CN106438384B - 一种小功率永磁同步电动机驱动的双向式离心泵 - Google Patents

Abstract

一种小功率永磁同步电动机驱动的双向式离心泵，电动机定子和永磁转子间的气隙于每一极下沿设定圆周方向收窄，定子绕组经开关接往交流电源并控制为：电动机转向取决于液流出口方向，接通开关使电源各极性至少1个半波电压按规定导通角施加绕组并检测各半波电流，在各半波电流呈现明显的大小之分后，电动机转向与设定圆周方向若相同，对与产生较小电流的电压极性相同的半波以规定移相角导通；若相反，对与产生较大电流的电压极性相同的半波以规定移相角导通，测量绕组电流为零时的电压达规定值后，所有电源半波在电源电压、绕组电流为零时的电压及其对时间变化率三者极性相同时导通；该导通达规定次数后进入同步运行。因而实现离心泵双向工作。

Description

一种小功率永磁同步电动机驱动的双向式离心泵

技术领域

本发明涉及一种小功率永磁同步电动机驱动的双向式离心泵，在国际专利分类表中，分类可属于F04D27/00。

背景技术

现有技术可逆电动机驱动的具有2个吐出口的小功率离心泵，电动机驱动叶轮沿某方向旋转时，叶轮驱动的液体从其一吐出口排出，电动机驱动叶轮沿沿相反方向旋转时，叶轮驱动的液体从另一吐出口排出，可见CN204097757U、CN204532854U和CN102373608B。所述电动机使用传统的永磁同步电动机若为简易结构则旋转方向不确定，故现有技术建议采用直流无刷电动机，但该电动机制造成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种小功率永磁同步电动机驱动的双向式离心泵，其可达到双向受控，但结构比较简单和成本较低。

本发明解决技术问题的技术方案是一种小功率永磁同步电动机驱动的双向式离心泵，包括泵体、电动机及其驱动的叶轮，泵体具有2个吐出口，叶轮沿某方向旋转时，其驱动的液体从其一吐出口排出；叶轮沿相反方向旋转时，其驱动的液体从另一吐出口排出，其特征在于，所述电动机包括：

——同样极数的定子和永磁转子；所述定子与转子间气隙的宽度于每一极下，沿设定的圆周方向收窄，因而在自由状态下，转子各极轴线以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿设定的圆周方向偏转一锐角角度；

——开关；所述定子的绕组具有规定绕向，经该开关接往交流电源；

——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)接收离心泵工作方向的主令信号，并按照该信号确定电动机的旋转方向；

b)接通所述开关，使所述交流电源极性相反的至少各1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停止的时间，检测因此在所述绕组产生的各个电流；

c)在所述各个电流的数值呈现明显的大小之分后，若所述确定的电动机的旋转方向与所述设定的圆周方向相同时，对接着到来的与产生较小电流的电压极性相同的电源半波以规定移相角导通，且移相角逐个半波依次减小；若所述确定的电动机的旋转方向与所述设定的圆周方向相反时，对接着到来的与产生较大电流的电压极性相同的电源半波以规定移相角导通，且移相角逐个半波依次减小；

d)测量绕组电流为零时的电压，当该电压达到规定值后，对其后所有极性的电源半波均在所述电源电压的极性、绕组电流为零时的电压的极性和绕组电流为零时的电压对时间的变化率的极性相同的时刻随即导通；累计该导通达到规定次数，电动机进入同步运行控制。

对该电动机的起动，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，使离心泵按相应的液流输送方向工作。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，使离心泵按相反的液流输送方向工作。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，达到离心泵双向受控的定向起动。

本技术方案无需使用现有技术的有传感器控制方法和无传感器反电动势检测控制法，降低了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。尤其是可更充分利用定子磁场对永磁转子的驱动力矩和避免阻力矩，满足对该电动机的可控双向旋转的要求。

上述技术方案的进一步设计之一是：所述离心泵按流量较大方向工作时，所述确定的电动机的旋转方向与所述设定的圆周方向相同；所述离心泵按流量较小方向工作时，所述确定的电动机的旋转方向与所述设定的圆周方向相反。理论和实验表明，该电动机的旋转方向与所述设定的圆周方向相同时的启动力矩较方向相反时大，更适合离心泵按流量较大状态工作负载较大的情况。

上述技术方案的进一步设计之二是，所述步骤b)项中对每个电压的要求包括：——每个电压施加前，转子仍位于所述锐角位置；——所施加的每个电压的能量小至使转子转离所述锐角位置在规定的角度以内；——所施加的每个电压的波形相同。该设计有利于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，更好地实施定向起动控制。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电磁基本结构示意图；

图3是本发明实施例离心泵电动机控制电路示意图；

图4是本发明实施例离心泵流量较大工作时电动机的第1种起动情况信号波形示意图；

图5是本发明实施例离心泵流量较大工作时电动机的第2种起动情况信号波形示意图；

图6是本发明实施例离心泵流量较小工作时电动机的第1种起动情况信号波形示意图；

图7是本发明实施例离心泵流量较小工作时电动机的第2种起动情况信号波形示意图。

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，可在传统的家用双向式离心泵(参见CN204097757U、CN204532854U和CN102373608B)的基础上改进而成，主要包括：

——泵体3，其具有在叶轮轴线上的吸入口31，在泵体蜗室顺时针切向伸出的吐出口32，泵体蜗室逆时针切向伸出的吐出口33；叶轮叶片的方向、蜗室和吐出口32、33在设计上适当配合，使得叶轮驱动的液流自吐出口33排出时有较大的流量，自吐出口32排出时有较小的流量；

——固定于泵体3一侧的电动机2和直接连接于该电动机输出轴的离心式叶轮1；

——电动机2为内转子电动机，包括定子100和永磁转子200。

该电动机电磁基本结构如图2所示。可以看出：

——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102组成；绕组102是在4个凸极各绕一具有绝缘框架的线圈元件102，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液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5°(电角度10°)。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，主要由固定于电动机非轴伸端的电路板组成，该电路板安装有：

——双向晶闸管4，其主电极与绕组102串联后接往交流电源端子5；

——单片机6，其输出电路63经常规的光电耦合电路或变压器隔离电路(图中未示出)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，用于检查在电阻13的电压降并以此确定通过绕组12的电流。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，可减少检测电路的功率消耗；

——绕组12与晶闸管4主电极的连接端经常规的分压电路(图中未示出)接往单片机的输入电路64，用于检测绕组12电流为零时的电压；

——拉线开关3的公共触点接往单片机的输入电路65，定触点之一接往5V直流电源VDD，另一接公共地，使得输入电路65接通VDD而处于高电平，接通公共地而处于低电平。

该电动机也称为单相自起动永磁同步电机，可参考2007年青岛大学蔺江磊的学位论文《单相自起动永磁同步电机电磁分析》。有关常规技术可参考《电机工程手册》等技术手册和教科书。有关规定值通常可通过实验统计得到。

单片机6内置程序主要按照设定步骤检查输入电路61、62、64和65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预定顺时针、逆时针转向各二种起动情况各信号波形如图4、图5、图6和图7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；

——534～537为相应起动情况交流电源施加于绕组12的电压的波形和电流为零时绕组12的电压的波形；

——54f～i为绕组12的电流的波形；

——554～557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。

该实施例交流电源频率为50Hz时的周期为20ms。

单片机6内置程序包括实施如下步骤：

自交流电源电压的第1个正过零点(电压由负变正，下同)起延时电角度t1＝5/6π,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，使交流电源正极性半波电压v1以电角度t2＝1/6π导通角施加于绕组12产生第1电流i1，并检测其最大值(当然也可以检测其平均值、有效值或其它规定时刻的瞬时值，下同)。

接着，自交流电源电压的第1个负过零点(电压由正变负，下同；视转子的稳定状态可进一步延后，如为第2或第3……个负过零点，以确保施加电压脉冲前一刻，如图1转子2磁通的轴线21仍大体处于以定子二极的水平轴线113为参照沿逆时针方向偏转约100的位置，下同)起延时电角度5/6π,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导通，使交流电源负极性半波电压v2以电角度t2＝1/6π导通角施加于绕组12产生第2电流i2，并检测其最大值。

接着，单片机6内置程序比较电流i1、i2的最大值，按以下预定的二种旋转方向各二种情况进行控制：

(1)预定离心泵从吐出口33排液，即按流量较大状态工作，为此操纵开关K使输入电路65接通VDD而处于高电平，即电动机预定按逆时针转向。其第1种起动情况如图4，永磁转子2所处极性方位为正极性交流电源半波产生的主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角，i1明显小于i2，单片机6的输出电路63随即：

——自交流电源第2个正过零点开始，延时电角度3/4π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k3使晶闸管4导通，使交流电源以导通角1/4π缺损正弦半波电压v3施加于绕组12产生电流i3,接着，

——自交流电源第3个正过零点开始，延时电角度5/9π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k4使晶闸管4导通，使交流电源以导通角4/9π的缺损正弦半波电压v4施加于绕组12，产生比i3增大的电流i4,，接着，

——自交流电源第4个正过零点开始，延时电角度1/4π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k5使晶闸管4导通，使交流电源以导通角3/4π的缺损正弦半波电压v5施加于绕组12，产生比i4增大的电流i5。

可见，交流电源施加于绕组12的导通角和电流逐个半波增大，其磁场驱动永磁转子2加速扭转，单片机的输入电路64检测到绕组12在电流为零时的电压e3～e5也逐个半波增大，直至电流i5恢复为零时，检测到e5于点G的值大于规定值，单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲k6～k8改为在符合以下条件的时刻发出：

——电源电压的极性、绕组电流为零时的电压的极性和该电压对时间的变化率的极性相同。

为可靠起见，通常还可增加以下二个条件或其之一：

——绕组12的电流为零时的电压在规定范围内；

——该时刻在规定时间区间内。

图4中可见施加于绕组12的各半波电压v6～v8和电流i6～i8以及绕组12的电流为零时的电压e6～e8的波形，此时转子2的转速通常继续上升。

累计符合上述条件的导通达到规定次数，单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲kt改为按同步运行的控制条件发出，并以同步的完整或缺损正弦半波电压vt施加于绕组12，产生同步运行电流it。该控制条件通常还包括：电源电压的极性、绕组电流为零时的电压的极性和该电压对时间的变化率的极性相同，还会加上为取得最佳效率或适应电源波动的闭环反馈控制，包括调整晶闸管4的导通角，使得绕组电流为零时的电压为零的时刻尽可能位于绕组电流为零的时区的中点的控制。

图4所示基于图幅相比实际有所简化，例如：

——最初的电流大小比较只交替了1次，实际为可靠起见，可再交替多若干次，但启动时间将延长；

——其后，施加逐个增大的单极性电流只有3个，实际该电流个数通常比较多，对于转子和负载转动惯量较大时尤其需要；

——最后，累计符合条件的导通仅3次即进入同步运行控制，实际次数也要多很多，一般不宜少于20次，最好达到约30次，以确保稳定进入同步运行。

(2)如之前(1)所述电动机预定按逆时针转向，其第2种起动情况如图5，永磁转子2所处极性方位为负极性交流电源半波产生的主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角，i2明显小于i1，单片机6的输出电路63随即：

——自交流电源第2个负过零点开始，延时电角度3/4π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k3使晶闸管4导通，使交流电源以导通角1/4π缺损正弦半波电压v3施加于绕组12产生电流i3,接着，

——自交流电源第3个负过零点开始，延时电角度5/9π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k4使晶闸管4导通，使交流电源以导通角4/9π的缺损正弦半波电压v4施加于绕组12，产生比i3增大的电流i4,，接着，

——自交流电源第4个负过零点开始，延时电角度1/4π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k5使晶闸管4导通，使交流电源以导通角3/4π的缺损正弦半波电压v5施加于绕组12，产生比i4增大的电流i5。

同样可见，交流电源施加于绕组12的导通角和电流逐个半波增大，其磁场驱动永磁转子2加速扭转，单片机的输入电路64检测到绕组12在电流为零时的电压也逐个半波增大，在电流i5恢复为零时，检测到绕组12的电压于点G的值大于规定值，单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲k6～k8改为在符合之前(1)中所述条件的时刻发出，其后的情况基本如之前(1)中所述。

(3)预定离心泵从吐出口32排液，即按流量较小状态工作，为此操纵开关K使输入电路65接通公共地而处于低电平，即电动机预定按顺时针转向。其第1种起动情况如图6，永磁转子2所处极性方位为正极性交流电源半波产生的主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角，i1明显大于i2，单片机6的输出电路63随即：

——自交流电源第2个正过零点开始，延时电角度3/4π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k3使晶闸管4导通，使交流电源以导通角1/4π缺损正弦半波电压v3施加于绕组12产生电流i3,接着，

——自交流电源第3个正过零点开始，延时电角度5/9π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k4使晶闸管4导通，使交流电源以导通角4/9π的缺损正弦半波电压v4施加于绕组12，产生比i3增大的电流i4,，接着，

——自交流电源第4个正过零点开始，延时电角度1/4π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k5使晶闸管4导通，使交流电源以导通角3/4π的缺损正弦半波电压v5施加于绕组12，产生比i4增大的电流i5。

同样可见，交流电源施加于绕组12的导通角和电流逐个半波增大，其磁场驱动永磁转子2加速扭转，单片机的输入电路64检测到绕组12在电流为零时的电压也逐个半波增大，在电流i5恢复为零时，检测到绕组12的电压于G点的值大于规定值，单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲k6～k8改为在符合之前(1)中所述条件的时刻发出。其后的情况如之前(1)所述。

(4)如之前(3)所述电动机预定按顺时针转向，其第2种起动情况如图7，永磁转子2所处极性方位为负极性交流电源半波产生的主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角，i2明显大于i1，单片机6的输出电路63随即：

——自交流电源第2个负过零点开始，延时电角度3/4π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k3使晶闸管4导通，使交流电源以导通角1/4π缺损正弦半波电压v3施加于绕组12产生电流i3,接着，

——自交流电源第3个负过零点开始，延时电角度5/9π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k4使晶闸管4导通，使交流电源以导通角4/9π的缺损正弦半波电压v4施加于绕组12，产生比i3增大的电流i4,，接着，

——自交流电源第4个负过零点开始，延时电角度1/4π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k5使晶闸管4导通，使交流电源以导通角3/4π的缺损正弦半波电压v5施加于绕组12，产生比i4增大的电流i5。

同样可见，交流电源施加于绕组12的导通角和电流逐个半波增大，其磁场驱动永磁转子2加速扭转，单片机的输入电路64检测到绕组12在电流为零时的电压也逐个半波增大，在电流i5恢复为零时，检测到绕组12的电压于G点的值大于规定值，单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲k6～k8改为在符合之前(1)中所述条件的时刻发出。其后的情况基本如之前(1)中所述。

以上所述“明显”指差值超过30％，所述“接近”指差值在10％以内。

该实施例可以有如下设计修改：

——最初的电流大小比较施加的脉冲可以为先是多个正脉冲，接着是多个负脉冲；该正负顺序可调反，脉冲个数也可视具体电机通过实验观察有所增减。脉冲的导通角也可视具体电机通过实验观察有所增减，最好使大的电流和小的电流的差异不少于30％。对于轴功率不太大的电动机，电角度1/6π的导通角半波空载通电的电动机仅见转子稍有抖动。实验表明，该脉冲的能量使转子转离所述锐角位置的角度只要不大于1/6π，就不会对电动机的控制产生显著影响。并且，最好使同为大或同为小的各电流的差异不大于10％；

——对电流的检测，除最大值外，也可以是平均值、有效值或其它相同时刻的瞬时值；

——对各个电流的比较，除直接比较外，也可以规定值比较；

——选择离心泵工作液流方向的主令信号也可以由遥控器操纵的电子开关发出；

——离心泵电动机为4极，其控制机理也适用于2极或其它极数的该类电动机。

Claims (4)

1.一种小功率永磁同步电动机驱动的双向式离心泵，包括泵体、电动机及其驱动的叶轮，泵体具有2个吐出口，叶轮沿某方向旋转时，其驱动的液体从其一吐出口排出；叶轮沿相反方向旋转时，其驱动的液体从另一吐出口排出，其特征在于，所述电动机包括：

——同样极数的定子和永磁转子；所述定子与转子间气隙的宽度于每一极下，沿设定的圆周方向收窄，因而在自由状态下，转子各极轴线以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿设定的圆周方向偏转一锐角角度；

——开关；所述定子的绕组具有规定绕向，经该开关接往交流电源；

——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)接收离心泵液流方向的主令信号，并按照该信号确定电动机的旋转方向；

b)接通所述开关，使所述交流电源极性相反的至少各1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停止的时间，检测因此在所述绕组产生的各个电流；

c)在所述各个电流的数值呈现明显的大小之分后，若所述确定的电动机的旋转方向与所述设定的圆周方向相同时，对接着到来的与产生较小电流的电压极性相同的电源半波以规定移相角导通，且移相角逐个半波依次减小；若所述确定的电动机的旋转方向与所述设定的圆周方向相反时，对接着到来的与产生较大电流的电压极性相同的电源半波以规定移相角导通，且移相角逐个半波依次减小；

d)测量绕组电流为零时的电压，当该电压达到规定值后，对其后所有极性的电源半波均在所述电源电压的极性、绕组电流为零时的电压的极性和绕组电流为零时的电压对时间的变化率的极性相同的时刻随即导通；累计该导通达到规定次数，电动机进入同步运行控制。

2.按照权利要求1所述离心泵，其特征在于，所述离心泵液流为流量较大方向时，所述确定的电动机的旋转方向与所述设定的圆周方向相同；所述离心泵液流为流量较小方向时，所述确定的电动机的旋转方向与所述设定的圆周方向相反。

3.按照权利要求1或权利要求2所述离心泵，其特征在于，所述步骤b)项中对每个电压的要求包括：

——每个电压施加前，转子仍位于所述锐角位置；

——所施加的每个电压的能量小至使转子转离所述锐角位置在规定的角度以内；

——所施加的每个电压的波形相同。

4.按照权利要求1或权利要求2所述离心泵，其特征在于，所述规定次数不少于20次。