CN105201865B - 电子控制的u形铁芯单相永磁同步电动机驱动的离心泵 - Google Patents

Abstract

电子控制的U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的离心泵，叶轮直径20～70mm，电动机U形铁芯的定子和永磁转子间气隙的宽度于各极下沿设定圆周方向收窄；定子绕组以规定绕向经开关接往交流电源；控制电路包括检测电路和按该电路检测到的信号驱动所述开关以控制交流电源输入绕组的电流的内置程序；该内置程序具有使所述电流为零的时段和所述检测包括检测该时段所述绕组的端电压，并且当所述端电压按段单调而没有过零值出现时，所述控制电路降低向所述绕组输出的电压。该设计可改善无水运转时的振动、噪声和温升，但无需设单独的转子位置检测元件，因而降低成本和更可靠。

Description

电子控制的U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的离心泵

技术领域

本发明涉及电子控制的U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的离心泵，尤其涉及其叶轮机械、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

在先申请CN201210278112.4披露的电子控制的U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的离心泵比之前的产品既节能节材，又可克服在无水运转时振动、噪声较大且温升较高的问题，但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：提出一种电子控制的U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的离心泵，可以避免无水运转时振动、噪声较大和温升较高的问题，但无需设置单独的转子位置检测元件而仍有较佳的性能，因而降低成本和更可靠。

本发明解决技术问题的技术方案是，电子控制的U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的离心泵，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，包括检测电路和按该电路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压的内置程序；

其特征在于：

——叶轮直径为20～70mm；

——所述内置程序具有使所述电流为零的时段和所述检测包括检测该时段所述绕组的端电压，并且当所述端电压按段单调而没有过零值出现时，所述控制电路降低向所述绕 组输出的电压。

本技术方案基于一旦出现无水运转而超速，所述电流为零时绕组的端电压按段单调地改变且没有过零值出现该现象，利用该现象取代现有技术所设置单独的转子位置检测元件监察电动机的运行状态：所述电流为零时绕组的端电压按段单调地改变且除始点和终点外没有过零值出现，即断定电动机处于空载运行，随即降低向定子绕组输出的电压并保持在规定值以便自此开始降低旋转磁场产生的转矩，从而纠正超速，使电动机恢复同步转速运行，离心泵无水运转的振动、噪声因而大幅度降低，定子的温升也因供电电压降低而明显改善。该离心泵启动时，由于定子的供电电压仍为原有额定交流电源波形的电压，使原有性能得以保持。

本技术方案可进一步设计为：每次对所述端电压是否按段单调而没有过零值出现的检查，至少连续检查3段，且至少其中2段按段单调而无过零值出现，所述控制电路才降低向定子输出的电压。该设计更有利于排除电动机速度瞬时波动对检测结果的影响，提高控制稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例离心泵基本机械结构主视图；

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控制信号波形图；

图4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。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4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2所示，主要由固定于电动机非轴伸端或电动机外部的印刷电路板组成，该印刷电路板安装有：

——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，若输出脉冲即触发双向晶闸管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，与该电压相应(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；

——绕组12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。电阻13也可以由电感、电流互感器或其它电路代替，以降低功率损耗；

——双向晶闸管4的主电极与绕组12的连接点与公共地之间跨接电阻10、19串联的分压电路，电阻10、19的串联连接点经转换电路681接往单片机的输入电路68；以输入反映绕组12电流为零时的端电压。

上述转换电路621、681可设计为变压器隔离钳位电路：

——1：1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，从而使被测交流电压转换为单极性波动电压输入单片机的输入电路，在单片机内经A/D转换即可得到测交流电压的瞬时值。

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、681。

单片机6内置程序主要按照设定步骤检查输入电路61、62和68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运行时各信号波形如图3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为绕组12的电压的波形；

——54a为绕组12的电流的波形；

——551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。

内置程序中的基本设定为：一旦输入电路62的电平恢复为所述钳位的直流电压，认定输入绕组12的电流为零，输入电路68的电平被用于确定绕组12的端电压。

本实施例交流电源频率为50Hz时的2π周期为20ms，内置程序所实施的步骤使电动机按如下方式工作：

——电动机启动完成后，自交流电源电压每一过零点起延时1/3π,单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41各输出一电压脉冲——如图3的551中的……k1、k2、k3(限于图幅，图中仅示出最低数量的最末几个信号，……指该几个示出的信号之前未示出的信号，下同)，晶闸管4导通，使交流电源各半波电压以2/3π导通角施加于绕组12——如图3的531中的……v1、v2、v3，产生电流如图3的54a中的……i1、i2、i3，并在上述电流为零的时段检测到绕组12的端电压……e0、e1、e2、e3；对这些端电压以连续3段为一个检查单元持续检查，部分控制情况如：

——如图3的531发现e1、e2、e3均单调而无过零值出现，自交流电源电压每一过零点起增加延时为1/2π,单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41各输出一电压脉冲——如图3的551中的……k4、k5、k6，晶闸管4导通，使交流电源各半波电压以减少为1/2π导通角施加于绕组12——如图3的531中的……v4、v5、v6，从而降低向绕组12输出的电压，产生电流如图3的54a中的……i4、i5、i6，并在上述电流为零时检测到绕组12的端电压……e4、e5、e6；

——如图3的531发现e4、e5、e6均单调但e5、e6没有过零值出现，自交流电源电压每一过零点起进一步增加延时为2/3π,单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41各输出一电压脉冲——如图3的551中的……k7、k8、k9，晶闸管4导通，使交流电源各半波电压以进一步减少为1/3π导通角施加于绕组12——如图3的531中的……v7、v8、v9，即控制电路进一步降低向绕组12输出的电压，产生电流如图3的54a中的……i7、i8、i9，并在上述电流为零时检测到绕组12的端电压……e7、e8、e9；

——如图3的531发现e7、e8、e9均单调但e8、e9有过零值出现，此时可维持上述触发延时和导通角即向绕组12输出的电压。然而，为了更稳定，可以自交流电源电压每一过零点起进一步增加延时为5/6π,单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41各输出一电压脉冲——如图3的551中的……k10、k11、k12，晶闸管4导通，使交流电源各半波电压以进一步减少为1/6π导通角施加于绕组12——如图3的531中的……v10、v11、 v12，即控制电路进一步降低向所述绕组输出的电压，产生电流如图3的54a中的……i10、i11、i12，并在上述电流为零时检测到绕组12的端电压……e10、e11均单调且均有过零值出现，此时可持续维持上述触发延时和导通角即向绕组12输出的电压，使电动机稳定地同步运转。

上述交流电源2π周期一定比例的触发延时和导通角可根据负载情况有所调整，但触发延时一定不能为零，以留出用于电流为零时检测绕组12端电压的时段。并且，由于电动机电感电流比交流电源电压有所滞后，该延时通常还应大于所述滞后时间。

当电动机失步后，在电源电压作用下，永磁转子会发生不规则的顺逆时针往复抖动。此时，电流为零时检测到绕组12的端电压按段也有过零值出现，但不是单调的，这是与同步或超速情况时的情况的主要差别。当电流为零时检测到绕组12的端电压到非单调且也有过零值出现时，内置程序应使控制流程返回启动程序，使电动机重新启动正常后再进入本技术方案的运行稳速控制程序。

此外，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 (2)

1.电子控制的U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的离心泵，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，包括检测电路和按该电路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压的内置程序；

其特征在于：

——叶轮直径为20～70mm；

——所述内置程序具有使电流为零的时段和所述检测包括检测该时段所述绕组的端电压，并且当所述端电压按段单调而没有过零值出现时，所述控制电路降低向所述绕组输出的电压。

2.按照权利要求1所述离心泵，其特征在于，每次对所述端电压是否按段单调而没有过零值出现的检测至少连续检测3段，且至少其中2段按段单调而无过零值出现，所述控制电路才降低向定子输出的电压。