一种小型单相永磁同步电机驱动的离心泵及其启动方法

摘要

一种单相永磁同步电机驱动的离心泵及其启动方法，该泵包括定向旋转的叶轮、直接驱动该叶轮的单相永磁同步电机和控制模块。电动机为2极和叶轮直径不大于60mm或电动机为4极和叶轮直径不大于100mm；定、转子间气隙的宽度于每一极下沿设定圆周方向收窄，因而在自由状态下，转子各极的轴线以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿设定旋转向偏转一锐角；控制模块包括处理单元、检流单元和对受控于处理单元的同步电机馈电的开关。处理单元接收交流电源电压信号和绕组电流信号，提供直流电源电压信号。处理单元通过检测电流变化率确定转子位置，无需设置单独的转子位置传感器，控制简单，降低成本；电流变化率在泵通电的状态下检测，精确性高。

权利要求

1.一种单相永磁同步电机驱动的小型离心泵的启动方法，所述离心泵包括按照预定方向旋转的叶轮、直接驱动所述叶轮的单相永磁同步电机和控制模块，所述同步电机包括极数与定子相同的永磁转子和设有绕组的定子，同步电机定子的极数为2极，叶轮直径不大于

60mm；或者同步电机定子的极数为4极，叶轮直径不大于100mm；定、转子间气隙的宽度于每一极下沿设定圆周方向收窄，因而在自由状态下，转子各极的轴线以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿设定的旋转方向偏转一锐角角度，其特征在于，控制模块包括处理单元、检流单元、用于对受控于所述处理单元的所述同步电机进行馈电的开关，所述处理单元接收交流电源电压信号和绕组电流信号，提供直流电源电压信号；

所述控制模块根据以下步骤实现所述离心泵的启动：

(1)第一预定位尝试，使用在交流电源电压的第一极性的半周期期间产生的至少一个第一预定位脉冲来对所述绕组馈送电流，在一个所述第一预定位脉冲的规定时间段内对电流进行至少两次采样，检测出第一电流变化率；

(2)第二预定位尝试，使用在交流电源电压的与所述第一极性相反的第二极性的半周期期间产生的至少一个第二预定位脉冲来对所述绕组馈送电流，在一个所述第二预定位脉冲的规定时间段内对电流进行至少两次采样，检测出第二电流变化率；

(3)通过第一电流变化率和第二电流变化率的比较，检测转子的初始位置：若第一电流变化率小于第二电流变化率，在交流电源电压的第一极性下接通开关，启动同步电机；若第一电流变化率大于第二电流变化率，在交流电源电压的第二极性下接通开关，启动同步电机；

其中，所述第一预定位脉冲和第二预定位脉冲在强度上以不使得转子位置发生改变的方式配置；第一电流变化率和第二电流变化率根据以下公式计算：第一/第二电流变化率＝连续两次采样的电流的差值÷采样间隔时间。

2.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，所述第一预定位脉冲和第二预定位脉冲为强度相同的脉冲。

3.根据权利要求2所述的启动方法，其特征在于，所述第一预定位脉冲和第二预定位脉冲的强度通过初始移相角调制，所述初始移相角通过检测交流电源电压，按预先设定根据不同的交流电源电压得到。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的启动方法，其特征在于，还包括等待步骤，所述等待步骤将每个第一预定位脉冲和第二预定位脉冲互相分隔开，所述等待步骤有足够长度以确保所述第一预定位脉冲和第二预定位脉冲仅在转子稳定静止时被施加到绕组。

5.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，所述开关为三端双向交流开关。

说明书

一种小型单相永磁同步电机驱动的离心泵及其启动方法

技术领域

[0001] 本发明涉及小型离心泵领域，具体是指一种单相永磁同步电机驱动的小型离心泵的启动方法。

背景技术

[0002] 目前，常见的单相永磁同步电机驱动的离心泵的启动方法有内置位置传感器法。内置位置传感器法检测的精确度高，如 CN102751922B，但对泵的结构有一定的要求，需要设计有专门的空间放置位置传感器，特别的结构设计和专属的元器件增加了成本，对泵制造的要求也更为严格。

发明内容

[0003] 本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种结构简单和成本低的小型单相永磁同步离心泵及用于该离心泵的一种控制简单，精确度高的启动方法。

[0004] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

[0005] 本发明提供一种单相永磁同步电机驱动的小型离心泵，包括按照预定方向旋转的叶轮、直接驱动所述叶轮的单相永磁同步电机和控制模块，所述同步电机包括极数与定子相同的永磁转子和设有绕组的定子，同步电机定子的极数为2极，叶轮直径不大于60mm；或者同步电机定子的极数为4极，叶轮直径不大于100mm；定、转子间气隙的宽度于每一极下沿设定圆周方向收窄，因而在自由状态下，转子各极的轴线以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿设定的旋转方向偏转一锐角角度。控制模块包括处理单元、检流单元、用于对受控于所述处理单元的所述同步电机进行馈电的开关，所述处理单元接收交流电源电压信号和绕组电流信号，提供直流电源电压信号；

[0006] 所述控制模块根据以下步骤实现所述离心泵的启动：

[0007] (1)第一预定位尝试，使用在交流电源电压的第一极性的半周期期间产生的至少一个第一预定位脉冲来对所述绕组馈送电流，在一个所述第一预定位脉冲的规定时间段内对电流进行至少两次采样，检测出第一电流变化率；

[0008] (2)第二预定位尝试，使用在交流电源电压的与所述第一极性相反的第二极性的半周期期间产生的至少一个第二预定位脉冲来对所述绕组馈送电流，在一个所述第二预定位脉冲的规定时间段内对电流进行至少两次采样，检测出第二电流变化率；

[0009] (3)通过第一电流变化率和第二电流变化率的比较，检测转子的初始位置：若第一电流变化率小于第二电流变化率，在交流电源电压的第一极性下接通开关，启动同步电机；若第一电流变化率大于第二电流变化率，在交流电源电压的第二极性下接通开关，启动同步电机。

[0010] 其中，所述第一预定位脉冲和第二预定位脉冲在强度上以不使得转子位置发生改变的方式配置。第一电流变化率和第二电流变化率根据以下公式计算：

[0011] 第一/第二电流变化率＝连续两次采样的电流的差值÷采样间隔时间。

[0012] 进一步地，所述第一预定位脉冲和第二预定位脉冲为强度相同的脉冲。

[0013] 进一步地，所述第一预定位脉冲和第二预定位脉冲的强度通过初始移相角调制，所述初始移相角通过检测交流电源电压，按预先设定根据不同的交流电源电压得到。

[0014] 进一步地，所述方法还包括等待步骤，所述等待步骤将每个第一预定位脉冲和第二预定位脉冲互相分隔开，所述等待步骤有足够长度以确保所述第一预定位脉冲和第二预定位脉冲仅在转子稳定静止时被施加到绕组。

[0015] 进一步地，所述开关为三端双向交流开关。

[0016] 本发明对于永磁同步电机驱动的叶轮较小的离心泵的有益效果为：

[0017] 1、在机械结构上，无需设置单独的转子位置传感器，结构简单，降低成本。

[0018] 2、在启动方法上，检测电流变化率步骤简单，容易操作，在泵通电的状态下检测，精确性高。

附图说明

[0019] 图1是本发明实施例离心泵的电路结构示意图；

[0020] 图2是本发明实施例离心泵转子位置的示意图；

[0021] 图3是本发明实施例离心泵启动的电流波形示意图；

[0022] 图4是本发明实施例离心泵的基本机械结构图；

[0023] 图5是本发明实施例离心泵的启动方法的流程图；

[0024] 图6是本发明实施例离心泵铁芯的基本机械结构图。

具体实施方式

[0025] 本发明实施例离心泵基本机械结构如图4所示，包括：

[0026] ——U形铁芯单相永磁同步电动机(图4示出该电动机定子的叠片铁芯3和绕组12以及永磁转子1的剖面)及其经一启动机构同轴传动的离心式叶轮105。离心式叶轮105具有4个叶片。叶片数也可以为3、5或6，但最好不要多于8片，且若采用奇数片，更有利于降低振动噪声。叶轮为注塑成型，直径60mm。叶轮不宜过大以至转动惯量过大，以配合电动机仍不太大的启动力矩；但也不宜过小，以具有足够的适应本发明的转动惯量。

[0027] ——环绕叶轮起蜗壳作用的泵盖106；

[0028] ——支承或/和封闭所述永磁同步电动机、叶轮105和泵盖106 的泵体107、轴承108和密封圈109等附件；

[0029] ——转子筒171，插于所述永磁同步电动机的定、转子间起隔水作用。

[0030] 上述U形铁芯单相永磁同步电动机的电磁基本结构如图6所示，包括：径向两极充磁的圆柱形永磁转子1；定子2，包括图示“U”字形的叠片铁芯3和定子绕组12；定子绕组12缠绕于左、右二个塑料线圈架121后被表层塑料122塑封为一整体；铁芯3的左臂31和右臂32分别穿越塑料线圈架121左、右二个内孔后露出的上部形成极面靠往转子1圆柱面左侧和右侧的左极靴311和右极靴316；极面形状为内凹而成阶梯连接的二段与转子1同轴的圆弧面：沿顺时针方向，先是半径较大的圆弧面，然后是半径较小的圆弧面；左极靴311 的上、下极尖所在平面和右极靴316的上、下极尖所在平面均与图示“U”字形的对称轴30平行，定子磁场轴线20则与对称轴30垂直。因此，永磁转子1的磁极轴线10即相对于定子磁场轴线20向气隙短即磁阻小的方向即顺时针方向自然偏转一角度，构成启动角。该设计可避免在自由状态下转子停留于其轴线与定子凸极的轴线重合而使通电时启动转矩为零的所谓“死点”位置，所形成的磁阻转矩还有利于防止运转中的转子于交流电流过零时不产生转矩而停转。

[0031] 上述定子结构以图示“U”字形垂直的二臂31、32为极身和底部的水平段33为磁轭，但也有以图示“U”字形底部的水平段为极身和垂直的二臂为磁轭的结构，后者的定子绕组缠绕于极身仅1个线圈架上。

[0032] 本发明实施例所述离心泵电路结构如图1所示，包括按预定方向旋转的叶轮、直接驱动所述叶轮的单相永磁同步电机M和控制模块，所述同步电机M包括极数与定子相同的永磁转子和设有绕组的定子，电动机定子的极数为2极，叶轮直径不大于60mm，或者电动机定子的极数为4极，叶轮直径不大于100mm；定、转子间气隙的宽度于每一极下沿设定圆周方向收窄，因而在自由状态下，转子各极的轴线以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿设定的旋转方向偏转一锐角角度。所述控制模块包括处理单元、检流单元、用于对受控于所述处理单元的所述同步电机进行馈电的开关Traic，所述处理单元接收交流电源电压信号和绕组电流信号，提供直流电源电压信号。所述开关为三端双向交流开关。

[0033] 本发明所述方法的一具体实施例的流程图如图5，包括以下步骤：

[0034] S1、检测交流电源电压，按预先设定根据不同的交流电源电压得到初始移相角。

[0035] S2、第一预定位尝试，使用在交流电源电压的第一极性的半周期期间产生的，脉冲强度由所述初始移相角调制的至少一个第一预定位脉冲来对所述绕组馈送电流。

[0036] S3、在一个所述第一预定位脉冲的规定时间段内对电流进行至少两次采样，检测出第一电流变化率。

[0037] S4、等待步骤，关断开关持续规定长度的时间至转子完全静止。

[0038] S5、第二预定位尝试，使用在交流电源电压的与所述第一极性相反的第二极性的半周期期间产生的，与第一预定位脉冲强度相同的至少一个第二预定位脉冲来对所述绕组馈送电流。

[0039] S6、在一个所述第二预定位脉冲的规定时间段内对电流进行至少两次采样，检测出第二电流变化率。

[0040] S7、通过第一电流变化率和第二电流变化率的比较，检测转子的初始位置：若第一电流变化率小于第二电流变化率，转入S8；若第一电流变化率大于第二电流变化率，转入S9。

[0041] S8、在交流电源电压的第一极性下接通开关，启动电机。

[0042] S9、在交流电源电压的第二极性下接通开关，启动电机。

[0043] 其中，所述第一预定位脉冲和第二预定位脉冲在强度上以不使得转子位置发生改变的方式配置。第一电流变化率和第二电流变化率根据以下公式计算：

[0044] 第一/第二电流变化率＝连续两次采样的电流的差值÷采样间隔时间。

[0045] 根据所述方法实现小型单相永磁同步电机驱动的离心泵启动时，转子位置有两种状态，在第一预定位脉冲和第二预定位脉冲强度相同、极性相反的情况下，转子发生不会使转子位置改变的抖动，一共出现如图2所示4a、4b、4c、4d四种情况。通过脉冲电流的极性和第一、第二电流变化率的比较得到转子位置的状态，根据转子位置选择合适极性的交流电源电压实现启动。

[0046] 若在启动前转子位置是图2中4c、4d的情况，如图3的31，检测交流电源电压，按预先设定根据不同的交流电源电压得到初始移相角；在第一预定位尝试中，根据初始移相角调制的脉冲电流a1的极性为负，检流单元在一个规定时间段内对所述脉冲电流a1进行两次采样t1、t2，处理单元根据公式“第一电流变化率＝(第二次脉冲电流a1采样值－第一次脉冲电流a1采样值)÷采样间隔时间”计算第一电流变化率，再控制开关Traic关断至转子稳定静止；在第二预定位尝试中，根据初始移相角调制的脉冲电流b1的极性为正，检流单元在一个规定时间段内对所述脉冲电流b1进行两次采样t3、t4，处理单元根据公式“第二电流变化率＝(第二次脉冲电流b1采样值－第一次脉冲电流b1采样值)÷采样间隔时间”计算第二电流变化率，再控制开关Traic关断至转子稳定静止；通过比较，第一电流变化率小于第二电流变化率，确定转子位置是图2中4c、4d的情况，可持续通入负极性的脉冲it启动电机，使转子如图2中4d所示逆时针旋转。

[0047] 若在启动前转子位置是图2中4a、4b的情况，如图3的32，检测交流电源电压，按预先设定根据不同的交流电源电压得到初始移相角；在第一预定位尝试中，若根据初始移相角调制的脉冲电流a2的极性为正，检流单元在一个规定时间段内对所述脉冲电流a2进行两次采样t1’、t2’，处理单元根据公式“第一电流变化率＝(第二次脉冲电流a2采样值－第一次脉冲电流a2采样值)÷采样间隔时间”计算第一电流变化率，再控制开关Traic关断至转子稳定静止；在第二预定位尝试中，根据初始移相角调制的脉冲电流b2的极性为负，检流单元在一个规定时间段内对所述脉冲电流b2进行两次采样t3’、t4’，处理单元根据公式“第二电流变化率＝(第二次脉冲电流b2采样值－第一次脉冲电流b2采样值)÷采样间隔时间”计算第二电流变化率，再控制开关Traic关断至转子稳定静止；通过比较，第一电流变化率小于第二电流变化率，确定转子位置是图2中4a、4b的情况，可持续通入正极性的脉冲it’启动电机，使转子如图2中4a所示逆时针旋转。