CN101709664A - 一种基于一体化永磁同步电机水泵和电子调速技术的内燃机冷却系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于一体化永磁同步电机水泵和电子调速技术的内燃机冷却系统，属内燃机(电控)技术领域，可用于小型水冷式内燃机冷却系统，也可用于其它机械、电子和电气设备的冷却。发明的目的是使系统简单、冷却控制性能和温度控制精度提高、功率消耗减小、可靠性和实用性显著改善。其特征是，单循环路径冷却循环系统，由工作于水泵壳体内的永磁转子构成一体化永磁同步电机水泵，由永磁同步电机水泵、温度传感器和电子调速驱动电路构成自动冷却控制系统，能实现所需要的温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性、并使机体温度稳定。
Description
技术领域
本发明是关于一种基于一体化永磁同步电机水泵和电子调速技术的内燃机冷却系统，属(机动车)内燃机(电控)技术领域、或自动控制装置领域，可用于小型水冷式内燃机冷却系统，也可用于其它机械、电子或电气等设备(或其器件)的冷却系统。
背景技术
内燃机冷却系统主要分为水冷系统方式或风冷系统方式，在摩托车内燃机等小型内燃机上也采用与水冷系统原理类似的油冷系统方式。随着技术的进步和环保节能标准的提高，现代内燃机基本都采用水冷系统方式(也有采用将水冷和风冷结合使用的混合冷却系统，但其主要靠水冷系统保持温度稳定，本质上仍是水冷系统)。
内燃机水冷系统通常由冷却水套、水泵、散热器和节温器等组成。其中内燃机驱动水泵，水泵再驱动冷却液循环流动，而节温器作为控制元件，其典型控制方式通过控制循环路径来控制冷却系统的散热量：当内燃机机体温度低时，节温器关闭，冷却液只在内燃机机体内部小循环流动而降低系统散热，当温度升高时，节温器逐渐打开，冷却液开始在内燃机机体和散热器之间大循环流动而提高系统散热量，使内燃机机体温度保持恒定。
在摩托车发动机上，为使系统简单，也有只依靠节温器的节流作用来调节散热量的单循环路径冷却系统。
由上述可见，现有水冷系统是基于节温器的冷却控制系统，水泵作为驱动元件，只随内燃机转数而改变流量，不具有根据负荷、气温等散热量需要而改变其流量及系统散热量的控制作用。现有冷却系统技术存在以下缺陷：
节温器精度低、不灵敏，其冷却控制原理使冷却系统的冷却性能差，表现为升温慢、控制精度低，不能使内燃机工作在最理想的温度。
双循环路径的冷却系统，系统较复杂、成本较高。由于其循环路径较长、三通和弯头较多，使水阻力较大；节温器的节流作用使水阻力进一步加大。水阻力大、而且水泵连续运行，使水泵消耗的功率较大，由此增加了内燃机的耗油量。即使是简单的单循环路径的冷却系统，节温器的节流作用仍会使水阻力加大、而且水泵连续运行，使水泵消耗的功率仍较大。
水泵由内燃机直接驱动，结构上轴必须有动密封零件，动密封零件使水泵结构复杂、易损坏。特别是摩托车发动机，由于其水泵都采用发动机直接驱动方式，且多与发电机或机油泵共轴，结构较复杂，成本较高，而且轴的动密封零件不仅有水封、还有油封，结构也较复杂，使可靠性降低。
近年来，也有如电控节温器、电动水泵及电控冷却系统等新技术被提出和应用。电控节温器相比机械节温器灵敏度稍有提高，但其并未使冷却系统的性能有实质性提高、反而使冷却系统更复杂。电动水泵及电控冷却系统会使冷却系统的性能有较大改善，但现有结构的电动水泵为保证电机的性能都采用普通电动水泵的结构，电机和水泵是相对独立的、之间靠轴传动，轴上有动密封零件、因此不仅成本高而且使可靠性降低，目前仅报道应用在宝马汽车的一款高端发动机上(也有报道其它如丰田汽车等未来几年将投产的新车型也将使用电动水泵冷却系统)。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于一体化永磁同步电机水泵和电子调速技术的内燃机冷却系统，可以较好地解决现有技术的缺陷，使系统简单、冷却控制性能和温度控制精度提高、功率消耗减小、可靠性和实用性显著改善。
本发明装置是通过这样的技术方案实现的：
这种冷却系统由冷却水套、散热器、水泵、连接水管、永磁同步电机、温度传感器、电子调速驱动电路组成，其特征是，冷却水套、散热器、水泵及连接水管构成单循环路径冷却循环系统，水泵驱动冷却液在冷却水套和散热器之间循环流动而将内燃机的热量带至散热器散出，永磁同步电机的永磁转子与定子之间有将两者隔离开的水套，水套是水泵壳体的一部分，永磁同步电机的定子在水泵壳体外，而永磁转子及其轴在水泵壳体内、并采用共轴方式驱动水泵叶轮旋转工作，从而使永磁同步电机与水泵构成一体化永磁同步电机水泵，永磁同步电机、水泵、温度传感器和电子调速驱动电路构成自动冷却控制系统，此控制系统的连接关系和控制作用为，温度传感器连接到电子调速驱动电路上、为其提供内燃机机体温度信号，电子调速驱动电路连接到永磁同步电机上以驱动其旋转、并能根据内燃机机体温度信号控制其转速及水泵流量，进而控制冷却系统的冷却性能、并使内燃机机体温度稳定；
本发明电机还具有下述技术特征。
永磁转子采用径向两极充磁的磁体(极)结构，永磁转子及轴在冷却液中工作；
永磁同步电机是内转子结构，沿径向，永磁转子在内侧，定子在外侧；
永磁同步电机是单相永磁同步电机或三相永磁同步电机，单相永磁同步电机的定子有两个相对的磁极(极靴)和一个或两个集中式定子绕组，三相永磁同步电机的定子有三个等距磁极(极靴)和三个集中式定子绕组；
电子调速驱动电路是以全控(全波)驱动方式或半控(半波)驱动方式连接到永磁同步电机的集中式绕组上；
永磁同步电机(PMSM)包括自起动永磁同步电机(Self-startingPMSM)类，或无刷直流电机(BLDC Motor)类，当采用自起动永磁同步电机时，电子调速驱动电路采用变频(VF)方式控制此类永磁同步电机的转速，当采用无刷直流电机时，电子调速驱动电路采用脉宽调制(PWM)方式控制此类永磁同步电机的转速；
使用具有一定温度特性的温度传感器和电子调速驱动电路来实现所需要的自动冷却控制系统的机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性，以控制冷却系统的冷却性能；
其自动冷却控制系统是开放的，能增加根据内燃机工作状态和环境参数(例如负荷或环境温度、进气温度、冷却循环系统下水管温度)等参变量随时灵活改变机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性的能力；
自动冷却控制系统通过这样的控制过程使内燃机机体温度稳定，当机体温度升高到控制温度以上时，此控制系统使永磁同步电机的转速提高，从而提高水泵流量和冷却系统的散热量，使机体温度保持在设定的控制温度附近，而当机体温度降低到控制温度以下时，此控制系统使永磁同步电机的转速降低，从而降低水泵流量和冷却系统的散热量，使机体温度保持在设定的控制温度附近。
本发明装置的工作原理是：
冷却水套、散热器、水泵等构成单循环路径冷却循环系统，水泵驱动冷却液在冷却水套和散热器之间循环流动从而将内燃机的热量带至散热器散出，实现冷却作用；而永磁同步电机、水泵、温度传感器和电子调速驱动电路构成自动冷却控制系统，控制冷却系统的冷却性能、并使机体温度稳定。
永磁转子与定子之间有水套，使气隙(永磁转子与定子磁极间的距离)较大，因此永磁转子适合采用径向两极充磁结构。
一体化永磁同步电机水泵，其永磁转子及其轴在泵壳内并在冷却液中工作，永磁转子与水泵叶轮共轴并驱动叶轮旋转(按类似水泵的结构，有同轴连接并同轴旋转、和同轴套连接围绕同轴旋转两种共轴方式)，这样，除水泵的进口和出口外，包括水套在内的水泵壳体构成密闭的腔，叶轮、永磁转子、轴和轴承(一般是塑料制成的滑动轴承)等都在水泵壳体内，轴不再需要动密封，结构得到极大简化，水泵的各项性能因此获得显著提高。
与永磁同步电机驱动的风机不同，水泵的叶轮较小，所以本发明的永磁同步电机适合采用内转子结构，可使永磁同步电机水泵结构紧凑。而且，这样的一体化永磁同步电机水泵，其进口和出口布置灵活，即适合制成离心水泵、也适合制成离心和轴流混流水泵的结构，可根据需要设计。
同样，永磁转子与定子之间有水套，使气隙较大，定子磁极间的距离不能过小，否则磁极间的漏磁会加大并严重降低电机的性能，因此本发明的永磁同步电机是单相的或三相的(而不能采用有更多磁极的方案)，单相永磁同步电机的定子有两个相对的磁极(极靴)和一个或两个集中式绕组，三相永磁同步电机的定子有三个等距磁极(极靴)和三个集中式绕组。
对本发明中所谓的永磁同步电机的类型说明如下。不同的永磁同步电机(主要)在驱动上有一定的差别，分外同步永磁同步电机和自同步永磁同步电机两类，虽然本质上都属永磁同步电机，但在不同的研究领域或应用领域有不同的名称。外同步永磁同步电机多用于直接使用交流电(外同步)的场合，而且一定要具有自起动能力，一般称为自起动永磁同步电机，单相自起动永磁同步电机还使用如U型铁芯单相自起动永磁同步电机(U-shaped coresingle phase self-starting permanent magnet synchronous motor)，或U型定子铁芯单相永磁电机，single phase permanent magnet motor with U-shaped stator core)等名称。而自同步直流永磁电机一般称为无刷直流电机(BLDC Motor或Brushless DC Motor)，多用于使用直流电的场合，其驱动电路根据永磁转子的位置做电子换向驱动，所以是自同步永磁同步电机。
上述两类永磁同步电机与其(功率)驱动电路都可采用全控(全波)驱动方式或半控(半波)驱动方式连接。同样，本发明的电子调速驱动电路也以全控(全波)驱动方式或半控(半波)驱动方式连接到永磁同步电机的集中式定子绕组上。全控驱动方式的优点主要是绕组利用率高，半控驱动方式的优点主要是驱动电路简单，具体可根据冷却系统需要做出选择。
目前的电子技术和集成电路技术水平是，半导体生产商已开发出许多种单相、三相永磁同步电机、特别是无刷直流电机的驱动(专用)集成电路，使本发明所需的电子调速驱动电路设计变得容易，一般仅需配置少量的外围元件，就可以设计、制作出具备全控驱动方式或半控驱动方式、及调速能力(变频调速方式或脉宽调制方式)的电子调速驱动电路。
单相自起动永磁同步电机是一类特殊结构的永磁同步电机，一般用作洗衣机排水泵等微型水泵的驱动电机，其结构和原理均有其特殊性。其采用一个端部有两个磁极(极靴)的U形铁心(其实也可以是有两个磁极的环形铁芯)、并依靠磁极处的不均匀气隙实现自起动。其一般有两个集中式定子绕组，两个定子绕组串联或并联成一相绕组，加交流电后产生脉振(交流)磁场拖动永磁转子同步旋转。随着电子逆变技术的发展，这类电机也可以使用直流电，但如前述，当使用直流电时，习惯上称其为单相无刷直流电机，其一般用作计算机等电子设备的冷却风扇(无刷直流风扇，Brushless DCFAN)的驱动电机，一般采用单相双绕组半波驱动方式，驱动电路(根据霍尔传感器的位置信号采用电子换向方式，如后述的UDN2625M等)为两个定子绕组交替提供直流电、以使两个定子绕组产生(合成)脉振(交流)磁场拖动永磁同步旋转；当然，也可采用全控(全波)方式的驱动电路，半导体生产商也有全控(全波)驱动集成电路提供。自起动永磁同步电机及电子调速驱动电路简单，但其采用变频调速(VF)，调速范围小；无刷直流电机的电子调速驱动电路较复杂(但可选择的驱动集成电路丰富)，但其自同步性质使其起动性能好，采用脉宽调制(PWM)方式调速使其调速范围大、并明显节电。可根据冷却系统实际需要对两者做出具体选择和设计。
三相自起动永磁同步电机和三相无刷直流电机的原理等与上述单相自起动永磁同步电机或单相无刷直流电机类似，也可以采用半控(半波)驱动方式或全控(全波)驱动方式，但目前基本都采用全控(全波)驱动方式，三相绕组也因此接成Y型。特别是对三相无刷直流电机，半导体厂商提供的全控驱动芯片很丰富、保护功能完善，许多还采用了无传感器转子位置检测技术和正弦波驱动等先进技术。三相自起动永磁同步电机和三相无刷直流电机具有更好的性能，更适合制作较大的一体化永磁同步电机水泵。
所谓机体温度-水泵流量特性是指水泵流量随机体温度变化的特性，所谓机体温度-散热量特性是指冷却系统的散热量随机体温度变化的特性。本发明的自动冷却控制系统使用具有一定温度特性的温度传感器和电子调速驱动电路来实现所需要的机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性。相比普通节温器，这样的自动冷却控制系统具有极优异性能，例如，通过选择适合的温度传感器的特性和参数、或设计适合的电子调速驱动电路(特别是使用具有智能控制功能的微控制器)可实现更理想的机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性，可使暖机过程中机体温度更迅速提高，达到控制温度后自动冷却控制系统工作稳定(反馈振荡小)、使机体温度更稳定。
本发明的自动冷却控制系统是开放的，使用具有一定温度特性的温度传感器和电子调速驱动电路来实现所需要的机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性是其基本的特征，但也能在此基础上采取完善自动冷却控制系统功能的措施，因为电子调速技术的使用(特别是具有智能控制功能的微控制器支持更优异的自动控制算法)使自动冷却控制系统能根据内燃机工作状态或环境参数(例如负荷或环境温度、进气温度、冷却循环系统下水管温度)等参变量随时灵活改变(设定)机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性，使自动冷却控制系统的功能更完善，冷却系统的性能进一步提高。
本发明的自动冷却控制系统通过这样的控制过程使内燃机机体温度稳定，当机体温度升高到控制温度以上时，此控制系统使永磁同步电机的转速提高，从而提高水泵流量和冷却系统的散热量，使机体温度保持在设定的控制温度附近，而当机体温度降低到控制温度以下时，次控制系统使永磁同步电机的转速降低，从而降低水泵流量和冷却系统的散热量，使机体温度保持在设定的控制温度附近。
对装备内燃机电控单元(ECU)的内燃机，也可以由电控单元作为电子调速驱动电路(或直接控制功率开关电路)，电控单元能根据内燃机负荷和进气温度等参数综合控制本发明的自动冷却控制系统的温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性，使内燃机具有更好的性能。
本发明也可用于内燃机机油的冷却系统，其原理是，将机油作为循环冷却液即可对机油进行冷却(没有类似上述冷却水套的结构或把油底壳视作冷却水套，系统非常简单)。类似地，本发明也可用于大中型内燃机变速箱油(齿轮油)的冷却系统。
显然，本发明也可用于电动汽车的电机(及其驱动系统)冷却和热量回收系统，其原理是，本发明的散热器是驾驶室加热系统(暖风系统)的散热器，使冷却系统(液)吸收的热量用于对驾驶室的加热。
本发明可产生的有益效果
1、本发明采用单循环路径，简单、可靠、制造成本低。而且水泵工作在调速状态，相比同类定速水泵，其使用寿命及系统的使用寿命都很长。本发明不仅适用于小型内燃机冷却系统，也适用于其它需要控温的冷却系统。
2、基于电子调速技术的自动控制系统，无论是精度还是灵敏度都明显高于节温器，使冷却系统的冷却性能显著提高。应用于小型内燃机上，可改善其冷却性能，机体升温快、温度稳定，使内燃机工作在最理想温度。
3、电子调速技术的使用，不仅可实现更理想的机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性，也便于自动冷却控制系统根据内燃机工作状态和环境参数等随时灵活改变(设定)机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性，使冷却系统的性能和内燃机的性能进一步提高，这是普通节温器无法做到的。
4、系统循环路径简单、水阻力小、且没有节温器的节流阻力，使全部冷却系统的水阻力显著减小，水泵(永磁同步电机)的功率可显著减小。当采用单相无刷直流电机时，由于电子调速驱动电路采用脉宽调制(PWM)方式调速，使其实际功率消耗更小(例如，对250mL排量以下的摩托车发动机功率不超过10W，对1-1.3L排量的小型车发动机功率不超过30W)。
5、本发明用于摩托车发动机的冷却系统，可使发动机结构极大简化、成本降低、冷却均匀、可靠性提高，并改善其燃烧工况、降低燃油消耗和尾气中有害气体排放、延长使用寿命。
6、目前摩托车发动机多为单缸机，相比单缸机，双缸机具有低速扭矩大、平稳性好、寿命长等明显优势。但风冷双缸机由于散热需要两缸间距较大、使发动机不紧凑。本发明可较容易地解决这个问题，对摩托车发动机的双缸机化和水冷化升级具有特别意义。
7、用于内燃机机油冷却系统和变速箱油冷却系统，系统也非常简单。
8，相对于风冷系统，本发明用于电气、电子系统的冷却，可保证电气系统是密封防尘的，这对于提高电气、电子系统的可靠性具有积极意义。
附图说明
图1是一体化永磁同步电机水泵的结构示意图。此图是将永磁转子和定子之间的水套从靠近叶轮处剖开后、向永磁同步电机方向看的剖视图。图中，各标号名称为：1、永磁转子，2、轴，3、水套，4、定子磁极，5、定子铁芯，6定子绕组。图中可见剖开的轴(2)和水套(3)。
图2是单相自起动永磁同步电机的一种电子调速驱动电路原理图。图中以虚线将图分成两部分，左侧部分是由IC1及其外围元件构成的方波信号发生电路，IC1是LM331函数发生器芯片，Rt是PTC热敏电阻。右侧部分是(功率)开关电路，T1、T2为达林顿功率晶体管，L1、L2为单相自起动永磁同步电机的两个定子绕组。
图3是无刷直流电机一种电子调速驱动电路原理图。图中以虚线将图分成两部分，左侧部分是由IC1和IC2及外围元件构成脉冲宽度调制PWM信号发生电路，IC1和IC2是555时基芯片(或用一片556时基芯片)，Rt是PTC热敏电阻。右侧部分是由IC3及其外围元件构成的(功率)驱动电路，IC3是UDN3625M单相双绕组无刷直流(风扇)电机专用(功率)驱动芯片，L1、L2为无刷直流电机的两个定子绕组。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明的具体实施方式。
由图1可见，一体化永磁同步电机水泵的结构是这样的，1、永磁转子(1)一般采用一个整体的两极充磁的永磁体，永磁体可采用铁氧体、钕铁硼等通过烧结、粘结或注塑等工艺制造，永磁转子(1)上制有轴(2)，轴(2)上可直接安装水泵叶轮构成同轴连接并同轴旋转方式的共轴结构，同同轴套连接围绕同轴旋转共轴结构相比，其优点是永磁转子(2)和叶轮之间可安装一个兼作轴承和防止冷却液中的杂质进入的盖板，此盖板与轴(2)和水套(3)间的间隙很小可防止杂质进入到永磁转子(1)和水套(3)之间而使永磁转子(1)卡滞。永磁同步电机是内转子结构，其永磁转子(1)在内侧，沿径向向外，依次是水套(3)和定子磁极(4)(定子)，水套(3)构成水泵壳体的一部分，永磁转子(1)及其轴(2)等在水泵壳体内并在冷却液中工作，而水套(3)将定子隔离在水泵壳体外。定子由U形的定子铁心(5)和两个集中式定子绕组(6)组成，其端部有两个相对的磁极(4)，当然定子铁心(5)也可以采用有两个相对(凸)磁极的环形铁心。
下面结合附图1、附图2来说明采用单相自起动永磁同步电机的具体实施方式和实施例1。在图2左侧部分中，PTC热敏电阻Rt具有在其开关温度(动作温度)附近阻值快速增大的温变特性，其开关温度和温变特性可根据冷却系统的设定温度需要确定，温度传感器可以安装在发动机缸体上、也可以安装在冷却水套上或出水管上，用来感知发动机缸体的温度。在本实施例中，选用开关温度为85℃的PTC热敏电阻、及适合的(外围)元件参数，可使左侧部分的方波信号发生电路产生的方波信号的振荡频率85℃附近具有随缸体温度升高而增大、并在超过85℃具有显著增大的特性(此特性要根据具体的散热系统设计，以使控温准确、而且自动冷却控制系统的振荡小(或快速收敛))，振荡频率范围由低温时的25Hz到高温时的50Hz。此方波信号控制右侧部分开关电路的通断和通断频率，低电平时T1导通、T2关断，高电平时T1关断、T2导通。图1、图2中，L1、L2为单相自起动永磁同步电机的两个集中式定子绕组(6)，T1、T2的交替通断可使两个定子绕组产生(合成)交流(脉振)磁场拖动(图1中)永磁转子(1)同步旋转，而且转速也会受缸体温度的控制，在85℃附近具有随缸体温度升高而增大、超过85℃时显著增大的特性，转数范围由温度低时的1500rpm到高温时的3000rpm，温度低时散热量小、发动机升温快，温度高时散热量显著增大，使发动机温度稳定。在本实施例中，通过使用适合的PTC特性温度传感器和适合的变频方波信号发生电路，实现了机体温度低时水泵流量低、散热量低，机体温度高时水泵流量高、散热量高的较理想的机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性。显然，通过选择适合的温度传感器及其参数、或设计适合的电子调速驱动电路(特别是具有智能控制功能的微控制器)可实现更理想的机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性。也能通过在方波发生电路中增加一个测量环境温度(进气温度或冷却循环系统下水管温度)的热敏电阻(如在Rt上串联一个PTC特性的热敏电阻，并一体化永磁转子水泵装在冷却循环系统下水管上)使该自动冷却控制系统能根据环境温度(进气温度或冷却循环系统下水管温度)参数随时灵活改变机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性，可避免在低温等条件下自动冷却控制系统不稳定(振荡)，使冷却系统具有更好的性能。
本实施例中，之所以采用PTC特性的热敏电阻，是因为如果连接温度传感器的导线意外断线，电路会使永磁电机保持最高转速，可避免发动机过热而引起严重故障。由于低速时单相自起动永磁同步电机的反电动势小、性能下降，所以本实施例的调速范围较小，为此，实际应用中，可在图2右侧部分的(功率)开关电路的电源上增加一个温度控制的机械或电子开关S1，发动机机体温度低时S1断开，达到某个温度(例如60℃)以上而需要本发明系统介入自动控温时，开关S1接通，这样既可使系统简单，又可发挥本发明自动冷却控温的能力。
上述实施例只是以图2中的器件实现的半控方式或方案中的一种，用来具体说明本发明内容及其原理，也可以以其它器件或元件实现。例如，采用低灵敏度型的或线性的PTC热敏电阻，也可以采用NTC热敏电阻、并按其NTC特性设计电子变频控制电路。功率开关电路也可以采用集成电路器件，例如各种(集成)驱动桥器件实现。当然由于器件的丰富性，也可以有许多全控的方式或方案，比如利用专用的(集成)全桥驱动电路等。
下面结合附图1、附图3来说明采用无刷直流电机的具体实施方式和实施例2。图3左侧部分，IC1及其外围元件构成矩形波信号发生带电路，IC2及其外围元件构成单稳态触发器电路，两个电路连接后，构成脉冲宽度调制(PWM)信号发生电路，其PWM信号的占空比受PTC热敏电阻Rt的控制。PTC热敏电阻Rt具有与上个实施例类似的温变特性，选用开关温度为85℃的PTC热敏电阻、及适合的(外围)元件参数，可使PWM信号的占空比在85℃附近具有随缸体温度升高而增大、并在超过85℃显著增大的特性，例如由低温时的30％到高温时的接近100％。图3右侧部分，UDN3625M是单相双绕组无刷直流(风扇)电机专用(功率)驱动芯片，其内部带有霍尔型转子位置传感器，所以只需要几个外围元件就能构成单相无刷直流电机的半控型(功率)驱动电路，实现可靠的换向驱动，使(图1中)两个定子绕组(6)交替工作，产生(合成)交流磁场。UDN3625M还有PWM信号输入端，将图3左侧部分的PWM信号接入其PWM信号输入端，即可实现对电机及水泵的调速控制，从而显著改变冷却系统的散热量，温度低是散热量小、发动机升温快，温度高时散热量显著增大，使发动机温度稳定。本实施例中，也可通过增加一个测量环境温度(进气温度或冷却循环系统下水管温度)的热敏电阻(如在Rt上串联一个PTC特性的热敏电阻)使该自动冷却控制系统能根据环境温度(进气温度或冷却循环系统下水管温度)参数随时灵活改变机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性。此实施例中也可在(功率)开关电路的电源上增加一个温度控制的机械或电子开关S1。
根据实施例2制作了一个模拟的内燃机冷却系统，以电热功率分别为500W和2000W的电热元件来模拟发动机，温度传感器安装在上水管上，电动水泵安装在下水管上，此外，此冷却系统散热器上还增加了电控冷却风扇来帮助散热，电控冷却风扇也使此冷却系统的调节范围显著加大。试验表明，当热源功率分别为500W和2000W时，模拟系统均能很好地工作。其中，温控开关S1在模拟发动机的温度低于65℃时是关断的、系统(及模拟发动机)只有表面散热和冷却系统因对流产生的散热，散热量非常小、升温很快；模拟发动机温度高于65℃时S1闭合，此时模拟发动机温度低时水泵流量低、散热量低，模拟发动机温度高时水泵流量高、散热量高，使模拟发动机的温度稳定在85℃，偏差不超过±5℃。模拟系统显示本发明的性能具有较理想的冷却性能。
Claims (9)
1.一种基于一体化永磁同步电机水泵和电子调速技术的内燃机冷却系统，由冷却水套、散热器、水泵、连接水管、永磁同步电机、温度传感器、电子调速驱动电路组成，其特征是，冷却水套、散热器、水泵及连接水管构成单循环路径冷却循环系统，水泵驱动冷却液在冷却水套和散热器之间循环流动而将内燃机的热量带至散热器散出，永磁同步电机的永磁转子与定子之间有将两者隔离开的水套，水套是水泵壳体的一部分，永磁同步电机的定子在水泵壳体外，而永磁转子及其轴在水泵壳体内、并采用共轴方式驱动水泵叶轮旋转工作，从而使永磁同步电机与水泵构成一体化永磁同步电机水泵，永磁同步电机、水泵、温度传感器和电子调速驱动电路构成自动冷却控制系统，此控制系统的连接关系和控制作用为，温度传感器连接到电子调速驱动电路上、为其提供内燃机机体温度信号，电子调速驱动电路连接到永磁同步电机上以驱动其旋转、并能根据内燃机机体温度信号控制其转速及水泵流量，进而控制冷却系统的冷却性能、并使内燃机机体温度稳定；
2.根据权利要求1所述的一种基于一体化永磁同步电机水泵和电子调速技术的内燃机冷却系统，其特征是，永磁转子采用径向两极充磁的磁体(极)结构，永磁转子及轴在冷却液中工作；
3.根据权利要求1或2所述的一种基于一体化永磁同步电机水泵和电子调速技术的内燃机冷却系统，其特征是，永磁同步电机是内转子结构，沿径向，永磁转子在内侧，定子在外侧；
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于一体化永磁同步电机水泵和电子调速技术的内燃机冷却系统，其特征是，永磁同步电机是单相永磁同步电机或三相永磁同步电机，单相永磁同步电机的定子有两个相对的磁极(极靴)和一个或两个集中式定子绕组，三相永磁同步电机的定子有三个等距磁极(极靴)和三个集中式定子绕组；
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于一体化永磁同步电机水泵和电子调速技术的内燃机冷却系统，其特征是，电子调速驱动电路是以全控(全波)驱动方式或半控(半波)驱动方式连接到永磁同步电机的集中式绕组上；
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种基于一体化永磁同步电机水泵和电子调速技术的内燃机冷却系统，其特征是，永磁同步电机(PMSM)包括自起动永磁同步电机(Self-starting PMSM)类，或无刷直流电机(BLDC)类，当采用自起动永磁同步电机时，电子调速驱动电路采用变频(VF)方式控制此类永磁同步电机的转速，当采用无刷直流电机时，电子调速驱动电路采用脉宽调制(PWM)方式控制此类永磁同步电机的转速；
7.根据权利要求1、2、3、4、5、或6所述的一种基于一体化永磁同步电机水泵和电子调速技术的内燃机冷却系统，其特征是，使用具有一定温度特性的温度传感器和电子调速驱动电路来实现所需要的自动冷却控制系统的机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性，以控制冷却系统的冷却性能；
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种基于一体化永磁同步电机水泵和电子调速技术的内燃机冷却系统，其特征是，其自动冷却控制系统是开放的，能增加根据内燃机工作状态或环境参数(例如负荷或环境温度、进气温度、冷却循环系统下水管温度)等参变量随时灵活改变机体温度-水泵流量特性及机体温度-散热量特性的功能；
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的一种基于一体化永磁同步电机水泵和电子调速技术的内燃机冷却系统，其特征是，自动冷却控制系统通过这样的控制过程使内燃机机体温度稳定，当机体温度升高到控制温度以上时，此控制系统使永磁同步电机的转速提高，从而提高水泵流量和冷却系统的散热量，使机体温度保持在设定的控制温度附近，而当机体温度降低到控制温度以下时，此控制系统使永磁同步电机的转速降低，从而降低水泵流量和冷却系统的散热量，使机体温度保持在设定的控制温度附近。
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