一种单相自起动永磁同步电动机直接驱动的换气扇.pdf

一种单相自起动永磁同步电动机直接驱动的换气扇，该电动机定子和永磁转子间气隙的宽度于每一极下沿设定圆周方向收窄；规定绕向的定子绕组经开关接往交流电源；内置程序含按检测到的信号驱动开关以控制交流电源输入绕组的电流的起动步骤，包括使极性相反的二种电压脉冲分别在转子静止时施加于所述绕组，每个脉冲波形相同且能量小至使转子转离静止位置在规定的角度以内；检测这些脉冲各自在所述绕组产生的电流并比较它们的大小，当交流电源的极性与产生较小电流的电压脉冲的极性相同时接通所述开关，使所述交流电源向所述绕组持续输入交变电流。该设计降低该换气扇控制程序的复杂性和对元器件及电路的要求，成本降低且产品性能更稳定。

1.  一种单相自起动永磁同步电动机直接驱动的换气扇，包括：
——按照预定方向旋转的叶轮，其为轴流式和注塑成型；
——直接驱动所述叶轮的电动机，定子的绕组按规定绕向接往交流电源；电动机转子为永磁转子，其极数与定子的极数相同；所述定子与转子间气隙的宽度于每一极下沿设定的旋转方向收窄，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；
——具有一开关，交流电源经该开关向电动机定子的绕组供电；
——具有一控制电路，控制所述开关的通断；
其特征在于：
——电动机定子的极数为2极,叶轮直径不大于70mm；或者电动机定子的极数为4极,叶轮直径不大于100mm；或者电动机定子的极数为6极,叶轮直径不大于130mm；或者电动机定子的极数为8极,叶轮直径不大于150mm；
——控制电路；包括检测电路和内置程序，该内置程序含按检测到的信号驱动所述开关以控制所述交流电源输入所述绕组的电流的起动控制步骤；
所述步骤包括使极性相反的二种电压脉冲分别施加于所述绕组，并且：
——每个脉冲施加前，转子仍位于所述锐角位置；
——每个脉冲的能量小至使转子转离所述锐角位置在规定的角度以内；
——每个脉冲的波形相同；
检测这些脉冲各自在所述绕组产生的电流并比较它们的大小，当交流电源的极性与产生较小电流的电压脉冲的极性相同时接通所述开关，使所述交流电源向所述绕组持续输入交变电流。

2.  按照权利要求1所述换气扇，其特征在于，所述脉冲是使所述交流电源半波电压按规定导通角施加于所述绕组形成。

3.  按照权利要求2所述换气扇，其特征在于，所述导通角不大于所述交流电源1/8周期。

4.  按照权利要求2或权利要求3所述换气扇，其特征在于，所述脉冲依次的间隔不少于所述交流电源1个周期。

一种单相自起动永磁同步电动机直接驱动的换气扇
技术领域
本发明涉及一种单相自起动永磁同步电动机直接驱动的换气扇，尤其涉及其机械结构、电磁结构和控制方法的配合；在国际专利分类表中，分类属于F04D25/08。
背景技术
换气扇使用量大面广，运行时间长，亟需制造低成本和运行节能。本申请人已获授权的在先申请CN201110303632.1提出的小功率换气扇由永磁同步电动机直接驱动而节能且体积较小，并在预定的旋转方向上有较佳的启动和运转性能，成本较低，但该电动机需要设置单独的转子位置检测元件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种换气扇，可由微型永磁同步电动机直接驱动而节能且体积较小，并在预定的旋转方向上有较佳的启动和运转性能，但可以无需设置单独的转子位置检测元件，因而降低成本。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，一种单相自起动永磁同步电动机直接驱动的换气扇，包括：
——按照预定方向旋转的叶轮，其为轴流式和注塑成型；
——直接驱动所述叶轮的电动机，定子的绕组按规定绕向接往交流电源；电动机转子为永磁转子，其极数与定子的极数相同；所述定子与转子间气隙的宽度于每一极下沿设定的旋转方向收窄，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；
——具有一开关，交流电源经该开关向电动机定子的绕组供电；
——具有一控制电路，控制所述开关的通断；
其特征在于：
——电动机定子的极数为2极,叶轮直径不大于70mm；或者电动机定子的极数为4极,叶轮直径不大于100mm；或者电动机定子的极数为6极,叶轮直径不大于130mm；或者电动机定子的极数为8极,叶轮直径不大于150mm；
——控制电路；包括检测电路和内置程序，该内置程序含按检测到的信号驱动所述开关以控制所述交流电源输入所述绕组的电流的起动控制步骤；
所述步骤包括使极性相反的二种电压脉冲分别施加于所述绕组，并且：
——每个脉冲施加前，转子仍位于所述锐角位置；
——每个脉冲的能量小至使转子转离所述锐角位置在规定的角度以内；
——每个脉冲的波形相同；
检测这些脉冲各自在所述绕组产生的电流并比较它们的大小，当交流电源的极性与产生较小电流的电压脉冲的极性相同时接通所述开关，使所述交流电源向所述绕组持续输入交变电流。
电子控制定向旋转的单相自起动永磁同步电动机的起动，宜设计在主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度时接通此时的交流电源半波，转子磁极即被与其最靠近的定子磁极沿设定旋转方向推斥，因而使电动机按设定的旋转方向起动，这正是换气扇叶轮所需要的。若此时改为接通相反极性的交流电源半波，主磁通轴线的方向即调反，直接与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度，转子磁极即改为被与其最靠近的定子磁极沿设定旋转方向的相反方向吸引，因而使电动机按设定的旋转方向的相反方向起动，这是换气扇叶轮所不允许的。对上述情况，本技术方案基于转子具有适当的惯性和铁磁饱和原理，巧妙地发现和利用测定以规定极性和相同波形的脉冲施加于定子而转子由于转动惯量未转起来时的电流，转子永磁磁通与规定极性和相同波形的脉冲施加于定子产生的主磁通方向相同时对铁磁路增磁使定子电感下降以至电流增加和反之则电流减少该现象，对这些电流大小比较判断，可确定电动机按规定转向启动所需交流电源的极性与永磁转子极性方位的配合状态，并在该配合状态下接通交流电源，达到电动机定向起动，因而可以无需设置单独的转子位置检测元件，降低成本。
本技术方案降低了现有技术该类换气扇电机起动控制程序的复杂性和对元器件的快速响应性能及电路布置的电磁兼容要求，因而成本降低且产品性能更稳定。
本技术方案有以下进一步设计：
——所述脉冲可以由直流电源配合开关电路产生，但比较简单可靠的方法是使交流电源半波电压由晶闸管按规定导通角施加于所述绕组形成；
——所述导通角最好不大于所述交流电源1/8周期，以限制每个脉冲的能量小至使转子转离所述锐角位置在规定的角度以内。对具体电机，可通过实验确定更合适的数值；
——所述脉冲依次的间隔最好不少于所述交流电源1个周期，以确保每个脉冲施加前，转子仍位于所述锐角位置。对具体电机，同样可通过实验确定更合适的数值。
附图说明
图1是本发明实施例换气扇电动机电磁基本结构示意图；
图2是本发明实施例换气扇电动机控制电路示意图；
图3是本发明实施例电动机第1种起动情况信号波形示意图；
图4是本发明实施例电动机第2种起动情况信号波形示意图；
图5是本发明实施例换气扇基本机械结构主視图。
具体实施方式
本发明实施例换气扇是在本申请人已获授权的在先申请CN201110303632.1所述实施例的基础上改进而成。
本发明实施例换气扇基本机械结构如图5所示，其继承CN201110303632.1中图1所示结构包括：
——固定于机壳的电动机2；
——直接连接于该电动机输出轴逆时针旋转的轴流式叶轮1，其具有4个叶片；按风压要求，叶片数也可以为3、5或6，但最好不要多于8片，且尽可能为奇数片，以降低振动噪声。叶轮为注塑成型，直径100mm。叶轮不宜更大，转动惯量宜尽量小，以配合电动机2仍不太大的启动力矩；
——电动机2为内转子电动机，包括定子100和永磁转子200。
本发明实施例换气扇的电动机电磁基本结构如图1所示，其继承CN201110303632.1中图2所示结构包括：
——转子200，是其截面以二条相互垂直的对称轴400分隔为4个对称的90°的扇形并各径向充磁为N、S、N、S的4极永磁转子；
——定子100由具有4个凸极的圆形铁芯101和绕组12组成；绕组12是在4个凸极各绕一具有绝缘框架的线圈元件，然后按绕向串联连接为4极，并因而在通电时产生4极的穿越定转子之间气隙的主磁通；
——定子铁芯101各凸极与转子200间气隙的宽度沿逆时针方向渐变收窄；因此在自由状态即不通电和无外部气流以及旋转结构良好的情况下，转子200受定子铁芯吸引，各极的几何轴线即穿越定转子之间气隙的永磁磁通轴线700、800分别以相邻定子凸极的几何轴线即穿越定转子之间气隙的主磁通轴线500、600为参照，沿逆时针方向偏转一较小的锐角Ω。本实施例设计该机械角为5°(电角度10°)。该角度可随渐变收窄的比例而改变，并影响启动转矩和效率。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；
相比CN201110303632.1图2所示结构的主要变动是：图中所示霍尔元件300取消。
本发明实施例换气扇电动机控制电路如图2所示，其继承CN201110303632.1中图3所示电路包括：
——双向晶闸管4，其主电极与绕组12串联后接往交流电源端子5；
——单片机6，其输出电路63接往双向晶闸管4的触发极41，若输出脉冲即触发晶闸管4导通，此时的交流电源半波电压即开始施加于输入绕组12直至该半波过零结束，与该电压同步和有所滞后的脉冲电流输入绕组12。
——由电阻7和二极管8、9以及5V直流电源VDD组成的整形电路，其输入接往交流电源端子5，输出B在交流电源端子5的电压极性正半波时为1而负半波时为0，且输出B由1变为0或由0变为1的时刻即交流电源电压过零点。输出B接往单片机6的输入电路61，向其提供交流电源过零点信号。
相比CN201110303632.1图中所示电路的主要变动包括：
——原霍尔元件300及其输出接往单片机输入的电路取消；
——绕组12原直接接公共地的一端改为经电阻13接公共地，该电阻是检测通过绕组12的电流的取样电阻；绕组12与电阻13的连接点经转换电路621接往单片机的输入电路62，用于检查通过绕组12的电流在电阻13的电压降并以此确定通过绕组12的电流。
上述转换电路621可设计为隔离钳位电路：
——取样变压器初级连接被测交流电压，次级叠加一个高于被测交流电压峰值的恒定直流电压后输入单片机，经A/D转换即可确定交流电压的瞬时值。当然，也可选用含上述功能和单片机的芯片代替单片机6和转换电路621。此外，也可以电流互感器取代电阻13和取样变压器获得通过绕组12的电流的取样，可因此减少检测电路的功率消耗。
单片机6内置程序主要按照设定步骤检查输入电路61、62的电平，经测量、比较、判别，由输出电路63输出触发晶闸管4的脉冲。本发明实施例电动机二种起动情况各信号波形如图3、图4所示：
——51为交流电源端子5的电压波形；
——52为整形电路输出B的波形；
——531、532为施加于绕组12的电压的波形；
——54a、54b为绕组12的电流的波形；
——551、552为单片机6输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲波形。
本实施例交流电源频率为50Hz时的周期为20ms，内置程序中包括实施如下步骤：
自交流电源电压的第1个正过零点(电压从负变正，下同)起延时t1＝5/6π,单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k1，晶闸管4导通，使交流电源一正极性半波电压v1以t2＝1/6π导通角施加于绕组12产生第1电流a1，并检测其最大值(当然也可以是其它规定时刻的瞬时值，下同)。
接着，自交流电源电压的第2个正过零点(视转子的稳定状态可进一步延后，如为第3或第4……个正过零点，下同)起延时t1＝5/6π,单片机6的输出电路63向晶闸管4的 触发极41输出电压脉冲k1，晶闸管4导通，使交流电源第又一正极性半波电压v2以t2＝1/6π导通角施加于绕组12产生第2电流a2，并检测其最大值。
接着，自交流电源电压的第3个负过零点(电压从正变负，下同)起延时t1＝5/6π,单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k1，晶闸管4导通，使交流电源一负极性的半波电压v3以t2＝1/6π导通角施加于绕组12产生第3电流a3，并检测其最大值。
接着，自交流电源电压的第4个负过零点起延时t1＝5/6π,单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k1，晶闸管4导通，使交流电源又一负极性的半波电压v4以t2＝1/6π导通角施加于绕组12产生第4电流a4，并检测其最大值。
接着，单片机6内置程序比较电流a1、a2、a3、a4的最大值，按以下二种情况进行控制：
——如图3，永磁转子的极性方位为正极性交流电源半波产生的主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角，a1、a2明显小于a3、a4，单片机6的输出电路63随即自交流电源一正过零点开始，按交流电源周期向晶闸管4的触发极41连续输出自各过零点起延时t3的电压脉冲kt使晶闸管4持续地以缺损正弦波(每个半波的前沿由于延时t3导通而相应缺损小半个弓形，下同)导通及与交流电源同步的电压vt施加于绕组12产生持续的同步交变电流it，电动机完成启动，进入同步运行；
——如图4，永磁转子的极性方位为负极性交流电源半波产生的主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角，a1、a2明显大于a3、a4，单片机6的输出电路63随即自交流电源一负过零点开始，按交流电源周期向晶闸管4的触发极41连续输出自各过零点起延时t3的电压脉冲kt使晶闸管4持续地以缺损正弦波导通及与交流电源同步的电压vt施加于绕组12产生持续的同步交变电流it，电动机完成启动，进入同步运行。
可以有如下设计修改：
——以上施加的脉冲为先是2个正脉冲，接着是2个负脉冲；该正负顺序可调反，脉冲个数也可视具体电机通过实验观察有所增减，最好使大的电流和小的电流的差异不少于30％；
——脉冲的导通角也可视具体电机通过实验观察有所增减。对于轴功率不太大的电动机，t2＝1/6π的导通角半波空载通电的电动机仅见转子稍有抖动。实验表明，该脉冲的能量使转子转离所述锐角位置的角度只要不大于1/6π，就不会对电动机的控制产生显著影响。并且，最好使同为大或同为小的各电流的差异不大于10％；
——t3可根据稳定运行的需要有所调整，最小为0，即使用完整的正弦波形电压运行；
——本实施例电动机为4极，也可以设计为6极或8极。因同步转速降低，叶轮的最大直径可相应增大：极数为6极,叶轮直径不大于130mm；极数为8极,叶轮直径不大于150mm；其控制机理也适用于2极或其它极数的该类电动机；
——本实施例叶轮也可设计为顺时针旋转，只需在设计上按照之前的描述将所用到的术语“逆时针”均改为“顺时针”即可；
——电动机定、转子的极数也可以设计为6极或8极。因同步转速降低，叶轮的最大直径可相应增大：极数为6极,叶轮直径不大于130mm；极数为8极,叶轮直径不大于150mm；
——换气扇若用于直接向户外排气，最好设计为国家标准GB14806所述遮隔式换气扇，例如在换气扇机壳的气流出口设置该标准所述风压式、电动式或连动式的活动挡板或百叶窗。该设计配合电动机仍不太大的启动力矩，所述活动挡板或百叶窗在换气扇运转时张开，停止时闭合，可避免启动前叶轮被外部反向气流驱动而逆转电动机的转子，以至启动困难。