CN102852824A

CN102852824A - 定向运行的交流永磁同步水泵及定向控制方法

Info

Publication number: CN102852824A
Application number: CN2011101809274A
Authority: CN
Inventors: 敬策
Original assignee: SHENZHEN JUTAI PUMPS CO Ltd
Current assignee: SHENZHEN JUTAI PUMPS CO Ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明涉及一种定向运行的交流永磁同步水泵，包括控制单元，所述控制单元包括用于生成永磁转子磁场极性位置信号的第一检测单元、用于生成交流电源过零信号的第二检测单元、主控单元及电机驱动单元，其中所述主控单元包括使所述电机驱动单元导通的启动子单元、通过比较第一检测单元和第二检测单元的检测信号的波形判断所述永磁转子的转动方向的判断子单元以及在所述永磁转子转动方向与设定转动方向相反时使所述电机驱动单元断开的中断子单元。本发明还公开了一种交流永磁同步水泵定向控制方法。本发明利用永磁转子正转和反转时周围磁场变化信号和交流电源过零信号的差别进行处理，从而控制驱动电路的关闭和导通，实现了电机的定向运转。

Description

定向运行的交流永磁同步水泵及定向控制方法

技术领域

本发明涉及单相交流二极永磁同步电机驱动的水泵，更具体地说，涉及一种定向运行的交流永磁同步水泵及定向控制方法。

背景技术

现有的交流同步水泵的驱动部分由线圈绕组、U形铁芯、带叶轮的永磁转子组成。当缠绕于U形铁芯上的线圈绕组通入交流电时，U形铁芯的两端产生极性相反的磁场，与永磁转子的磁场相互作用，从而推动永磁转子旋转。由于交流电电流的方向按照一定的频率不断的变换，使U形铁芯两端的磁场方向也跟着不断的变化，从而推动永磁转子不断的旋转。永磁转子带动叶轮转动，推动叶轮室内的水产生离心力，从而将水抽出，达到抽水的目的。

上述交流同步水泵具有工艺制作简单和成本低廉的优点。但是这类水泵由于受启动时永磁转子的磁极位置、输入的驱动交流电源极性、转子和叶轮及叶轮室内水体的运动惯性等的影响，永磁转子的转动方向无法确定。并使叶轮室的设计制作成左右对称的结构，叶轮的叶片制作成平直的径向叶片，而且出水口也沿叶轮室的中心左右对称设置，使水泵的工作效率很低，水力损失较大，启动性能不好。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述交流永磁同步电机无法定向运转的问题，提供一种定向运行的交流永磁同步水泵及定向控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种定向运行的交流永磁同步水泵，包括泵体、与所述泵体连接的叶轮室、安装于所述泵体内的定子和永磁转子、位于叶轮室内且固定在永磁转子端部的叶轮，还设有控制单元，所述控制单元包括用于生成永磁转子磁场极性位置信号的第一检测单元、用于生成交流电源过零信号的第二检测单元、主控单元及电机驱动单元，其中所述主控单元包括使所述电机驱动单元导通的启动子单元、通过比较第一检测单元和第二检测单元的检测信号的波形判断所述永磁转子的转动方向的判断子单元以及在所述永磁转子转动方向与设定转动方向相反时使所述电机驱动单元断开的中断子单元。

在本发明所述的定向运行的交流永磁同步水泵中，所述电机驱动单元包括开关元件，所述主控单元通过控制开关元件的通断使电机驱动单元导通或断开，所述开关元件包括光耦和可控硅，所述光耦的输入端连接主控单元、输出端连接到可控硅，所述可控硅接于所述电机驱动单元的主回路。

在本发明所述的定向运行的交流永磁同步水泵中，所述控制单元还包括低压电源转换电路，所述低压电源转换电路的输出端连接到主控单元以及第一检测单元。

在本发明所述的定向运行的交流永磁同步水泵中，所述叶轮的叶片呈弧形并呈螺旋渐开式型。

在本发明所述的定向运行的交流永磁同步水泵中，所述叶轮室的出水口位于叶轮室的边缘且与叶轮叶片的端部所在圆周相切。

在本发明所述的定向运行的交流永磁同步水泵中，所述第二检测单元的交流过零信号取样点为交流电源的L/N线或者定子线圈绕组端。

在本发明所述的定向运行的交流永磁同步水泵中，第一检测单元为位于永磁转子磁场径向的外围且避开永磁转子静态时N/S磁极分界线的霍尔元件。

本发明还提供一种交流永磁同步水泵定向控制方法，所述水泵包括泵体、安装于所述泵体内的定子和永磁转子，包括以下步骤：

（a）为定子供电以驱动永磁转子转动；

（b）检测所述永磁转子的磁场极性位置并生成磁场信号，同时生成交流电源过零信号；

（c）通过比较磁场信号和交流电源过零信号的波形判断所述永磁转子的转动方向是否与设定转动方向相反，若永磁转子的转动方向与设定转动方向相反则执行步骤（d），否则为定子持续供电；

（d）停止为定子供电以使永磁转子停转，并返回步骤（a）。

在本发明所述的交流永磁同步水泵定向控制方法中，所述步骤（b）中检测所述磁场极性位置的检测点为永磁转子磁场径向的外围且避开永磁转子静态时N/S磁极分界线。

在本发明所述的交流永磁同步水泵定向控制方法中，在所述永磁转子转动至少半圈时执行步骤（c）。

本发明的定向运行的交流永磁同步水泵及定向控制方法，利用永磁转子正转和反转时周围磁场变化信号和交流电源过零信号的差别进行处理，从而控制驱动电路的关闭和导通，纠正和控制电机的运转方向，使电机往设定的方向运转，使水泵的效率得到了很大的提高。

附图说明

图1是本发明的定向运行的交流永磁同步水泵实施例的示意图。

图2是图1中交流永磁同步水泵的控制单元的示意图。

图3是图2中控制单元实施例的电路示意图。

图4是永磁转子转动的示意图。

图5是交流电过零信号和磁场变化信号示意图。

图6是本发明交流永磁同步水泵定向控制方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体详述：

如图1所示，是本发明的定向运行的交流永磁同步水泵实施例的示意图。在本实施例中，该水泵包括泵体1、定子2、定子线圈绕组3、永磁转子6、叶轮7、进水口9、出水口10、叶轮室8、霍尔元件5、电路板4等，其中叶轮室8与泵体1连接，定子2、定子线圈绕组3和永磁转子6安装于泵体1内的定子容置室和转子容置室，叶轮7位于叶轮室8内且固定在永磁转子6的端部，电路板4上设有控制永磁转子6转动的控制单元。

图2是图1中交流永磁同步水泵的控制单元的示意图。该控制单元包括第一检测单元21、第二检测单元22、主控单元23以及电机驱动单元24。第一检测单元21用于生成永磁转子磁场极性位置信号。第二检测单元22用于生成交流电源过零信号，主控单元23用于根据第一检测单元21和第二检测单元22的检测信号，向电机驱动单元24发送控制信号，以使电机驱动单元24驱动永磁转子运转。

在本实施例中，主控单元23具体包括启动子单元231、判断子单元232、中断子单元233。其中启动子单元231用于使电机驱动单元24导通，以使永磁转子转动；判断子单元232通过比较第一检测单元21和第二检测单元22的检测信号的波形（例如时间、相位等）判断永磁转子的转动方向；中断子单元233在永磁转子转动方向与设定转动方向相反时使电机驱动单元断开，从而使永磁转子停转。其中上述启动子单元231、判断子单元232、中断子单元233可由硬件、软件或硬件和软件的结合实现。

在检测磁场极性位置时，第一检测单元21检测永磁转子磁场范围内某一固定位置的磁场变化并生产相应的矩形波信号。特别地，该第一检测单元21检测磁场极性位置的检测点为永磁转子磁场径向的外围且避开永磁转子静态时N/S磁极分界线。由于第一检测单元21设置于永磁转子磁极N/S分界线的一边，且角度大于0度小于90度，因此第一检测单元21随着永磁转子磁极变换而输出与变换频率相同的矩形方波信号，这样永磁转子在正转和反转一圈时，第一检测单元21输出的矩形方波信号相对交流电源过零方波信号的上升沿或者下降沿在时间或者相位或者电平上是不同的。在实际应用中，第一检测单元21可采用霍尔元件，例如图1中的霍尔元件4。

在接通电源时，主控单元23（启动子单元231）输出控制信号，使电机驱动单元导通，从而使永磁转子运转，同时第一检测单元21和第二检测单元22分别检测永磁转子磁极位置信号及交流电源过零信号，并输入到主控单元23，主控单元23的判断子单元对这两个信号进行对比与分析处理以确认永磁转子6的转动方向是否与设定方向相同。如图4、图5所示，图中c点处为N极，a、b点处为S极，当交流电源正弦波一个半周变化时（对应图5中的交流电源过零信号的波形D），永磁转子6也同步转动半圈，此时c点处的极性将由原来的N极变为S极，该c点有可能是原位置的a点或者b点转动而来。此时假设永磁转子逆时针转动，由a点转动到c点的位置时，要经过的路径为圆弧ac段，同时得到图5中的波形E；假设永磁转子顺时针转动时，则b点转动到c点的位置时，要经过的路径为圆弧bc段，同时得到图5中的波形F。由图5可知，在相同的周期内，永磁转子6在逆时针转动和顺时针转动的时候，永磁转子6转动半圈、磁极变换一次过程相同，但是永磁转子转动半圈的路径长度不同，ac圆弧要大于bc圆弧，从而使磁极变换的时间不同，造成霍尔元件5输出的波形在时间、相位、高低电平不同，主控单元23（判断子单元232）根据转子不同的运转方向而得到不同的波形信号与参照波形信号交流电源过零信号对比，便可以判断电机的运转状态。当永磁转子6的运转方向与设定的方向相反时，中断子单元233输出控制信号，使电机驱动单元断开，从而永磁转子停止转动。然后启动子单元231再次输出控制信号，使电机驱动单元导通，永磁转子6再次运转，直到检测到永磁转子的运转方向和设定的方向相同。主控单元23在永磁转子运转过程中，时时检测并比较交流电源过零信号和磁极位置信号，当检测到异常时，纠正电机运转方向，使电机始终保持恒定的方向转动，实现电机的定向运行。

如图3所示，是图2中控制单元实施例的电路示意图。该控制单元除了包括第一检测单元21、第二检测单元22、主控单元23以及电机驱动单元24外，还包括电源转换电路。

电源转换电路由电容C1、电阻R2、整流桥D1、电容C4、电阻R1、稳压二极管ZD1、稳压IC U1、电容C5、C2组成，电容C1和电阻R2组成阻容降压电源，整流桥D1及电容C4为整流滤波电路，电阻R1、稳压二极管ZD1、稳压IC U1、电容C5、C2组成组成稳压滤波电路，为控制电路中的耗电元件提供稳定的低压直流电源。

电阻R3及二极管D2、D3组成交流电源过零信号取样电路，即第二检测电路22，并输入到信号处理集成电路U2（即主控单元23）的第3脚，将交流电源的正弦波变为与交流电源频率同步的矩形方波。

第一检测单元21由霍尔元件U4和电阻R7组成，用于实现永磁转子磁场磁极位置信号取样，其输出信号连接到处理集成电路U2的第5脚，将永磁转子磁场磁极位置信号变为矩形方波信号。

光耦合器U3、电阻R4、可控硅Q1、电阻R5、电容C3组成电机驱动单元24，通过电阻R6连接到信号处理集成电路U2的第2脚。

在上述水泵中，为了抽水提高效率，可将叶轮的叶片设置为弧形并呈螺旋渐开式。这样，在叶轮旋转的过程中，叶片对水的作用力，相比平直对称的径向叶片，更加有利于水流向外甩出，同时，叶轮在启动时，正转比反转的几率要大很多。

叶轮室的出水口可设于叶轮室的边缘且与叶轮叶片的端部所在圆周相切。这样，水在叶轮离心力的作用下，更好的通过出水口流出泵外，减少了水体的再次回流，提高了水泵的效率。

如图6所示，是本发明交流永磁同步水泵定向控制方法实施例的示意图。在本实施例中，水泵包括泵体、安装于所述泵体内的定子和永磁转子，具体包括以下步骤：

步骤S61：为定子供电以驱动永磁转子转动。

步骤S62：检测所述永磁转子的磁场极性位置并生成磁场信号，同时生成交流电源过零信号。该步骤中，检测永磁转子磁场极性位置的检测点为永磁转子磁场径向的外围且避开永磁转子静态时N/S磁极分界线。

步骤S63：通过比较磁场信号和交流电源过零信号的波形判断所述永磁转子的转动方向是否与设定转动方向相反，若永磁转子的转动方向与设定转动方向相反则执行步骤S64，否则为定子持续供电。特别地，该步骤子啊永磁转子转动至少半圈时执行，即电机通电至少半个交流电周期。

步骤S64：停止为定子供电以使永磁转子停转，并返回步骤S61。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种定向运行的交流永磁同步水泵，包括泵体、与所述泵体连接的叶轮室、安装于所述泵体内的定子和永磁转子、位于叶轮室内且固定在永磁转子端部的叶轮，其特征在于，还设有控制单元，所述控制单元包括用于生成永磁转子磁场极性位置信号的第一检测单元、用于生成交流电源过零信号的第二检测单元、主控单元及电机驱动单元，其中所述主控单元包括使所述电机驱动单元导通的启动子单元、通过比较第一检测单元和第二检测单元的检测信号的波形判断所述永磁转子的转动方向的判断子单元以及在所述永磁转子转动方向与设定转动方向相反时使所述电机驱动单元断开的中断子单元。

2.根据权利要求1所述的定向运行的交流永磁同步水泵，其特征在于，所述电机驱动单元包括开关元件，所述主控单元通过控制开关元件的通断使电机驱动单元导通或断开，所述开关元件包括光耦和可控硅，所述光耦的输入端连接主控单元、输出端连接到可控硅，所述可控硅接于所述电机驱动单元的主回路。

3.根据权利要求1所述的定向运行的交流永磁同步水泵，其特征在于，所述控制单元还包括低压电源转换电路，所述低压电源转换电路的输出端连接到主控单元以及第一检测单元。

4.根据权利要求1所述的定向运行的交流永磁同步水泵，其特征在于，所述叶轮的叶片呈弧形并呈螺旋渐开式型。

5.根据权利要求1所述的定向运行的交流永磁同步水泵，其特征在于，所述叶轮室的出水口位于叶轮室的边缘且与叶轮叶片的端部所在圆周相切。

6.根据权利要求1所述的定向运行的交流永磁同步水泵，其特征在于，所述第二检测单元的交流过零信号取样点为交流电源的L/N线或者定子线圈绕组端。

7.根据权利要求1所述的定向运行的交流永磁同步水泵，其特征在于，第一检测单元为位于永磁转子磁场径向的外围且避开永磁转子静态时N/S磁极分界线的霍尔元件。

8.一种交流永磁同步水泵定向控制方法，所述水泵包括泵体、与所述泵体连接的叶轮室、安装于所述泵体内的定子和永磁转子、位于叶轮室内且固定在永磁转子端部的叶轮，其特征在于，包括以下步骤：

（a）为定子供电以驱动永磁转子转动；

9.根据权利要求8所述的交流永磁同步水泵定向控制方法，其特征在于，所述步骤（b）中检测所述磁场极性位置的检测点为永磁转子磁场径向的外围且避开永磁转子静态时N/S磁极分界线。

10.根据权利要求8所述的交流永磁同步水泵定向控制方法，其特征在于，在所述永磁转子转动至少半圈时执行步骤（c）。