一種永磁同步電動機直接驅動的小功率換氣扇的制作方法

本發明涉及一種永磁同步電動機直接驅動的小功率換氣扇，尤其涉及其機械結構、電磁結構和控制方法的配合；ipc分類屬于f04d25/08。

背景技術：

換氣扇使用量大面廣，運行時間長，亟需制造低成本和運行節能。針對換氣扇使用異步電動機驅動以至效率偏低的情況，本申請人在先申請cn201510395121.5提出的小功率換氣扇由永磁同步電動機直接驅動而節能且體積較小，并在預定的旋轉方向上有較佳的起動和運轉性能，且無需設置單獨的轉子位置檢測元件，但為使其按預定轉向起動運行，需控制其通電，首步驟為預定位——確定永磁轉子的磁極相對于定子磁極的位置，隨后按該檢測結果和預定轉向對定子施加相應極性波形的電壓，檢測電路和程序較為復雜。

有關術語可參考《機械工程手冊》、《電機工程手冊》和機械工業出版社1981年版《通風機》。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提出一種永磁同步電動機直接驅動的小功率換氣扇，其在預定的旋轉方向有較佳的起動和運轉性能，且成本較低，包括無需設置單獨的轉子位置檢測元件，但其預定位比較簡單。

本發明解決所述技術問題的技術方案是，一種永磁同步電動機直接驅動的小功率換氣扇，包括：

——按照預定方向旋轉的注塑成型的葉輪；

——直接驅動所述葉輪的電動機，電動機定子的繞組按規定繞向接往交流電源；電動機轉子為永磁轉子，其極數與定子的極數相同，且在自由狀態下，轉子各極的軸線以最靠近的定子一極的軸線為參照，沿設定的旋轉方向偏轉一銳角角度；

——具有一開關，交流電源經該開關向電動機定子的繞組供電；

——具有一控制電路，控制所述開關的通斷；

其特征在于：

——電動機定子的極數為4極,葉輪直徑不大于100mm；或者電動機定子的極數為6極,葉輪直徑不大于130mm；或者電動機定子的極數為8極,葉輪直徑不大于150mm；

——控制電路；包括檢測電路和內置程序，該內置程序含按檢測到的信號驅動所述開關以控制所述交流電源往所述繞組通電的步驟；

——該換氣扇起動前，所述定子鐵芯一極面呈現規定極性的磁性。

所述極面的磁性與永磁轉子磁極之間的相互作用力，將使永磁轉子與定子該極磁性相反的磁極停留于面對定子該極的位置。由于定子該極的磁性按規定設計，相當于停留于面對定子該極位置的永磁轉子的磁極的極性為已知，因而可免除檢測。

本技術方案進一步設計之一是：所述定子與轉子間氣隙的寬度于每一極下沿設定的圓周方向收窄，所述定子繞組在通電結束前，通入產生規定極性磁性的直流電流。該極磁化的剩磁維持至下次通電前用以呈現規定極性的磁性。此外，在該磁化過程，定子該極較強的磁場吸引永磁轉子與定子該極磁性相反的磁極停留于面對定子該極的位置，既確保下次通電前呈現規定極性的磁性，且十分有利于避免退磁。通入該直流電流比較簡單的方法是：所述開關為雙向晶閘管，其在通電結束前被觸發控制為所述直流電流的單向導通。

本技術方案進一步設計之二是：在所述定子鐵芯該極安裝朝轉子表面呈現所述規定極性磁性的永磁體。還可進一步設計該永磁體于定子該極安裝于圓周方向該極軸線的一側，永磁體此時吸引轉子的磁極使二者軸線對正而偏離定子該極的軸線形成啟動角，可免除傳統技術為產生啟動角普遍使用的非均勻氣隙，因而提高效率和減輕磁阻轉矩波動導致的振動噪聲。

上述技術方案應用于換氣扇起動過程所述步驟的設計之一是：所述換氣扇預定按所述設定的圓周方向旋轉：

——往所述繞組通電對所述鐵芯規定極性的磁性為去磁的電源半波，以規定移相角逐個半波導通，且移相角逐個半波減少；

——在此期間，測量繞組電流為零時的電壓，當該電壓達到規定值后，對其后所有極性的電源半波均在符合如下條件的時刻立即開始導通：

——所述電源電壓的極性、繞組電流為零時的電壓的極性和該電壓對時間的變化率的極性相同；

或者均在同時符合如下條件的時刻立即開始導通：

a)所述電源電壓的極性、繞組電流為零時的電壓的極性和該電壓對時間的變化率的極性相同；

b)所述繞組電流為零時的電壓在規定范圍內；

c)所述時刻在規定時間區間；

累計符合上述條件的導通達到規定次數，所述電動機進入同步運行控制。

上述技術方案應用于換氣扇起動過程所述步驟的設計之二是：所述換氣扇預定按所述設定的圓周方向的相反方向旋轉：

——往所述繞組通電對所述鐵芯規定極性的磁性為增磁的電源半波，以規定移相角逐個半波導通，且移相角逐個半波減少；

——在此期間，測量繞組電流為零時的電壓，當該電壓達到規定值后，對其后所有極性的電源半波均在符合如下條件的時刻立即開始導通；

——所述電源電壓的極性、繞組電流為零時的電壓的極性和該電壓對時間的變化率的極性相同；

或者均在同時符合如下條件的時刻立即開始導通：

a)所述電源電壓的極性、繞組電流為零時的電壓的極性和該電壓對時間的變化率的極性相同；

b)所述繞組電流為零時的電壓在規定范圍內；

c)所述時刻在規定時間區間；

累計符合上述條件的導通達到規定次數，所述電動機進入同步運行控制。

本發明的技術方案和效果將在具體實施方式中結合附圖作進一步的說明。

附圖說明

圖1是本發明第1實施例換氣扇電動機電磁基本結構示意圖；

圖2是本發明實施例換氣扇電動機控制電路示意圖；

圖3是本發明實施例換氣扇電動機按逆時針轉向時信號波形圖；

圖4是本發明實施例換氣扇電動機按順時針轉向時信號波形圖；

圖5是本發明實施例換氣扇電動機停止通電前的信號波形圖；

圖6是本發明第2實施例換氣扇電動機電磁基本結構示意圖；

圖7是本發明實施例換氣扇基本機械結構主視圖。

具體實施方式

本發明實施例換氣扇是在本申請人在先申請cn201510395121.5公布說明書所述實施例的基礎上改進而成。

本發明實施例換氣扇基本機械結構如圖7所示，其繼承cn201510395121.5公布說明書中圖1所示結構包括：

——固定于機殼的電動機2；

——直接連接于該電動機輸出軸逆時針旋轉的軸流式葉輪1，其具有4個葉片；按風壓要求，葉片數也可以為3、5或6，但最好不要多于8片，且盡可能為奇數片，以降低振動噪聲。葉輪為注塑成型，直徑100mm。葉輪不宜更大，轉動慣量宜盡量小，以配合電動機2仍不太大的啟動力矩；

——電動機2為內轉子電動機，包括定子100和永磁轉子200。

本發明第1實施例換氣扇的電動機電磁基本結構如圖1所示，其繼承cn201510395121.5公布說明書中圖2所示結構包括：

——轉子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極永磁轉子；

——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，然后按繞向串聯連接為4極，并因而在通電時產生4極的穿越定轉子之間氣隙的主磁通；

——定子鐵芯101各凸極與轉子200間氣隙的寬度沿逆時針方向漸變收窄；因此在自由狀態即不通電和無外部氣流以及旋轉結構良好的情況下，轉子200受定子鐵芯吸引，各極的幾何軸線即穿越定轉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子之間氣隙的主磁通軸線500、600為參照，沿逆時針方向偏轉一較小的銳角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，并影響啟動轉矩和效率。該設計可避免在自由狀態下轉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矩為零的所謂“死點”位置，所形成的磁阻轉矩還有利于防止運轉中的轉子于交流電流過零時不產生轉矩而停轉；

上述電磁結構與cn201510395121.5公布說明書所述如其附圖2所示電磁結構相同。本實施例的特別設計是：通過實驗使繞組12的繞向達到在通入交流電源負半波時定子100軸線水平的2個凸極的磁性為s，軸線垂直的2個凸極的磁性為n，因而吸引轉子200處于軸線大致水平的2個極面的磁性為n和軸線大致垂直的2個極面的磁性為s的狀態。

本發明第1實施例換氣扇電動機控制電路如圖2所示，主要包括：

——雙向晶閘管4，其主電極與繞組12串聯后接往交流電源端子5；

——單片機6，其輸出電路63經常規的耦合電路(光偶或變壓器)40接往雙向晶閘管4的觸發極41，若輸出脈沖即觸發晶閘管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直至該半波過零結束，與該電壓同步且有所滯后的脈沖電流輸入繞組12。

——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1而負半波時為0，且輸出b由1變為0或由0變為1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。

——繞組12與晶閘管4主電極的連接端經電阻2和電阻3組成的分壓電路接往單片機的輸入電路62，用于檢測繞組12電流為零時的電壓。繞組12另一端接公共地。

相比cn201510395121.5公布說明書所述如其附圖3所示控制電路，該控制電路主要是將前者為預定位由輸入電路62檢測繞組12的電流取消，并將輸入電路62改為用于控制起動加速過程對繞組12的電壓檢測。

單片機6內置程序按照設定步驟檢查輸入電路61、62的電平，經測量、比較、判別，由輸出電路63輸出觸發晶閘管4的脈沖。

本發明第1實施例電動機按逆時針轉向各信號波形如圖3所示，按順時針轉向各信號波形如圖4所示，停止通電前各信號波形如圖5所示：

——51為交流電源端子5的電壓波形；

——52為整形電路輸出b的波形；

——534～536為繞組12上的電壓的波形，包括交流電源所施加和電流為零時的電壓波形；

——54f～h為繞組12的電流的波形；

——554～556為單片機6輸出電路63向晶閘管4的觸發極41輸出的電壓脈沖波形。

本發明第1實施例換氣扇電動機如圖1所示特別設計：繞組12通入交流電源負半波使定子100于軸線水平的2個凸極的磁性為s，軸線垂直的2個凸極的磁性為n，因而吸引轉子200處于軸線大致水平的2個極面的磁性為n和軸線大致垂直的2個極面的磁性為s的狀態。因而，通入交流電源正半波產生的磁場對上述極性的磁性為去磁。按此設計單片機6內置程序對電動機起動的控制步驟如下：

(1)預定按逆時針轉向起動的控制過程如圖3，單片機6的輸出電路63：

——首先向晶閘管4的觸發極41輸出多個電壓脈沖k1、k2等使晶閘管4導通，使交流電源以負極性全導通半波電壓v1～v2施加于繞組12產生脈動直流電流i1～i2,以加強磁性，接著，電動機開始起動，

——自此后的交流電源第1個正過零點開始，延時電角度3/4π向晶閘管4的觸發極41輸出電壓脈沖k3使晶閘管4導通，使交流電源以正極性導通角1/4π缺損正弦半波電壓v3施加于繞組12產生電流i3,接著，

——自交流電源第2個正過零點開始，延時電角度5/9π向晶閘管4的觸發極41輸出電壓脈沖k4使晶閘管4導通，使交流電源以正極性導通角4/9π缺損正弦半波電壓v4施加于繞組12，產生比i3增大的電流i4,，接著，

——自交流電源第3個正過零點開始，延時電角度1/4π向晶閘管4的觸發極41輸出電壓脈沖k5使晶閘管4導通，使交流電源以正極性導通角3/4π缺損正弦半波電壓v5施加于繞組12，產生比i4增大的電流i5。

上述交流電源施加于繞組12正極性的導通角和電流逐個半波增大，所產生的磁場驅動轉子200逆時針加速扭轉，單片機的輸入電路64檢測到繞組12在電流為零時的電壓e3～e5也逐個半波增大，直至電流i5恢復為零時，檢測到e5于點g的值大于規定值，單片機6的輸出電路63向晶閘管4的觸發極41輸出的電壓脈沖k6～k8改為在符合以下條件的時刻發出：

——電源電壓的極性、繞組電流為零時的電壓的極性和該電壓對時間的變化率的極性相同。

為可靠起見，通常還可增加以下二個條件或其之一：

——繞組12的電流為零時的電壓在規定范圍內；

——該時刻在規定時間區間內。

圖3中可見施加于繞組12的各半波電壓v6～v8和電流i6～i8以及繞組12的電流為零時的電壓e6～e8的波形，此時轉子200的轉速通常繼續上升。

累計符合上述條件的導通達到規定次數，單片機6的輸出電路63向晶閘管4的觸發極41輸出的電壓脈沖kt改為按同步運行的控制條件發出，并以同步的完整或缺損正弦半波電壓vt施加于繞組12，產生同步運行電流it。該控制條件通常還包括：電源電壓的極性、繞組電流為零時的電壓的極性和該電壓對時間的變化率的極性相同，還會加上為取得最佳效率或適應電源波動的閉環反饋控制。

圖3所示基于圖幅相比實際有所簡化，例如：

——最初的脈動直流電流只有2個半波，實際為可靠起見，可再多若干個；

——其后，施加逐個增大的正極性電流只有3個，實際該電流個數通常比較多，對于轉子和負載轉動慣量較大時尤其需要；

——最后，累計符合條件的導通僅3次即進入同步運行控制，實際次數也要多很多，以確保穩定進入同步運行。

(2)預定按順時針轉向起動的控制過程如圖4，單片機6的輸出電路63：

——首先向晶閘管4的觸發極41輸出多個電壓脈沖k1、k2等使晶閘管4導通，使交流電源以負極性全導通半波電壓v1～v2施加于繞組12產生脈動直流電流i1～i2,以加強磁性，接著，電動機開始起動，

——自此后的交流電源第1個負過零點開始，延時電角度3/4π向晶閘管4的觸發極41輸出電壓脈沖k3使晶閘管4導通，使交流電源以負極性導通角1/4π缺損正弦半波電壓v3施加于繞組12產生電流i3,接著，

——自交流電源第2個負過零點開始，延時電角度5/9π向晶閘管4的觸發極41輸出電壓脈沖k4使晶閘管4導通，使交流電源以負極性導通角4/9π的缺損正弦半波電壓v4施加于繞組12，產生比i3增大的電流i4,，接著，

——自交流電源第3個負過零點開始，延時電角度1/4π向晶閘管4的觸發極41輸出電壓脈沖k5使晶閘管4導通，使交流電源以負極性導通角3/4π的缺損正弦半波電壓v5施加于繞組12，產生比i4增大的電流i5。

上述交流電源施加于繞組12負極性的導通角和電流逐個半波增大，所產生的磁場驅動轉子200加速扭轉，單片機的輸入電路64檢測到繞組12在電流為零時的電壓也逐個半波增大，在電流i5恢復為零時，檢測到繞組12的電壓于g點的值大于規定值，單片機6的輸出電路63向晶閘管4的觸發極41輸出的電壓脈沖k6～k8改為在符合之前(1)中所述條件的時刻發出。其后的情況基本如之前(1)中所述。

以上二種轉向的起動均首先使交流電源以負極性全導通半波電壓v1～v2施加于繞組12產生脈動直流電流i1～i2，以加強磁性。當定子的剩磁足夠時，可省略該過程。

單片機6內置程序還包括換氣扇停止通電前對電動機的控制步驟，如圖5所示，單片機6的輸出電路63：

——換氣扇斷電信號發出前，向晶閘管4的觸發極41輸出的電壓脈沖kt按前述同步運行的控制條件發出，并以同步的完整或缺損正弦半波電壓vt施加于繞組12，產生同步運行電流it；

——在單片機6接收到斷電指令后，按同步運行控制條件發出的電壓脈沖kt停止，使同步的完整或缺損正弦半波電壓vt和同步運行電流it停止；

——改為向晶閘管4的觸發極41輸出多個電壓脈沖k1’、k2’、k3’、k4’……,使晶閘管4導通，使交流電源以負極性全導通半波電壓v1’、v2’、v3’、v4’……施加于繞組12產生脈動直流電流i1’、i2’、i3’、i4’……,使定子鐵芯產生如圖1所示極性的磁化，然后斷電，定子鐵芯的剩磁維持如圖1所示極性，供下次再起動時使用。

本發明第2實施例換氣扇電動機電磁結構如圖6所示，其相比如圖1所示第1實施例換氣扇電動機電磁結構的差異在于：

——定子鐵芯位于軸線水平左側的凸極前端面于軸線以下固定一s極朝向轉子200的條形永久磁鐵900，其吸引轉子200處于軸線大致水平的2個極面的磁性為n和軸線大致垂直的2個極面的磁性為s的狀態。由于條形永久磁鐵900位于定子鐵芯水平軸線以下，因而吸引轉子200的永磁磁通軸線700、800分別以相鄰定子凸極的主磁通軸線500、600為參照，沿逆時針方向偏轉一較小的銳角ω即起動角。定轉子間因而設計為均勻氣隙而非實施例1的非均勻氣隙。

本實施例只在定子一極設置永久磁鐵，其實在其它極也可以類似地設置以加強定位。

本發明第2實施例換氣扇的控制原理與第1實施例相同。

此外，還可以有如下設計改變：

——電動機定、轉子的極數也可以設計為6極或8極。因同步轉速降低，葉輪的最大直徑可相應增大：極數為6極,葉輪直徑不大于130mm；極數為8極,葉輪直徑不大于150mm；

——換氣扇若用于直接向戶外排氣，最好設計為國家標準gb14806所述遮隔式換氣扇，例如在換氣扇機殼的氣流出口設置該標準所述風壓式、電動式或連動式的活動擋板或百葉窗。該設計配合電動機仍不太大的啟動力矩，所述活動擋板或百葉窗在換氣扇運轉時張開，停止時閉合，可避免啟動前葉輪被外部反向氣流驅動而逆轉電動機的轉子，以至影響預定位。

——葉輪也可設計為順時針旋轉，只需在設計上按照之前的描述將所用到的術語“逆時針”均改為“順時針”即可；

此外，本發明也適用于離心式通風機結構的換氣扇，但離心式葉輪的轉動慣量大于軸流式葉輪，其直徑宜選擇相對更小些。