CN105915124A - U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的离心泵 - Google Patents

Abstract

U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的离心泵，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动机电流和按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；该内置程序具有对所检测到的电动机电流按照规定模式评价，若符合规定，所述开关断开交流电源经该开关向电动机定子的绕组输出的供电电压。该设计可改善欠水运转时的振动、噪声，但成本较低和更可靠。

Description

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U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的离心泵，尤其涉及其机械、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

U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的离心泵用于洗涤机械时，易发生欠水运转(又称无水运转或水气混合运转或空气——水条件运转)以至震动和噪声较大，尤其是其驱动的水流运动停止，在先中国专利申请CN201110308346.4、CN201210278112.4和CN201510683143.1对此各有相应设计对策，但控制结构仍显得复杂且欠可靠。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的离心泵，可以避免欠水运转时的问题，但控制结构比较简单可靠。

本发明解决技术问题的技术方案是：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流的内置程序；

其特征在于：

——所述检测包括电动机电流的检测；

——所述内置程序包括对所检测到的电动机电流按照规定模式评价，若符合规定，所述开关断开交流电源经该开关向电动机定子的绕组输出的供电电压。

本技术方案基于本申请人偶然发现一旦出现欠水运转时，电动机电流即有规律地显 著变化。检测此时的电流并按照规定模式评价，若符合规定，可断定泵处于欠水运转，所述开关断开交流电源经该开关向电动机定子的绕组输出的供电电压，即使泵退出欠水运转，待一段时间后水充满泵腔，再重新启动，从而消除欠水运转带来的问题。

由于电流检测相比如背景技术所述在先中国专利申请的检测方法简单、可靠，可更有效地改善欠水运转时的问题。

该技术方案可进一步设计为：所述电动机电流的检测为该电流正半波的检测和负半波的检测，所述评价模式为：若相邻正、负半波电流值之差大于规定值，判断为符合规定，如平均值或有效值。该检测可有较快的响应，但为了不误判，最好设计所述相邻正、负半波电流值之差大于规定值为在规定时间内发生多次相邻正、负半波电流值之差大于规定值，才判断为符合规定。

所述对所检测到的电动机电流按照规定模式评价还可设计为：检测电动机多个周期的电流，若该电流的计算值如平均值或有效值大于规定值，判断为符合规定。

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；

——54b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：

——电动机启动完成并进入稳定的同步运转后，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、……，可以看出，各半波电流的波形大体相同。

本发明人在实验中偶然发现：一旦出现欠水运转，同样的如图3的531中的……v1、v2、v3、……，产生电流如图3的54b中的……i1’、i2’、i3’、……，其中部分半波电流如i1’、i2’、i4’、i7’、i8’、i10’的波形相比如图3的54a中的i1、i2、i4、i7、i8、i10波形幅值增大和持续时间增加，因而可利用该变化，形成如发明内容所述对欠水运转的电流检测控制模式。

本实施例对欠水运转的电流检测控制模式之一为：连续检测12个电流半波，若有至少5个相邻半波的极大值绝对值之差((前一后)/前)大于20％，判断为符合规定，单片机6的输出电路63停止输出脉冲，使双向晶闸管4截止，从而断开交流电源端子5经双向晶闸管4向绕组12输出的电压。如图3的54b中的i1’～i12’的12个半波电流中，i2’与i3’、i3’与i4’、i4’与i5’、i6’与i7’、i8’与i9’、i9’与i10’、i10’与i11’的波形的极大值绝对值之差大于25％，判断为符合规定，绕组12的电流停止。

本实施例对欠水运转的电流检测控制模式之二为：连续检测10s电流有效值，若其大于实验统计得到的电动机稳定同步运转电流有效值20％，判断为符合规定，单片机6的输出电路63停止输出脉冲，使双向晶闸管4截止，从而断开交流电源端子5经双向晶闸管4向绕组12输出的电压。

Claims (6)

1.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流的内置程序；

其特征在于：

——所述检测包括电动机电流的检测；

——所述内置程序包括对所检测到的电动机电流按照规定模式评价，若符合规定，所述开关断开交流电源经该开关向电动机定子的绕组输出的供电电压。

2.按照权利要求1所述离心泵，其特征在于，所述电动机电流的检测为该电流正半波的检测和负半波的检测，所述评价模式为：若相邻正、负半波电流值之差大于规定值，判断为符合规定；所述半波电流值为半波电流计算值或某一时刻的瞬时值。

3.按照权利要求2所述离心泵，其特征在于，所述相邻正、负半波电流值之差大于规定值为在规定时间内发生多次相邻正、负半波电流值之差大于规定值。

4.按照权利要求3所述离心泵，其特征在于，所述规定时间为不少于10个所述交流电源周期，所述多次为不少于5次。

5.按照权利要求1所述离心泵，其特征在于，所述检测的电动机电流为电动机多个周期的电流，所述评价模式为：若该电流的计算值大于规定值，判断为符合规定。

6.按照权利要求2～5任一项所述离心泵，其特征在于，所述计算值为平均值或有效值。