CN201386637Y - 一种全电压适应无级调速驱动直流风机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种全电压适应无级调速驱动直流风机，在壳体内还设置有用于将无刷直流电动机耦合到供电电源的驱动电路、与所述无刷直流电动机连接以检测所述转子相对于定子位置及转速的检测采样电路、以及与检测采样电路连接并控制无刷直流电动机的转速和转动方向的控制电路；其中，控制电路接收并处理所述检测采样电路发送的检测信号以通过脉宽调制控制所述驱动电路中电流大小及开关管的导通顺序，调节所述转子的转速。该风机效率高、节能好；寿命长；结构简单、噪音小；便于制作和装配，降低了加工成本，减少了运转中的故障；运行电压范围大，在60～330V能正常运行。

Description

一种全电压适应无级调速驱动直流风机

技术领域

本实用新型涉及风机，更具体地说，涉及一种全电压适应无级调速驱动直流风机。

背景技术

目前所有国外和国产的风机内部驱动用电动机全部采用的是交流单相串励电动机来带动风机运转工作。单相串激电动机是指靠换向器和电刷来换向的电动机，定子侧提供励磁磁场，转子侧安放电枢绕组和换向器，交流电通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电流。电枢磁势和主磁场相互作用产生转矩，带风机运转，然而正是由于存在电接触部件，即电刷和换向器，机械换向造成了一系列的缺点：①结构复杂、不稳定、故障多、寿命短(目前最好的食品加工机中的电动机使用寿命最多在100小时左右)；②换向火花形成电磁干扰，严重时，影响室内其它电器正常工作；③由于励磁电流和电枢电流都是交变的，它们产生的交变磁场使电机电路中存在很大的电流，致使电机的功率因数降低效率下降(效率一般在40％左右)，温升过高。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的风机结构复杂、不稳定、故障多、寿命短、功耗大、生产和维护成本高、兼容性较差，以及不能实现无级调速等缺陷，提供一种全电压适应无级调速驱动直流风机。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种全电压适应无级调速驱动直流风机，包括壳体和设置在所述壳体内的电动机，以及与所述电动机电连接的风机，所述电动机是无刷直流电动机，所述无刷直流电动机包括转子和定子；在所述壳体内还设置有用于将所述无刷直流电动机耦合到供电电源的驱动电路、与所述无刷直流电动机连接以检测所述转子相对于所述定子位置及转速的检测采样电路、以及与所述检测采样电路连接并控制所述无刷直流电动机的转速和转动方向的控制电路；其中，所述控制电路接收并处理所述检测采样电路发送的检测信号以通过脉宽调制控制所述驱动电路中电流大小及开关管的导通顺序，调节所述转子的转速。

在本实用新型所述的全电压适应无级调速驱动直流风机中，在所述壳体内还设置有保护电路，其分别与所述驱动电路的电源输入端以及所述控制电路相连接。

在本实用新型所述的全电压适应无级调速驱动直流风机中，所述保护电路包括过流保护电路和电流放大电路，其中，过流保护电路和电流放大电路均分别与所述驱动电路的电源输入端以及所述控制电路相连接。

在本实用新型所述的全电压适应无级调速驱动直流风机中，所述检测采样电路包括位置传感器组件和信号转换电路，其中，所述位置传感器分别与所述定子和信号转换电路相连接，所述信号转换电路与所述控制电路相连接。

在本实用新型所述的全电压适应无级调速驱动直流风机中，所述位置传感器组件包括三个霍尔传感器，在所述定子上设置有与所述霍尔传感器外形相匹配的三个凹槽，每一个霍尔传感器分别安装在一个凹槽内。

在本实用新型所述的全电压适应无级调速驱动直流风机中，所述检测采样电路包括反电动势取样电路和信号转换电路，其中，所述反电动势取样电路与信号转换电路相连接，所述信号转换电路与所述控制电路相连接。

在本实用新型所述的全电压适应无级调速驱动直流风机中，所述转子由永磁体制成。

在本实用新型所述的全电压适应无级调速驱动直流风机中，所述检测采样电路、保护电路、驱动电路和控制电路集成在同一电路板上或分别设置在不同的电路板上。

实施本实用新型的全电压适应无级调速驱动直流风机，具有以下有益效果：由于采用了驱动集成电路和电子换向电路(取消了机械换向)，具体优点如下：1、效率高、节能好：串激电动机定子是由励磁绕组组成，其磁场由电能提供，而无刷电动机磁场是由永磁体提供，所以无刷电动机效率高达80％，而串激电动机效率最高达40％。节约电能在50％左右。2、寿命长：无刷电动机采用的是电子换向，而串激电动机是机械换向，由于无刷电动机取消了碳刷和换向器由机械换向改为电子换向，彻底解决了机械磨损给电机带来的损坏，使用寿命约在10000小时左右，是串激电动机100倍左右。3、结构简单、噪音小：无刷电动机的换向是靠电子换向完成，取消了串激电动机中的碳刷和换向器，这样就消除了机械磨擦带来的噪音。由于无刷电动机中的转子是由永磁体制作无须进行绕线，并取消了碳刷和换向器，这样从电机本体结构有了明显简化。便于制作和装配，降低了加工成本，减少了运转中的故障。4、运行电压范围大，在60～330V能正常运行。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型全电压适应无级调速驱动直流风机的结构示意图；

图2是图1所示的全电压适应无级调速驱动直流风机一实施例的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，在本实用新型的全电压适应无级调速驱动直流风机中，其包括壳体和设置在壳体内的电动机，本实用新型的主要创新点在于：该风机以无刷直流电动机取代现有的串激电动机，以带动各种风机运转。其无刷直流电动机动作的实现是由控制电路进行控制实现。控制电路具有起停功能，即起停输入信号、脉冲宽度调制器<PWM>调制信号和转速反馈信号，以及相关电路，来控制无刷直流电动机的动作实现风机工作。

就如通常的电动机一样，该无刷直流电动机包括转子和定子，特别地本实用新型中使用永磁体制成转子，具有多极。定子是由定子铁心，励磁绕组及其引出线，定子支架，轴等部分组成。定子电枢铁心是由硅钢片冲片叠压而成的，由于电机径向尺寸大，轴向尺寸短，定子铁心一般做成多个槽数，以满足大力矩、低转速的要求。定子绕组的形式和多相的永磁同步电动机类似，它在实现能量转换过程中起着重要的作用。绕组相数多取三相，并采用Y型联接，三相绕组分别与开关电路中相应的功率开关器件连接，即为三相半控驱动方式。电机的转子为外转子形式，由永久磁钢按一定极对数(2p＝2，4，...)组成，磁钢材料一般采用铁氧体、钕铁硼(稀土磁钢)等；

在壳体内还设置有用于将无刷直流电动机耦合到供电电源的驱动电路、与无刷直流电动机连接以检测转子相对于定子位置的检测采样电路、以及与检测采样电路连接并控制无刷直流电动机的转速和转动方向的控制电路，如图2所示，在一优选实施例中，该控制电路由控制芯片U9及外围电路组成；其中，控制电路接收并处理检测采样电路发送的检测信号，计算出该转子的转速和位置，以进行脉宽调制，控制驱动电路中的电流大小以及开关管的导通顺序，进而实现了无级调速。同时为了保证该风机的使用安全，实现短路、过流、过压、过热等故障保护功能，在壳体内还设置有保护电路，其分别与开关电路的电源输入端以及控制电路相连接。在该实施例中，保护电路可包括过流保护电路和电流放大电路，如图2所示，过流保护电路主要包括放大器U3D、电阻R21、R22和R23，以及电容C7和C19，其中放大器U3D的输出端作为Break端；电流放大电路主要包括放大器U8D，电容C4、C5、C6和C17，以及电阻R16、R17、R18和R19，该放大器U8D的输出端输出放大的电流；而供电电源包括220V交流输入电源、整流电路以及开关电源，如图2所示，整流电路主要包括滑动电阻ZR1、电容C16、EC7、EC6和C10、电阻R15、R47、R48、R49、R50和R51，以及整流芯片QD1，在一优选实施例中，该整流芯片由四个二极管组成；开关电源主要包括变压器T1以及相应的外围电路，从而将输出15V和5V的电压。

对于驱动电路，如图2所示，其主要包括三个驱动芯片U5、U6和U7，以及六个开关管V1、V2、V3、V4、V5和V6，其中每个驱动芯片对应控制两个开关管，在小功率时，可以使用场效应晶体管构成，在大功率时，可以由分立的IGBT或六合一IGBT或七合一IGBT或IPM智能模块构成。在实施中，检测采样电路、控制电路、保护电路和驱动电路可以集成在同一电路板上或分别设置在不同的电路板上，即可以根据具体情况和要求进行灵活设计。

在一种实施方式中，检测采样电路包括位置传感器组件和信号转换电路，其中，位置传感器组件分别与定子和信号转换电路相连接，信号转换电路与控制电路相连接。该位置传感器按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流(即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路发送到控制电路处理后去控制驱动电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换)。定子绕组的工作电压由驱动电路提供。在实施中，一方面由于位置传感器在无刷直流电动机中起着测定子和转子磁极位置和转速的作用，为驱动电路提供正确的换相信息。在本实用新型中通常采用的传感器是磁敏式开关式传感器，优选的是霍尔元件集成电路。霍尔元件是根据霍尔效应制成的，即当有电流渡过和有磁场穿过霍尔元件时，元件内会产生霍尔电势，在磁场位置变化时霍尔电势会完全反映磁场的变化，这样就可起到传感位置的作用，根据转子磁极的位置来产生位置信号。为提高霍尔元件的驱动功率和工作可靠性，通常将霍尔元件与其他集成电路相结合构成一个开关型霍尔集成电路。在一特定设计中，该位置传感器组件包括三个霍尔传感器，在定子上设置有与霍尔传感器外形相匹配的三个凹槽，每一个霍尔传感器分别安装在一个凹槽内。

在另一种实施方式中，检测采样电路包括反电动势取样电路和信号转换电路，其中，反电动势取样电路分别与无刷直流电动机的三相电机端子和信号转换电路相连接，信号转换电路与控制电路相连接。直流无刷电动机启动后，其转子磁钢所产生的磁通要切割定子绕组而产生反电动势，其大小正比于直流无刷电动机的转速及其气隙中磁感应强度，当转子磁刚性改变时，反电动势波形的正负也随着改变，通过反电动势比较器测出反电动势波形的过零点，就可以确定转子磁钢的精确位置，并以此来控制无刷电动机的换向。如图2所示，反电动势取样电路主要包括放大器U3A、U3B和U3C，以及电阻R12、R13和R14，其中，每个放大器对应耦合到无刷直流电动机的一个接线端，进行信号检测。

本实用新型是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当理解，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以对本实用新型进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本实用新型做各种修改，而不脱离本实用新型的范围。因此，本实用新型不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本实用新型权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (8)

1、一种全电压适应无级调速驱动直流风机，包括壳体和设置在所述壳体内的电动机，以及与所述电动机电连接的风机，其特征在于，所述电动机是无刷直流电动机，所述无刷直流电动机包括转子和定子；在所述壳体内还设置有用于将所述无刷直流电动机耦合到供电电源的驱动电路、与所述无刷直流电动机连接以检测所述转子相对于所述定子位置及转速的检测采样电路、以及与所述检测采样电路连接并控制所述无刷直流电动机的转速和转动方向的控制电路；其中，所述控制电路接收并处理所述检测采样电路发送的检测信号以通过脉宽调制控制所述驱动电路中电流大小及开关管的导通顺序，调节所述转子的转速。

2、根据权利要求1所述的全电压适应无级调速驱动直流风机，其特征在于，在所述壳体内还设置有保护电路，其分别与所述驱动电路的电源输入端以及所述控制电路相连接。

3、根据权利要求2所述的全电压适应无级调速驱动直流风机，其特征在于，所述保护电路包括过流保护电路和电流放大电路，其中，过流保护电路和电流放大电路均分别与所述驱动电路的电源输入端以及所述控制电路相连接。

4、根据权利要求2所述的全电压适应无级调速驱动直流风机，其特征在于，所述检测采样电路包括位置传感器组件和信号转换电路，其中，所述位置传感器分别与所述定子和信号转换电路相连接，所述信号转换电路与所述控制电路相连接。

5、根据权利要求4所述的全电压适应无级调速驱动直流风机，其特征在于，所述位置传感器组件包括三个霍尔传感器，在所述定子上设置有与所述霍尔传感器外形相匹配的三个凹槽，每一个霍尔传感器分别安装在一个凹槽内。

6、根据权利要求2所述的全电压适应无级调速驱动直流风机，其特征在于，所述检测采样电路包括反电动势取样电路和信号转换电路，其中，所述反电动势取样电路与信号转换电路相连接，所述信号转换电路与所述控制电路相连接。

7、根据权利要求1～6任一所述的全电压适应无级调速驱动直流风机，其特征在于，所述转子由永磁体制成。

8、根据权利要求7所述的全电压适应无级调速驱动直流风机，其特征在于，所述检测采样电路、保护电路、驱动电路和控制电路集成在同一电路板上或分别设置在不同的电路板上。