一種永磁同步電動機驅(qū)動的小型離心泵的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種永磁同步電動機驅(qū)動的小型離心栗，尤其涉及其機械結(jié)構(gòu)、電磁結(jié)構(gòu)和控制方法的配合；在國際專利分類表中，分類屬于F04D25/06或F04D27/00。
【背景技術】
[0002]小型離心栗使用量大面廣，運行時間長，亟需制造低成本和運行節(jié)能。針對傳統(tǒng)小型離心栗使用異步電動機驅(qū)動以至效率偏低的情況，現(xiàn)有技術提出改由永磁同步電動機直接驅(qū)動而節(jié)能且體積較小，并在預定的旋轉(zhuǎn)方向上有較佳的啟動和運轉(zhuǎn)性能，成本較低，但該電動機需要設置單獨的轉(zhuǎn)子位置檢測元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是，提出一種小型離心栗，可由永磁同步電動機直接驅(qū)動而節(jié)能且體積較小，并在預定的旋轉(zhuǎn)方向上有較佳的啟動和運轉(zhuǎn)性能，但可以無需設置單獨的轉(zhuǎn)子位置檢測元件，因而降低成本。
[0004]本發(fā)明解決所述技術問題的技術方案是，一種永磁同步電動機驅(qū)動的小型離心栗，包括:
[0005]——按照預定方向旋轉(zhuǎn)的離心式葉輪；
[0006]—一直接驅(qū)動所述葉輪的電動機，定子的繞組按規(guī)定繞向接往交流電源；電動機轉(zhuǎn)子為永磁轉(zhuǎn)子，其極數(shù)與定子的極數(shù)相同；所述定子與轉(zhuǎn)子間氣隙的寬度于每一極下沿設定的旋轉(zhuǎn)方向收窄，因而在自由狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子各極的軸線以最靠近的定子一極的軸線為參照，沿設定的旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)一銳角角度；
[0007]—一具有一開關，交流電源經(jīng)該開關向電動機定子的繞組供電；
[0008]——具有一控制電路，控制所述開關的通斷；
[0009]其特征在于:
[0010]一一電動機定子的極數(shù)為2極，葉輪直徑不大于60mm ;或者電動機定子的極數(shù)為4極，葉輪直徑不大于10mm ；
[0011]—一控制電路；包括檢測電路和內(nèi)置程序，該內(nèi)置程序含按檢測到的信號驅(qū)動所述開關以控制所述交流電源輸入所述繞組的電流的起動控制步驟；所述步驟包括:
[0012]a)接通所述開關，使所述交流電源I個半波電壓按規(guī)定導通角施加于所述繞組，并檢測因此在所述繞組產(chǎn)生的電流；
[0013]b)若所述電流符合規(guī)定，所述開關隨即持續(xù)按所述交流電源周期和規(guī)定導通角接通，電動機進入同步運行；否則，經(jīng)一足以使所述轉(zhuǎn)子可靠停止的時間后，從步驟a)開始重復上述過程。
[0014]驅(qū)動離心栗葉輪的永磁同步電動機的起動可設計在主磁通軸線的相反方向與永磁磁通軸線相交為所述銳角角度時接通此時的交流電源半波，轉(zhuǎn)子磁極即被與其最靠近的定子磁極沿設定旋轉(zhuǎn)方向推斥，因而使電動機按設定的旋轉(zhuǎn)方向起動，這正是離心栗葉輪所需要的。若此時改為接通相反極性的交流電源半波，主磁通軸線的方向即調(diào)反，直接與永磁磁通軸線相交為所述銳角角度，轉(zhuǎn)子磁極即改為被與其最靠近的定子磁極沿設定旋轉(zhuǎn)方向的相反方向吸引，因而使電動機按設定的旋轉(zhuǎn)方向的相反方向起動，這是離心栗葉輪所不允許的。對上述情況，本技術方案基于鐵磁飽和原理，巧妙地發(fā)現(xiàn)和利用永磁磁通與主磁通方向相同時對鐵磁路增磁使電動機電感下降以至電流增加和反之則電流減少該現(xiàn)象，以此電流差異判斷、調(diào)整電動機牽入同步運行的準備狀態(tài)，達到電動機及其驅(qū)動的離心栗葉輪必須的定向起動，因而可以無需設置單獨的轉(zhuǎn)子位置檢測元件，因而降低成本。
[0015]尤其是，本技術方案降低了現(xiàn)有技術驅(qū)動小型離心栗的永磁同步電動機起動控制程序的復雜性和對元器件的快速響應性能及電路布置的電磁兼容要求，因而成本降低且產(chǎn)品性能更穩(wěn)定。
[0016]本技術方案“所述電流符合規(guī)定”即以所述“電流差異”為基礎，通過在線檢測判定或以實驗統(tǒng)計確定的規(guī)定值判定。對于在線檢測，所述步驟具體為:
[0017]一一接通所述開關使所述交流電源至少2個半波電壓按規(guī)定導通角施加于所述繞組，所述各個半波電壓間隔一足以使所述轉(zhuǎn)子可靠停止的時間；檢測因此在所述繞組產(chǎn)生的各個電流，在各個電流的數(shù)值呈現(xiàn)明顯的大小之分和出現(xiàn)較小的電流后，即所述電流符合規(guī)定，所述開關隨即持續(xù)按所述交流電源周期和規(guī)定導通角接通，電動機進入同步運行。
[0018]所述步驟進一步具體為:
[0019]接通所述開關，使所述交流電源第I個半波電壓按規(guī)定導通角施加于所述繞組，并檢測因此在所述繞組產(chǎn)生的第I電流，經(jīng)一足以使所述轉(zhuǎn)子可靠停止的時間后，所述交流電源另I個半波電壓按規(guī)定導通角施加于所述繞組，并檢測因此在所述繞組產(chǎn)生的第2電流；
[0020]—一若第2電流明顯小于第I電流，即所述電流符合規(guī)定，所述開關隨即持續(xù)按所述交流電源周期和規(guī)定導通角接通，電動機進入同步運行；
[0021]—一否則，經(jīng)一足以使所述轉(zhuǎn)子可靠停止的時間后，使所述交流電源再I個半波電壓按規(guī)定導通角施加于所述繞組，并檢測因此在所述繞組產(chǎn)生的第3電流；
[0022]—一若第3電流明顯小于之前各電流或接近之前各電流中的較小者，即所述電流符合規(guī)定，所述開關隨即持續(xù)按所述交流電源周期和規(guī)定導通角接通，電動機進入同步運行；
[0023]—一否則，經(jīng)一足以使所述轉(zhuǎn)子可靠停止的時間后，使所述交流電源再I個半波電壓按規(guī)定導通角施加于所述繞組，并檢測因此在所述繞組產(chǎn)生的第4電流；
[0024]—一若第4電流明顯小于之前各電流或接近之前各電流中的較小者，即所述電流符合規(guī)定，所述開關隨即持續(xù)按所述交流電源周期和規(guī)定導通角接通，電動機進入同步運行；
[0025]……，如此重復，直至因此在所述繞組產(chǎn)生的電流明顯小于之前各電流或接近之前各電流中的較小者，即所述電流符合規(guī)定，所述開關隨即持續(xù)按所述交流電源周期和規(guī)定導通角接通，電動機進入同步運行。
[0026]以在線檢測進行控制，可降低對產(chǎn)品及其所帶負載一致性的要求。
[0027]上述技術方案的進一步設計之一是:所述電流為電源各周期中相同規(guī)定時刻的瞬時值，且該規(guī)定時刻最好不大于所述交流電源1/8周期。轉(zhuǎn)子由于其慣性通常在所述開關接通后交流電源1/8周期周期該短時間內(nèi)未明顯改變位置，因而保持對鐵磁路飽和以至電流差異的影響，且可以有更快的響應，更好地實施離心栗的定向起動控制。
[0028]上述技術方案的進一步設計之二是:所述各交流電源半波電壓均為同極性或正、負半波交替。前者有利于避免轉(zhuǎn)子磁極一致性的影響，后者有利于防止轉(zhuǎn)子總是處于不利的啟動位置。
[0029]本發(fā)明的技術方案和效果將在【具體實施方式】中結(jié)合附圖作進一步的說明。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明實施例離心栗電動機電磁基本結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是本發(fā)明實施例離心栗電動機控制電路示意圖；
[0032]圖3是本發(fā)明實施例離心栗電動機a、c起動情況信號波形示意圖；
[0033]圖4是本發(fā)明實施例離心栗電動機d、b起動情況信號波形示意圖；
[0034]圖5是本發(fā)明實施例離心栗電動機e起動情況信號波形示意圖。
[0035]圖6是本發(fā)明實施例離心栗基本機械結(jié)構(gòu)主視圖。
【具體實施方式】
[0036]本發(fā)明實施例離心栗基本機械結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括:
[0037]固定于機殼的電動機2;
[0038]—一直接連接于該電動機輸出軸逆時針旋轉(zhuǎn)的軸流式葉輪1，其具有4個葉片；按風壓要求，葉片數(shù)也可以為3、5或6，但最好不要多于8片，且盡可能為奇數(shù)片，以降低振動噪聲。葉輪為注塑成型，直徑100_。葉輪不宜更大，轉(zhuǎn)動慣量宜盡量小，以配合電動機2仍不太大的啟動力矩；
[0039]--電動機2為內(nèi)轉(zhuǎn)子電動機，包括定子100和永磁轉(zhuǎn)子200。
[0040]本發(fā)明實施例離心栗的電動機電磁基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括:
[0041]一一轉(zhuǎn)子200，是其截面以二條相互垂直的對稱軸400分隔為4個對稱的90°的扇形并各徑向充磁為N、S、N、S的4極永磁轉(zhuǎn)子；
[0042]——定子100由具有4個凸極的圓形鐵芯101和繞組12組成；繞組12是在4個凸極各繞一具有絕緣框架的線圈元件，然后按繞向串聯(lián)連接為4極，并因而在通電時產(chǎn)生4極的穿越定轉(zhuǎn)子之間氣隙的主磁通；
[0043]—一定子鐵芯101各凸極與轉(zhuǎn)子200間氣隙的寬度沿逆時針方向漸變收窄；因此在自由狀態(tài)即不通電和無外部氣流以及旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)良好的情況下，轉(zhuǎn)子200受定子鐵芯吸弓丨，各極的幾何軸線即穿越定轉(zhuǎn)子之間氣隙的永磁磁通軸線700、800分別以相鄰定子凸極的幾何軸線即穿越定轉(zhuǎn)子之間氣隙的主磁通軸線500、600為參照，沿逆時針方向偏轉(zhuǎn)一較小的銳角Ω。本實施例設計該機械角為5°(電角度10°)。該角度可隨漸變收窄的比例而改變，并影響啟動轉(zhuǎn)矩和效率。該設計可避免在自由狀態(tài)下轉(zhuǎn)子停留于其軸線與定子凸極的軸線重合而使通電時啟動轉(zhuǎn)矩為零的所謂“死點”位置，所形成的磁阻轉(zhuǎn)矩還有利于防止運轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)子于交流電流過零時不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而停轉(zhuǎn)；
[0044]本發(fā)明實施例離心栗電動機控制電路如圖3所示，包括:
[0045]—一雙向晶閘管4，其主電極與繞組12串聯(lián)后接往交流電源端子5 ;[0046]--單片機6，其輸出電路63接往雙向晶閘管4的觸發(fā)極41，若輸出脈沖即觸發(fā)晶閘管4導通，此時的交流電源半波電壓即開始施加于輸入繞組12直至該半波過零結(jié)束，與該電壓同步和有所滯后的脈沖電流輸入繞組12。
[0047]一一由電阻7和二極管8、9以及5V直流電源VDD組成的整形電路，其輸入接往交流電源端子5，輸出B在交流電源端子5的電壓極性正半波時為I而負半波時為0，且輸出B由I變?yōu)镺或由O變?yōu)镮的時刻即交流電源電壓過零點。輸出B接往單片機6的輸入電路61，向其提供交流電源過零點信號。
[0048]一一繞組12的一端經(jīng)電阻13接公共地，該電阻是檢測通過繞組12的電流的取樣電阻；繞組12與電阻13的連接點經(jīng)轉(zhuǎn)換電路621接往單片機的輸入電路62，用于檢查通過繞組12的電流在電阻13的電壓降并以此確定通過繞組12的電流。
[0049]上述轉(zhuǎn)換電路621可設計為隔離鉗位電路:
[0050]一一取樣變壓器初級連接被測交流電壓，次級疊加一個高于被測交流電壓峰值的恒定直流電壓后輸入單片機，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換即可確定交流電壓的瞬時值。當然，也可選用含上述功能和單片機的芯片代替單片機6和轉(zhuǎn)換電路621。此外，也可以電流互感器取代電阻13和取樣變壓器獲得通過繞組12的電流的取樣，可因此減少檢測電路的功率消耗。
[0051]單片機6內(nèi)置程序主要按照設定步驟檢查輸入電路61、62的電平，經(jīng)測量、比較、判別，由輸出電路63輸出觸發(fā)晶閘管4的脈沖。本發(fā)明實施例電動機5種起動情況各信號波形如圖3、圖4所示:
[0052]—一51為交流電源端子5的電壓波形；
[0053]一一52為整形電路輸出B的波形；
[0054]——531、532、533為