CN101051776A

CN101051776A - 泵和泵系统

Info

Publication number: CN101051776A
Application number: CN 200710084078
Authority: CN
Inventors: 藤岛真
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2027-02-15
Also published as: JP5055517B2; JP2007218194A; CN101051776B

Abstract

提供一种泵和泵系统，其不仅能够抑制Q－H特性的离散性，减小产品的离散性，而且能够在事前检测出系统的异常。另外，提供一种泵和泵系统，由于能够简单地改变电流检测电阻(104)，所以能够提高系统的方便性。泵1具有：固定了永磁体的转子、设置在转子周围的多个定子线圈(12)、控制向定子线圈(12)的通电的控制电路(电动机驱动器IC14)、以及与控制电路电连接同时能够与外部连接的端子部(P₁～P₅)，在该泵(1)中，端子部具有检测定子线圈(12)中流过的电流的电流检测端子(P₆)。

Description

泵和泵系统

技术领域

本发明涉及一种例如用于电热水器及燃料电池等的热水·燃料循环中的泵和泵系统，特别涉及一种能够抑制产品的离散性、提高可靠性的泵和泵系统。

背景技术

例如在电热水器及燃料电池等的热水·燃料循环中，经常使用小型化的DC无刷泵。在这种泵中，具有电动机的定子线圈、以及固定了永磁体的转子，同时构成转子与叶轮(impeller)连接的结构，通过该叶轮旋转，能够排入·排出热水·燃料。

另外，DC无刷泵为了防止泵起动时及叶轮卡住时等产生的过大的电流对电动机驱动器IC的影响，一般具有过电流保护功能。即，在电动机驱动器IC上设置过电流检测端子，且该过电流检测端子与电流检测电阻连接。因此，如果该电流检测电阻两端的压降大于设定电压，则关闭输出功率级(例如IGBT：Insulated Gate Bipolar Transisor：绝缘栅双极型晶体管)，则能够防止过大的电流对电动机驱动器IC的影响。通过图4来详细介绍这样的过电流保护功能。

图4是表示以前的泵系统100的电结构的框图。

在图4中，以前的泵系统100若大致区分，则由泵101和泵控制用控制器106构成。泵101具有：卷绕在定子上的定子线圈102、包含叶轮的泵部103、电流检测电阻104、霍尔元件105、电动机驱动器IC110。而且，电动机驱动器IC110具有：三相分配逻辑块111、调节器112、PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)控制部113、三角波发生器114、高侧驱动器115、低侧驱动器117、过热保护电路116、过电流保护电路118、输出功率级(IGBT)119。另一方面，泵控制用控制器106具有：控制器控制部107、以及包含电动机电源和控制电路电源的电源部108。

另外，在泵100上设置端子P₁～P₅。端子P₁和端子P₂分别是为电动机驱动器IC110的IGBT119和调节器112提供功率的端子，在泵控制用控制器106中分别与电源部108(的电动机电源及控制电路电源)连接。端子P₃是用于从电动机驱动器IC 110的三相分配逻辑块111将旋转脉冲信号(例如FG信号)送出的端子。端子P₄用于接收来自泵控制用控制器106的按照PWM方式的速度控制信号的端子。端子P₅是在电动机驱动器IC110内接地的端子。

因此，发挥上述的过电流保护功能的电气元件是图4中所示的电流检测电阻104。更具体来说，根据来自高侧驱动器115及低侧驱动器117的控制信号，来自电源部108的电流通过IGBT119，提供给定子线圈102，但这时，定子线圈102中流过的电流会通过IGBT119及过电流检测端子T1流入电流检测电阻104中。因此，在过电流保护电路118中检测出电流检测电阻104的两端的压降，如果该压降大于预先设定的设定电压，则由过电流保护电路118将电流限制信号送入三相分配逻辑块111。结果关闭IGBT，防止过大的电流对电动机驱动器IC110的影响。

但是也有将上述定子线圈102与电动机驱动器IC110利用树脂等整体成型的情况(例如参考专利文献1)。如果是专利文献1中揭示的车辆用燃料提供装置(相当于上述泵100)，则它是用树脂材料(例如BMC等热固化树脂)来覆盖定子线圈(相当于上述的定子线圈102)、控制电路(相当于上述的电动机驱动器IC110)、以及连接这些的导电部。

因此，这些部分不暴露在燃料中，不仅能够防止了这些部分上的电腐蚀，而且能够防止由于导电不良及导电部分短路而引起的故障等。因此，出于确保这样的绝缘性的目的，一般上述的电流检测电阻104(参照图4)也和定子线圈102及电动机驱动器IC110一起用树脂材料覆盖。另外，即使不是整体地用树脂材料覆盖的情况，也大多封入外壳中。

【专利文献1】特开平05-71436号公报(段落号0007，图1)

但是，图4所示的泵100中存在着以下问题。

首先，电流检测电阻104的电阻值有大约±5％的离散。另外，由电动机驱动器IC110决定的(为了过电流保护的)设定电压也有大约±5％的离散。因此，它们的离散相加(最大10％的误差)，不仅会引起泵100中的Q-H特性(流量-扬程特性)的离散，而且也会增加产品的离散性。

这样，即使为了调整Q-H特性而改变电流检测电阻104，但由于如上所述用树脂材料覆盖电流检测电阻104，或者封入外壳中，所以也很难用简单的方法来改变它。因此，在产品完成后判断为允许范围外的产品的离散时，必须进行除去树脂材料或外壳并更换电流检测电阻104等的复杂的操作。另外，即使在产品完成后不存在产品的离散，但也有的情况下，由于长期使用的结果，因元器件劣化等而产生产品的离散。在这种情况时，也是不除去树脂材料或外壳就不能更换电流检测电阻104，因而不方便。

其次，图4所示的泵控制用控制器106通过端子P₃接受由电动机驱动器IC110发送的旋转脉冲信号，再根据该旋转脉冲信号检测泵100的转速。即，作为能够检测出泵100的工作状态的信息源，主要是该旋转脉冲信号(参照图4)。但是，在根据旋转脉冲信号来检测泵100的工作状态的方式中，例如当泵100的工作状态为叶轮卡住时，实际上在过渡到叶轮卡住状态之前(即在事前)不能检测出系统的异常，存在着系统可靠性差的问题。

本发明是针对上述几点而设计的，目的在于提供一种泵和泵系统，其不仅能够抑制Q-H特性的离散，减小产品的离散性，而且能够在事前检测出系统的异常。另外，目的在于提供了一种能够提高系统的方便性的泵和泵系统。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了下述的泵和泵系统。

(1)在泵中具有：固定了永磁体的转子、设置在上述转子周围的多个定子线圈、控制向上述定子线圈的通电的控制电路、以及与上述控制电路电连接且能够与外部连接的端子部，其特点是：上述端子部具有检测上述定子线圈中流过的电流的电流检测端子。

如果是本发明，在具有转子、多个定子线圈、控制电路和端子部的泵中，因为在端子部设置检测定子线圈中流过的电流(驱动电流)的电流检测端子，因此能够利用从该电流检测端子得到的电流来解决上述的各种问题。

即，通过在端子部设置电流检测端子，例如在泵外(例如泵控制用控制器)设置与电流检测端子连接的电流检测电阻，就能够在泵外检测出定子线圈中流过的电流。结果因为能够在泵外更换电流检测电阻，能够简单地调整Q-H特性，所以能够抑制泵的Q-H特性的离散，能够简单地减少产品的离散性。另外，因为能够简单地在泵外更换电流检测电阻，所以能够提供提高系统方便性的泵。

另外，例如通过在泵外(例如泵控制用控制器)监视从电流检测端子得到的电流，能够在事前检测出系统的异常。具体来说，我们知道一般在成为叶轮卡住状态之前，在定子线圈内流过的电流中会产生纹波(脉动)。因此，使用与电流检测端子连接的装置(例如泵控制用控制器)，通过检测出该脉动，不仅能够在过渡为叶轮卡住状态之前使系统停止(或者限制电流)，而且能够提高系统的可靠性。

(2)是一种具有所述泵、以及与所述端子部连接的泵控制用控制器的泵系统，其特点是：上述泵控制用控制器具有与所述电流检测端子连接的、同时检测上述定子线圈中流过的电流的第1电流检测电阻。

如果是本发明，在具有上述泵、以及与上述端子部连接的泵控制用控制器的泵系统中，因为该泵控制用控制器具有与所述电流检测端子连接、同时检测上述定子线圈中流过的电流的第1电流检测电阻，因此用具有适当电阻值的电阻来代替第1电流检测电阻，能够调整泵的Q-H特性。因此不仅能够抑制泵的Q-H特性的离散性，而且能够简单地减少产品的离散性。另外，因此能够简单地在泵控制用控制器改变第1电流检测电阻，所以能够提高泵系统的方便性。

另外，在泵控制用控制器中，通过将利用电子电路的方式来切换第1电流检测电阻，能够构成更简易·更优异的系统。而且对于一种泵，通过在泵控制用控制器侧适当地选择第1电流检测电阻，则能够在各种不同的泵系统中使用同一种泵。

(3)(2)中的所述的泵系统，其特点是：上述泵具有与上述第1电流检测电阻并联连接的第2电流检测电阻。

如果是本发明，因为在上述泵中设置了与第1电流检测电阻并联连接的第2电流检测电阻，所以能够抑制现有的泵的Q-H特性的离散性。即，在由已经具有第2电流检测电阻的泵构成的系统中，如果在泵控制用控制器侧设置第1电流检测电阻，使其与该第2电流检测电阻并联连接，则因为从整体上减小了电阻值(并联电阻)，所以仅这样就增加了流入定子线圈的电流。这样，通过设置具有适当电阻值的第1电流检测电阻，能够改变与第2电流检测电阻的并联电阻，能够抑制现有泵的Q-H特性的离散性。

(4)(2)或(3)中任一个所述的泵系统，其特点是：上述泵控制用控制器具有异常状态检测单元，能根据在上述第1电流检测端子中检测出的电流来检测上述泵的异常状态。

如果是本发明，因为在上述泵控制用控制器中设置了异常状态检测单元，能根据在上述第1电流检测端子中检测出的电流来检测上述泵的异常状态，所以不仅能够在泵控制用控制器侧监视定子中流过的电流，而且能够如上所述提高泵系统的可靠性。

另外，通过监视定子中流过的电流，能够在泵达到异常状态之前的初始阶段防止整个系统出现故障，进而能够提高泵系统的安全性。

与本发明相关的泵和泵系统，如上所述，因为在泵的端子部上设置电流检测端子，因此例如如果在泵控制用控制器等的泵外装置中设置与电流检测端子连接的电流检测电阻，则不仅能够简单地调整Q-H特性，而且能够简单地抑制产品的离散性。另外，监视在电流检测端子得到的电流、即定子线圈中流过的电流，在过渡为叶轮卡住状态之前检测异常状态，能够提高泵系统的可靠性。

附图说明

图1是表示与本发明实施形态相关的泵系统的结构的框图。

图2是用于说明泵的Q-H特性的图。

图3是表示与本发明的其他实施形态相关的泵系统的结构的框图。

图4是表示过去的泵系统的电结构的框图。

标号说明

1泵系统

11泵

12定子线圈

13泵部

14电动机驱动器IC

15霍尔元件

31泵控制用控制器

32控制器控制部

33电源部

P₁～P₆端子

具体实施方式

下面，参照附图来说明用于实施本发明的最好形态。

【泵系统的结构】

图1是表示与本发明实施形态相关的泵系统的结构的框图。

在图1中，泵系统1主要由泵11和泵控制用控制器31组成。泵11具有：包括固定了永磁体的转子(以及叶轮)的泵部13、设置在该转子周围的多个定子线圈12、作为控制向定子线圈12的通电的控制电路的一个例子的电动机驱动器IC14、以及进行永磁体位置检测的霍尔元件15。另外，电动机驱动器IC14具有：调节器16、三相分配逻辑块17、PWM(Pulse Width Modulation)控制部18、三角波发生器19、高侧驱动器20和低侧驱动器22、过热保护电路21、过电流保护电路23、输出功率级(IGBT)24。另一方面，泵控制用控制器31具有：控制器控制部32、以及包括电动机电源和控制电路电源的电源部33。

在泵部13上设置的叶轮(未图示)，在其外周形成多个叶片，该叶轮的作用是利用叶轮的旋转、在离心力的作用下通过叶片将热水等液体排出。另外，利用定子线圈12产生的磁场，对固定于转子的永磁体产生了旋转力。即由于在定子线圈12中流过电流，则在定子线圈12的附近产生了磁场，由于电磁相互作用而对永磁体产生了旋转力。

定子线圈12与IGBT24连接，来自电源部33的功率(如为热水器则为280V，如为燃料电池则为24V)通过IGBT24提供给定子线圈12。另外，控制通过IGBT24的电流供应的是高侧驱动器20及低侧驱动器22。这些驱动器利用多个晶体管进行双极性通电，在适当的时刻对IGBT24发送控制信号。另外，包括IGBT24的电动机驱动器IC14和定子线圈12可以用树脂整体成型，也可以封入外壳中。

三相分配逻辑块17分别与调节器16、高侧驱动器20、过热保护电路21、低侧驱动器22、过电流保护电路23、PWM控制部18、以及霍尔元件15连接，进行电动机驱动器IC14的统一控制。另外，通过调节器16，从电源部33向三相分配逻辑块17供电，直接从电源部33向高侧驱动器20供电。另外，作为霍尔元件15，可以使用InSb(锑化铟)类型，也可以使用GaAs(砷化镓)类型，不论种类如何。另外也可以使用霍尔IC。

在泵11中设置与电动机驱动器IC14电连接、同时能够与外部连接的端子部(P₁～P₅)。若详细地描述每一个端子，则首先端子P₁及端子P₂分别是用于向电动机驱动器IC14的IGBT24及调节器16供电的端子，在泵控制用控制器31中分别与电源部33(的电动机电源及控制电路电源)连接。

端子P₃是用于从电动机驱动器IC14的三相分配逻辑块17发送旋转脉冲信号(例如FG信号)的端子。FG信号是指频率发生器(Frequency Generator)信号，是根据叶轮的转速而周期性变化的信号。该FG信号是在三相分配逻辑块17中，例如根据接收来自霍尔元件15的电信号而生成的。

端子P₄是用于接收来自泵控制用控制器31的按照PWM方式的速度控制信号的端子。速度控制信号是用于生成PWM(Pulse Width Modulation)信号的电压输入信号，根据该速度控制信号，能够利用PWM方式改变叶轮的转速。PWM方式是改变电压脉冲的宽度比(即占空比)并控制供给功率的方式。另外，端子P₅是在电动机驱动器IC14内接地的端子。

这里，在与本发明的实施形态相关的泵系统1中，除上述的P₁～P₅之外，还在泵11的端子部上设置了端子P₆。该端子P₆是检测定子线圈12中流过的电流的电流检测端子的一个例子。该端子P₆与泵控制用控制器31的控制器控制部32电连接，同时与泵控制用控制器31内的第1电流检测电阻50连接。另一方面，在泵11内，端子P₆与IGBT24及过电流保护电路23电连接。下面详细描述关于利用第1电流检测电阻50的过电流保护功能。

首先，根据来自高侧驱动器20及低侧驱动器22的控制信号，通过IGBT24向定子线圈12提供来自电源部33的功率，这时，定子线圈12中流过的电流将通过IGBT24及端子P₆流入泵控制用控制器31内的第1电流检测电阻50。然后，在控制器控制部32及过电流保护电路23中检测出第1电流检测电阻50两端的压降，如果该压降大于预先用控制器控制部32设定的设定电压，则由控制器控制部32通过端子P₄发送速度控制信号，控制在限制电流的转速。另外，如果大于预先由过电流保护电路23设定的电压，则向三相分配逻辑块17发送电流限制信号(例如减小占空比的PWM信号)。结果能够在叶轮卡住等时，防止过大的电流对电动机驱动器IC14的影响。

这样，通过用泵控制用控制器31来监视从端子P₆得到的电流，能够在事前检测出系统的异常。具体来说，我们知道一般在成为叶轮卡住状态之前，由于叶轮的振动等在定子线圈12内流过的电流中会产生纹波(电流脉动)。因此，通过在泵控制用控制器31侧检测出该纹波，能够在过渡为叶轮卡住状态之前使系统停止(或者电流限制)(能够使系统防止故障)，进而能够提高系统的可靠性。

另外，在泵控制用控制器31侧，通过用电子电路方式来切换第1电流检测电阻50的电阻值，能够构成更简易·更优异的系统。具体来说，例如最初在系统中安装泵1时，必须先用液体将包括泵1的整个系统充满。这种情况下，通过仅在某个确定的时间内用电子电路方式来切换第1电流检测电阻50之后再使其起动(通过设定为不加以电流限制的电阻值)，使泵1的叶轮高速旋转，能够在更短的时间内提高用液体充满的效率，进而能够在更短的时间内实现系统的待机状态。

而且，对于一种泵11，通过适当地选择泵控制用控制器31侧的电流检测电阻50，能够在各种泵系统中使用同一种泵11。这一点在过去的泵系统中，如果是不同的系统，则需要不同种的泵。另外，在本实施形态中，因为控制器控制器32根据在端子P₆上检测出的电流来检测泵11的异常状态，因此起到作为异常检测单元的一个例子的功能。

另一方面，如果是与本实施形态相关的泵系统1，则因为能够在泵控制用控制器31侧改变第1电流检测电阻50的电阻值，简单地调整Q-H特性，所以能够抑制泵的Q-H特性的离散性，能够简单地减小产品的离散性。关于该Q-H特性的离散性，用图2来详细描述。

图2是用于说明泵的Q-H特性的图。特别表示了通过改变第1电流检测电阻50的电阻值而使得泵11的Q-H特性变化的情况。另外，图中的横轴表示流量(L/min)，图中的纵轴左侧表示扬程(Kpa)，右侧表示电流(A)。

在图2中，第1电流检测电阻50的电阻值是与不加以电流限制的电阻(例如1.2Ω)的情况，流量越多，则电流越不断上升，电流曲线成为像z那样的直线。另外，这时的泵1的Q-H特性向右下方下降，成为像表示本来性能的D1那样的曲线。

这里，为了加以电流限制，如果将第1电流检测电阻50的电阻值从1.2Ω、2.4Ω、2.7Ω、2.8Ω、3.0Ω依次地上升，则加以电流限制的图中的Y点之后，定子线圈12中只流过被限制的电流(参照图中的x)，叶轮的转速比不加以电流限制的情况(曲线D1的情况)时要下降。结果如图中的D2～D5所示，泵1的Q-H特性向右下方下降的斜度变大，泵1的Q-H特性差。另外，D2的曲线是第1电流检测电阻50的电阻值为2.4Ω时的泵1的Q-H特性，D3的曲线是第1电流检测电阻50的电阻值为2.7Ω时的泵1的Q-H特性，D4的曲线是第1电流检测电阻50的电阻值为2.8Ω时的泵1的Q-H特性，D5的曲线是第1电流检测电阻50的电阻值为3.0Ω时的泵1的Q-H特性。

举具体例子来说，例如即使第1电流检测电阻50的电阻值设定为2.7Ω时，如果考虑其离散性(如果设为2.7Ω±5％，则为2.57～2.84Ω)，则实际的电阻值有时为2.8Ω。在实际的电阻值为2.8Ω时，如图2所示，泵1的Q-H特性为曲线D3，与设想的D2曲线不同。结果因第1电流检测电阻的离散，引起Q-H特性产生了离散。另外，实际上还加上预先用过电流保护电路23设定的电压的离散，则会更进一步地引起泵1的Q-H特性的离散。

与本实施形态相关的泵系统1能够解决这样的问题。即在泵1的端子部上增加端子P₆，该端子P₆与泵控制用控制器31中的第1电流检测电阻50连接。然后，该第1电流检测电阻50能够在泵控制用控制器31侧自由地进行微调。因此，能够抑制泵1的Q-H特性的离散，进而能够简单地减小产品的离散性。

【变形例】

图3是表示与本发明的其他实施形态相关的泵系统1A的结构的框图。

图3所示的泵系统1A与图1所示的泵系统1的不同点在于，作为电流检测电阻，除了第1电流检测电阻50，还设置第2电流检测电阻51。即在由已有第2电流检测电阻51的泵1构成的泵系统1A中，因为如果在泵控制用控制器31侧设置第1电流检测电阻50，使得其与该第2电流检测电阻51并联，则整体看来电阻值(并联电阻值)减小，所以仅这样定子线圈12中流过的电流增加。这样因为设置具有适当电阻值的第1电流检测电阻50，能够改变与第2电流检测电阻51的并联电阻，能够抑制现有泵1的Q-H特性的离散性。

工业上的实用性

与本发明相关的泵和泵系统适用于能够抑制Q-H特性的离散性、能够减小产品的离散性的装置。

Claims

1.一种泵，其特征在于，具有：

固定了永磁体的转子、

设置在所述转子周围的多个定子线圈、

控制向所述定子线圈的通电的控制电路、以及

与所述控制电路电连接同时能够与外部连接的端子部，

在该泵中，

所述端子部具有检测所述定子线圈中流过的电流的电流检测端子。

2.一种泵系统，其特征在于，

是一种具有权利要求1中所述的泵、以及与所述端子部连接的泵控制用控制器的泵系统，

所述泵控制用控制器具有与所述电流检测端子连接的、同时检测所述定子线圈中流过的电流的第1电流检测电阻。

3.如权利要求2中所述的泵系统，其特征在于，

所述泵具有与所述第1电流检测电阻并联连接的第2电流检测电阻。

4.如权利要求2中所述的泵系统，其特征在于，

用电子电路方式来切换所述第1电流检测电阻。

5.如权利要求2至4中任一项所述的泵系统，其特征在于

所述泵控制用控制器具有：根据在所述第1电流检测端子上检测出的电流、检测所述泵的异常状态的异常状态检测单元。