CN102330702B - 一种小功率换气扇 - Google Patents

Abstract

一种小功率换气扇，由微型永磁同步电动机直接驱动预定转向和直径150mm以内注塑成型的轴流式叶轮；电动机定子为4、6或8极和绕组按规定绕向接往交流电源，永磁转子与定子极数相同；各极气隙沿转向收窄，使转子各极轴线在自由状态以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿转向偏转一锐角；位置传感器于转子圆周设定位置检测转子，控制电路以该位置为参照和传感器的输出确定转子各极永磁磁通的方向并且检测电源极性以确定定子各极主磁通轴线方向；开关在电动机启动和主磁通轴线方向与永磁磁通轴线方向相交为所述锐角时或者电动机运转和主磁通轴线方向与永磁磁通轴线方向相反或接近相反时接通此时的电源半波。该换气扇启动和运转性能较佳，而成本较低。

Description

一种小功率换气扇

技术领域

本发明涉及一种微型永磁同步电动机直接驱动的小功率换气扇，尤其涉及其机械结构、电磁结构和控制方法的配合。

背景技术

换气扇使用量大面广，运行时间长，亟需制造低成本和运行节能。换气扇目前仍普遍使用异步电动机驱动，虽然制造成本较低，但效率明显偏低。大多数换气扇通常无需调速，现有技术探讨过改用永磁同步电动机驱动，可明显节能且体积较小。但是，传统的永磁同步电动机，若采用复杂结构及控制，则制造成本较高，而采用简易结构及控制则旋转方向不确定和启动转矩偏低或运转欠平稳，用于换气扇的效果欠佳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种换气扇，可由永磁同步电动机直接驱动而节能且体积较小，并在预定的旋转方向上有较佳的启动和运转性能，而成本较低。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，一种小功率换气扇，包括：

——按照预定方向旋转的叶轮；

——直接驱动该叶轮的电动机；

其特征在于：

a)叶轮为轴流式和注塑成型，直径不大于150mm；

b)电动机定子的极数为4极或6极或8极，定子的绕组按规定绕向接往交流电源；

c)电动机转子为永磁转子，其极数与定子的极数相同；

d)具有一开关，交流电源经该开关向电动机的定子供电；

e)具有一控制电路，控制开关的通断；

f)所述定子与转子间气隙的宽度于每一极下沿设定的旋转方向收窄，因而在自由状态下，转子各极的轴线以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿设定的旋转方向偏转一锐角角度；

g)所述控制电路包括一安装于定子靠近转子圆周的位置以随时检测所述转子的极性和位置的线性磁性位置传感器，并以该设定位置为参照和按该传感器的输出，确定转子各极穿越气隙的永磁磁通轴线的方向；

h)所述控制电路随时检测外部交流电源供给定子的电压的极性，确定其将在定子各极产生穿越气隙的主磁通轴线的方向，并对交流电源逐个半波进行控制：

——在电动机启动时，所述开关在所述主磁通轴线方向的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度时接通此时的交流电源半波；

——在电动机运转时，所述开关在所述主磁通轴线方向与永磁磁通轴线方向完全相反或接近相反时，接通此时的交流电源半波。

该设计的巧妙之处在于：

——气隙沿设定的旋转方向收窄的设计，使得在电动机启动的一刻，永磁磁通轴线方向处在沿设定的旋转方向超越主磁通轴线方向的相反方向一锐角角度；

——在电动机运转时，设计在永磁磁通轴线方向旋转至主磁通轴线方向的完全相反或接近相反的方向时接通电源，使主磁通在永磁磁通轴线方向沿设定的旋转方向稍微超越主磁通轴线方向的相反方向后出现；

——结果是，在每个电源半波通电期间，按照磁场校直原理，转子磁极即首先被与其最靠近的定子磁极沿旋转方向推斥而靠往极性相反的下一定子磁极，接着受到该下一定子磁极吸引。

其有益的效果是：

——电动机启动和运转中所受到的电磁力均为设定的旋转方向的电磁力，确保按设定旋转方向启动和运转，并减轻了启动和运转的脉动，不会发生转子磁极被与其最靠近的定子磁极吸住而阻滞的情况；

——电磁斥力和吸力均得到利用，提高了启动和运转的平均转矩。

使用线性磁性位置传感器可实现与转子永磁磁通轴线方向的关系接近正弦波的连续输出特性，以其所安装的转子圆周设定位置为参照检测转子的极性和位置，转子的极性和位置均可按传感器的输出和安装位置计算确定。因此，传感器可安装于转子圆周任何位置，可免除现有技术对其安装位置的限定，有利于结构设计。

该技术方案最好设计在电动机运转时，所述开关在所述永磁磁通轴线方向旋转至与主磁通轴线方向完全相反之前，接通此时的交流电源半波，所提前的时间短于绕组电流滞后电压的时间。因电动机绕组的感性电流的滞后于电压，该设计可更充分地利用电源电压。

该技术方案的典型设计之一为：

——所述开关为双向晶闸管，双向晶闸管主电极与所述绕组串联后接往交流电源；

——电动机设定为逆时针旋转；

——所述传感器为霍尔元件，安装于所述定子铁芯一极的中心线靠近转子圆周的位置；

——绕组的绕向及连接使所述电压的半波为正和霍尔元件输出为最高电平或接近最高电平，或者所述电压的半波为负和霍尔元件输出为最低电平或接近最低电平时，达到在电动机启动时所述主磁通轴线方向的相反方向与永磁磁通轴线方向相交为所述锐角角度，或者在电动机运转时所述主磁通轴线方向与永磁磁通轴线方向相反或接近相反；

——所述控制电路包括一同或门逻辑控制，该同或门逻辑输入之一为相应于主磁通轴线方向的交流电源供给所述绕组的电压的极性，且正半波时为1而负半波时为0；输入之二是为相应于永磁磁通轴线方向的霍尔元件的输出电平，且最高电平或接近最高电平时为1而最低电平或接近最低电平时为0；

——所述同或门输出为1时，所述控制电路向所述双向晶闸管的触发极输出电压脉冲，脉冲宽度不超出所述电压极性再次转换的时刻。

该技术方案的典型设计之二为：

——所述开关为双向晶闸管；双向晶闸管的主电极与所述绕组串联后接往交流电源；

——电动机设定为逆时针旋转；

——所述传感器为霍尔元件，安装于所述铁芯相邻二极之间靠近转子圆周的位置；

——绕组的绕向及连接使所述电压的半波为正和霍尔元件输出电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在升高时，或者所述电压的半波为负和霍尔元件输出电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在降低时，达到在电动机启动时所述主磁通轴线方向的相反方向与永磁磁通轴线方向相交为所述锐角角度，或者在电动机运转时所述主磁通轴线方向与永磁磁通轴线方向相反或接近相反；

——所述控制电路包括一同或门逻辑控制，该同或门逻辑输入之一为相应于主磁通轴线方向的交流电源供给所述绕组的电压的极性，且正半波时为1而负半波时为0；输入之二为相应于永磁磁通轴线方向的霍尔元件输出电平的瞬时值及其变化方向，且当该电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在升高时为1，降低时为0；

——所述同或门输出为1时，所述控制电路向所述双向晶闸管的触发极输出电压脉冲，脉冲宽度不超出所述电压极性再次转换的时刻。

本发明的技术方案和效果将在具体实施方式中结合附图作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明实施例换气扇基本机械结构主视图；

图2是本发明实施例1换气扇电动机电磁基本结构示意图；

图3是本发明实施例1换气扇电动机控制电路示意图；

图4是本发明实施例1换气扇电动机霍尔元件输出特性图；

图5是本发明实施例1换气扇电动机控制信号波形图；

图6是本发明实施例2换气扇电动机电磁基本结构示意图；

图7是本发明实施例2换气扇电动机霍尔元件输出特性图。

具体实施方式

本发明实施例换气扇基本机械结构如图1所示。这是一家用小功率轴流式换气扇，主要包括：

——固定于机壳的电动机2；

——直接连接于该电动机输出轴逆时针旋转的轴流式叶轮1，其具有4个叶片；按风压要求，叶片数也可以为3、5或6，但最好不要多于8片，且尽可能奇数片，以降低振动噪声。叶轮为注塑成型，直径100mm。叶轮最大不要超过直径150mm，转动惯量尽量小，以配合电动机2仍不太大的启动力矩；

——电动机2为内转子电动机，包括定子100和永磁转子200。

本发明实施例1换气扇的电动机电磁基本结构如图2所示。可以看出：

——转子200，是其截面以二条相互垂直的对称轴400分隔为4个对称的90°的扇形并各径向充磁为N、S、N、S的4极永磁转子；

——定子100由具有4个凸极的圆形铁芯101和绕组102组成；绕组102是在4个凸极各绕一具有绝缘框架的线圈元件102，然后按绕向串联连接为4极，并因而在通电时产生4极的穿越定转子之间气隙的主磁通；

——定子铁芯101各凸极与转子200间气隙的宽度沿逆时针方向渐变收窄；因此在自由状态即不通电和无外部气流以及旋转结构良好的情况下，转子200受定子铁芯吸引，各极的几何轴线即穿越定转子之间气隙的永磁磁通轴线700、800分别以相邻定子凸极的几何轴线即穿越定转子之间气隙的主磁通轴线500、600为参照，沿逆时针方向偏转一较小的锐角Ω。本实施例设计该机械角为5°(电角度10°)。该角度可随渐变收窄的比例而改变，并影响启动转矩和效率。该设计可避免在自由状态下转子停留于其轴线与定子凸极的轴线重合而使通电时启动转矩为零的所谓“死点”位置，所形成的磁阻转矩还有利于防止运转中的转子于交流电流过零时不产生转矩而停转；

——线性的霍尔元件300，安装于定子铁芯100右侧凸极的轴线500上靠近转子200圆周的位置。

本发明实施例换气扇电动机控制电路如图3所示，主要由固定于电动机非轴伸端的印刷电路板组成，该印刷电路板除安装霍尔元件300外，还安装有：

——双向晶闸管4，其主电极与绕组102串联后接往交流电源端子5；

——单片机6，其输出电路63接往双向晶闸管4的触发极41；

——由电阻7和二极管8、9以及5V直流电源VDD组成的整形电路，其输入接往交流电源端子5，输出B在交流电源端子5的电压极性为正半波时为1而负半波时为0。输出B接往单片机6的输入电路61。

霍尔元件300的输出接往单片机6的输入电路62。霍尔元件300的输出特性为线性，因而霍尔元件300的输出电平与穿越定转子之间气隙的永磁磁通轴线角度的关系为正弦波特性。该特性如图4所示，如图2转子200各极轴线700、800分别与定子各凸极轴线500、600重合时，正对霍尔元件300所在定子右侧的凸极的若为N极，永磁磁通轴线角度即为0°，霍尔元件300的输出电平为最高——5V；若为S极，永磁磁通轴线角度即为180°，霍尔元件300的输出电平为最低——1V。此外，在自由状态下，转子200各极永磁磁通轴线以相邻定子凸极的轴线为参照沿逆时针方向偏转电角度约10°，当转子200朝向霍尔元件300所在定子右侧的凸极的是N极时，霍尔元件300的输出电平为4.97V；是S极时，则为1.03V。该特性存储于单片机6中。

按照右手螺旋法则对绕组102的绕向及其往交流电源端子5的连接设计为：交流电源端子5的电压半波为正时，穿越定转子之间气隙的主磁通轴线的方向按图2：对位于水平的轴线500上的左、右二个凸极为沿轴线500指向转子200，对位于垂直的轴线600上的上、下二个凸极为沿轴线600背向转子200；半波为负时则相反。

因此，在电动机启动时，交流电源端子5的电压半波为正和霍尔元件300输出为4.97V，或者半波为负和霍尔元件300输出为1.03V时，主磁通轴线方向的反向(前者即对位于水平的轴线500上的左、右二个凸极为沿轴线500背向转子200，后者即对位于垂直的轴线600上的上、下二个凸极为沿轴线600指向转子200)与永磁磁通轴线方向相交为电角度约10°；在电动机运转时，交流电源端子5的电压半波为正和霍尔元件300输出为5V，或者半波为负和霍尔元件300输出为1V时，主磁通轴线方向的反向与永磁磁通轴线方向相交为0°或接近0°。所谓“接近”是指虽然不为0°，但在容许的偏差内。该控制出现于电动机运转，叶轮和转子为主的旋转系统的动能被巧妙用于减轻不可避免的控制偏差的影响。

单片机6内置的软件或硬件控制还包括：

a)对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件300的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平为4.97V和电动机启动时或者到达5V和电动机运转时变为1，当该电平为1.03V和电动机启动时或者到达1V和电动机运转时时变为0；

b)以上述输出A和输出B二者为输入的同或门逻辑控制的输出L与A、B的逻辑关系，如下表；

电源极性	霍尔300输出电平	A    B	L	主磁通的反向与永磁磁通夹角
					正半波	电动机启动时为4.97V，或运转时为5V	1    1	1	启动时为10°，或运转时为0°
正半波	电动机启动时为1.03V，或运转时为1V	1    0	0	--------
					负半波	电动机启动时为4.97V，或运转时为5V	0    1	0	--------
负半波	电动机启动时为1.03V，或运转时为1V	0    0	1	启动时为10°，或运转时为0°

c)上述L为1时，单片机6的输出电路63向双向晶闸管4的触发极输出电压脉冲，并且该脉冲于所述电压极性半波结束之前下降为零，即其宽度不超出所述电压极性再次转换时刻。

各信号的波形如图5所示：51为交流电源端子5的波形，52为整形电路输出B的波形，31为霍尔元件300的输出电平的波形，32为单片机6内置的软件或硬件对霍尔元件300的输出电平与所述储存的霍尔元件300输出特性比较后的输出A的波形，64为单片机6的输出电路63向双向晶闸管4的触发极输出的电压脉冲的波形。

双向晶闸管4获得上述脉冲后随即导通，交流电源端子5即向绕组102供电，使转子200启动或继续旋转。由于双向晶闸管4的触发极获得的电压脉冲的宽度不超出电压极性再次转换时刻，双向晶闸管4此次半波导通至该半波过零时截止，然后在紧接着的下一半波再次按检测结果进行控制：符合所述条件，即L为1时，将再次导通，否则截止。

本发明第2实施例换气扇电动机电磁基本结构如图6所示(以下叙述对图6中的标记未列举者，均与图2同一标号的意义相同)，其与第1实施例的差异主要在于：

a)霍尔元件300改为安装于定子铁芯右、上二个凸极之间的对称轴线上靠近转子200的圆周的位置，即相当于第1实施例的位置沿逆时针旋转迁移了机械角45°或电角度90°；

b)由于a)，霍尔元件300的输出电平与转子200永磁磁通轴线方向的关系逆时针迁移90°，如图7所示。可见，相同坐标系图7特性曲线相比图4向右平移了90°，霍尔元件300的输出电平在永磁磁通轴线方向为0°和180°时均为3V(高、低电平的中间值)，但0°时的瞬时值越过3V时升高(前一瞬时值取样为2.9V)，180°时则降低(前一瞬时值取样为3.1V)。

c)由于b)，对第1实施例中单片机6内置的软件或硬件控制中的a)项改为：

——对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件300的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平的瞬时值为3V且越过3V升高时变为1，降低时变为0。

其实，霍尔元件300可安装于就机械结构而言以任何更方便的角度靠近转子200圆周的位置，只需参照上述a)、b)、c)的办法，按照该位置相对于之前的安装位置沿旋转方向前或向后移的角度，并按照该角度把单片机6原来所储存的霍尔元件300的输出特性相应向右或向左平移，以及按照该迁移后的特性，确定霍尔元件300的输出电平在永磁磁通轴线方向分别为0°和180°时的值及其升降情况，并以该二值及其升降情况作为输出A的比较、判别和输出的依据，对单片机6内置的软件或硬件控制相应修改。例如，若霍尔元件300的安装位置改为相比第1实施例的位置逆时针旋转迁移机械角22.5°或电角度45°，则：

a)霍尔元件300的输出电平与转子200永磁磁通轴线方向的关系即特性曲线相比图4向右平移了45°，霍尔元件300的输出电平在永磁磁通轴线方向为0°时为4.41V且瞬时值越过4.41V时升高(前一瞬时值取样为4.38V)，为180°时为1.59V且瞬时值越过1.59V时降低(前一瞬时值取样为1.56V)。

b)对第1实施例中单片机6内置的软件或硬件控制中的a)项改为：

——对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件300的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平的瞬时值为4.41V且越过4.41V时升高时变为1；当该电平的瞬时值为1.59V且越过1.59V时降低时变为0。

上述各实施例换气扇在电动机运转时，均设计为在永磁磁通轴线旋转至主磁通轴线的相反方向时接通电源。该设计比较简单可靠。然而，由于绕组的感性电流的滞后于电压，该接通时间可适当提前。该提前是指永磁磁通轴线沿旋转方向旋转至接近主磁通轴线的相反方向时即接通电源。但对该提前应予以限制，只要该提前时间不长于绕组电流滞后于电压的时间即可。可通过测定绕组电流的功率因数确定绕组电流滞后时间。然后，把单片机6中用于与所储存的霍尔元件300的输出特性比较判别的电平瞬时值，修改为按所述电流滞后时间提前的永磁磁通轴线旋转的电角度(可按电流功率因数角除以极对数计算)在所储存的霍尔元件300的输出特性中对应的电平瞬时值，并参照实施例2所述办法控制，即可实现双向晶闸管4在主磁通轴线与永磁磁通轴线方向接近相反时接通此时的交流电源半波。该设计可有更高的效率，进一步减轻了启动和运转的脉动，并提高启动和运转的平均转矩。但为可靠起见，提前时间最好稍微短些，即留适当的裕量。

例如，若测试绕组电流的功率因数角为45°，所提前的永磁磁通轴线旋转角度可设定为约30°，因此：

对于实施例1的电动机，对前述单片机6内置的软件或硬件控制的a)项可修改为：

——对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件300的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平的瞬时值为4.73V且在升高(前一瞬时值取样为4.70V)时变为1，当该电平的瞬时值为1.27V且在降低(前一瞬时值取样为1.30V)时变为0。

对于实施例2的电动机，对前述单片机6内置的软件或硬件控制的a)项可修改为：

——对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件300的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平的瞬时值为2.00V且在升高(前一瞬时值取样为1.97V)时变为1，当该电平的瞬时值为4.00V且在降低(前一瞬时值取样为4.03V)时变为0。

在电动机运转时，也可如同在电动机启动时一样，设计在永磁磁通轴线沿旋转方向稍微超越主磁通轴线的相反方向后接通相应的交流电源半波，但电源电压的利用降低，效果相对稍差些。

此外，还可以有如下设计改变：

——位置传感器也可以使用电磁式或光电式位置传感器，可参见《电机工程手册》。

——电动机定、转子的极数也可以设计为6极或8极，其设计差异仅在于相应的机械角改为电角度的1/3或1/4。

——换气扇若用于直接向户外排气，最好设计为国家标准GB14806所述遮隔式换气扇，例如在换气扇机壳的气流出口设置该标准所述风压式、电动式或连动式的活动挡板或百叶窗。该设计配合电动机仍不太大的启动力矩，所述活动挡板或百叶窗在换气扇运转时张开，停止时闭合，可避免启动前叶轮被外部反向气流驱动而逆转电动机的转子，以至启动困难。

——叶轮也可设计为顺时针旋转，只需在设计上按照之前的描述将所用到的术语“逆时针”均改为“顺时针”即可。

Claims (5)

1.一种小功率换气扇，包括： 

——按照预定方向旋转的叶轮； 

——直接驱动该叶轮的电动机； 

其特征在于： 

a)叶轮为轴流式和注塑成型，直径不大于150mm； 

b)电动机定子的极数为4极或6极或8极，定子的绕组按规定绕向接往交流电源； 

c)电动机转子为永磁转子，其极数与定子的极数相同； 

d)具有一开关，交流电源经该开关向电动机的定子供电； 

e)具有一控制电路，控制开关的通断； 

f)所述定子与转子间气隙的宽度于每一极下沿设定的旋转方向收窄，因而在自由状态下，转子各极的轴线以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿设定的旋转方向偏转一锐角角度； 

g)所述控制电路包括一安装于定子靠近转子圆周的位置以随时检测所述转子的极性和位置的线性磁性位置传感器，并以该位置为参照和按该传感器的输出，确定转子各极穿越气隙的永磁磁通轴线的方向； 

h)所述控制电路随时检测外部交流电源供给定子的电压的极性，确定该电压将在定子各极产生穿越气隙的主磁通轴线的方向，并对交流电源逐个半波进行控制： 

——在电动机启动时，所述开关在所述主磁通轴线方向的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度时接通此时的交流电源半波； 

——在电动机运转时，所述开关在所述主磁通轴线方向与永磁磁通轴线方向完全相反或接近相反时，接通此时的交流电源半波。 

2.按照权利要求1所述换气扇，其特征在于：在电动机运转时，所述开关在所述永磁磁通轴线方向旋转至与主磁通轴线方向完全相反之前，接通此时的交流电源半波，所提前的时间短于绕组电流滞后电压的时间。 

3.按照权利要求1或权利要求2所述换气扇，其特征在于：

——所述开关为双向晶闸管，双向晶闸管主电极与所述绕组串联后接往交流电源；

——电动机设定为逆时针旋转；

——所述传感器为霍尔元件，安装于所述定子铁芯一极的中心线靠近转子圆周的位置； 

——绕组的绕向及连接使所述电压的半波为正和霍尔元件输出为最高电平或接近最高电平，或者所述电压的半波为负和霍尔元件输出为最低电平或接近最低电平时，达到在电动机启动时所述主磁通轴线方向的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度，或者在电动机运转时所述主磁通轴线方向与永磁磁通轴线方向相反或接近相反；

——所述控制电路包括一同或门逻辑控制，该同或门逻辑输入之一为相应于主磁通轴线方向的交流电源供给所述绕组的电压的极性，且正半波时为1而负半波时为0；输入之二是为相应于永磁磁通轴线方向的霍尔元件的输出电平，且最高电平或接近最高电平时为1而最低电平或接近最低电平时为0；

——所述同或门输出为1时，所述控制电路向所述双向晶闸管的触发极输出电压脉冲，脉冲宽度不超出所述电压极性再次转换的时刻。

4.按照权利要求1或权利要求2所述换气扇，其特征在于：

——所述开关为双向晶闸管；双向晶闸管的主电极与所述绕组串联后接往交流电源；

——电动机设定为逆时针旋转；

——所述传感器为霍尔元件，安装于所述铁芯相邻二极之间靠近转子圆周的位置；

——绕组的绕向及连接使所述电压的半波为正和霍尔元件输出电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在升高时，或者所述电压的半波为负和霍尔元件输出电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在降低时，达到在电动机启动时所述主磁通轴线方向的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度，或者在电动机运转时所述主磁通轴线方向与永磁磁通轴线方向相反或接近相反；

——所述控制电路包括一同或门逻辑控制，该同或门逻辑输入之一为相应于主磁通轴线方向的交流电源供给所述绕组的电压的极性，且正半波时为1而负半波时为0；输入之二为相应于永磁磁通轴线方向的霍尔元件输出电平的瞬时值及其变化方向，且当该电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在升高时为1，降低时为0；

——所述同或门输出为1时，所述控制电路向所述双向晶闸管的触发极输出电压脉冲，脉冲宽度不超出所述电压极性再次转换的时刻。

5.按照权利要求1或权利要求2所述换气扇，其特征在于：所述换气扇为遮隔式换气扇。 

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