电动机系统的再生制动[J].电机与控制学报,1999(3):207-210.

[4] 胡文静.永磁无刷直流电动机的发展及展望[J].微电机，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

周羊宝(1967-)，男，江苏泰州人，工程师，大专。

TM925

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