CN105156339A - 一种u形铁芯单相永磁同步电动机驱动的小型离心泵 - Google Patents

Abstract

一种U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的小型离心泵，叶轮直径20～70mm，电动机的定子和永磁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U形铁芯单相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U形铁芯单相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U形铁芯单相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U形铁芯单相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U形铁芯单相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和同轴传动所述叶轮的U形铁芯单相永磁同步电动机，该电动机包括：

——永磁转子，为径向两极充磁的圆柱形；

——定子，包括“U”字形的定子铁芯和该铁芯所穿越的定子绕组；该绕组按规定绕向接往交流电源；

——所述“U”字形二臂上部成形为靠往所述永磁转子圆柱面左侧的左极靴和靠往所述永磁转子圆柱面右侧的右极靴，所述极靴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，转子磁极的轴线以定子的轴线为参照，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：

——叶轮直径为20～70mm；

——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U形铁芯单相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，本技术方案基于转子具有适当的惯性和铁磁饱和原理，巧妙地发现和利用测定定子初始通电而转子由于转动惯量尚未转起来时的电流，永磁磁通与主磁通方向相同时对铁磁路增磁使定子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，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U形铁芯单相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最末那个电流呈现为小的数值时，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基本机械结构主視图。

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电动机电磁基本结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例离心泵基本机械结构如图1所示，包括：

——U形铁芯单相永磁同步电动机(图1示出该电动机定子的叠片铁芯3和绕组12以及永磁转子1的剖面)及其经一启动机构同轴传动的离心式叶轮105。离心式叶轮105具有4个叶片；按水压要求，叶片数也可以为3、5或6，但最好不要多于8片，且若采用奇数片，更有利于降低振动噪声。叶轮为注塑成型，直径60mm。叶轮不宜过大以至转动惯量过大，以配合电动机仍不太大的启动力矩；但也不宜过小，以具有足够的适应本发明启动方法的转动惯量。

——环绕叶轮起涡壳作用的泵盖106；

——支承或/和封闭所述永磁同步电动机、叶轮105和泵盖106的泵体107、轴承108和密封圈109等附件；

——转子筒171，插于所述永磁同步电动机的定、转子间起隔水作用。

上述U形铁芯单相永磁同步电动机的电磁基本结构如图6所示，包括：

——径向两极充磁的圆柱形永磁转子1；

——定子2，包括图示“U”字形的叠片铁芯3和定子绕组12；定子绕组12缠绕于左、右二个塑料线圈架121后被表层塑料122塑封为一整体；铁芯3的左臂31和右臂32分别穿越塑料线圈架121左、右二个内孔后露出的上部形成极面靠往转子1圆柱面左侧和右侧的左极靴311和右极靴316；极面形状为内凹而成阶梯连接的二段与转子1同轴的圆弧面：沿顺时针方向，先是半径较大的圆弧面，然后是半径较小的圆弧面；左极靴311的上、下极尖所在平面和右极靴316的上、下极尖所在平面均与图示“U”字形的对称轴30平行，定子磁场轴线20则与对称轴30垂直。因此，永磁转子1的磁极轴线10即相对于定子磁场轴线20向气隙短即磁阻小的方向即顺时针方向自然偏转一角度β0，构成启动角。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；

上述定子结构以图示“U”字形垂直的二臂31、32为极身和底部的水平段33为磁轭，但也有以图示“U”字形底部的水平段为极身和垂直的二臂为磁轭的结构，后者的定子绕组缠绕于极身仅1个线圈架上。

关于U形铁芯单相永磁同步电动机更详细的资料可见机械工业出版社2009年版《小功率永磁电机原理、设计及应用》。

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(约位于图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，且因图幅限制应为图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持续地以正负半波交替的缺损正弦波(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持续地以正负半波交替的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持续地以正负半波交替的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，即向绕组12施加共4个半波电压后，随即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，即向绕组12施加共3个半波电压后，随即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，即向绕组12施加共4个半波电压后，随即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，即向绕组12施加共3个半波电压后，随即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，即向绕组12施加共2个半波电压后，随即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，所述使电动机进入同步运行指持续地以正负半波交替的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。

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180°，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。

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

Claims (6)

1.一种U形铁芯单相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和同轴传动所述叶轮的U形铁芯单相永磁同步电动机，该电动机包括：

——永磁转子，为径向两极充磁的圆柱形；

——定子，包括“U”字形的定子铁芯和该铁芯所穿越的定子绕组；该绕组按规定绕向接往交流电源；

——所述“U”字形二臂上部成形为靠往所述永磁转子圆柱面左侧的左极靴和靠往所述永磁转子圆柱面右侧的右极靴，所述极靴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，转子磁极的轴线以定子的轴线为参照，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：

——叶轮直径为20～70mm；

——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。

2.按照权利要求1所述离心泵，其特征在于，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末那个电流呈现为小的数值时，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2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。

4.按照权利要求1或2或3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。

5.按照权利要求4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。

6.按照权利要求1或2或3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。