CN202187895U - 潜水泵控制电路及具自保护功能的潜水泵 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种潜水泵控制电路，用于控制潜水泵的永磁转子的转动，包括整流电路、驱动电路以及保护电路，其中所述整流电路的输出端包括连接驱动电路的高压直流端，所述驱动电路包括线圈以及两路电子功率开关电路，所述保护电路包括用于检测永磁转子转速的转速检测单元以及在所述永磁转子转子异常时使驱动电路停止输出的主控芯片，该转子转速检测单元的输出端连接到主控芯片，所述两路电子功率开关电路的输入端分别连接到主控芯片的第一信号输出引脚和第二输出引脚。本实用新型还公开了一种包括上述控制电路的潜水泵。本实用新型通过转子转速检测调整驱动输出，实现解决了潜水泵堵转及缺水而导致潜水泵使用寿命受到影响的问题。

Description

潜水泵控制电路及具自保护功能的潜水泵

技术领域

本实用新型涉及电机驱动领域，更具体地说，涉及一种潜水泵控制电路及具自保护功能的潜水泵。

背景技术

现有的交流同步水泵的驱动部分由线圈绕组、U形铁芯、带叶轮的永磁转子组成。当缠绕于U形铁芯上的线圈绕组通入交流电时，U形铁芯的两端产生极性相反的磁场，与永磁转子的磁场相互作用，从而推动永磁转子旋转。由于交流电电流的方向按照一定的频率不断的变换，使U形铁芯两端的磁场方向也跟着不断的变化，从而推动永磁转子不断的旋转。永磁转子带动叶轮转动，推动叶轮室内的水产生离心力，从而将水抽出，达到抽水的目的。

现有的单相交流二极永磁同步电机驱动的水泵具有工艺制作简单和成本低廉的优点。然而，上述交流同步水泵通常为工频运行，工作效率较低。而采用直流变频的交流同步水泵中，在转子堵转，特别是在缺水干烧的时，无法进行自我保护，从而造成影响水泵的使用寿命，并且还存在安全隐患。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对上述潜水泵因不具自保护功能而影响使用寿命的问题，提供一种具自保护功能的潜水泵及潜水泵控制电路。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，提供一种潜水泵控制电路，用于控制潜水泵的永磁转子的转动，包括整流电路、驱动电路以及保护电路，其中所述整流电路的输出端包括连接驱动电路的高压直流端，所述驱动电路包括分别由两根线缆并行绕制而成的线圈以及两路电子功率开关电路，所述两根线缆在定子的两个铁芯臂上绕制方向相反且两根线缆的一端分别连接所述高压直流端、另一端分别连接所述两路电子功率开关电路的两个输出端中的一个，所述保护电路包括用于检测永磁转子转速的转速检测单元以及在所述永磁转子转子异常时使驱动电路停止输出的主控芯片，所述转子转速检测单元位于永磁转子磁场径向的外围且避开永磁转子静态时N/S磁极分界线，该转子转速检测单元的输出端连接到主控芯片，所述两路电子功率开关电路的输入端分别连接到主控芯片的第一信号输出引脚和第二输出引脚。

在本实用新型所述的潜水泵控制电路中，所述定子包括至少一对铁芯且每一对铁芯包括两个对称设置的铁芯臂，所述两根以并行的方式缠绕在所述定子的每一铁芯臂上形成线圈且相邻铁芯臂上的线圈的绕制方向相反，所述永磁转子包括与所述铁芯臂数量相同的磁块且相邻磁块的极性相反，所述两根线缆中第一线缆的始端与第二线缆的末端连接在一起组成公共端并连接到驱动电路的高压直流端，第一线缆的末端与第二线缆的始端分别连接到两路电子功率开关电路的一个输出端。

在本实用新型所述的潜水泵控制电路中，所述转速检测单元为单极性型霍尔元件，在所述主控芯片的信号输入端为高电平时第一信号输出脚输出高电平、第二信号输出脚输出低电平，并在信号输入脚为低电平时，第一信号输出脚输出低电平，第二信号输出脚输出高电平。

在本实用新型所述的潜水泵控制电路中，所述转速检测单元为双极性型霍尔元件，所述霍尔元件的输出端分别连接到所述主控芯片的第一信号输入引脚和第二信号输入引脚，所述主控该芯片在第一信号输入脚为高电平时第一信号输出脚输出高电平，第二信号输入脚为低电平时第二信号输出脚输出低电平，第一信号输入脚为低电平时第一信号输出脚输出低电平，第二信号输入脚为高电平时第二信号输出脚输出高电平。

本实用新型还提供一种具自保护功能的潜水泵，包括泵体、叶轮室、叶轮，所述泵体内设置定子容置腔和转子容置腔，定子和永磁转子分别安装于定子容置腔和转子容置腔内，还包括控制所述永磁转子转动的控制电路，所述控制电路包括整流电路、驱动电路以及保护电路，其中所述整流电路的输出端包括连接驱动电路的高压直流端，所述驱动电路包括分别由两根线缆并行绕制而成的线圈以及两路电子功率开关电路，所述两根线缆在定子的两个铁芯臂上绕制方向相反且两根线缆的一端分别连接所述高压直流端、另一端分别连接所述两路电子功率开关电路的两个输出端中的一个，所述保护电路包括用于检测所述永磁转子转速的转速检测单元以及在永磁转子转子异常时使驱动电路停止输出的主控芯片，所述转子转速检测单元位于永磁转子磁场径向的外围且避开永磁转子静态时N/S磁极分界线，该转子转速检测单元的输出端连接到主控芯片，所述两路电子功率开关电路的输入端分别连接到主控芯片的第一信号输出引脚和第二输出引脚。

在本实用新型所述的具自保护功能的潜水泵中，所述定子包括至少一对铁芯且每一对铁芯包括两个对称设置的铁芯臂，所述两根以并行的方式缠绕在所述定子的每一铁芯臂上形成线圈且相邻铁芯臂上的线圈的绕制方向相反，所述永磁转子包括与所述铁芯臂数量相同的磁块且相邻磁块的极性相反，所述两根线缆中第一线缆的始端与第二线缆的末端连接在一起组成公共端并连接到驱动电路的高压直流端，第一线缆的末端与第二线缆的始端分别连接到两路电子功率开关电路的一个输出端。

在本实用新型所述的具自保护功能的潜水泵中，所述整流电路还包括低压输出端，所述低压输出端连接到转速检测单元及主控芯片。

在本实用新型所述的具自保护功能的潜水泵中，所述电子功率开关电路包括功率三极管，所述功率三极管的集电极、发射极分别串联接入定子的两组线圈绕组、控制极经由功率三极管连接到主控芯片的信号输出引脚；或者所述电子功率开关电路包括场效应管，所述场效应管的D极、S极分别串联接入交流电机定子的两组线圈绕组、控制极经由三极管连接到主控芯片的信号输出引脚。

在本实用新型所述的具自保护功能的潜水泵中，所述转速检测单元为单极性型霍尔元件，在所述主控芯片的信号输入端为高电平时第一信号输出脚输出高电平、第二信号输出脚输出低电平，并在信号输入脚为低电平时，第一信号输出脚输出低电平，第二信号输出脚输出高电平。

在本实用新型所述的具自保护功能的潜水泵中，所述转速检测单元为双极性型霍尔元件，所述霍尔元件的输出端分别连接到所述主控芯片的第一信号输入引脚和第二信号输入引脚，所述主控该芯片在第一信号输入脚为高电平时第一信号输出脚输出高电平，第二信号输入脚为低电平时第二信号输出脚输出低电平，第一信号输入脚为低电平时第一信号输出脚输出低电平，第二信号输入脚为高电平时第二信号输出脚输出高电平。

本实用新型的潜水泵控制电路及具自保护功能的潜水泵，通过转子转速检测调整驱动输出，解决了潜水泵堵转及缺水而导致潜水泵使用寿命受到影响的问题。此外，本实用新型利用整流电路将高压交流电源变成高压直流和稳定的低压直流电源，通过两种线圈并行绕制的方式，且线圈按照特定的连接方法，利用霍尔元件感应转子磁极的位置信号，并用主控芯片来处理相应的信号，输出信号到驱动电路，使水泵启动方向恒定。

附图说明

图1是本实用新型的潜水泵控制电路的示意图。

图2是图1中潜水泵控制电路的电路示意图。

图3是永磁转子线圈及霍尔元件安装位置示意图。

具体实施方式

如图1所示，是本实用新型的潜水泵控制电路的示意图。该潜水泵控制电路包括整流电路12、驱动电路11以及保护电路13，其中整流电路用于对单相交流电进行整流、滤波、稳压得到一个比交流电源更高的稳定的高压直流电源，该整流电路的高压直流输出端连接到驱动电路11，驱动电路11用于驱动潜水泵的永磁转子转动，保护电路13包括用于检测永磁转子转速的转速检测单元132以及在永磁转子转子异常时使驱动电路11停止输出的主控芯片131。

如图2所示，是图1中潜水泵控制电路的实施例的示意图。整流电路12由整流桥堆D1、电解电容C1、功率电阻R1、R2、稳压管ZD1、电容C2、C3、C4、稳压IC U1组成，从而实现单相交流电的整流、滤波、稳压处理，为后续的驱动电路11提供高压直流电，并为保护电路13提供低压直流电。具体地，单相交流输入电压经过整流桥D1整流，电容C1滤波，得到一个比交流电源高的高压直流电压，以作为永磁转子的驱动电源；高压直流电压的一端连接到电阻R1、R2进行降压，稳压管ZD1稳压，C2、C3、C4滤波、稳压IC U1稳压，从而得到稳定的低压电源，从而给驱动电路11、保护电路13以及其他的低压电路供电。

驱动电路11包括主控芯片U3、两路电子功率开关电路以及磁场感应元件，其中两路电子功率开关电路由三极管Q1、Q2、Q3、Q4及电阻R3、R4、R5、R6组成。具体地，主控芯片 U3的控制信号分别经R5、R6连接到三极管Q3、Q4的基极，三极管Q3、Q4的集电极分别连接到功率管Q1、Q2的基极，控制三极管的通断（上述三极管也可使用场效应管代替）。在本实施例中，定子包括U形铁芯34以及绕制在该U形铁芯34的两个铁芯臂上的线圈绕组36，如图3所示，其中线圈绕组36由两根平行的漆包线绕制而成，且在两铁芯臂上的线圈绕组36的绕制方向相反（上述线圈绕组36绕制于线架35上，且线架35分别套设于U形铁芯的两个铁芯臂上），在组成线圈绕组36的漆包线中，A、C分别为第一漆包线的首端和末端，B、D分别为第二漆包线的首端和末端。线圈绕组36的A、C端相连成成公共端并连接到整流电路的高压直流输出端，B、D端则分别连接两路电子功率开关电路的输出端。在本实施例中，磁场感应元件由霍尔元件U2、电阻R7组成，该霍尔元件U2为的输入端连接到稳压IC的输出端、输出端连接到主控芯片U3的第7脚。

在启动后，霍尔元件U2首先判断永磁转子静止时其磁极位置信号，并产生相应的高低电平，主控芯片U3根据霍尔元件U2输入的电平信号，向两路电子功率开关电路输出两路电压方向相反的控制信号，使线圈导通从而驱动永磁转子的磁场与定子的磁场相匹配，驱动力的方向一致，使永磁转子的定向启动和运行。

由于本实用新型的潜水泵控制电路中，定子线圈的绕线方式与传统方式不同且采用了直流变频驱动，因此永磁转子并没有工作在与交流电频率同步的状态。永磁转子的运转频率随着线圈的励磁电流的大小变化而变化，改变线圈参数可以改变线圈的励磁电流，从而改变定子线圈产生的磁场强度，改变驱动力的大小，使转速随之而变化。此外，永磁转子的运转频率还随着水泵负载的大小而变化，当水泵堵转时，水泵的电流会很大，使线圈温升快速的上升，从而造成一定的危险性；当水泵处于空载时，水泵的负载变得很小，转速会变得很高，高转速将会产生高磨损和高热量，使水泵的稳定性和安全性不高，从而使水泵寿命变短。

保护电路13的转速检测单元132为磁场感应元件（例如由霍尔元件U2、电阻R7组成，该霍尔元件U2为的输入端连接到稳压IC的输出端、输出端连接到主控芯片U3的第7脚）。在本实施例中，保护电路13与驱动电路11共用霍尔元件U2及主控芯片U3。转子启动后，永磁转子每转动半圈，霍尔元件U2将会产生一个高低电平变化的方波信号，主控芯片U3对此信号进行处理，分析一个周期内高低电平变化的次数，从而得到永磁转子的转速。进一步得知水泵的工作运行状态。当检测到转子的转动堵转或者水泵在空载状态导致转速异常时，主控芯片U3输出控制信号，使电机处于保护状态。

本实用新型通过检测霍尔元件输出信号，判断水泵的运转转速，在水泵转速异常时，停止输出，并且在故障排除时自动恢复输出，极大的解决了水泵因为堵住或者空载时产品的各种问题。

当然，在实际应用中，图2中的稳压电路、驱动电路、保护电路可由其他现有电路代替。特别地，可通过改变图3中线圈绕组的参数从而改变线圈励磁电流的大小，改变永磁转子的旋转速度，在不改变水泵其他配件结构尺寸的情况下，极大的提高水泵的扬程，增大水泵的流量，从而提高水泵的效率。

上述的霍尔元件U2可以为单极性的霍尔也可以为双极性的霍尔元件（图2中为单极性型霍尔元件）,该霍尔元件（如图3中所示的标号32）设置在所述永磁转子的磁场径向的外围，且偏离永磁转子静态时N/S磁极分界线。当霍尔元件为单极性时，主控芯片131在信号输入为高电平时第一信号输出脚输出高电平，第二信号输出脚输出低电平，并在信号输入脚为低电平时，第一信号输出脚输出低电平，第二信号输出脚输出高电平；当霍尔元件为双极性时，主控芯片131在第一信号输入脚为高电平时第一信号输出脚输出高电平，第二信号输入脚为低电平时第二信号输出脚输出低电平，第一信号输入脚为低电平时第一信号输出脚输出低电平，第二信号输入脚为高电平时第二信号输出脚输出高电平。当永磁转子启动运转后，霍尔元件32的信号输出脚的高低电平不断的变化，霍尔元件32输出脚的变化频率与永磁转子的转动频率同步，当检测转子堵转或者转速异常的时候，主控芯片131输出保护信号，使水泵进入保护状态。

本实用新型还提供一种包括上述控制电路的潜水泵，该具自保护功能的潜水泵包括泵体、叶轮室、叶轮，所述泵体内设置定子容置腔和转子容置腔，定子和永磁转子分别安装于定子容置腔和转子容置腔内，还包括控制所述永磁转子转动的控制电路，所述控制电路包括整流电路、驱动电路以及保护电路，其中所述整流电路的输出端包括连接驱动电路的高压直流端，所述保护电路包括用于检测所述永磁转子转速的转速检测单元以及在永磁转子转子异常时使驱动电路停止输出的主控芯片。

本实用新型的控制电路通过将输入的单相交流电源进行整流并同时将线圈绕组由传统的单绕改成并行双绕，且两根线缆中第一线缆的始端与第二线缆的末端连接到一起组成公共端并连接到整流滤波电路的高压直流输出端，第一线缆的末端与第二线缆的始端分别连接到两组三极管（场效应管）的输入端，两组线圈分别由两组独立的功率管驱动电路驱动。此外，主控芯片根据霍尔元件位置信号进行逻辑分析处理，产生控制信号，输出两路电压方向相反的控制信号，驱动对应的两路功率管，使两组线圈绕组交替导通，使永磁转子在N极或者是在S极时分别由对应的电压来驱动相对应的马达线圈绕组，驱动功率管控制线圈绕组中的电流方向，从而实现交流水泵的定向启动和运转。

本实用新型还通过检测霍尔元件的信号，从而检测永磁转子运转的状态，当永磁转子转动异常（例如堵转或无水空转）时，使潜水泵处于保护状态。大大的提高了水泵的安全性。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 

Claims (10)

1.一种潜水泵控制电路，用于控制潜水泵的永磁转子的转动，其特征在于，包括整流电路、驱动电路以及保护电路，其中所述整流电路的输出端包括连接驱动电路的高压直流端，所述驱动电路包括分别由两根线缆并行绕制而成的线圈以及两路电子功率开关电路，所述两根线缆在定子的两个铁芯臂上绕制方向相反且两根线缆的一端分别连接所述高压直流端、另一端分别连接所述两路电子功率开关电路的两个输出端中的一个，所述保护电路包括用于检测永磁转子转速的转速检测单元以及在所述永磁转子转子异常时使驱动电路停止输出的主控芯片，所述转子转速检测单元位于永磁转子磁场径向的外围且避开永磁转子静态时N/S磁极分界线，该转子转速检测单元的输出端连接到主控芯片，所述两路电子功率开关电路的输入端分别连接到主控芯片的第一信号输出引脚和第二输出引脚。

2.根据权利要求1所述的潜水泵控制电路，其特征在于，所述定子包括至少一对铁芯且每一对铁芯包括两个对称设置的铁芯臂，所述两根以并行的方式缠绕在所述定子的每一铁芯臂上形成线圈且相邻铁芯臂上的线圈的绕制方向相反，所述永磁转子包括与所述铁芯臂数量相同的磁块且相邻磁块的极性相反，所述两根线缆中第一线缆的始端与第二线缆的末端连接在一起组成公共端并连接到驱动电路的高压直流端，第一线缆的末端与第二线缆的始端分别连接到两路电子功率开关电路的一个输出端。

3.根据权利要求1所述的潜水泵控制电路，其特征在于，所述转速检测单元为单极性型霍尔元件，在所述主控芯片的信号输入端为高电平时第一信号输出脚输出高电平、第二信号输出脚输出低电平，并在信号输入脚为低电平时，第一信号输出脚输出低电平，第二信号输出脚输出高电平。

4.根据权利要求1所述的潜水泵控制电路，其特征在于，所述转速检测单元为双极性型霍尔元件，所述霍尔元件的输出端分别连接到所述主控芯片的第一信号输入引脚和第二信号输入引脚，所述主控该芯片在第一信号输入脚为高电平时第一信号输出脚输出高电平，第二信号输入脚为低电平时第二信号输出脚输出低电平，第一信号输入脚为低电平时第一信号输出脚输出低电平，第二信号输入脚为高电平时第二信号输出脚输出高电平。

5.一种具自保护功能的潜水泵，包括泵体、叶轮室、叶轮，所述泵体内设置定子容置腔和转子容置腔，定子和永磁转子分别安装于定子容置腔和转子容置腔内，其特征在于，还包括控制所述永磁转子转动的控制电路，所述控制电路包括整流电路、驱动电路以及保护电路，其中所述整流电路的输出端包括连接驱动电路的高压直流端，所述驱动电路包括分别由两根线缆并行绕制而成的线圈以及两路电子功率开关电路，所述两根线缆在定子的两个铁芯臂上绕制方向相反且两根线缆的一端分别连接所述高压直流端、另一端分别连接所述两路电子功率开关电路的两个输出端中的一个，所述保护电路包括用于检测所述永磁转子转速的转速检测单元以及在永磁转子转子异常时使驱动电路停止输出的主控芯片，所述转子转速检测单元位于永磁转子磁场径向的外围且避开永磁转子静态时N/S磁极分界线，该转子转速检测单元的输出端连接到主控芯片，所述两路电子功率开关电路的输入端分别连接到主控芯片的第一信号输出引脚和第二输出引脚。

6.根据权利要求5所述的具自保护功能的潜水泵，其特征在于，所述定子包括至少一对铁芯且每一对铁芯包括两个对称设置的铁芯臂，所述两根以并行的方式缠绕在所述定子的每一铁芯臂上形成线圈且相邻铁芯臂上的线圈的绕制方向相反，所述永磁转子包括与所述铁芯臂数量相同的磁块且相邻磁块的极性相反，所述两根线缆中第一线缆的始端与第二线缆的末端连接在一起组成公共端并连接到驱动电路的高压直流端，第一线缆的末端与第二线缆的始端分别连接到两路电子功率开关电路的一个输出端。

7.根据权利要求5所述的具自保护功能的潜水泵，其特征在于，所述整流电路还包括低压输出端，所述低压输出端连接到转速检测单元及主控芯片。

8.根据权利要求5所述的具自保护功能的潜水泵，其特征在于，所述电子功率开关电路包括功率三极管，所述功率三极管的集电极、发射极分别串联接入定子的两组线圈绕组、控制极经由功率三极管连接到主控芯片的信号输出引脚；或者所述电子功率开关电路包括场效应管，所述场效应管的D极、S极分别串联接入交流电机定子的两组线圈绕组、控制极经由三极管连接到主控芯片的信号输出引脚。

9.根据权利要求5所述的具自保护功能的潜水泵，其特征在于，所述转速检测单元为单极性型霍尔元件，在所述主控芯片的信号输入端为高电平时第一信号输出脚输出高电平、第二信号输出脚输出低电平，并在信号输入脚为低电平时，第一信号输出脚输出低电平，第二信号输出脚输出高电平。

10.根据权利要求5所述的具自保护功能的潜水泵，其特征在于，所述转速检测单元为双极性型霍尔元件，所述霍尔元件的输出端分别连接到所述主控芯片的第一信号输入引脚和第二信号输入引脚，所述主控该芯片在第一信号输入脚为高电平时第一信号输出脚输出高电平，第二信号输入脚为低电平时第二信号输出脚输出低电平，第一信号输入脚为低电平时第一信号输出脚输出低电平，第二信号输入脚为高电平时第二信号输出脚输出高电平。

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