CN101174804A - 用于同步马达的电子启动控制设备 - Google Patents

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CN101174804A CNA2006101432173A CN200610143217A CN101174804A CN 101174804 A CN101174804 A CN 101174804A CN A2006101432173 A CNA2006101432173 A CN A2006101432173A CN 200610143217 A CN200610143217 A CN 200610143217A CN 101174804 A CN101174804 A CN 101174804A
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Abstract

用于单向地旋转同步马达(10)的永磁体转子(14)的电子启动控制设备包括用于串联连接到同步马达的定子(12)的绕组的静态开关(22)；和用于检测同步马达的转子的位置且用于提供相应的输出(Pcon)的位置传感器(24)。设备的特征在于包括AC到AC转换器(26)，具有来自与同步马达的定子串联的固定频率的交流电压源(Vac)的输入(Va)和从电压输入得到的单一的输出(Vc)；和XNOR单元(28)，其具有与AC到AC转换器的输出连通的第一输入(G1)、与位置传感器的输出(P)连通的第二输入(G2)和与静态开关连通的输出(Go)。静态开关可由从XNOR单元输出的信号(Gcon)控制，使得同步马达的转子仅在单一的方向旋转。优选地，AC到AC转换器是移相器。

Description

用于同步马达的电子启动控制设备
技术领域
本发明涉及用于控制同步马达的永磁体转子的电子启动控制设备，使得旋转仅发生在一个方向上，且也涉及具有所述的电子启动控制设备的同步马达。
背景技术
已知用于同步马达的电子启动控制设备。然而，这些电子启动控制设备仅涉及启动马达，这是有问题的，因为转子必须在非常短的时期内实现与电网频率电源同步速度。一个这样的设备在EP0574823A中建议。
标准的或典型的同步马达的转子在两个方向中的任一个方向上旋转。因此，转子仅能驱动双向设备，例如用于洗衣机或洗碗机的排水泵的叶片或叶轮。典型地，双向设备因此将不如单向设备有效。
同步马达的其他共同的缺点是转子可能极难在非常低的额定电网电压下转动，例如额定电网电压的+/-30％，和在非常高的额定电网电压下倾向于发生转子去磁。
可靠性和成本效益也是非常重要的因素。
本发明寻求提供对这些问题的解决方案。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了电子启动控制设备用于单向旋转同步马达的永磁体转子，设备包括：用于串联连接到同步马达的定子的绕组的静态开关；和用于检测同步马达的转子位置和用于提供相应的输出的位置传感器；其特征在于设备包括AC到AC转换器，AC到AC转换器具有来自与同步马达的定子串联的固定频率的交流电压源的输入和从电压输入得到的单一的输出；设备还包括XNOR单元，XNOR单元具有与AC到AC转换器的输出连通的第一输入、与位置传感器的输出连通的第二输入和与静态开关连通的输出，静态开关可由来自XNOR单元的信号输出控制，使得同步马达的转子仅在单一的方向旋转。
优选地，AC到AC转换器为移相器。
优选地，AC到AC转换器具有两个电压输入(Va′；Vb′)。
优选地，二极管连接到移相器的电压输入的一个(Vb′)。
优选地，静态开关为三端双向可控硅开关。
优选地，位置传感器为霍尔效应传感器。
优选地，AC到AC转换器输出具有范围在90度到180度的相位滞后(λ)的信号(vcon；vcon′)。
优选地，固定的频率在50Hz到60Hz范围内。
根据本发明的第二方面，提供了电子启动控制设备用于单向地旋转同步马达的永磁体转子，设备包括：用于串联连接到同步马达的定子的绕组的静态开关；和用于检测同步马达的转子的位置且用于提供相应的输出的位置传感器；其特征在于设备包括移相器，移相器具有两个来自与同步马达的定子串联的固定频率的交流电压源的电压输入和从电压输入得到的单一的输出；设备还包括XNOR单元，XNOR单元具有与移相器的输出连通的第一输入、与位置传感器的输出连通的第二输入和与静态开关连通的输出，静态开关可由来自XNOR单元的信号输出控制，使得同步马达的转子仅在单一的方向旋转。
根据本发明的第三方面，提供了具有永磁体转子和与固定频率的交流电压源串联连接的定子的同步马达，马达包括根据本发明第一或第二方面的电子启动控制设备，由电子启动控制设备控制转子仅在一个方向旋转。
优选地，同步马达进一步包括可由转子驱动的单向叶片。
附图说明
现在将仅通过例子参考附图更特定地描述本发明，其中：
图1是具有两个定子极和永磁体转子的同步马达的示意性视图，且示出了用于转子的位置传感器；
图2示出了同步马达以其运行的电网电压和电流的总的波形的曲线图，且示出了位置传感器的输出信号；
图3示出了根据本发明的第一方面的电子启动控制设备的第一实施例的电路图，电子启动控制设备用于在单一方向上启动马达的转子；
图4a到图4c示出了类似于图1的同步马达的示意性视图且示出了曲线图，曲线图示出了启动原理以实现转子的单向旋转；
图5a到图5c分别示出了当转子在重载下运转时的电压、电流和位置信号的波形图；从移相器输出的信号；和当马达在轻载下运转时的电压、电流和位置信号的波形图；
图6示出了变化的电压和由电子启动控制设备的移相器输出的信号之间的对比；和
图7是根据本发明的第二方面的电子启动控制设备的第二实施例的电路图，它类似于图3示出的电路图。
具体实施方式
首先参考附图的图1到图6，同步马达10包括固定的定子12、可旋转地位于定子12的极片之间的转子14和形成在定子12的极片上或邻近定子12的极片形成且串联连接的绕组16。
为给转子14赋予启动转矩，在定子12和转子14的邻近的表面之间形成非对称气隙18，使得在停止或失速状态期间转子14和定子12的极轴R和S将分别角向地偏移角度α。
参考图3，定子12的绕组16与正弦交流电压源Vac串联连接，正弦交流电压源Vac具有固定频率，典型地为电网频率，优选地在50Hz到60Hz的范围内。交流电压源Vac例如可以由电网电来供电。
电子启动控制设备20的第一实施例在图3中示出且包括典型地具有三端双向可控硅开关的形式的静态开关22、典型地具有霍尔效应传感器形式的位置传感器24、移相器26和XNOR单元28。
静态开关22与交流电压源Vac和马达10的定子12的绕组16串联连接。
位置传感器24位于定子12上或定子12内，它从定子12的极轴S偏移角位移α。当在转子14停止期间和在马达10运行期间，通过位置传感器24确定极性且因此确定转子14的位置。
移相器26具有直接从交流电压源Vac获取的输入Va。因此从移相器26的输出Vc输出的单一输出信号vcon基于交流电压源Vac的电压。移相器26在输出信号vcon上赋予相位滞后λ，相位滞后λ取决于转子14上的负荷而在90度和180度之间。
移相器26的输出Vc和位置传感器24的输出P连接到XNOR单元28的各自的输入G1和G2，且XNOR单元28的输出Go连接到静态开关22。因此通过从XNOR单元28输出的信号Gcon控制静态开关22。
电子启动控制设备20因此调节了转子14的启动方向，使得转子14仅在一个单一的方向上旋转。
参考图4a到图4c，现在描述转子14的启动阶段。如果位置传感器24确定永磁体转子14的S极面向它，则输出的信号Pcon为高，等于逻辑1。移相器26也输出带有合适的相位滞后λ的信号vcon，当该信号vcon为高(逻辑1)时，其对应于交流电压源Vac的负平均电压Vneg(图4b)。当到XNOR单元28的两个信号vcon和Pcon都为逻辑1时，输出Gcon也为逻辑1，且因此静态开关22闭合以接通电路。
因为移相器26的输出vcon对应于负的平均电压，所以定子12呈现与由位置传感器24所检测到的转子14的极相同的极性。在图4a中示出的构造中，转子14因此以顺时针方向移动。
类似地，如果位置传感器24确定在失速状态(图4a)下转子14的N极面向它，则输出的信号Pcon为低，等于逻辑0。移相器26也输出带有合适的相位滞后λ的信号vcon，当信号vcon为低(逻辑0)时，其对应于交流电压源Vac的正平均电压Vpos(图4c)。当XNOR单元28处的两个信号vcon和Pcon都为逻辑0时，输出信号Gcon为逻辑1，且因此静态开关22又闭合以接通电路。
因为移相器26的输出信号vcon对应于正的平均电压，所以定子12又呈现与由位置传感器24所检测到的转子14的极相同的极性。在图4a中示出的构造中，转子14因此又以顺时针方向移动。
参考图2，图2示出了交流电压源Vac的电压V和电流I的总的波形以及从位置传感器24输出的信号Pcon。功率因数角θ指示了马达负荷的大小。一般地，功率因数角θ在轻载下接近90度且在重载下接近0度。位置传感器输出信号Pcon滞后电流的角度为β，β大于定子12的极轴S与位置传感器24的位置之间的角α。取决于马达负荷，β一般地当转子14在轻载下时趋向于角度α，且当转子14在重载下时趋向于角度α加90度。
现在参考图5a到图5c，描述了同步马达的运转相位。图中示出了交流电压源Vac的电压V和电流I的波形以及位置传感器24的输出信号Pcon。图5a反应了当转子14在重载下时的波形且图5c反应了转子14在轻载下时的波形。如可以认识到，在重载下功率因数角θ趋向于0度，使得电流I滞后于电压V更小的角度；且在轻载下，功率因数角θ趋向于90度，使得电流I滞后于电压V更大的角度。
因此，假设静态开关22在电流I过零前被触发，转子14将继续旋转。同样地，类似于前述的启动阶段，XNOR单元28分别依照移相器26和位置传感器24的输出信号vcon和Pcon的逻辑连续地控制静态开关22。当比较图5a到图5c时可认识到此点。
参考图6，为克服因为定子12内过度的绕组电流引起的转子14的去磁的可能性和还有不足的启动转子14旋转的转矩，同时也符合要求的额定电压范围，例如+/-30％，移相器26的输出信号vcon基于交流电压源Vac的电压V的均方根水平。因此，如从图6中可理解，电压V越高，则从移相器26输出的信号vcon的相位滞后λ越小，且反之亦成立。通过将可由移相器26输出的信号vcon的最小相位滞后λ设定向90度，提供到定子12的绕组16的电流限定在额定电压范围的最大电压下。然而，通过将可由移相器26输出的信号vcon的最大相位滞后λ设定向180度，当在额定电压范围内的最小电压状态下时仍可以将运行马达14的充足的电流提供到绕组16。
图7示出了电子启动控制设备120的第二实施例。除去到移相器126的电压输入外，设备120类似于第一实施例的设备。
移相器现在具有两个电压输入Va′和Vb′，一个直接从交流电压源Vac′获取，且另一个通过与移相器126和交流电压源Vac′串联连接的二极管130获取。从移相器126的输出Vc′输出的单一的输出信号vcon′因此基于交流电压源Vac′的电压和交流电压源Vac′的半波。移相器126在输出信号vcon′上赋予相位滞后，相位滞后取决于马达110的转子的负荷在90度和180度之间。
虽然建议了移相器，但也可以利用任何合适的AC到AC转换器。例如，可以使用衰减器和/或滤波器。也可以利用设备的组合。
虽然以上仅描述了两极永磁体转子14，但电子启动控制设备可以与具有更多极数的同步马达一起使用。
静态开关虽然优选地是三端双向可控硅开关，但它可以具有SCR、晶体管或任何其他合适的设备的形式。
虽然位置传感器已建议为霍尔效应传感器，但可以利用任何其他合适的设备，例如光电发射体/光电检测器或任何感性类耦合器或线圈。
XNOR单元是逻辑功能单元，且可以由晶体管、运算放大器或任何可编程设备形式的电路实现。XNOR单元也可以是物理芯片或逻辑门。
同步马达典型地在电网频率下运行。然而，其他固定频率也是可构想的。
因此可提供低成本的且稳健的电子启动控制设备，用于单向地旋转永磁体转子。因此，其上应用了组合的同步马达和电子启动控制设备的设备可以利用可由马达驱动的单向元件，而不是利用双向元件。例如，单向叶片或叶轮可以用在合并了这样的组合的马达和电子设备的水泵内，其结果是改进的效率。
此外，通过使用电子启动控制设备，由先前的转子和任何由转子驱动的元件的双向运行引起的声学噪声被减小或消除。
在低电网电压条件下转子也可以平稳的启动，而启动电流在高电网电压条件下受到限制，因此防止了转子去磁。
电子启动控制设备利用了无电流检测来确定马达的转子的位置，且因此确定转子将被移动的方向。
以上描述的实施例仅通过例子给出，且多种不偏离如在后附权利要求书中限定的本发明范围的修改对本领域技术人员是显见的。例如，在第一实施例中，二极管可以在内部地提供在AC到AC转换器内或移相器内；且在第二实施例中，二极管可以免除，或又在内部地提供在AC到AC转换器或移相器内。

Claims (11)

1.一种用于单向地旋转同步马达(10；110)的永磁体转子(14)的电子启动控制设备，该设备包括：
用于串联连接到同步马达(10；110)的定子(12)的绕组的静态开关(22)；和
用于检测同步马达(10；110)的转子(14)的位置且用于提供相应的输出(Pcon)的位置传感器(24)；
其特征在于，该设备包括AC到AC转换器(26；126)，该AC到AC转换器(26；126)具有来自与同步马达(10；110)的定子(12)串联连接的固定频率的交流电压源(Vac；Vac′)的输入(Va；Va′)和从电压输入(Va；Va′)得到的单一的输出(Vc；Vc′)；和
XNOR单元(28)，该XNOR单元(28)具有与AC到AC转换器(26；126)的输出(Vc；Vc′)连通的第一输入(G1)、与位置传感器(24)的输出(P)连通的第二输入(G2)和与静态开关(22)连通的输出(Go)，静态开关(22)可由从XNOR单元(28)输出的信号(Gcon)控制，使得同步马达(10；110)的转子(14)仅在单一的方向旋转。
2.根据权利要求1所述的电子启动控制设备，其中AC到AC转换器是移相器(26；126)。
3.根据权利要求1或2所述的电子启动控制设备，其中AC到AC转换器具有两个电压输入(Va′；Vb′)。
4.根据权利要求3所述的电子启动控制设备，进一步包括连接到移相器(26；126)的电压输入的一个(Vb′)的二极管(130)。
5.根据权利要求1或2所述的电子启动控制设备，其中静态开关(22)是三端双向可控硅开关。
6.根据权利要求1或2所述的电子启动控制设备，其中位置传感器(24)是霍尔效应传感器。
7.根据权利要求1或2所述的电子启动控制设备，其中AC到AC转换器(26；126)输出具有90度到180度范围内的相位滞后(λ)的信号(vcon；vcon′)。
8.根据权利要求1或2所述的电子启动控制设备，其中固定频率在50Hz到60Hz的范围内。
9.一种用于单向地旋转同步马达(110)的永磁体转子(14)的电子启动控制设备，该设备包括：
用于串联连接到同步马达(110)的定子(12)的绕组的静态开关(22)；和
用于检测同步马达(110)的转子(14)的位置且用于提供相应的输出(Pcon)的位置传感器(24)；
其特征在于，该设备包括移相器(26；126)，该移相器(26；126)具有两个来自与同步马达(110)的定子(12)串联连接的固定频率的交流电压源(Vac′)的电压输入(Va′，Vb′)和从两个电压输入(Va，Vb)得到的单一的输出(Vc′)；和
XNOR单元(28)，该XNOR单元(28)具有与移相器(126)的输出(Vc′)连通的第一输入(G1)、与位置传感器(24)的输出(P)连通的第二输入(G2)和与静态开关(22)连通的输出(Go)，静态开关(22)可由从XNOR单元(28)输出的信号(Gcon)控制，使得同步马达(110)的转子(14)仅在单一的方向旋转。
10.一种具有永磁体转子(14)和与固定频率的交流电压源(Vac；Vac′)串联连接的定子(12)的同步马达，该马达(10；110)包括如在权利要求1或权利要求9中所述的电子启动控制设备(20；120)，通过该电子启动控制设备(20；120)控制转子(14)仅在一个方向旋转。
11.根据权利要求10所述的同步马达，进一步包括可由转子(14)驱动的单向叶片。
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