CN101222198A - 一种采用交流电源驱动永磁电机潜水泵的抽水方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用交流电源驱动的永磁电机的潜水泵的抽水方法及其装置，它依据电机转子当前磁场极性位置和交流电源正、负极性，通过控制交流电源正、负半周是否导通及半周前沿导通相位，使电机定子产生的磁场极性与转子磁场极性匹配，将电机的不定向启动和运行改进为定向启动和运行。包括设置转子磁场极性位置检测电路、交流电源正/负极性检测电路、信号处理电路、可控硅及电机驱动电路，通过对电源极性信号和转子磁场极性信号进行匹配，并将符合条件的匹配结果输出并触发可控硅，使交流电驱动电机的定子绕组，转子和叶轮按特定方向转动，以适合于潜水泵结构上的进一步改造，获得具有更好效率的抽水方法及其装置。

Description

一种采用交流电源驱动永磁电机潜水泵的抽水方法及装置

技术领域

本发明属于一种潜水泵，涉及一种采用单相交流二极永磁同步电机驱动的潜水泵，其电机驱动方式和结构的改进。更具体地，是依据电机转子当前的磁场极性位置和交流电源正、负极性，通过控制交流电源正、负半周是否导通及半周前沿导通的相位，使电机定子产生的磁场极性与转子磁场极性匹配，将电机的不定向启动和运行改进为定向启动和运行，以便适合于潜水泵结构上的进一步改造，获得的一种潜水泵的抽水方法及其装置。

背景技术

目前，市场上出现的单相交流二极永磁同步电机驱动的潜水泵，其电机由永磁转子和简易定子构成，它具有制作工艺简单和成本低廉的优点，存在的问题是，这类潜水泵由于受启动时转子的磁极性位置、输入的驱动电源极性、转子和叶轮及泵房内水体的运动惯性等的影响，当直接由交流电源驱动定子绕组时，转子的启动和运行存在旋转方向不能确定的缺点，使抽水的方法和泵房的设计必须适合或满足左右对称的结构，叶轮的叶片必须制作成平直对称的径向叶片，而且出水口也须沿泵房的径向中心左右对称设置，因此，带来了整机工作效率较低，启动性能不佳等不良现象。

发明内容

本发明的目的在于针对以上存在的技术缺陷而提供一种采用交流电源驱动的永磁电机的潜水泵的抽水方法，该方法通过控制交流电源正、负半周是否导通及半周前沿导通的相位，有选择地导通使电机定子产生的磁场极性能够与转子磁场极性匹配，以使交流电源驱动定子绕组产生的磁场有利于转子按特定方向转动，从而能够实现转子的定向启动和运行.在此基础上，对泵房、出水口和叶轮结构提出进一步的改进，以便使潜水泵获得较好的抽水工作效率。

本发明的目的还在于依照上述的抽水方法而提供实现这种抽水方法的潜水泵。

其抽水方法由下列方案实现：

一种采用交流电源驱动的永磁电机的潜水泵的抽水方法，包括：

用于获取代表当前交流电源正、负极性(即交流电源处于正半周或负半周)的电信号的步骤；

用于获取代表当前转子磁场极性N极或S极位置的电信号的步骤；

将代表当前交流电源处于正半周或负半周的电信号与代表当前转子磁场极性N极或S极位置的电信号进行匹配，以使交流电源驱动定子绕组产生的磁场有利于转子按特定方向转动，通过对上述信号进行判断和处理，并产生输出控制信号的步骤；

将上述的匹配结果输出的控制信号触发导通，使当前交流电源半周驱动定子绕组以产生定子磁场的步骤；

由上述定子磁场驱动永磁转子转动的步骤；

由上述转子带动呈弧形叶片的叶轮转动的步骤；

由上述叶轮带动从泵房进水口进入的水绕转轴旋转的步骤；

将旋转的水从旋转切向方向抛向出水口的步骤；

由出水口将水引出的步骤。

上述方案中，叶轮的弧形叶片最好采用呈螺旋渐开式型的叶片。

实现上述抽水方法的潜水泵结构是：

一种采用交流电源驱动的永磁电机的潜水泵，包括带有进、出水口的泵房，由封闭材料和壳体密封于其中的定子，设置在转子室内的转子，以及由转子带动设置于泵房中的叶轮，其特点是，叶轮的叶片呈弧形；泵房出水口设在泵房边沿且与旋转水体的切向一致；且设置有转子磁场极性位置检测电路、交流电源正、负极性检测电路、信号处理电路、可控硅及电机驱动电路，由信号处理电路的CPU对交流电源正、负极性检测电路输出的电源极性电信号和转子磁场极性位置检测电路输出的转子磁场极性电信号进行匹配，并将符合条件的匹配结果输出，并触发可控硅及电机驱动电路，以便交流电源通过定子绕组产生磁场使转子和叶轮按特定的方向转动。

上述方案中，叶轮的弧形叶片最好呈螺旋渐开式型、泵房最好为蜗壳型。

图面说明

图1是本发明的潜水泵的一种具体实施结构的解剖示意图；

图2是图1潜水泵的结构分解示意图；

图3是图1潜水泵的电机的驱动电路图；

图4是图3电机电路N极指向霍尔元件，按逆时针方向转动，电源负极性(负半周)导通驱动电机的说明图；

图5是图3电机电路S极指向霍尔元件，按逆时针方向转动，电源正极性(正半周)导通驱动电机的说明图；

图6是图1潜水泵的泵房、出水口和叶轮的装配示意图；

图7是图3电机电路CPU微处理器的主程序流程图；

图8是图3电机电路CPU微处理器的INT0中断子程序流程图；

图9是图3电机电路CPU微处理器的INT1中断子程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体详述：

参照图1和图2，本潜水泵包括壳体1、泵房2、泵房进水端盖2.1、进水口2.1.1、出水口2.2、转子3、叶轮4、转子室5、定子绕组6、定子矽钢片7和电路板8以及霍尔集成9。

在本具体的实施方式中，需要设定电机转子的目标转动方向和电机定子绕组产生的磁场方向。参见图3，电机转子的目标转动方向设定为从定子右边无磁滞缺口向有磁滞缺口的方向(即如图3中的逆时针方向)。电机定子绕组的磁场方向为：当电源A点对B点为负极性时，定子产生的磁场为左边S极、右边N极；当电源A点对B点为正电压时，定子产生的磁场为左边N极、右边S极。

首先介绍各电路和程序的组成及作用：

参见图3，转子磁场极性检测电路：由U2霍尔集成电路(US79)和R9、R10、C9、C10、C11等构成。霍尔集成电路U2用于检测永磁转子磁场指向U2处的实时的N、S磁场极性信号，通过改变U2朝向永磁转子径向磁场的端面，使当永磁转子的N极磁场指向U2时，U2的1脚产生拉电流的输出信号，而此时3脚只有静态电流；当永磁转子的S极磁场指向U2时，U2的3脚产生拉电流的输出信号，而此时1脚只有静态电流；当无磁场时，U2的1脚和3脚均不产生拉电流的输出信号，即1脚和3脚均只有静态电流通过。本电路利用U2的1脚和3脚的拉电流信号分别在R9和R10上的电压降，当永磁转子N极磁场指向U2处时，在M点得到低电平的检测信号，当永磁转子S极磁场指向U2处时，在L点得到低电平的检测信号。

交流电源极性检测电路：由Q1、Q2、R2、R3、R4、R5、C5、C6、C7、C8、D4、D5等构成。当交流电源进入正半周时，变压器T1的输出使C点电位升高，并通过R2使Q1导通，Q1导通后使H点从高电平变为低电平，经D4使I点为低电平，即产生一个下降沿作为CPU的INT0中断请求信号。当交流电源正半周结束时及负半周时，由于C点对G点的电位小于Q1的正向导通电压而使Q1截止。与此相似，当交流电源进入负半周时，变压器T1的输出使D点电位升高，并通过R4使Q2导通，Q2导通后使J点从高电平变为低电平，经D5使K点为低电平，即产生一个下降沿作为CPU的INT1中断请求信号。当交流电源负半周结束时及正半周时，由于D点对G点的电位小于Q2的正向导通电压而使Q2截止。

信号处理电路：主要由AT89C2051微处理器CPU及R8、C12、C13、C14、C15、X1外围元件构成，交流电源正、负极性检测电路在交流电源半周前沿发出下降沿的输出信号向CPU发出外部中断请求的形式输入CPU，转子磁场极性检测电路的输出以低电平有效的电平状态的形式输入CPU，CPU的输出信号用于触发可控硅驱动电机的定子绕组。

AT89C2051微处理器CPU的程序包含了本发明的抽水方法中对上述信号进行匹配，经判断和处理，当符合条件时输出触发控制信号，用于触发驱动电机等的部分。具体由如下一个主程序和两个中断子程序来实现，其中，主程序包含了：正极性(正半周)状态和负极性(负半周)状态两个程序段。分别对代表当前转子磁场极性N极或S极位置的电信号与电源极性信号进行匹配。并在此基础上，增加对已触发状态存储器的检测，防止半周内的多次重复触发；和增加对定时器的检测，可提高系统的稳定性和避免误触发。当设定的几个条件均符合时，CPU输出触发控制信号并置位触发状态存储器；当条件不符合时，CPU不输出触发控制信号继续按设定程序运行。INT0和INT1两个中断子程序分别对交流电源极性检测电路的正极性(正半周)和负极性(负半周)的中断请求信号进行处理，对电源极性状态存储器、触发状态存储器、定时器进行置位或清零。

主程序和INT0、INT1中断程序的内容具体如下：

主程序：

1、CPU上电后，首先进行初始化配置，完成后进入下一步；

2、检查电源极性状态存储器Pos＝“1”？，如是则进入下一步，

如不是则超转到步骤7；

3、检查触发状态存储器＝“1”？如不是则进入下一步，如是则超转到步骤7；

4、检查定时器是否超时？如不是则进入下一步，如是则超转到步骤7；

5、检测磁极性状态端口S的电平，S＝“0”？，如是则进入下一步，如不是则返回步骤4；

6、输出宽度为设定值的触发脉冲，并置触发状态存储器＝“1”，然后超转到步骤7；

7、检查电源极性状态存储器Neg＝“1”？，如是则进入下一步，如不是则超转到步骤2；

8、检查触发状态存储器＝“1”？如不是则进入下一步，如是则超转到步骤2；

9、检查定时器是否超时？如不是则进入下一步，如是则超转到步骤2；

10、检测磁极性状态端口N的电平，N＝“0”？，如是则进入下一步，如不是则返回步骤9；

11、输出宽度为设定值的触发脉冲，并置触发状态存储器＝“1”，然后超转到步骤2。

INT0中断子程序：

1、INT0端口出现中断请求的下降沿时，CPU把当前程序地址存入堆栈，调用INT0中断子程序，然后进入下一步；

2、对电源极性状态存储器Pos置＝“1”，对电源极性状态存储器Neg置＝“0”，然后进入下一步；

3、复位触发状态存储器，即置触发状态存储器＝“0”，然后进入下一步；

4、定时器清零，然后进入下一步；

5、退出中断，恢复堆栈中的程序地址，返回中断前的程序。INT1中断子程序：

1、INT1端口出现中断请求的下降沿时，CPU把当前程序地址存入堆栈，调用INT1中断子程序，然后进入下一步；

2、对电源极性状态存储器Neg置＝“1”，对电源极性状态存储器Pos置＝“0”，然后进入下一步；

3、复位触发状态存储器，即置触发状态存储器＝“0”，然后进入下一步；

4、定时器清零，然后进入下一步；

5、退出中断，恢复堆栈中的程序地址，返回中断前的程序。

可控硅及电机驱动电路：CPU输出的触发控制信号经R9使Q3导通，Q3导通时集电极拉电流的触发信号经R10限流后触发双向可控硅U4使U4导通，电源从A点经Q3到P点和电机绕组后到B点形成导通回路，从而使电机定子产生磁场驱动转子转动。双向可控硅U4得到触发信号后保持导通，在该交流电源半周结束时，因导通电流小于最小保持电流而截止。

电机的工作过程分下列几种工作状态介绍：

1、转子处于完全静止状态(不通电的完全停机状态)时，由于这时定子不产生磁场，且转子的N极和S极也是左右对称分布的，定子矽钢片除左右两处启动磁滞缺口(也称启动缺口)外，其它结构也左右对称，因而永磁转子磁场对定子左、右两边矽钢片的磁场力相等，但方向略偏离磁滞缺口，即向无磁滞缺口的方向偏转一小角度，故静止状态时，转子磁场的N极和S极保持接近水平方向且以转轴为轴心向无磁滞缺口的方向偏转一小角度，但N极和S极向左还是向右的磁场极性不确定。

2、当交流电源极性检测电路检测到电源负极性信号，且转子磁场极性检测电路检测到N极信号时：参见图5，这种情况属于匹配。因此，AT89C2051微处理器CPU将依据匹配结果输出信号，并触发可控硅U4，使交流电源驱动电机的定子绕组，这时，定子磁场驱动永磁转子转动的方向为沿逆时针方向，与设定转动方向一致。

3、当交流电源极性检测电路检测到电源正极性信号，且转子磁场极性检测电路检测到S极信号时：参见图6，这种情况也属于匹配。因此，AT89C2051处理器CPU将依据匹配结果输出信号，并触发可控硅U4，使交流电源驱动电机的定子绕组，这时，定子磁场驱动永磁转子转动的方向为沿逆时针方向，与设定转动方向也一致。

4、当交流电源极性检测电路检测到电源正极性信号，且转子磁场极性检测电路检测到N极信号时：这种情况属于不匹配。因此，AT89C2051处理器CPU不向Q3和U4提供触发信号，不触发可控硅电路，这时，交流电源无法通过电机定子绕组，定子不产生磁场。即在该电源半周内等待转子磁场转动到匹配状态时才再触发或该电源半周不触发。

5、当交流电源极性检测电路检测到电源负极性信号，且转子磁场极性检测电路检测到S极信号时：这种情况也属于不匹配。因此，AT89C2051处理器CPU不向Q3和U4提供触发信号，不触发可控硅电路，这时，交流电源也无法到达电机定子绕组，定子不产生磁场。即在该电源半周内等待转子磁场转动到匹配状态时才再触发或该电源半周不触发。

从以上工作过程可得到下列结论：

通过禁止部分在当前转子磁场极性位置下可能引起电机反转的电源半周的前沿或整个半周对电机的驱动，即仅让能使电机定子产生的磁场极性与当前转子的磁场极性间的作用力符合设定转向要求的半周或半周的后部分对电机进行驱动，可使电机按设定的旋转方向转动。由此，电路实现了电机的定向启动和运行的控制功能。

另外，本实施方式还对匹配作出了更进一步的限制：

参照图7-图9，当交流电源处于正半周时，INT0中断子程序已置Pos＝1，Neg＝0，INT1中断未再出现，霍尔元件检测到S磁极，磁极性状态端口S的电平，S＝“0”，且INT0中断以后再未触发过，CPU的定时器未超时，此时，两电信号才被认为匹配；当交流电源处于负半周时，INT1中断子程序已置Neg＝1，Pos＝0，INT0中断未再出现，霍尔元件检测到N磁极，磁极性状态端口N的电平，N＝“0”，且INT1中断以后再未触发过，CPU的定时器未超时，此时，两电信号也才被认为匹配；其他情形下，两电信号均不匹配。

其次，介绍具体实施方式中，采用上述电机结构和控制方法对潜水泵结构和抽水方法作进一步的改造。

参见图1和图2，本具体实施方式的潜水泵，其叶轮4的叶片制作成螺旋渐开式型，泵房2改为左右非对称的蜗壳型结构，出水口2.2设于泵房2边沿且与旋转水体的切向一致，这样，由转子3带动叶轮4的叶片按逆时针方向转动，使水体螺旋运动产生离心力，将水流源源不断地沿旋涡水流切向的方向甩向出水口2.2。

本发明潜水泵的抽水方法及其装置，由于转子和叶轮的转动可按设定的转向启动和转动，使潜水泵的启动和运行具有定向性，有效地解决了现有单相交流二极永磁同步电机驱动的潜水泵，其转子的启动和运行存在旋转方向不能确定的缺点，有利于潜水泵在结构上的进一步改造，另外，由于叶轮的叶片可改为弧型，尤其是呈螺旋渐开式型，泵房改为左右非对称的蜗壳型结构，且泵房出水口改为设在沿叶轮及蜗壳边沿处，做成左右非对称的切向出水口，能大幅度地提高这类潜水泵的工作效率，并保留其电机制作工艺的简易性和低成本。

其次，本发明的方法和装置中，还利用电源极性检测电路在电源半周的前沿产生下降沿的中断请求信号，并设置相应的中断子程序，可有效地进一步提高系统的可靠性和系统资源的效率。

其次，利用中断子程序清除触发状态存储器(置“0”)，在主程序中检查是否已触发过，当各种条件符合时输出触发，并置位触发状态存储器(置“1”)，这样可避免在一个半周中的多次重复触发。

再则，在主程序中设置定时子程序，并检查定时器是否超时，可避免误触发，防止当交流电源半周已到达将近结束时才出现匹配的磁极信号而造成在本半周内无法驱动转子磁极转动到应达到的位置还可能出现触发脉冲跨入下一个半周而造成误触发，避免后面的半周内定子绕组产生的磁场与转子磁场的作用力使转子沿与目标旋转方向相反的方向转动。

Claims (7)

1.一种采用交流电源驱动的永磁电机的潜水泵的抽水方法，包括：

用于获取代表当前交流电源正、负极性的电信号的步骤；

用于获取代表当前转子磁场极性N极或S极位置的电信号的步骤；

将代表当前交流电源处于正半周或负半周的电信号与代表当前转子磁场极性N极或S极位置的电信号进行匹配，以使交流电源驱动定子绕组产生的磁场方向有利于转子按特定方向转动，通过对上述信号进行判断和处理，并产生输出控制信号的步骤；

由上述的匹配结果输出的控制信号触发导通，使当前交流电源半周驱动定子绕组以产生磁场的步骤；

由上述定子磁场驱动永磁转子转动的步骤；

由上述转子带动呈弧形叶片的叶轮转动的步骤；

由上述叶轮带动从泵房进水口进入的水绕转轴旋转的步骤；

将旋转的水从旋转切向方向抛向出水口的步骤；

由出水口将水引出的步骤。

2.根据权利要求1的采用交流电源驱动的永磁电机的潜水泵的抽水方法，其特征在于，叶轮采用呈螺旋渐开式型的叶片。

3.根据权利要求1或2的采用交流电源驱动的永磁电机的潜水泵的抽水方法，其特征在于，将代表当前交流电源处于正半周或负半周的电信号与代表当前转子磁场极性N极或S极位置的电信号进行匹配时，还包括用于判断交流电源是否正处在已触发导通驱动定子绕组产生磁场的状态，若本半周已触发则不需要再触发的步骤。

4.根据权利要求1或2的采用交流电源驱动的永磁电机的潜水泵的抽水方法，其特征在于，将代表当前交流电源处于正半周或负半周的电信号与代表当前转子磁场极性N极或S极位置的电信号进行匹配的过程中，还包括用于判断磁场极性N极或S极位置的电信号的到来是否已超过一定时限，若不能满足触发和驱动要求则该半周不触发导通的步骤。

5.根据权利要求3的采用交流电源驱动的永磁电机的潜水泵的抽水方法，其特征在于，将代表当前交流电源处于正半周或负半周的电信号与代表当前转子磁场极性N极或S极位置的电信号进行匹配的过程中，还包括用于判断磁场极性N极或S极位置的电信号的到来是否已超过一定时限，若不能满足触发和驱动要求则该半周不触发导通的步骤。

6.一种采用交流电源驱动的永磁电机的潜水泵，包括带有进、出水口的泵房，由封闭材料和壳体密封于其中的定子，设置在转子室内的转子，以及由转子带动设置于泵房中的叶轮，其特征是，叶轮的叶片呈弧形；泵房出水口设在泵房边沿且与旋转水体的切向一致；且设置有转子磁场极性位置检测电路、交流电源正/负极性检测电路、信号处理电路、可控硅及电机驱动电路，由信号处理电路的CPU对交流电源正/负极性检测电路输出的电源极性电信号和转子磁场极性位置检测电路输出的转子磁场极性电信号进行匹配，并将符合条件的匹配结果输出，并触发可控硅及电机驱动电路，以便交流电源通过定子绕组产生磁场使转子和叶轮按特定的方向转动。

7.根据权利要求6的采用交流电源驱动的永磁电机的潜水泵，其特征在于，叶轮的叶片呈螺旋渐开式型。

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