CN201144830Y - 一种交流永磁同步定向启动潜水泵 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种交流永磁同步定向启动潜水泵，包括带有进、出水口的泵房，由封闭材料和壳体密封于其中的定子，设置在转子室内的转子，以及由转子带动设置于泵房中的叶轮，还包括转子磁场极性位置检测电路、交流电源正/负极性检测电路、信号处理电路、可控硅及电机驱动电路等。它依据电机转子当前的磁极性位置和交流电源极性，通过控制电源正、负半周是否导通及半周前沿导通的相位，使电机定子产生的磁场极性与转子磁场极性匹配，将电机的不定向启动和运行改进为定向启动和运行，以适合于潜水泵结构上的进一步改造，获得较高的工作效率，且保留了电机制作工艺的简易性和低成本。

Description

一种交流永磁同步定向启动潜水泵

技术领域

本实用新型属于一种潜水泵，涉及一种采用单相交流二极永磁同步电机驱动的潜水泵，及其电机驱动的改进。更具体地，是依据电机转子当前的磁场极性位置和交流电源正、负极性，通过控制电源正、负半周是否导通及半周前沿导通的相位，使电机定子产生的磁场极性与转子磁场极性匹配，将电机的不定向启动和运行改进为定向启动和运行，以便适合于潜水泵结构上的进一步改造，获得的一种交流永磁同步定向启动潜水泵。

背景技术

目前，市场上出现的单相交流二极永磁同步电机驱动的潜水泵，其电机由永磁转子和简易定子构成，它具有工艺制作简单和成本低廉的优点，存在的问题是，这类潜水泵由于受启动时转子的磁极性位置、输入的驱动电源极性、转子和叶轮及泵房内水体的运动惯性等的影响，当直接由交流电源驱动定子绕组时，转子的启动和运行存在旋转方向不能确定的缺点，使泵房的设计必须制作成左右对称的结构，叶轮的叶片必须制作成平直对称的径向叶片，而且出水口也须沿泵房的径向中心左右对称设置，因此，带来了整机工作效率较低，启动性能不佳等不良现象。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述不足而提供一种由交流电源驱动的、通过控制电源正/负半周是否导通及半周前沿导通的相位使电机定子产生的磁场极性与转子磁场极性匹配的定向启动和运行的潜水泵。

本实用新型的目的还在于提供一种适合于潜水泵结构进一步改造，有较好工作效率的潜水泵。

其目由下列方案实现：

一种交流永磁同步定向启动潜水泵，包括带有进、出水口的泵房，由封闭材料和壳体密封于其中的定子，设置在转子室内的转子，以及由转子带动设置于泵房中的叶轮，其特点是，还设置有转子磁场极性位置检测电路、交流电源正/负极性检测电路、信号处理电路、可控硅及电机驱动电路，以及低压电源供给电路，其中，信号处理电路依据转子磁场极性位置检测电路和交流电源正/负极性检测电路提供的信号及电机设定的转动方向进行处理，并控制着可控硅及电机驱动电路，由可控硅及电机驱动电路驱动电机的定子绕组，控制着转子和叶轮向设定的转动方向转动。

上述方案中，转子磁场极性位置检测电路包括霍尔元件，霍尔元件设置在转子室的外壁、定子矽钢片的两处空缺处，且避开转子静态时N/S磁极分界线。更好的是，当霍尔元件设置在转子静态磁场N/S两磁极分界线略偏向定子矽钢片有磁滞缺口的一边时，效果最佳。

这样，由转子磁极性位置检测电路检测当前转子磁场指向霍尔位置处的极性，并由交流电源正/负极性检测电路检测当前交流电源的正/负极性，由信号处理电路依据这些信号及设定的转动方向进行比较和处理，确定是否触发可控硅驱动电机的定子绕组，使转子和叶轮沿设定的转动方向旋转，实现定向启动和运行。

更具体地，信号处理电路按照下列关系比较、处理和向可控硅及电机驱动电路发出控制信号：当转子磁极性位置检测电路检测到当前转子磁场指向霍尔位置处的S或N极，而交流电源正/负极性检测电路检测到当前交流电源的正极性(正半周)或负极性(负半周)，根据定子产生的磁场与转子磁场间的作用力方向和设定的顺时针或逆时针转动方向，进而判断在当前转子磁场极性位置下，当前的交流电源极性(半周)是否触发可控硅驱动电机的定子绕组。可以起到通过禁止部分在当前转子磁场极性位置下可能引起电机反转的电源半周的前沿或整个半周对电机定子绕组的驱动，即仅让能使电机定子产生的磁场极性与当前转子的磁场的作用力符合设定转向要求的半周或半周的后部分才对电机定子绕组进行驱动，并在整个工作过程中，不断进行上述的检测、处理和驱动，以达到所要求的目的。

本实用新型的第二个目的由下列方案实现：

上述方案中，叶轮的叶片为弧型，最好呈螺旋渐开式型。

这样，在叶轮旋转的过程中，叶片对水的作用力，相比平直对称的径向叶片，更有利于水流向外甩出。同时，可减少水对叶片的阻力。

更好的是，上述方案中，泵房出水口的方向与旋转水体的切向设为一致。这样，由于出水口的方向与水体被带到出水口切入位置时的运动方向相同，且在出水口的切入位置处间隙较大、切出位置处间隙较小，这种结构能更有效地导出水体，减少水体的再次回流。

本实用新型的潜水泵，由于定子绕组的触发是根据当前转子磁场极性位置和当前交流电源的正、负极性驱动电机的定子绕组时产生的定子磁场极性，这两个磁场间的作用力是否与设定转向匹配而决定，因而转子和叶轮的转动可按设定的转向启动和转动，使潜水泵的启动和运行具有定向性，有效地解决了现有单相交流二极永磁同步电机驱动的潜水泵，其转子的启动和旋转存在方向不能确定的缺点，还有利于潜水泵在结构上的进一步改造，另外，由于叶轮的叶片可改为弧型，尤其是呈螺旋渐开式型，泵房改为左右非对称的蜗壳结构，且泵房出水口改为设在沿叶轮及蜗壳边沿处，做成非对称的切向出水，能大幅度地提高这类潜水泵的工作效率，并保留其电机制作工艺的简易性和低成本。

图面说明

图1是本实用新型一种具体实施方式的结构解剖示意图；

图2是图1潜水泵的结构分解示意图；

图3是图1潜水泵的电机的驱动电路图；

图4是图3电机电路N极指向霍尔元件，按逆时针方向转动，电源负极性(负半周)导通驱动电机的说明图；

图5是图3电机电路S极指向霍尔元件，按逆时针方向转动，电源正极性(正半周)导通驱动电机的说明图；

图6是图1潜水泵的泵房、出水口和叶轮的装配示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作具体详述：

参照图1和图2，本潜水泵包括壳体1、泵房2、泵房进水端盖2.1、进水口2.1.1、出水口2.2、转子3、叶轮4、转子室5、定子绕组6、定子矽钢片7和电路板8以及霍尔集成9。

首先介绍具体实施方式中，电机各电路的组成、作用以及工作过程。

本具体实施方式中，各电路的组成和作用如下：

参见图3，低压电源供给电路由R1、R2、D1、DZ1、C1、C2等构成，从交流电源输入A点取电，由R1、R2串联后作电源限流，D1作电源半波整流，C1、C2作电源滤波，DZ1作电源稳压，产生C点相对B点约为负20V的电源供应电压，向除可控硅输出及电机绕组回路外的整个控制电路提供低压电源。

转子磁场极性检测电路由R12、R13和IC1霍尔集成电路US79构成。使用霍尔集成电路IC1检测永磁转子磁场指向IC1处的实时的N/S磁场极性信号，通过改变IC1朝向永磁转子径向磁场的端面，使当永磁转子的N极磁场指向IC1时，IC1的1脚产生拉电流的输出信号，而此时3脚只有静态电流；当永磁转子的S极磁场指向IC1时，IC1的3脚产生拉电流的输出信号，而此时1脚只有静态电流；当无磁场时，IC1的1脚和3脚均不产生拉电流的输出信号，即1脚和3脚均只有静态电流通过。本电路利用IC1的1脚和3脚的拉电流信号分别在R12和R13上的电压降，当永磁转子N极磁场指向IC1处时，在G点得到低电平的检测信号，当永磁转子S极磁场指向IC1处时，在H点得到低电平的检测信号。

交流电源极性检测电路由R3-R11、T1-T4构成。R3-R5串联于A、B点间作分压和限流，当A点相对C点为负极性时，T1导通使T2也导通，从E点产生对C点为低电平的负极性信号，此时，T3截止而使T4也截止，从F点产生对C点为高电平的非负极性信号；当A点相对B点为正极性时，T3导通使T4也导通，从F点产生对C点为低电平的正极性信号，此时，T1截止而使T2也截止，从E点产生对C点为高电平的非正极性信号。

检测电路的死区电压很低，且可通过改变R3-R5的值进行调整，当R3-R5的值均为100KΩ时，死区电压约为±1～2V。A-B间的电压只要高于死区电压，就可在E点输出低电平的负极性信号，或在F点输出低电平的正极性信号，从而得到电源正、负极性的实时检测信号。

信号处理电路由D2-D7、R14-R17、T5和IC2集成电路TL062构成。双运放IC2当作双路电压比较器使用，由R15和R16分压后在J点取信号，作为电压比较器正输入端的基准参考电压，从负输入端输入信号，从电压比较器的输出端得到反相的输出信号。E点的电源负极性信号和G点的N极信号由D2和D3作逻辑或，即当E点和G点同时为低电平信号时，L点才输出低电平信号，经IC2的A2比较L点、J点的电位，当VL＜VJ时，A2输出高电平信号，通过D6和R18使T5导通，T5的集电极输出经R20限流后触发可控T6。相反，只要E点或G点中有一个为高电平，A2输出为低电平，T5截止不触发T6。F点的电源正极性信号和H点的S极信号由D4和D5作逻辑或，即当F和H同时为低电平信号时，I点才输出低电平信号，经IC1的A1比较I点、J点的电位，当VI＜VJ时，A1输出高电平信号，通过D7和R18使T5导通，T5的集电极输出经R20限流后触发可控T6。相反，只要F点或H点中有一个为高电平，A1输出为低电平，T5截止不触发T6。

可控硅及电机驱动电路：T5导通时集电极产生拉电流的触发信号输出，经R20限流后触发双向可控硅T6使T6导通，电源从B点经T6到Q点，经温度保护器Kt1和电机的定子绕组后到A点形成导通回路，从而使电机定子产生磁场驱动转子转动。双向可控硅T6得到触发信号后保持导通，在该交流电源半周结束时，因导通电流小于最小保持电流而截止。

下面介绍电机的工作过程：

需要设定电机的目标旋转方向和电机定子绕组的磁场方向。

参见图3，电机的目标旋转方向设定为：从定子右边有磁滞缺口向无磁滞缺口(即如图3中的逆时针方向)。且电机定子绕组的磁场方向为：当A点对Q点为负电压时，定子在左边产生S极、右边产生N极；当A点对Q点为正电压时，定子在左边产生N极、右边产生S极。

电机的工作过程分下列几种工作状态介绍：

1、转子处于完全静止状态(不通电的完全停机状态)时，由于这时定子不产生磁场，且转子的N极和S极也是左右对称分布的，定子矽钢片除左右两处启动磁滞缺口(也称启动缺口)外，其它结构也左右对称，因而永磁转子磁场对定子左、右两边矽钢片的磁场力相等，但方向略偏离磁滞缺口，即向无磁滞缺口的方向偏转一小角度，故静止状态时，转子磁场的N极和S极保持接近水平方向且以转轴为轴心向无磁滞缺口的方向偏转一小角度，但N极和S极向左还是向右的磁场极性不确定。

2、当转子磁场极性检测电路检测到N极信号，且交流电源极性检测电路检测到电源负极性信号时：电路中G点和E点均为低电平信号，经D2、D3、R16后使L点也为低电平信号，由于VL＜VJ，A2输出高电平信号，经D6、R18使T5导通，触发电流经R20触发可控硅T6导通，电机绕组通电使定子产生左边S极、右边N极的磁场，参见图4，同时由于在定子右边上方有磁滞缺口处的磁场建立滞后且弱于下方无磁滞缺口处，这时转子右边的N极与定子右边的N极同性互相排斥，而使转子右边的N极从静态位置或正常工作后的过驱动状态往右边上方有磁滞缺口的方向(逆时针方向)转动一定的角度，这时，因转子右边的N极与定子左边的S极异性互相吸引，转子右边的N极迅速再沿逆时针方向转到左边，且转子在运动惯力的作用下，N极继续转到左边静态位置偏下方一点的位置后，因定子与转子间磁场力的方向与刚才相反，这时转子是否继续沿逆时针方向转动取决于磁场力和转子、叶轮及泵房中水体运动惯性力哪一个大些。在交流电源的该半周期结束时，由于电机绕组的电流小于可控硅T6的最小保持电流而使T6截止。因此，只要永磁转子磁场指向IC1处为N极，向电机绕组通过A点对Q点为负极性的电流时，定子磁场驱动永磁转子转动的方向为沿逆时针方向。

3、当转子磁场极性检测电路检测到S极信号，且交流电源极性检测电路检测到电源正极性信号时：电路中H点和F点均为低电平信号，经D4、D5、R14后使I点也为低电平信号，由于VI＜VJ，A1输出高电平信号，经D7、R18使T5导通，触发电流经R20触发可控硅T6导通，参见图5，电机绕组通电使定子产生左边N极、右边S极的磁场，同时由于在定子右边上方有磁滞缺口处的磁场建立滞后且弱于下方无磁滞缺口处，这时由于转子右边的S极与定子右边的S极同极性互相排斥，而使转子右边的S极从静态位置或正常工作后的过驱动状态往右边上方有磁滞缺口的方向(逆时针方向)转动一定的角度。这时，因转子右边的S极与定子左边的N极异极性互相吸引，转子右边的S极迅速再沿逆时针方向转到左边，且转子在运动惯力的作用下，N极继续转到左边静态位置偏下方一点的位置后，因定子与转子间磁场力的方向与刚才相反，这时转子是否继续沿顺时针方向转动取决于磁场力和转子、叶轮及泵房中水体运动贯性力哪一个大些。在交流电源的该半周期结束时，由于电机绕组的电流小于可控硅T6的最小保持电流而使T6截止。因此，只要永磁转子磁场指向IC1处为S极，向电机绕组通过A点对Q点为正极性的电流时，定子磁场驱动永磁转子转动的方向为沿逆时针方向。

4、当转子磁场极性检测电路检测到N极信号，且交流电源极性检测电路检测到电源正极性信号时：由于H点为高电平使I点也为高电平，由于VI＞VJ，A1输出低电平信号，不向T5和T6提供触发信号。同样由于E点为高电平使L点也为高电平，由于VL＞VJ，A2输出低电平信号，不向T5和T6提供触发信号。处理电路等待转子磁场极性信号或电源极性信号的改变后再作处理。

5、当转子磁场极性检测电路检测到S极信号，且交流电源极性检测电路检测到电源负极性信号时：由于G点为高电平使L点也为高电平，由于VL＞VJ，A2输出低电平信号，不向T5和T6提供触发信号。同样由于F点为高电平使I点也为高电平，由于VI＞VJ，A2输出低电平信号，不向T5和T6提供触发信号。处理电路等待转子磁场极性信号或电源极性信号的改变后再作处理。

从以上电路可得到下列结论：

转子磁场指向霍尔集成a处的磁场极性	电机通过的电流极性	电机的旋转方向	相当于电机通过交流电源的半周	电源将在定子绕组上产生的磁场方向	是否触发导通驱动
						N极	负极性	逆时针	负半周	S极在左、N极在右	是
S极	正极性	逆时针	正半周	N极在左、S极在右	是
						N极	正极性	逆时针	正半周	N极在左、S极在右	否
S极	负极性	逆时针	负半周	S极在左、N极在右	否

由此可见，通过禁止部分在当前转子磁场极性位置下可能引起电机反转的电源半周的前沿或整个半周对电机定子绕组的驱动，即仅让能使电机定子产生的磁场极性与当前转子的磁场极性间的作用力符合设定转向要求的半周或半周的后部分对电机定子绕组进行驱动。

上述电路已实现了如下的功能：当永磁转子磁场的N极或S极指向霍尔集成a处，若电机定子绕组通过正向电流或反向电流(即相当于电源的正半周或负半周导通)，电机定子产生的定子磁场使永磁转子的受力方向与设定的逆时针旋转方向相同时，则触发；若方向相反，则在该电源半周内等待转子磁场转动到能产生受力方向与设定的逆时针旋转方向相同时才再触发或该电源半周不触发，由此，电路实现了电机的定向启动和运行的功能。

其次，介绍具体实施方式中，采用上述电机结构对潜水泵结构的进一步改造及其配合的工作过程。

参见图1和图2，本具体实施方式的潜水泵，其叶轮4的叶片制作成螺旋渐开式型，泵房2改为左右非对称的蜗壳结构，出水口2.2设于泵房2边沿且与旋转水体的切向一致，这样，由转子3带动叶轮4的叶片按逆时针方向转动，使水体螺旋运动产生离心力，将水流源源不断地沿旋涡水流切向的方向甩向出水口2.2。

从以上实施方式中，还可看到：只要通过简单地改变电机定子绕组的极性或处理电路的处理方式，即可实现电机沿顺时针方向的定向旋转控制。另外，霍尔元件也可由两只单极性检测的霍尔元件代替。这些当然也属于在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种交流永磁同步定向启动潜水泵，包括带有进、出水口的泵房，由封闭材料和壳体密封于其中的定子，设置在转子室内的转子，以及由转子带动设置于泵房中的叶轮，其特征是，还设置有转子磁场极性位置检测电路、交流电源正/负极性检测电路、信号处理电路、可控硅及电机驱动电路，以及低压电源供给电路，其中，信号处理电路依据转子磁场极性位置检测电路和交流电源正/负极性检测电路提供的信号及电机设定的转动方向进行处理，并控制着可控硅及电机驱动电路，由可控硅及电机驱动电路驱动电机的定子绕组，控制着转子和叶轮向设定的转动方向转动。

2、根据权利要求1的交流永磁同步定向启动潜水泵，其特征是，转子磁极性位置检测电路包括霍尔元件，霍尔元件设置在转子磁场径向的外围、定子矽钢片的两处空缺处，且避开转子静态时N/S磁极分界线。

3、根据权利要求2的交流永磁同步定向启动潜水泵，其特征是，霍尔元件设置在转子静态磁场N/S两磁极分界线略偏向定子矽钢片有磁滞缺口的一边。

4、根据权利要求1或3的交流永磁同步定向启动潜水泵，其特征是，叶轮的叶片呈弧型。

5、根据权利要求4的交流永磁同步定向启动潜水泵，其特征是，叶轮的弧型叶片呈螺旋渐开式型。

6、根据权利要求4的交流永磁同步定向启动潜水泵，其特征是，出水口设置于泵房边沿与水体旋转的方向相切，且与旋转水体甩出方向设为一致。

7、根据权利要求1或5的交流永磁同步定向启动潜水泵，其特征是，出水口设置于泵房边沿与水体旋转的方向相切，且与旋转水体甩出方向设为一致。

8、根据权利要求6的交流永磁同步定向启动潜水泵，其特征是，泵房呈左右非对称的蜗壳型或类似结构。

9、根据权利要求7的交流永磁同步定向启动潜水泵，其特征是，泵房呈左右非对称的蜗壳型或类似结构。

10、根据权利要求9的交流永磁同步定向启动潜水泵，其特征是，电机设定的转动方向可以是逆时针方向，也可以是顺时针方向。

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