CN106224258A - 自动调速节能离心水泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动调速节能离心水泵，利用无刷直流电机的转速与电压成正比的特点，在泵体出水口处安装传感器(3)，传感器(3)电性连接至电机控制系统(18)，用户设定好调节操作面板(19)后，所述电机控制系统(18)根据传感器(3)采集到的信号来控制PWM信号的占空比，从而能够随着介质温度、或管道系统阻力的变化控制定子(15)的数个线圈绕组的平均电压，调节无刷直流电机(1)的转速，降低能耗。

Description

自动调速节能离心水泵

技术领域

本发明涉及水泵技术领域，尤其涉及一种自动调速节能离心水泵。

背景技术

水泵(Pump)是一种是对流体做功的机械，用于增加液体的压力，使液体输送流动。在工业生产及日常生活中，水泵用来输送清水以及其它物理、化学性质类似于水的液体，其应用较为广泛，如自来水工程、空调循环水工程、锅炉供水、增压供水、消防喷淋系统、灌溉、电站、工业供水系统、船舶工业及炼油工业等领域。

水泵按照工作原理分为多类，其中就包括离心水泵。离心水泵开动前，先将泵腔和进水管灌满水，运转后，在叶轮高速旋转而产生的离心力的作用下，叶轮流道里的水被甩向四周，叶轮入口形成真空，外界的水在大气压力下沿进水管被吸入补充了这个空间，继而吸入的水又被叶轮甩出而进入出水管，因此离心水泵在叶轮高速旋转所产生的离心力的作用下，能够连续吸水、压水，完成对水的输送。

根据JBT9804-2014技术标准，输入功率小于(含)3KW的离心泵为小微型离心水泵。传统的小微型离心水泵的结构如图1所示，包括交流感应电机100、及受交流感应电机100驱动的泵体200。所述交流感应电机100包括外壳110、设于外壳110内的主轴120、支撑主轴120的轴承130、套设在主轴120上的转子140、以及环绕于转子140外围并固定在外壳110内周面上的定子150；所述泵体200包括泵壳210、于泵壳210内套设在所述主轴120末端上的叶轮220、以及密封主轴120与叶轮220之间间隙的机械密封件230。

图1所示小微型离心水泵的工作过程是：定子150的铜线通电后产生磁场，转子140在磁场的作用下旋转，带动主轴120旋转，进而由主轴120带动叶轮220旋转，将泵腔内的介质源源不断地送出。

该小微型离心水泵可用于暖通空调、制冷等场所，水泵向管道系统提供流量，当系统的阻力不变时，水泵的流量、扬程不变，电机的输出功率不变，能耗固定不变；当介质的温度发生变化时，电机的输出功率不变，能耗不变。因此，该小微型离心水泵不能随管道系统阻力、介质温度的变化进行调速，一定程度上造成了能耗的浪费。例如针对北方冬天采暖使用的热水循环水泵，将存放于热水箱中的热水送入各个房间的管道，通常热水箱内所存放的热水的水温(例如60℃)是高于管道系统所需的水温(例如40℃)的，这种情况下水泵由于不能调速，始终在额定转速工作，能耗固定，便会造成能耗的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动调速节能离心水泵，能够随着介质温度、或管道系统阻力的变化进行调速，降低能耗。

为实现上述目的，本发明提供一种自动调速节能离心水泵，包括无刷直流电机、受无刷直流电机驱动的泵体、及安装在泵体出水口处的传感器；

所述无刷直流电机包括外壳、设于外壳内的主轴、套设在主轴上的转子、环绕于转子外围并固定在外壳内周面上的定子、设于外壳内并与定子电性连接的光电控制元件或霍尔控制元件、设于外壳内并电性连接光电控制元件或霍尔控制元件的电机控制系统、以及固定于外壳外端面上并电性连接电机控制系统的调节操作面板；所述光电控制元件或霍尔控制元件中配置整流桥，将交流电转化为直流电；所述转子自身含有高磁通密度的永磁材料；所述定子包括数个线圈绕组，所述光电控制元件或霍尔控制元件控制定子的数个线圈绕组按规律接通直流电以改变线圈绕组的电流方向，形成旋转磁场；

所述泵体包括泵壳、及于泵壳内套设在所述主轴末端上的叶轮；

所述传感器电性连接至电机控制系统；用户设定好调节操作面板后，所述电机控制系统根据传感器采集到的信号来控制PWM信号的占空比，从而控制定子的数个线圈绕组的平均电压，调节无刷直流电机的转速。

所述电机控制系统中设置数字处理器或单片机；所述数字处理器或单片机包括PWM产生模块、及时基模块；所述时基模块包括一专用的16位时基计数器、及一时基数字寄存器；所述PWM产生模块包括一可编程数字寄存器、及一比较器；

所述时基计数器对定时时钟计数，时基数字寄存器根据调节操作面板的设定置入一预设数字来确定PWM信号的周期，时基计数器从所述传感器采集信号并启动计数后，其计数值与时基数字寄存器中置入的预设数字比较，两者一致时，输出同一周期的PWM信号；两者不一致时，时基数字寄存器中的数字发生改变，相应改变计数周期，从而改变PWM信号的频率；

所述可编程数字寄存器根据调节操作面板的设定置入另一预设数字来确定PWM信号的占空比，时基计数器从所述传感器采集信号并启动计数后，比较器将其计数值与可编程数字寄存器中置入的预设数字相比较，产生PWM信号的波形跳变，从而改变PWM信号的占空比，使得无刷直流电机的转速提高或降低。

所述调节操作面板呈圆形，设置有指标刻度、调节键、确认键、返回键、及水泵运行指示灯。

所述传感器为温度传感器或压力传感器。

所述无刷直流电机还包括支撑主轴的轴承；所述泵体还包括密封主轴与叶轮之间间隙的机械密封件。

所述高磁通密度的永磁材料为钕、铁、硼的堆栈组合。

所述定子包括三个线圈绕组，所述三个线圈绕组采用星形连接，构成三相六级。

所述自动调速节能离心水泵采用卧式安装，所述主轴的延伸方向平行于水平面。

所述自动调速节能离心水泵采用立式安装，所述主轴的延伸方向垂直于水平面；所述泵壳固定于法兰。

本发明的有益效果：本发明提供的一种自动调速节能离心水泵，利用无刷直流电机的转速与电压成正比的特点，在泵体出水口处安装传感器，传感器电性连接至电机控制系统，用户设定好调节操作面板后，所述电机控制系统根据传感器采集到的信号来控制PWM信号的占空比，从而能够随着介质温度、或管道系统阻力的变化控制定子的数个线圈绕组的平均电压，调节无刷直流电机的转速，降低能耗。

附图说明

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图中，

图1为传统小微型离心水泵的半剖结构示意图；

图2为本发明中卧式自动调速节能离心水泵的半剖结构示意图；

图3为本发明中立式自动调速节能离心水泵的半剖结构示意图；

图4为本发明的自动调速节能离心水泵的调节操作面板的主视图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。

请同时参阅图2与图4，或图3与图4，本发明提供一种自动调速节能离心水泵，其中图2所示的自动调速节能离心水泵采用卧式安装，图3所示的自动调速节能离心水泵采用立式安装。

如图2、或图3所示，不论采用卧式安装还是立式安装，本发明的自动调速节能离心水泵均包括无刷直流电机1、受无刷直流电机1驱动的泵体2、及安装在泵体2出水口处的传感器3。

其中，所述传感器3为温度传感器或压力传感器，用于感测、采集泵体2出水口处的温度或压力。

所述无刷直流电机1包括外壳11、设于外壳11内的主轴12、支撑主轴12的轴承13、套设在主轴12上的转子14、环绕于转子14外围并固定在外壳11内周面上的定子15、设于外壳11内并与定子15电性连接的光电控制元件或霍尔控制元件17、设于外壳11内并电性连接光电控制元件或霍尔控制元件17的电机控制系统18、以及固定于外壳11外端面上并电性连接电机控制系统18的调节操作面板19。所述定子17包括数个线圈绕组。

所述传感器3电性连接至电机控制系统18。

所述泵体2包括泵壳21、于泵壳21内套设在所述主轴12末端上的叶轮22、及密封主轴12与叶轮22之间间隙的机械密封件23。

对于图2所示采用卧式安装的自动调速节能离心水泵，所述主轴12的延伸方向平行于水平面；对于图3所示采用立式安装的自动调速节能离心水泵，所述主轴12的延伸方向垂直于水平面，且所述泵壳21固定于法兰25。

本发明是基于在无刷直流电机的转速正比于电压，改变定子绕组电压的幅值即能改变电机转速这一特点，利用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制技术来调节、控制电机转速：用户设定好调节操作面板19后，所述电机控制系统18根据传感器3采集到的信号来控制PWM信号的占空比，从而控制定子15的数个线圈绕组的平均电压，调节无刷直流电机1的转速。

具体地，所述电机控制系统18中设置数字处理器(Digital Signal Processor，DSP)或单片机；所述数字处理器或单片机包括PWM产生模块、及时基模块；所述时基模块包括一专用的16位时基计数器、及一时基数字寄存器；所述PWM产生模块包括一可编程数字寄存器、及一比较器。

所述调节操作面板19呈圆形，设置有指标刻度、调节键、确认键、返回键、及水泵运行指示灯。

所述PWM产生模块产生PWM信号的波形。预先设定好不同转速分别对应的PWM信号的占空比，以所述传感器3为温度传感器做例子，针对水温在40℃，无刷直流电机1的转速为3000转/分对应一特定的PWM信号的占空比，无刷直流电机1的转速为2500转/分则对应另一特定的PWM信号的占空比。

所述时基计数器对定时时钟计数，时基数字寄存器根据调节操作面板19的设定置入一预设数字来确定PWM信号的周期，时基计数器从所述传感器采集信号并启动计数后，其计数值与时基数字寄存器中置入的预设数字比较，两者一致时，输出同一周期的PWM信号；两者不一致时，时基数字寄存器中的数字发生改变，相应改变计数周期，从而改变PWM信号的频率。

所述可编程数字寄存器根据调节操作面板19的设定置入另一预设数字来确定PWM信号的占空比，时基计数器从所述传感器采集信号并启动计数后，比较器将其计数值与可编程数字寄存器中置入的预设数字相比较，产生PWM信号的波形跳变，从而改变PWM信号的占空比，使得无刷直流电机1的转速提高或降低。

仍以所述传感器3为温度传感器做例子，那么所述调节操作面板19上的指标刻度值为温度值，如图4所示，所述调节操作面板19上给出了35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃这7个刻度值，用户可根据实际需要进行选择。假设每个设定温度数值对应的无刷直流电机1的转速均为3000转/分，从而确定每个温度值时水泵的流量、扬程工作点。用户设定水泵在某一温度值(例如40℃)工作时，所述可编程数字寄存器即根据调节操作面板19的设定置入预设数字来确定PWM信号的占空比，时基计数器从温度传感器采集温度信号并启动计数后，比较器将其计数值与可编程数字寄存器中置入的预设数字相比较，若温度发生变化(高于或低于40℃)，则产生PWM信号的波形跳变，从而改变PWM信号的占空比，使得无刷直流电机1的转速提高或降低，水泵流量增大或减小，保证水温在40℃左右。

同理，当所述传感器3为压力传感器时，所述调节操作面板19上的指标刻度值为压力值，传感器采集压力信号，若压力发生变化则产生PWM信号的波形跳变，从而改变PWM信号的占空比，使得无刷直流电机1的转速提高或降低。

本发明的自动调速节能离心水泵适合用作北方冬天采暖使用的热水循环水泵，将存放于热水箱中的热水送入各个房间的管道。若用户设定40℃为其所需的水温，那么当管道系统水温高于40℃时，无刷直流电机1的转速下降，输出功率下降，输入功率下降，电机能耗减少，达到了节能的目的；当系统水温低于40℃时，无刷直流电机1的转速提高，以使管道系统达到设定的40℃的温度。通常，热水箱内所存放的热水的水温(例如60℃)是高于管道系统所需的水温(例如40℃)的，这种情况下水泵大部分时间在低于额定转速的状态下工作，能耗降低明显。

另外还需要说明的是：所述光电控制元件或霍尔控制元件17控制定子15的数个线圈绕组按规律接通直流电以改变线圈绕组的电流方向，形成旋转磁场，由于转子14自身含有高磁通密度的永磁材料，为一对磁极，转子磁场与定子的旋转磁场相互作用产生拉力使得转子14旋转，转子14带动主轴12旋转，与转子14同轴的叶轮22即被驱动旋转，水泵工作，将泵腔内的水源源不断地送出。

具体地，所述高磁通密度的永磁材料优选为钕(Nd)、铁(Fe)、硼(B)的堆栈组合，当然，也可以选用具有高磁通密度的其它适当材料。

所述定子15优选包括三个线圈绕组，结构类似于交流三相电机的定子，所述三个线圈绕组采用星形连接，构成三相六级。所述霍尔控制元件17控制所述三个线圈绕组按规律接通直流电以改变线圈绕组的电流方向，形成旋转磁场。将电流方向改变一次称为一步，每步三个线圈绕组中，一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，剩余的一个绕组不导通，且每改变一步仅一个线圈绕组被换相。对于包括三个线圈绕组的定子17而言，其形成的旋转磁场每步旋转60度，每6步旋转一周。

相比于现有技术，本发明的自动调速节能离心水泵配置无刷直流电机能够提高整泵效率，亦起到节能作用。

综上所述，本发明的自动调速节能离心水泵，利用无刷直流电机的转速与电压成正比的特点，在泵体出水口处安装传感器，传感器电性连接至电机控制系统，用户设定好调节操作面板后，所述电机控制系统根据传感器采集到的信号来控制PWM信号的占空比，从而能够随着介质温度、或管道系统阻力的变化控制定子的数个线圈绕组的平均电压，调节无刷直流电机的转速，降低能耗。

以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种自动调速节能离心水泵，其特征在于，包括无刷直流电机(1)、受无刷直流电机(1)驱动的泵体(2)、及安装在泵体(2)出水口处的传感器(3)；

所述无刷直流电机(1)包括外壳(11)、设于外壳(11)内的主轴(12)、套设在主轴(12)上的转子(14)、环绕于转子(14)外围并固定在外壳(11)内周面上的定子(15)、设于外壳(11)内并与定子(15)电性连接的光电控制元件或霍尔控制元件(17)、设于外壳(11)内并电性连接光电控制元件或霍尔控制元件(17)的电机控制系统(18)、以及固定于外壳(11)外端面上并电性连接电机控制系统(18)的调节操作面板(19)；所述光电控制元件或霍尔控制元件(17)中配置整流桥，将交流电转化为直流电；所述转子(15)自身含有高磁通密度的永磁材料；所述定子(17)包括数个线圈绕组，所述光电控制元件或霍尔控制元件(17)控制定子(15)的数个线圈绕组按规律接通直流电以改变线圈绕组的电流方向，形成旋转磁场；

所述泵体(2)包括泵壳(21)、及于泵壳(21)内套设在所述主轴(12)末端上的叶轮(22)；

所述传感器(3)电性连接至电机控制系统(18)；用户设定好调节操作面板(19)后，所述电机控制系统(18)根据传感器(3)采集到的信号来控制PWM信号的占空比，从而控制定子(15)的数个线圈绕组的平均电压，调节无刷直流电机(1)的转速。

2.如权利要求1所述的自动调速节能离心水泵，其特征在于，所述电机控制系统(18)中设置数字处理器或单片机；所述数字处理器或单片机包括PWM产生模块、及时基模块；所述时基模块包括一专用的16位时基计数器、及一时基数字寄存器；所述PWM产生模块包括一可编程数字寄存器、及一比较器；

所述时基计数器对定时时钟计数，时基数字寄存器根据调节操作面板(19)的设定置入一预设数字来确定PWM信号的周期，时基计数器从所述传感器采集信号并启动计数后，其计数值与时基数字寄存器中置入的预设数字比较，两者一致时，输出同一周期的PWM信号；两者不一致时，时基数字寄存器中的数字发生改变，相应改变计数周期，从而改变PWM信号的频率；

所述可编程数字寄存器根据调节操作面板(19)的设定置入另一预设数字来确定PWM信号的占空比，时基计数器从所述传感器采集信号并启动计数后，比较器将其计数值与可编程数字寄存器中置入的预设数字相比较，产生PWM信号的波形跳变，从而改变PWM信号的占空比，使得无刷直流电机(1)的转速提高或降低。

3.如权利要求2所述的自动调速节能离心水泵，其特征在于，所述调节操作面板(19)呈圆形，设置有指标刻度、调节键、确认键、返回键、及水泵运行指示灯。

4.如权利要求2所述的自动调速节能离心水泵，其特征在于，所述传感器(3)为温度传感器或压力传感器。

5.如权利要求1所述的自动调速节能离心水泵，其特征在于，所述无刷直流电机(1)还包括支撑主轴(12)的轴承(13)；所述泵体(2)还包括密封主轴(12)与叶轮(22)之间间隙的机械密封件(23)。

6.如权利要求1所述的自动调速节能离心水泵，其特征在于，所述高磁通密度的永磁材料为钕、铁、硼的堆栈组合。

7.如权利要求1所述的自动调速节能离心水泵，其特征在于，所述定子(17)包括三个线圈绕组，所述三个线圈绕组采用星形连接，构成三相六级。

8.如权利要求1至6任一项所述的自动调速节能离心水泵，其特征在于，采用卧式安装，所述主轴(12)的延伸方向平行于水平面。

9.如权利要求1至6任一项所述的自动调速节能离心水泵，其特征在于，采用立式安装，所述主轴(12)的延伸方向垂直于水平面；所述泵壳(21)固定于法兰(25)。