CN206790386U - 潜水泵专用开关磁阻电机调速系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种潜水泵电机控制系统，具体涉及一种潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，包括开关磁阻电机、控制器和功率电路，所述控制器输出端连接功率电路输入端，功率电路输出端连接开关磁阻电动机，所述开关磁阻电机对应设有位置传感组件和电流传感组件，所述位置传感组件和电流传感组件均连接至控制器输入端，所述位置传感组件包括顺次连接的检测部、发送部、传送部和接收部，所述发送部采用平衡驱动器，所述传送部采用工业双绞线，所述接收部采用差分接收器。本实用新型调速系统，调速范围广，工作效率高，节能效果好，实现信号的远距离、高可靠传输，实现水泵的智能化数字化。

Description

潜水泵专用开关磁阻电机调速系统

技术领域

本实用新型涉及一种潜水泵电机控制系统，具体涉及一种潜水泵专用开关磁阻电机调速系统。

背景技术

潜水泵是泵体和电动机可浸入水中工作的排水机械。潜水泵被广泛地应用于城市、工厂、铁路、矿山、工地和农田灌溉等供排水场合。电动机俗称马达，是一种将电能转化成机械能，并可再使用机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备。一般电动机的速度是固定不变的，但在实际使用过程中，电机额定功率与拖动设备运行功率不匹配问题，容易出现“大马拉小车”的问题，因此进行调速驱动改造是非常有必要的。

开关磁阻电机是一种新型调速电动机。在潜水泵不能满负荷运行时，采用开关磁阻调速系统，降低电动机转速，使电动机转速与潜水泵当前工况相匹配，节约能耗，提高工作效率。然而，由于潜水泵所处工况的特殊性和复杂性，普通的开关磁阻电机难以直接应用潜水泵调速系统中。

位置传感组件是开关磁阻电机的关键组成部分。该传感器主要完成定转子位置信息传送的功能。目前的实际应用中，有两种形式：一种采用光耦作为核心元器件完成信号的采集，一种采用霍尔磁传感作为核心元器件完成信号的采集。不论是光耦还是霍尔形式，都是将元器件焊接在线路板上，另外辅助其他的一些电子元器件，组成信号处理电路。在电机上做一个密闭的传感器结构，将线路板固定里面，实现信号的采集处理。电路一般采用一个标准直流电压作为电源。在线路板上完成位置信号处理后，通过屏蔽线传输到控制器。

作为开关磁阻电机的关键组成部分，上述结构存在一些不足：

1)目前通用的传感器，为了克服EMI干扰，一般采用屏蔽线，对于一些工业现场，造成了使用上的不方便；

2)目前通用的传感器，抗干扰能力较低，考虑工作的可靠性，一般要求传输距离不大于20米，而在一些工业现场，控制器和电机距离较远，远超过上述距离，在这种情况下，目前的传感器就不能使用了。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于：提供一种潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，调速系统，调速范围广，工作效率高，节能效果好，实现信号的远距离、高可靠传输。

本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案为：

所述潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，包括开关磁阻电机、控制器和功率电路，所述控制器输出端连接功率电路输入端，功率电路输出端连接开关磁阻电动机，所述开关磁阻电机对应设有位置传感组件和电流传感组件，所述位置传感组件和电流传感组件均连接至控制器输入端，所述位置传感组件包括顺次连接的检测部、发送部、传送部和接收部，所述发送部采用平衡驱动器，所述传送部采用工业双绞线，所述接收部采用差分接收器。

对开关磁阻电机某相绕组通电，将产生一个使临近转子齿与该相定子齿相重合的电磁转矩。顺序对各项绕组通电，例如，A-B-C-A……，则可使转子连续转动。改变通电顺序，例如，A-C-B-A……，则可改变开关磁阻电机的转矩。在定、转子极相接近时对集中绕组通电，可实现开关磁阻电机运动；在定、转子极相离开时通电，则可实现制动运动。通过位置传感组件可精确检测开关磁阻电机转子与定子的相对位置及转子的转速转向，由此准确控制开关磁阻电机的运行。使用时，通过位置传感组件检测开关磁阻电机当前转速和瞬时位置，电流传感组件检测开关磁阻电机当前工作电流，检测结果均传送至控制器，控制器根据接收到的开关磁阻电机实际工作情况连续调节其输出信号，以通过功率电路改变开关磁阻电机的各相绕组通电时刻，使之达到规定的运行要求，例如转向、转矩、转速、电动与制动等，并处于最佳工作状态，工作稳定，抗干扰强、响应快。传送部采用工业双绞线，长度最长可达1200米，发送部采用了平衡驱动器，接收部采用了差分接收器，发送部和接收部没有公共参考端，具备很强的抗噪声干扰性，可靠性很高，可实现信号的远距离传输，适用于开关磁阻电机和控制器距离较远的情况。

其中，优选方案为：

所述开关磁阻电机包括转子和定子，所述定子由硅钢片叠压而成，包括相间设置的12个定子齿和12定子槽，定子每个极上均绕有集中绕组，在定子圆周上均匀分布有3组4个集中绕组，每组4个集中绕组串联为一相绕组；所述转子由硅钢片叠压而成，包括相间设置的8个转子齿和8个转子槽，开关磁阻电机为三相电机，定、转子均由硅钢片叠压而成，结构紧凑，而且转子没有绕组，简化制作工艺，可以适应高转速，定子线圈集中绕组，嵌放容易，工作可靠不易损坏，能适应各种恶劣、高温甚至强震动环境，电机铁损铜损少效率高。

所述开关磁阻电机还包括机壳，所述定子固定在机壳内，所述转子压接在转轴上，机壳两端分别设置前端盖和后端盖，转轴伸出后端盖连接叶轮，后端盖上设置位置传感组件，后端盖和叶轮之间对应位置传感组件设置感应齿盘；使用时，位置传感组件和感应齿盘与控制器配合使用，用于正确的判断和决定开关磁阻电机定子各相绕组的导通和关断时刻，确保开关磁阻电机的正常工作。

所述定子槽内相邻两组集中绕组设置相绝缘，集中绕组和定子之间设置槽绝缘。

所述检测部采用光电元件或霍尔元件，感应齿盘设有若干个感应齿，每个感应齿上对应检测部设置感应件，转轴旋转过程中，感应齿上的每个感应件都有自己的编号，不同的感应件感应信号时对应不同的开关磁阻电机转子与定子的相对位置，从而对开关磁阻电机定子各相绕组的导通和关断时刻进行正确判断。

所述感应齿盘对应设有防尘环，防止外界扬尘污染位置传感组件和感应齿盘，提高设备工作准确度。

所述功率电路包括三相整流器V、电容器C、IGBT功率开关和续流二极管，三相整流器V输出端连接至电容C，六个IGBT功率开关TA、TA’、TB、TB’、TC、TC’和续流二极管DA、DA’、DB、DB’、DC、DC’组成三相可独立工作的半桥式逆变电路；三相交流电源经三相整流器V转换为直流电源，当一相功率开关(如TA、TA’)导通是，经端子(A1、A2)箱电动机绕组(A组)通电。当功率开关(如TA、TA’)关断时，该绕组通过续流二极管(DA、DA’)向电容C续流和回馈能量，并使电流迅速降至0.这里功率开关通开关磁阻电机绕组相串联，避免了桥式逆变电路易发生上小桥臂元件直通短路的危险，故工作可靠性高，保护电路也可简化，所有功率元件可安装在散热板上，结构紧凑，散热效果好。

所述潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，还包括显示模块和控制按键，显示模块和控制按键均连接至控制器，开关磁阻电机的运行参数(如转速等)及故障情况可通过显示模块进行显示，可通过控制按键对开关磁阻电机进行控制操作，控制按键可包括正转按钮、反转按钮、急停按钮和启动按钮等。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1.效率高，节能效果。在所有的调速和功率范围内，该调速系统整体效率比交流异步电动机变频调速系统(简称变频调速)至少3％以上，在低速工作状态下其效率能够提高10％以上。与直流调速、串流调速、电磁调速等系统相比，该调速系统节电效果更明显，节电率一般在20-50％。

2.起动转矩大，特别适合于那些需要重载起动和负载变化明显并且频繁的场合。该调速系统控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧可得到较大的起动转矩，起动转矩达额定转矩的150％，起动电流仅为额定电流的30％，比之交流电动机的300％电流获得100％的转矩性能，有时非常明显。

3.调速范围广。开关磁阻电机可以在低速下长期运行。由于效率高，在低速下的温升程度比额定工况时还要低，解决了变频调速低速运行下电机发热问题。此外，该调速系统电动机最高转速不会像交流电动机那样受极数的限制，可以根据实际需要灵活地设定最高转速。

4.可频繁正、反转，频繁起动、停止，因此，非常适合潜水泵、龙门刨床、可逆轧机、油田抽油机等应用场合。

5.起动电流小，避免了对电网的冲击。该调速系统具有软起动特性，没有普通交流电动机起动电流大于额定电流5--7倍现象。

6.功率因数高，不需要加装无功率补偿装置。普通交流电动机空载时的功率因素在0.2--0.4之间，满载在0.8--0.9之间；而开关磁阻电机调速系统在空载和满载下的功率因素均大于0.98.

7.电机结构简单、牢固、制造工艺简单，成本低。工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。

8.缺相与过负载时仍可工作。出现电源缺相、电机或控制器任一相出现故障时，电动机输出功率减小，但仍然可以运行。当系统超过额定负载120％以上时，转速只会下降，而不会烧毁电机和控制器。

9.由于控制器中功率电路与电机绕组串联，不会出现变频调速系统功率变换器可能出现的直通故障，可靠性大为提高。

10.可实现四象限运行，额定转速下为恒转矩特性，超过额定转速表现为恒功率特性。

11.具备很强的抗噪声干扰性，可靠性很高，可实现信号的远距离传输，适用于开关磁阻电机和控制器距离较远的情况。

附图说明

图1是实施例1开关磁阻电机内部结构正视图。

图2是实施例1开关磁阻电机内部结构左视图。

图3是实施例1感应齿盘和检测部结构示意图。

图4是实施例1功率电路原理图。

图5发送部、传送部和接收部连接示意图。

图中：1、定子；2、转子；3、集中绕组；4、机壳；5、转轴；6、前端盖；7、后端盖；8、叶轮；9、位置传感组件；10、感应齿盘；11、感应件；12、防尘环；13、检测部；14、发送部；15、传送部；16、接收部。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例做进一步描述：

实施例1：

本实施例所述潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，包括开关磁阻电机、控制器和功率电路，所述控制器输出端连接功率电路输入端，功率电路输出端连接开关磁阻电动机，所述开关磁阻电机对应设有位置传感组件9和电流传感组件，所述位置传感组件9和电流传感组件均连接至控制器输入端，如图5所示，所述位置传感组件9包括顺次连接的检测部13、发送部14、传送部15和接收部16，所述发送部14采用平衡驱动器，所述传送部15采用工业双绞线，所述接收部16采用差分接收器。

如图1-3所示，开关磁阻电机包括定子1和转子2，所述定子1由硅钢片叠压而成，包括相间设置的12个定子齿和12个定子槽，定子1每个极上均绕有集中绕组3，在定子1圆周上均匀分布有3组4个集中绕组3，每组4个集中绕组3串联为一相绕组；所述转子2由硅钢片叠压而成，包括相间设置的8个转子齿和8个转子槽，开关磁阻电机为三相电机，定、转子均由硅钢片叠压而成，结构紧凑，而且转子2没有绕组，简化制作工艺，可以适应高转速，定子1的线圈设置集中绕组3，嵌放容易，工作可靠不易损坏，能适应各种恶劣、高温甚至强震动环境，电机铁损铜损少效率高。

图2中示出12个磁极，分别为A11-A14、B11-B14、C11-C14，其中4个A(4个B、4个C)在圆周上均匀分布，其上的集中绕组3相互串联成一相绕组，整个电动机有A、B、C三相绕组；所述定子1固定在机壳4内，所述转子2压接在转轴5上，机壳4两端分别设置前端盖6和后端盖7，转轴5伸出后端盖7连接叶轮8，后端盖7上设置位置传感组件9，后端盖7和叶轮8之间对应位置传感组件9设置感应齿盘10；使用时，位置传感组件9和感应齿盘10与控制器配合使用，用于正确的判断和决定开关磁阻电机定子1各相绕组的导通和关断时刻，确保开关磁阻电机的正常工作；定子槽内相邻两组集中绕组3设置相绝缘，集中绕组3和定子1之间设置槽绝缘；检测部13采用光电元件或霍尔元件，感应齿盘10设有若干个感应齿，每个感应齿上对应检测部13设置感应件11，转轴5旋转过程中，感应齿上的每个感应件11都有自己的编号，不同感应件11感应信号时对应不同的开关磁阻电机转子2与定子1的相对位置，从而对开关磁阻电机定子1各相绕组的导通和关断时刻进行正确判断；感应齿盘10对应设有防尘环12，防止外界扬尘污染位置传感组件9和感应齿盘10，提高设备工作准确度；位置传感组件9固定在传感器电路板13上，传感器电路板13固定在后端盖7上，位置传感组件9工作电路印刷在传感器电路板13上。

如图4所示，功率电路包括三相整流器V、电容器C、IGBT功率开关和续流二极管，三相整流器输出端连接至电容C，六个IGBT功率开关TA、TA’、TB、TB’、TC、TC’和续流二极管DA、DA’、DB、DB’、DC、DC’组成三相可独立工作的半桥式逆变电路；三相交流电源经三相整流器V转换为直流电源，当一相功率开关(如TA、TA’)导通时，经端子(A1、A2)箱电动机绕组(A组)通电。当功率开关(如TA、TA’)关断时，该绕组通过续流二极管(DA、DA’)向电容C续流和回馈能量，并使电流迅速降至0。这里功率开关同开关磁阻电机绕组相串联，避免了桥式逆变电路易发生上小桥臂元件直通短路的危险，故工作可靠性高，保护电路也可简化，所有功率元件可安装在散热板上，结构紧凑，散热效果好。

上述潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，还包括显示模块和控制按键，显示模块和控制按键均连接至控制器，开关磁阻电机的运行参数(如转速等)及故障情况可通过显示模块进行显示，可通过控制按键对开关磁阻电机进行控制操作，控制按键可包括正转按钮、反转按钮、急停按钮和启动按钮等。

对开关磁阻电机某相绕组通电，将产生一个使临近转子齿与该相定子齿相重合的电磁转矩。顺序对各项绕组通电，例如，A-B-C-A……，则可使转子连续转动。改变通电顺序，例如，A-C-B-A……，则可改变开关磁阻电机的转矩。在定、转子极相接近时对集中绕组通电，可实现开关磁阻电机运动；在定、转子极相离开时通电，则可实现制动运动。通过位置传感组件9可精确检测开关磁阻电机转子2与定子1的相对位置及转子2的转速转向，由此准确控制开关磁阻电机的运行。

发送部14主要由发送器SD1,电阻R1组成；SD1采用集成电路DS75176B，MAX481，MAX490，MAX491，MAX1497等型号；图5中，Ain为信号输入，为电压信号，高为逻辑1，低为逻辑0，以GD1为参考点；A+,A-为发送部14的输出，当A+大于A-，且数值在+2V～+6V时，才能作为逻辑1；当A+小于A-，且数值在-2V～-6V时，才能作为逻辑0；其他状态，都是无效状态；R1为电阻，范围为20～1000Ω，两端接在发送部14输出信号A+,A-之间；所述传送部15采用工业双绞线，所述接收部16采用差分接收器，主要由接收器RC1,电阻R2组成；RC1采用集成电路DS75176B，MAX481，MAX490，MAX491，MAX1497等型号；图5中，接收部16的+端连接从双绞线的A+,接收部16的-端连接从双绞线的A-，当A+时，才能作为逻辑0；其他状态，都是无效状态；R2为电阻，范围为20～1000Ω，两端接在接收部16输入信号A+,A-之间；Aout为信号输出，为电压信号，高为逻辑1，低为逻辑0，以GD2为参考点。

传送部15采用工业双绞线，长度最长可达1200米，发送部14采用了平衡驱动器，接收部16采用了差分接收器，发送部14和接收部16没有公共参考端，具备很强的抗噪声干扰性，可靠性很高，可实现信号的远距离传输，适用于开关磁阻电机和控制器距离较远的情况。

使用时，通过位置传感组件9检测开关磁阻电机当前转速和瞬时位置，电流传感组件检测开关磁阻电机当前工作电流，检测结果均传送至控制器，控制器根据接收到的开关磁阻电机实际工作情况连续调节其输出信号，以通过功率电路改变开关磁阻电机的各相绕组通电时刻，使之达到规定的运行要求，例如转向、转矩、转速、电动与制动等，并处于最佳工作状态，工作稳定，抗干扰强、响应快。

Claims (8)

1.一种潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，其特征在于，包括开关磁阻电机、控制器和功率电路，所述控制器输出端连接功率电路输入端，功率电路输出端连接开关磁阻电动机，所述开关磁阻电机对应设有位置传感组件(9)和电流传感组件，所述位置传感组件(9)和电流传感组件均连接至控制器输入端，所述位置传感组件(9)包括顺次连接的检测部(13)、发送部(14)、传送部(15)和接收部(16)，所述发送部(14)采用平衡驱动器，所述传送部(15)采用工业双绞线，所述接收部(16)采用差分接收器。

2.根据权利要求1所述的潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，其特征在于，所述开关磁阻电机包括转子(2)和定子(1)，所述定子(1)由硅钢片叠压而成，包括相间设置的12个定子齿和12定子槽，定子(1)每个极上均绕有集中绕组(3)，在定子(1)圆周上均匀分布有3组4个集中绕组(3)，每组4个集中绕组(3)串联为一相绕组；所述转子(2)由硅钢片叠压而成，包括相间设置的8个转子齿和8个转子槽。

3.根据权利要求2所述的潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，其特征在于，所述开关磁阻电机还包括机壳(4)，所述定子(1)固定在机壳(4)内，所述转子(2)压接在转轴(5)上，机壳(4)两端分别设置前端盖(6)和后端盖(7)，转轴(5)伸出后端盖(7)连接叶轮(8)，后端盖(7)上设置检测部(13)，后端盖(7)和叶轮(8)之间对应检测部(13)设置感应齿盘(10)。

4.根据权利要求2所述的潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，其特征在于，所述定子槽内相邻两组集中绕组(3)设置相绝缘，集中绕组(3)和定子(1)之间设置槽绝缘。

5.根据权利要求3所述的潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，其特征在于，所述检测部(13)采用光电元件或霍尔元件，感应齿盘(10)设有若干个感应齿，每个感应齿上对应检测部(13)设置感应件(11)。

6.根据权利要求5所述的潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，其特征在于，所述感应齿盘(10)对应设有防尘环(12)。

7.根据权利要求1所述的潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，其特征在于，所述功率电路包括三相整流器V、电容器C、IGBT功率开关和续流二极管，三相整流器V输出端连接至电容C，六个IGBT功率开关TA、TA’、TB、TB’、TC、TC’和续流二极管DA、DA’、DB、DB’、DC、DC’组成三相可独立工作的半桥式逆变电路。

8.根据权利要求1所述的潜水泵专用开关磁阻电机调速系统，其特征在于，还包括显示模块和控制按键，显示模块和控制按键均连接至控制器。