永磁同步电机恒压无负压供水机组技术领域
本发明属于供水机组技术领域，特指一种永磁同步电机恒压无负压供水机
组。
背景技术
随着城乡人民生活水平的不断提高，城市及小城镇定的高楼越来越多，楼
宇的供水设备也在不断的更新。目前城市楼宇的供水大部都使用恒压无负压的
泵机组供水，采用矢量变频器驱动三相异步电机，通过各组压力传感器，对进
出水管路进行恒压控制，实现楼宇恒压供水自动化。这类机组虽然比以前单泵
机供水的效率提高了很多，但是由于采用的电机是三相异步电机，不是高效的
永磁同步电机，因此效率还有较大的提升空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种全自动、安全可靠、工作效率高的变频驱动永磁
同步电机的离心泵和异步起动永磁同步电机的离心泵组合的恒压无负压供水机
组。
本发明的目的是这样实现的：
永磁同步电机恒压无负压供水机组，包括稳流罐，稳流罐的上方安装有压
力传感器和负压消除器，稳流罐上还设置有进水端和出水端，进水端设置有负
压表，出水端连接一个汇流总管Ⅰ，汇流总管Ⅰ的一侧设置有汇流总管Ⅱ，汇
流总管Ⅰ和汇流总管Ⅱ之间通过若干个的并联设置的支路连通，每个支路的中
部均串联有水泵和截止阀，汇流总管Ⅱ连接用户水口；所述的水泵包括一个主
泵和若干副泵，所述主泵为变频驱动永磁同步电机的离心泵，所述副泵包括一
个以上的异步起动永磁同步电机的离心泵；所述的变频驱动永磁同步电机的离
心泵配备有变频驱动器、所述压力传感器分别与变频驱动器连接，变频驱动器
一般放置在控制柜内。所述的异步起动永磁同步电机不需要变频驱动器运行。
所述副泵为一台变频驱动永磁同步电机的离心泵；或，所述副泵为一台异
步起动永磁同步电机的离心泵；或，所述副泵为两台以上的异步起动永磁同步
电机的离心泵。
所述异步起动永磁同步的离心泵包括泵体和电机，电机的转子包括位于中
心的转轴和套在转轴上的转子铁芯，转子铁芯是由多个圆形硅钢片转轴轴向叠
加而成，所述转子铁芯的周向均匀的插设有多个导条绕组，所有导条绕组围成
一圆形鼠笼结构；在转子铁芯上还设置有一组或二组或两组以上的永磁体，永
磁体对称设置在转轴周侧并和圆形鼠笼成上下或混合交叠，永磁体在转子铁芯
径向截面上形成一组或两组沿该对永磁体径向中心线对称分布的异性磁极。
所述转子上的圆形鼠笼为铸铝或铜，永磁体内置于圆形鼠笼中。
所述永磁体包括第一级永磁体和第二级永磁体，第一级永磁体安装在相邻
的两个导条绕组之间，两个相邻的第一级永磁体之间的导条绕组内侧设置有所
述第二级永磁体。
所述离心泵是单级或多级，立式或卧式，潜水式或陆地式的各类离心泵。
所述永磁体内置于转子铁芯时，永磁体根据级对数径向内置于转子铁芯，
或，切向内置于转子铁芯，或，径向和切向间隔混合内置于转子铁芯；所述永
磁体内置于转子铁芯上并呈一字型或V型或U型或W型。
所述导条绕组的横截面呈圆形、梨形、倒梨形或其他形状。
所述的永磁体包括钕铁硼磁体、钐钴磁体和铁氧磁体。
所述控制柜内设置有变频驱动器，变频驱动器的变频调速控制电路包括信
号设定单元、A/D转换单元、数据处理单元及D/A转换单元，A/D转换单元包
括一路外部数字或模拟信号输入端，外部数字或模拟信号输入端与所述压力传
感器连接，数据处理单元与信号设定单元、A/D转换单元、D/A转换单元联接；
D/A转换单元具有一个数字或模拟信号输出端，D/A转换单元的数字或模拟信
号输出端与变频器连接。
所述的变频驱动永磁同步电机的离心泵设置也有两个或三个都用变频驱动
永磁同步电机的泵，功能也能实现，主要还是使用的变频控制器多了，成本增
加。
本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：
本发明采用永磁同步电机，在一个泵电机或两个泵电机中采用变频驱动器
加变频驱动永磁同步电机，而在2个或2个以上的泵电机时，则采用1个变频
驱动永磁同步电机，另外几个泵电机则采用异步起动永磁同步电机，异步起动
的永磁同步电机运行不需要变频驱动器，本方案解决了永磁同步电机在恒压无
负压设备配置上，特别是多泵电机的应用难题，使永磁同步电机可以全面取代
异步电机变频的恒压无负压供水，达到最大的节能效果。
异步起动永磁同步电机在圆形鼠笼结构的空隙加入表面一段永磁体，与圆
形鼠笼结构下面的永磁体成双层永磁体结构，成第一永磁体和第二永磁体，圆
形鼠笼结构主要获得起动转矩，在定子线圈旋转磁场的作用下，转子上的永磁
体随即旋转，在接近定子磁场的旋转速度时，靠永磁体牵入同步。这个放置在
导条中间的永磁体由于相对于轴心的位置半径更大，能起到的力矩更大些，还
有磁钢越接近转子表面，磁密就越大，永磁体是获得牵入同步所需要的转矩，
两方面充分兼顾，使电机充分获得较大的起动转矩和足够的牵入同步转矩。本
结构也可以和图例的其他组合配合使用，构成异步起动永磁同步运转电机。
异步起动永磁同步电机的电机所组成的泵与现有的采用高效的异步电机的
泵相比，它的电机效率还能提高5-7％，泵的机组效率也相应提高了，异步起动
永磁同步电机的同步稳速功能，能使泵在电网电压变化及负载大小变化时使泵
的扬程和流量保持不变。还可应用在没有配变频器的所有泵立式或卧式、单级
或多级的离心式泵上，实现高效、稳定的工作。
附图说明
图1是本发明的结构简图。
图2是本发明的稳流罐的结构简图。
图3是本发明的变频调速控制电路的原理图。
图4是本发明的永磁同步的离心泵的结构简图。
图5是异步起动永磁同步的离心泵的永磁体安装示意图之一。
图6是异步起动永磁同步的离心泵的永磁体安装示意图之二。
图7是异步起动永磁同步的离心泵的永磁体安装示意图之三。
图8是异步起动永磁同步的离心泵的永磁体安装示意图之四。
图9是异步起动永磁同步的离心泵的永磁体安装示意图之五。
图10是异步起动永磁同步的离心泵的永磁体安装示意图之六。
图11是异步起动永磁同步的离心泵的永磁体安装示意图之七。
图12是异步起动永磁同步的离心泵的永磁体安装示意图之八。
图13是异步起动永磁同步的离心泵的永磁体安装示意图之九。
图中：1-叶轮；2-电机；3-转轴；4-转子铁芯；5-导条绕组；6-空气隔磁
槽；7-永磁体；8-第二永磁体；9-第一级永磁体；10-泵体；11-定子；
12-负压消除器；13-进水端；14-进水接头；15-恒压腔；16-稳压腔；17-
罐体；18-支脚；19-旁通管；20-出水接头；21-出水端；22-管道；23-支脚；
30-控制柜；31-压力罐；32-底座；33-汇流总管Ⅰ；34-变频驱动永磁同步
电机的离心泵；35-支路；36-汇流总管Ⅱ；37-电机；38-异步起动永磁同步电
机的离心泵；39-离心泵的出水口；40-离心泵的进水口。
具体实施方式
下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述：
永磁同步电机恒压无负压供水机组，包括稳流罐，稳流罐的上方安装有压
力传感器和负压消除器12，稳流罐上还设置有进水端13和出水端，进水端设置
有负压表，出水端连接一个汇流总管Ⅰ，汇流总管Ⅰ的一侧设置有汇流总管Ⅱ，
汇流总管Ⅰ和汇流总管Ⅱ之间通过若干个的并联设置的支路连通，每个支路的
中部均串联有水泵和截止阀，汇流总管Ⅱ连接用户接水口；所述的水泵包括一
个变频驱动永磁同步电机的离心泵和一个以上的异步起动永磁同步电机的离心
泵，所述的变频驱动永磁同步电机的离心泵配备有变频器驱动器，所述压力传
感器、负压消除器分别与变频控制器连接。
所述副泵为一台异步起动永磁同步电机的离心泵；或，所述副泵为两台以
上的异步起动永磁同步电机的离心泵。或，所述副泵为一台变频驱动永磁同步
电机的离心泵。
机组的几个泵额定扬程流量等参数一样，变频驱动的永磁同步电机的泵作
为常用主泵。在泵运行过程中，压力传感器传过来的信号和控制器设定的水压
力数值比较，经驱动器程序对泵电机驱动，并自动调节合适的转速运行，使泵
叶轮在这一速度下运行的压力正符合设定的压力要求。在流量达到最大值后，
流量继续需求，在要过这临界值时，启动第二台泵，如果这台泵电机也是变频
驱动的永磁同步电机时，两台泵同时变频，保持水的压力不变。
如果启动的第二台泵是异步起动的永磁同步电机，那么这个变频器的程序
又不一样的，在流量达到最大值后，流量继续需求，在要过这临界值时，变频
控制器的程序通过端口控制交流接触器启动另一台异步起动的永磁同步电机，
这台异步起动的永磁同步电机的电源不由变频器供给，而是直接切换到工频运
行，一起动就达到最高转速，由于管路压力值的上升，变频控制的主泵的转速
又会快速下降，降到总压力的要求，保持管路的压力不变。如果水流量需求上
升前面两个泵的最大值后，就如上面的原理一样启动第三台泵。在水用量减小
时，也按这个原理逐个停机。
为了保持泵压力的基本稳定，在压力值的设置上采用上压力值和下压力值
两个数值，中间有一个比较宽的差值，使泵电机在达到下压力值时开机，到上
压力值时关机，不至于第二台(或第三台泵电机)频繁启动开机或停机。
采用永磁同步电机的恒压无负压供水装置和普通矢量变频器配三相异步电
机的恒压无负压供水相比，控制功能及使用方法都基本一样，主要就是机组效
率不一样。原因在于三相异步电机的效率本来就比永磁同步电机要低，用变频
器给异步电机供电时电流波形没有市电工频波形好，电机损耗要增加2％，再加
要矢量变频器本身的损耗约3％，这就是说，用变频器供电后，异步电机的效率
还会下降约5％，这样算下，用同步电机的泵机组就比用异步电机的泵机组效率
要高10％左右。10％的节能效果是很显著的。这是电机工作在额定点时的效率差
距。
泵电机大部分时间工作在非额定点，非额定点的效率要比电机在额定点的
效率要低。永磁同步电机效率方面，就7.5KW的电机的实验表明，在额定功率
的20％以上时都有＞80％的效率，10％的额定功率时效率有＞70％，3％的额定功
率时有＞60％的效率，在整个功率段都是高效率的，异步电机各功率点的效率都
远比不上永磁同步电机的效率，在变频的低速段的效率相差尤其大，能相差达
到15-20％之多。
永磁同步电机的泵还有优良的性能，就是同步电机就是转速和电源的频率
保持一致，和电源电压的变化(在额定范围内)无关，转速不变就意味着扬程
流量保持平稳不变。如果是异步电机的话，在满载时，电源电压下降时，会造
成转速下降，而使扬程降低流量减小。这对于在有些需要稳流的场合特别有用。
所述稳流罐的下方设有排污阀。
稳流罐包括内部具有稳压腔16的罐体17和内部具有恒压腔15的管道22，
管道22的端部具有与恒压腔15连通的进水端13和出水端21，出水端21的直
径小于恒压腔15的直径。在进水端13处焊接有进水接头14，在出水端21处焊
接有出水接头20。
管道22竖直设置，进水端13位于管道22的上端，出水端21位于管道22
的下端，管道22与罐体17之间设有用于连通稳压腔16与恒压腔15的旁通管
19，旁通管19与罐体17的连接处位于罐体17的下部，旁通管19与管道22的
连接处位于罐体17的下方，罐体17的上方设有与稳压腔16连通的负压消除器
12。
管道22的进水端13与市政管网连接，出水端21与增压泵组连接。正常情
况下，增压泵组直接通过恒压腔15对市政管网的水进行加压供水，旁通管19
将恒压腔15的水引导至稳压腔16内，并将稳压腔16内的气体压缩到稳压腔16
上方的负压消除器12内。当市政管网水压波动导致恒压腔15内压力变化，影
响增压泵组正常供水时，稳压腔16内的水通过负压消除器12内的空气将稳压
腔16内的水压出到恒压腔15内，保证泵组正常供水。
管道22竖直穿设于罐体17的中部。
其中，罐体17呈筒状且水平放置，旁通管19与罐体17的连接处位于罐体
17的最低处，在罐体17的下部设有支脚18，23。
本稳流罐特别适用于楼宇供水中的无负压设备，在最大程度的发挥稳流罐
自动调节供水同时，充分保证了稳流罐内部与空气隔绝，避免水域空气接触，
保证供水卫生安全。
所述异步起动永磁同步的离心泵包括泵体10和电机2，电机包括定子和转
子，所述的定子和三相异步电机的定子基本相同，所述转子包括位于中心的转
轴3和套在转轴上的转子铁芯4，转子铁芯是由多个圆形硅钢片转轴轴向叠加而
成，所述转子铁芯的周向均匀的插设有多个导条绕组5，所有导条绕组5围成一
圆形鼠笼结构；
在转子铁芯上设置有一组或两组永磁体7，永磁体对称设置在转轴3周侧并
和圆形鼠笼成上下或混合交叠，永磁体7在转子铁芯径向截面上形成一组或两
组沿该对永磁体径向中心线对称分布的异性磁极。
所述离心泵是单级或多级，立式或卧式，潜水式或陆地式的各类离心泵。
所述导条绕组5形成的圆形鼠笼铸铝或铜，永磁体内置于圆形鼠笼中。
所述导条绕组的横截面为圆形、梨形、倒梨形或其他形状；转子铁芯上的
容纳所述导条绕组的槽口为开口槽或封闭槽。
所述永磁体为内置于转子铁芯或贴在转子铁芯表面。
所述永磁体内置于转子铁芯时，永磁体径向内置于转子铁芯，或，永磁体
切向内置于转子铁芯，或，如图13所示，永磁体径向和切向间隔混合内置于转
子铁芯。
所述的永磁体包括钕铁硼磁体、钐钴磁体、铁氧磁体及及其他磁性材料。
所述控制柜内设置有变频调速控制电路，变频调速控制电路包括信号设定
单元、A/D转换单元、数据处理单元及D/A转换单元，A/D转换单元包括一路
外部数字或模拟信号输入端，外部数字或模拟信号输入端与所述压力传感器连
接，数据处理单元与信号设定单元、A/D转换单元、D/A转换单元联接；D/A
转换单元具有一个数字或模拟信号输出端，D/A转换单元的数字或模拟信号输
出端与变频器连接。
作为另一种变换，所述永磁体为如图8所示的一字型或如图10所示的V型
或如图11所示的U型或如图12所示的W型内置于转子铁芯。
如图5所示，所述永磁体包括第一级永磁体9和第二级永磁体8，第一级永
磁体9安装在相邻的两个导条绕组5之间，两个相邻的第一级永磁体之间的导
条绕组内侧设置有所述第二级永磁体8。
所述的异步起动永磁同步电机定子绕组是正弦波分布的分布式绕组。分布
式绕组的三相同步电机的定子结构与普通三相异步电机的分布式绕组基本差不
多，定子可按普通Y系列定子冲片选用，线包绝缘引线等处理都和普通三相异
步电机一样。但电机的转子即不一样，这转子外表层有铸铝(或铜)的鼠笼条，
里面有磁钢。老式三相或单相电机的转子是在齿栊条里压铸铝环的，铝环是闭
合回路，在定子磁场里作切割磁力线而旋转运动，随着定子磁场旋转而旋转，
始终慢于磁场的旋转而成异步电机。这压铸铝的转子往往损耗较大，一般占到
总损耗的5—7％，而本产品使用的转子是鼠笼条和磁体双层结构，鼠笼条只是起
动作用，起动后永磁体随定子线较的旋转磁场旋转，快接近定子线圈的磁场旋
转速度时，永磁体的脉动转矩将转子牵入同步后，鼠笼条和磁场的旋转同步，
不再产生磁力，基本上不再有电流产生，因而也不再有异步电机工作时的涡流
损耗，又因永磁电机的线圈圈数比异步电机减少，导线横截面积增加，电阻值
也小，铜线损耗也减小，因此总体损耗要比异步电机少很多。因此异步起动永
磁同步电机的效率比三相高效的YE3的电机还要提高效率5—7％，比普通Y2,Y3
电机提高效率8-15％。
当异步起动永磁同步电机的转速牵入同步达到稳定后，鼠笼条不再产生电
流，失去作用，电机负载如果不断加大到达失去同步时的转矩叫失步转矩，此
时电机将会电流大幅上升直至停机。这个失步转矩通常比额定的功率的两倍或
以上，过载能力也超过普通的异步电机。当电机工作在设计的额定功率范围内
运行，再加上各种如电流过流等保护措施，就不会出现这种可能。异步起动永
磁同步电机工作在额定功率区间时，由于具有同步性能，在有负载变化时，它
的转速会保持和电源的频率同步而不会产生转速的变化。这使得泵在配上这种
同步电机后，泵在负载变化或电源电压下降的变化时，泵能保持扬程和流量的
不变。这对需要保持泵流量扬程稳定而又不用变频器的泵时特别有价值的功能。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，
故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保
护范围之内。