CN105134617B - 一种永磁同步电动机驱动的小型离心泵 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步电动机驱动的小型离心泵，包括按预定方向旋转的叶轮；电动机包括定子和永磁转子，定、转子间气隙的宽度于每一极下沿设定圆周方向收窄；定子绕组具有规定绕向，经开关接往交流电源；控制电路包括检测电路和内置程序；内置程序含按检测到的信号驱动开关以控制交流电源输入绕组的电流的起动控制步骤：a)接通开关，使所交流电源1个半波电压按规定导通角施加于绕组，并检测因此在绕组产生的电流；b)若电流符合规定，开关随即持续按交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行；否则，经一足以使转子可靠停止的时间后，从步骤a)开始重复上述过程。该设计降低控制程序的复杂性和对元器件及电路的要求，成本降低且产品性能更稳定。

Description

一种永磁同步电动机驱动的小型离心泵

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电动机驱动的小型离心泵，尤其涉及其机械结构、电磁结构和控制方法的配合；在国际专利分类表中，分类属于F04D25/06或F04D27/00。

背景技术

小型离心泵使用量大面广，运行时间长，亟需制造低成本和运行节能。针对传统小型离心泵使用异步电动机驱动以至效率偏低的情况，现有技术提出改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，成本较低，但该电动机需要设置单独的转子位置检测元件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种小型离心泵，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，但可以无需设置单独的转子位置检测元件，因而降低成本。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，一种永磁同步电动机驱动的小型离心泵，包括：

——按照预定方向旋转的离心式叶轮；

——直接驱动所述叶轮的电动机，定子的绕组按规定绕向接往交流电源；电动机转子为永磁转子，其极数与定子的极数相同；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；

——具有一开关，交流电源经该开关向电动机定子的绕组供电；

——具有一控制电路，控制所述开关的通断；

其特征在于：

——电动机定子的极数为2极，叶轮直径不大于60mm；或者电动机定子的极数为4极，叶轮直径不大于100mm；

——控制电路；包括检测电路和内置程序，该内置程序含按检测到的信号驱动所述开关以控制所述交流电源输入所述绕组的电流的起动控制步骤；所述步骤包括：

a)接通所述开关，使所述交流电源1个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的电流；

b)若所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行；否则，经一足以使所述转子可靠停止的时间后，从步骤a)开始重复上述过程。

驱动离心泵叶轮的永磁同步电动机的起动可设计在主磁通轴线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，转子磁极即被与其最靠近的定子磁极沿设定旋转方向推斥，因而使电动机按设定的旋转方向起动，这正是离心泵叶轮所需要的。若此时改为接通相反极性的交流电源半波，主磁通轴线的方向即调反，直接与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度，转子磁极即改为被与其最靠近的定子磁极沿设定旋转方向的相反方向吸引，因而使电动机按设定的旋转方向的相反方向起动，这是离心泵叶轮所不允许的。对上述情况，本技术方案基于铁磁饱和原理，巧妙地发现和利用永磁磁通与主磁通方向相同时对铁磁路增磁使电动机电感下降以至电流增加和反之则电流减少该现象，以此电流差异判断、调整电动机牵入同步运行的准备状态，达到电动机及其驱动的离心泵叶轮必须的定向起动，因而可以无需设置单独的转子位置检测元件，因而降低成本。

尤其是，本技术方案降低了现有技术驱动小型离心泵的永磁同步电动机起动控制程序的复杂性和对元器件的快速响应性能及电路布置的电磁兼容要求，因而成本降低且产品性能更稳定。

本技术方案“所述电流符合规定”即以所述“电流差异”为基础，通过在线检测判定或以实验统计确定的规定值判定。对于在线检测，所述步骤具体为：

——接通所述开关使所述交流电源至少2个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，所述各个半波电压间隔一足以使所述转子可靠停止的时间；检测因此在所述绕组产生的各个电流，在各个电流的数值呈现明显的大小之分和出现较小的电流后，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行。

所述步骤进一步具体为：

接通所述开关，使所述交流电源第1个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的第1电流，经一足以使所述转子可靠停止的时间后，所述交流电源另1个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的第2电流；

——若第2电流明显小于第1电流，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行；

——否则，经一足以使所述转子可靠停止的时间后，使所述交流电源再1个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的第3电流；

——若第3电流明显小于之前各电流或接近之前各电流中的较小者，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行；

——否则，经一足以使所述转子可靠停止的时间后，使所述交流电源再1个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的第4电流；

——若第4电流明显小于之前各电流或接近之前各电流中的较小者，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行；

……，如此重复，直至因此在所述绕组产生的电流明显小于之前各电流或接近之前各电流中的较小者，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行。

以在线检测进行控制，可降低对产品及其所带负载一致性的要求。

上述技术方案的进一步设计之一是：所述电流为电源各周期中相同规定时刻的瞬时值，且该规定时刻最好不大于所述交流电源1/8周期。转子由于其惯性通常在所述开关接通后交流电源1/8周期周期该短时间内未明显改变位置，因而保持对铁磁路饱和以至电流差异的影响，且可以有更快的响应，更好地实施离心泵的定向起动控制。

上述技术方案的进一步设计之二是：所述各交流电源半波电压均为同极性或正、负半波交替。前者有利于避免转子磁极一致性的影响，后者有利于防止转子总是处于不利的启动位置。

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是本发明实施例离心泵电动机电磁基本结构示意图；

图2是本发明实施例离心泵电动机控制电路示意图；

图3是本发明实施例离心泵电动机a、c起动情况信号波形示意图；

图4是本发明实施例离心泵电动机d、b起动情况信号波形示意图；

图5是本发明实施例离心泵电动机e起动情况信号波形示意图。

图6是本发明实施例离心泵基本机械结构主視图。

具体实施方式

本发明实施例离心泵基本机械结构如图6所示，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离心式叶轮1，其具有4个叶片；叶片数也可以为3、5或6，但最好不要多于8片，且尽可能为奇数片，以降低振动噪声。叶轮为注塑成型，直径100mm。叶轮不宜更大，转动惯量宜尽量小，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。

本发明实施例离心泵的电动机电磁基本结构如图2所示，包括：

——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90⁰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12组成；绕组12是在4个凸极各绕一具有绝缘框架的线圈元件，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5⁰(电角度10⁰)。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；

本发明实施例离心泵电动机控制电路如图3所示，包括：

——双向晶闸管4，其主电极与绕组12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，若输出脉冲即触发晶闸管4导通，此时的交流电源半波电压即开始施加于输入绕组12直至该半波过零结束，与该电压同步和有所滞后的脉冲电流输入绕组12。

——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的电压极性正半波时为1而负半波时为0，且输出B由1变为0或由0变为1的时刻即交流电源电压过零点。输出B接往单片机6的输入电路61，向其提供交流电源过零点信号。

——绕组12的一端经电阻13接公共地，该电阻是检测通过绕组12的电流的取样电阻；绕组12与电阻13的连接点经转换电路621接往单片机的输入电路62，用于检查通过绕组12的电流在电阻13的电压降并以此确定通过绕组12的电流。

上述转换电路621可设计为隔离钳位电路：

——取样变压器初级连接被测交流电压，次级叠加一个高于被测交流电压峰值的恒定直流电压后输入单片机，经A/D转换即可确定交流电压的瞬时值。当然，也可选用含上述功能和单片机的芯片代替单片机6和转换电路621。此外，也可以电流互感器取代电阻13和取样变压器获得通过绕组12的电流的取样，可因此减少检测电路的功率消耗。

单片机6内置程序主要按照设定步骤检查输入电路61、62的电平，经测量、比较、判别，由输出电路63输出触发晶闸管4的脉冲。本发明实施例电动机5种起动情况各信号波形如图3、图4所示：

——51为交流电源端子5的电压波形；

——52为整形电路输出B的波形；

——531、532、533为相应起动情况施加于绕组12的电压的波形；

——54a～e为绕组12的电流的波形；

——551、552、553为单片机6输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲波形。

本实施例交流电源频率50Hz时的周期为20ms，单片机6内置程序包括如下步骤：

自交流电源电压第1个正过零点(电压从负变正，下同)起延时to,单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k1，晶闸管4导通，使交流电源第1个正极性半波电压v1以(10-t0)ms导通角施加于绕组12产生第1电流(指图3、图4中的电流a1、b1、c1、d1和e1，下同)，检测第1电流，尤其是自该过零点起2ms时(位于图3、图4中电流波形小圆圈处，下同)的瞬时值；

经1s(可视断电后转子停止的快慢有所调整，且因图幅限制为图3、图4中示值多倍，下同)后，自交流电源电压又1正过零点起延时to,单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k2，晶闸管4再次导通，使交流电源又1个正极性半波电压v2以(10-t0)ms导通角施加于绕组12产生第2电流(指图3、图4中的电流a2、b2、c2、d2和e2，下同)，检测电流第2电流，尤其是其自该过零点起2ms时的瞬时值；

比较第1、第2电流，若第2电流明显小于第1电流，单片机6的输出电路63按交流电源周期向晶闸管4的触发极41连续输出自各过零点起延时t2的电压脉冲kt使晶闸管4持续地以缺损正弦波(每个半波的前沿由于延时t2导通而相应缺损小半个弓形，下同)导通的同步电压vt施加于绕组12产生同步电流it，电动机进入同步运行；

否则，经1s后，自交流电源电压再1正过零点起延时to,单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k3，晶闸管4再次导通，使交流电源再1个正极性半波电压v3以(10-t0)ms导通角施加于绕组12产生第3电流(指图3、图4中的电流a3、b3、c3和d3，下同)，检测第3电流，尤其是其自该过零点起2ms时的瞬时值；

比较第1、第2和第3电流，若第3电流明显小于第1、第2电流或接近其中的较小者，单片机6的输出电路63按交流电源周期向晶闸管4的触发极41连续输出自各过零点起延时t2的电压脉冲kt使晶闸管4持续地以缺损正弦波导通的同步电压vt施加于绕组12产生同步电流it，电动机进入同步运行；

否则，经1s后，自交流电源电压再1正过零点起延时to,单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k4，晶闸管4再次导通，使交流电源再1个正极性半波电压v4以(10-t0)ms导通角施加于绕组12产生第4电流(指图3中的电流a4和c4，下同)，检测第4电流，尤其是自该过零点起2ms时其瞬时值……，如此重复，直至在所述绕组产生的电流明显小于之前各电流之一或接近其中的较小者，单片机6的输出电路63按交流电源周期向晶闸管4的触发极41连续输出自各过零点起延时t2的电压脉冲kt，使晶闸管4持续地以缺损正弦波导通的同步电压vt施加于绕组12产生同步电流it，电动机进入同步运行。具体见图3和图4中a～e五种起动情况。

a情况的电流信号见于图3中54a：

——检测到第1电流a1之后明显减小的第2电流a2，因而在检测到与a2接近的第4电流a4后随即，即向绕组12施加4个半波电压后，使电动机进入同步运行；单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲的情况见于图4中551。

B情况的电流信号见于图4中54b：

——检测到第1电流b1、第2电流b2之后明显减小的第3电流b3，因而在检测到与b3接近的第4电流b4后随即，即向绕组12施加3个半波电压后，使电动机进入同步运行；单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲的情况见于图4中552。

c情况的电流信号见于图3中54c：

——检测到第1电流c1比之后的第2电流c2明显小，因而在检测到与c1接近的第4电流c4后随即，即向绕组12施加4个半波电压后，使电动机进入同步运行；单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲的情况见于图4中551。

d情况的电流信号见于图4中54d：

——检测到第1电流d1比之后的第2电流d2明显小，因而在检测到与d1接近的第3电流d3后随即，即向绕组12施加3个半波电压后，使电动机进入同步运行，单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲的情况见于图4中552。

e情况的电流信号见于图5中54e：

——检测到第1电流e1之后的第2电流e2明显小，因而随即，即向绕组12施加2个半波电压后，使电动机进入同步运行，单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲的情况见于图5中553。

以上所述“明显”指差值超过30％，所述“接近”指差值在10％以内。

可以有如下设计修改：

——通过实验，对上述在线检测多次得到的“明显小”的电流取平均值，并给予一定的容差和在单片机中予以记忆，作为本发明技术方案“所述电流符合规定”的规定值，该方法相比在线检测可减少上述输入交流电源电压半波的个数，但会受产品一致性的影响；

——当电流瞬时值取自该过零点起2ms时，延时t0、t2通常可取1ms，具体数值可根据需要调整，最小可取零，此时导通角为180⁰，即使用完整的正弦波形电压；

——也可以使用负极性半波电压，或正、负极性半波电压混用，但随意混用会受转子磁性一致性的影响；正、负极性半波电压交替施加于绕组则有利于防止转子总是处于不利的启动位置。

此外，还可以有如下设计改变：

——电动机定、转子的极数也可以设计为2极。因同步转速提高，叶轮直径宜相应减小，最大不宜超过60mm；

——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)

1.一种永磁同步电动机驱动的小型离心泵，包括：

——按照预定方向旋转的离心式叶轮；

——直接驱动所述叶轮的电动机，定子的绕组按规定绕向接往交流电源；电动机转子为永磁转子，其极数与定子的极数相同；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；

——具有一开关，交流电源经该开关向电动机定子的绕组供电；

——具有一控制电路，控制所述开关的通断；

其特征在于：

——电动机定子的极数为2极，叶轮直径不大于60mm；或者电动机定子的极数为4极，叶轮直径不大于100mm；

——控制电路；包括检测电路和内置程序，该内置程序含按检测到的信号驱动所述开关以控制所述交流电源输入所述绕组的电流的起动控制步骤；所述步骤包括：

a)接通所述开关，使所述交流电源1个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的电流；

b)若所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行；否则，经一足以使所述转子可靠停止的时间后，从步骤a)开始重复上述过程；

所述步骤具体为：

——接通所述开关使所述交流电源至少2个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，所述各个半波电压间隔一足以使所述转子可靠停止的时间；检测因此在所述绕组产生的各个电流，在各个电流的数值呈现明显的大小之分和最后出现的电流为较小，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行。

2.按照权利要求1所述离心泵，其特征在于，所述步骤进一步具体为：

接通所述开关，使所述交流电源第1个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的第1电流，经一足以使所述转子可靠停止的时间后，使所述交流电源另1个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的第2电流；

——若第2电流明显小于第1电流，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行；

——否则，经一足以使所述转子可靠停止的时间后，使所述交流电源再1个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的第3电流；

——若第3电流明显小于之前各电流或接近之前各电流中的较小者，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行；

——否则，经一足以使所述转子可靠停止的时间后，使所述交流电源再1个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的第4电流；

——若第4电流明显小于之前各电流或接近之前各电流中的较小者，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行；

……，如此重复，直至因此在所述绕组产生的电流明显小于之前各电流或接近之前各电流中的较小者，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行。

3.按照权利要求1或2所述离心泵，其特征在于，所述电流为电源各周期中相同规定时刻的瞬时值。

4.按照权利要求3所述离心泵，其特征在于，所述规定时刻不大于所述交流电源1/8周期。

5.按照权利要求1或2所述离心泵，其特征在于，所述各交流电源半波电压均为同极性。