專利名稱：一種采用交流電源驅動永磁電機潛水泵的抽水方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于一種潛水泵，涉及一種采用單相交流二極永磁同步電 機驅動的潛水泵，其電機驅動方式和結構的改進。更具體地，是依據 電機轉子當前的磁場極性位置和交流電源正、負極性，通過控制交流 電源正、負半周是否導通及半周前沿導通的相位，使電機定子產生的 磁場極性與轉子磁場極性匹配，將電機的不定向啟.動和運行改進為定 向啟動和運行，以便適合于潛水泵結構上的進一步改造，獲得的一種 潛水泵的抽水方法及其裝置。
技術背景目前，巿場上出現的單相交流二極永磁同步電機驅動的潛水泵， 其電機由永磁轉子和簡易定子構成，它具有制作工藝簡單和成本低廉 的優點，存在的問題是，這類潛水泵由于受啟動時轉子的磁極性位置、 輸入的驅動電源極性、轉子和葉輪及泵房內水體的運動慣性等的影 響，當直接由'交流電源驅動定子繞組時，轉子的啟動和運行存在旋轉 方向不能確定的缺點，使抽水的方法和泵房的設計必須適合或滿足左 右對稱的結構，葉輪的葉片必須制作成平直對稱的徑向葉片，而且出 水口也須沿泵房的徑向中心左右對稱設置，因此，帶來了整機工作效 率較低，啟動性能不佳等不良現象。發明內容本發明的目的在于針對以上存在的技術缺陷而提供一種釆用交 流電源驅動的永磁電機的潛水泵的抽水方法，該方法通過控制交流電 源正、負半周是否導通及半周前沿導通的相位，有選擇地導通使電機 定子產生的磁場極性能夠與轉子磁場極性匹配，以使交流電源驅動定 子繞組產生的磁場有利于轉子按特定方向轉動，從而能夠實現轉子的 定向啟動和運行.在此基礎上，對泵房、出水口和葉輪結構提出進一 步的改進，以便使潛水泵獲得較好的抽水工作效率。本發明的目的還在于依照上述的抽水方法而提供實現這種抽水 方法的潛水泵。其抽水方法由下列方案實現一種采用交流電源驅動的永磁電機的潛水泵的抽水方法，包括 用于獲取代表當前交流電源正、負極性(即交流電源處于正半周 或負半周)的電信號的步驟；用于獲取代表當前轉子磁場極性N極或S極位置的電信號的步驟；將代表當前交流電源處于正半周或負半周的電信號與代表當前 轉子磁場極性N極或S極位置的電信號進行匹配，以使交流電源驅動定子繞組產生的磁場有利于轉子按特定方向轉動，通過對上述信號進行判斷和處理，并產生輸出控制信號的步驟；將上述的匹配結果輸出的控制信號觸發導通，使當前交流電源半周驅動定子繞組以產生定子磁場的步驟；由上述定子磁場驅動永磁轉子轉動的步驟；由上述轉子帶動呈弧形葉片的葉輪轉動的步驟； 由上述葉輪帶動從泵房進水口進入的水繞轉軸旋轉的步驟； 將旋轉的水從旋轉切向方向拋向出水口的步驟； 由出水口將水引出的步驟。上述方案中，葉輪的弧形葉片最好采用呈螺旋漸開式型的葉片。 實現上述抽水方法的潛水泵結構是一種釆用交流電源驅動的永磁電機的潛水泵，包括帶有進、出水 口的泵房，由封閉材料和殼體密封于其中的定子，設置在轉子室內的 轉子，以及由轉子帶動設置于泵房中的葉輪，其特點是，葉輪的葉片 呈弧形；泵房出水口設在泵房邊沿且與旋轉水體的切向一致；且設置 有轉子磁場極性位置檢測電路、交流電源正、負極性檢測電路、信號 處理電路、可控硅及電機驅動電路，由信號處理電路的CPU對交流電 源正、負極性檢測電路輸出的電源極性電信號和轉子磁場極性位置檢 測電路輸出的轉子磁場極性電信號進行匹配，并將符合條件的匹配結 果輸出，并觸發可控硅及電機驅動電路，以便交流電源通過定子繞組 產生磁場使轉子和葉輪按特定的方向轉動。上述方案中，葉輪的弧形葉片最好呈螺旋漸開式型、泵房最好為 蝸殼型。 圖面說明
圖1是本發明的潛水泵的一種具體實施結構的解剖示意圖； 圖2是圖l潛水泵的結構分解示意圖；圖3是圖l潛水泵的電機的驅動電路圖；圖4是圖3電機電路N極指向霍爾元件，按逆時針方向轉動，電源負極性(負半周)導通驅動電機的說明圖；圖5是圖3電機電路S極指向霍爾元件，按逆時針方向轉動，電源正極性(正半周)導通驅動電機的說明圖；圖6是圖1潛水泵的泵房、出水口和葉輪的裝配示意圖； 圖7是圖3電機電路CPU微處理器的主程序流程圖； 圖8是圖3電機電路CPU微處理器的INTO中斷子程序流程圖； 圖9是圖3電機電路CPU微處理器的INT1中斷子程序流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作具體詳述參照圖1和圖2，本潛水泵包括殼體1、泵房2、泵房進水端蓋 2. 1、進水口 2. 1. 1、出水口 2. 2、轉子3 、葉輪4、轉子室5、定子 繞組6、定子矽鋼片7和電路板8以及霍爾集成9。在本具體的實施方式中，需要設定電機轉子的目標轉動方向和電 機定子繞組產生的磁場方向。參見圖3，電機轉子的目標轉動方向設 定為從定子右邊無磁滯缺口向有磁滯缺口的方向(即如圖3中的逆時 針方向)。電機定子繞組的磁場方向為當電源A點對B點為負極性 時，定子產生的磁場為左邊S極、右邊N極；當電源A點對B點為正 電壓時，定子產生的磁場為左邊N極、右邊S極。首先介紹各電路和程序的組成及作用參見圖3，轉子磁場極性檢測電路由U2霍爾集成電路(US79)和R9、 RIO、 C9、 CIO、 Cll等構成。霍爾集成電路U2用于檢測永磁 轉子磁場指向U2處的實時的N、 S磁場極性信號，通過改變U2朝向 永磁轉子徑向磁場的端面，使當永磁轉子的N極磁場指向U2時，U2 的l腳產生拉電流的輸出信號，而此時3腳只有靜態電流；當永磁轉 子的S極磁場指向U2時，U2的3腳產生拉電流的輸出信號，而此時 l腳只有靜態電流；當無磁場時，U2的l腳和3腳均不產生拉電流的 輸出信號，即l腳和3腳均只有靜態電流通過。本電路利用U2的l腳 和3腳的拉電流信號分別在R9和R10上的電壓降，當永磁轉子N極 磁場指向U2處時，在M點得到低電平的檢測信號，當永磁轉子S極 磁場指向U2處時，在L點得到低電平的檢測信號。交流電源極性檢測電路由Q1、 Q2、 R2、 R3、 R4、 R5、 C5、 C6、 C7、 C8、 D4、 D5等構成。當交流電源進入正半周時，變壓器Tl的輸 出使C點電位升高，并通過R2使Q1導通，Q1導通后使H點從高電平 變為低電平，經D4使I點為低電平，即產生一個下降沿作為CPU的 INTO中斷請求信號。當交流電源正半周結束時及負半周時，由于C點 對G點的電位小于Q1的正向導通電壓而使Q1截止。與此相似，當交 流電源進入負半周時，變壓器T1的輸出使D點電位升高，并通過R4 使Q2導通，Q2導通后使J點從高電平變為低電平，經D5使K點為 低電平，即產生一個下降沿作為CPU的INT1中斷請求信號。當交流 電源負半周結束時及正半周時，由于D點對G點的電位小于Q2的正 向導通電壓而使Q2截止。信號處理電路主要由AT89C2051微處理器CPU及R8、 C12、 C13、C14、 C15、 Xl外圍元件構成，交流電源正、負極性檢測電路在交流電 源半周前沿發出下降沿的輸出信號向CPU發出外部中斷請求的形式輸 入CPU,轉子磁場極性檢測電路的輸出以低電平有效的電平狀態的形 式輸入CPU, CPU的輸出信號用于觸發可控硅驅動電機的定子繞組。AT89C2051微處理器CPU的程序包含了本發明的抽水方法中對上 述信號進行匹配，經判斷和處理，當符合條件時輸出觸發控制信號， 用于觸發驅動電機等的部分。具體由如下一個主程序和兩個中斷子程 序來實現，其中，主程序包含了正極性(正半周)狀態和負極性(負 半周)狀態兩個程序段。分別對代表當前轉子磁場極性N極或S極位 置的電信號與電源極性信號進行匹配。并在此基礎上，增加對已觸發 狀態存儲器的檢測，防止半周內的多次重復觸發；和增加對定時器的 檢測，可提高系統的穩定性和避免誤觸發。當設定的幾個條件均符合 時，CPU輸出觸發控制信號并置位觸發狀態存儲器；當條件不符合時, CPU不輸出觸發控制信號繼續按設定程序運行。INTO和INT1兩個中 斷子程序分別對交流電源極性檢測電路的正極性(正半周)和負極性 (負半周)的中斷請求信號進行處理，對電源極性狀態存儲器、觸發 狀態存儲器、定時器進行置位或清零。主程序和INTO、 INT1中斷程序的內容具體如下主程序1、 CPU上電后，首先進行初始化配置，完成后進入下一步；2、 檢查電源極性狀態存儲器Pos- 'T' ,如是則進入下一步, 如不是則超轉到步驟7;3、 檢查觸發狀態存儲器="1" 如不是則進入下一步，如是則超 轉到步驟7;4、 檢查定時器是否超時？如不是則進入下一步，如是則超轉到步驟7; 5、 檢測磁極性狀態端口 S的電平，S= "0" ,如是則進入下一 步，如不是則返回步驟4;6、 輸出寬度為設定值的觸發脈沖，并置觸發狀態存儲器- 'T'， 然后超轉到步驟7;7、 檢查電源極性狀態存儲器Neg- "1" ,如是則進入下一步， 如不是則超轉到步驟2;'8、 檢查觸發狀態存儲器- "1" 如不是則進入下一步，如是則超 轉到步驟2;9、 檢查定時器是否超時？如不是則進入下一步，如是則超轉到步10、 檢測磁極性狀態端口 N的電平，N= "0" ,如是則進入下一 步，如不是則返回步驟9;11、 輸出寬度為設定值的觸發脈沖，并置觸發狀態存儲器- "1", 然后超轉到步驟2。INTO中斷子程序1、 INTO端口出現中斷請求的下降沿時，CPU把當前程序地址存 入堆棧，調用INTO中斷子程序，然后進入下一步；2、 對電源極性狀態存儲器Pos置="1",對電源極性狀態存儲器Neg置- "0",然后進入下一步；3、 復位觸發狀態存儲器，即置觸發狀態存儲器=然后進入 下一步；4、 定時器清零，然后進入下一步；5、 退出中斷，恢復堆棧中的程序地址，返回中斷前的程序。 INT1中斷子程序1、 INT1端口出現中斷請求的下降沿時，CPU把當前程序地址存 入堆棧，調用INT1中斷子程序，然后進入下一步；2、 對電源極性狀態存儲器Neg置- "1",對電源極性狀態存儲器 Pos置="0"，然后進入下一步；3、 復位觸發狀態存儲器，即置觸發狀態存儲器="Q"，然后進入 下一步；4、 定時器清零，然后進入下一步；5、 退出中斷，恢復堆棧中的程序地址，返回中斷前的程序。 可控硅及電機驅動電路CPU輸出的觸發控制信號經R9使Q3導通，Q3導通時集電極拉電流的觸發信號經R10限流后觸發雙向可控硅 IM使IH導通，電源從A點經Q3到P點和電機繞組后到B點形成導通 回路，從而使電機定子產生磁場驅動轉子轉動。雙向可控珪U4得到 觸發信號后保持導通，在該交流電源半周結束時，因導通電流小于最 小保持電流而截止。電機的工作過程分下列幾種工作狀態介紹1、轉子處于完全靜止狀態(不通電的完全停機狀態)時，由于這時定子不產生磁場，且轉子的N極和S極也是左右對稱分布的，定 子矽鋼片除左右兩處啟動磁滯缺口 (也稱啟動缺口)夕卜，其它結構也 左右對稱，因而永磁轉子磁場對定子左、右兩邊矽鋼片的磁場力相等， 但方向略偏離磁滯缺口，即向無磁滯缺口的方向偏轉一小角度，故靜止狀態時，轉子磁場的N極和S極保持接近水平方向且以轉軸為軸心 向無磁滯缺口的方向偏轉一小角度，但N極和S極向左還是向右的磁 場極性不確定。2、 當交流電源極性檢測電路檢測到電源負極性信號，且轉子磁 場極性檢測電路檢測到N極信號時參見圖5，這種情況屬于匹配。 因此，AT89C2051微處理器CPU將依據匹配結果輸出信號，并觸發可 控硅U4，使交流電源驅動電機的定子繞組，這時，定子磁場驅動永磁 轉子轉動的方向為沿逆時針方向，與設定轉動方向一致。3、 當交流電源極性檢測電路檢測到電源正極性信號，且轉子磁 場極性檢測電路檢測到S極信號時參見圖6，這種情況也屬于匹配。 因此，AT89C2051處理器CPU將依據匹配結果輸出信號，并觸發可控 硅U4,使交流電源驅動電機的定子繞組，這時，定子磁場驅動永磁轉 子轉動的方向為沿逆時針方向，與設定轉動方向也一致。4、 當交流電源極性檢測電路檢測到電源正極性信號，且轉子磁 場極性檢測電路檢測到N極信號時這種情況屬于不匹配。因此， AT89C2051處理器CPU不向Q3和U4提供觸發信號，不觸發可控硅電 路，這時，交流電源無法通過電機定子繞組，定子不產生磁場。即在 該電源半周內等待轉子磁場轉動到匹配狀態時才再觸發或該電源半周不觸發。5、當交流電源極性檢測電路檢測'到電源負極性信號，且轉子磁 場極性檢測電路檢測到S極信號時這種情況也屬于不匹配。因此，AT89C2051處理器CPU不向Q3和U4提供觸發信號，不觸發可控硅電 路，這時，交流電源也無法到達電機定子繞組，定子不產生磁場。即 在該電源半周內等待轉子磁場轉動到匹配狀態時才再觸發或該電源 半周不觸發。從以上工作過程可得到下列結論通過禁止部分在當前轉子磁場極性位置下可靡引起電機反轉的 電源半周的前沿或整個半周對電機的驅動，即僅讓能使電機定子產生 的磁場極性與當前轉子的磁場極性間的作用力符合設定轉向要求的 半周或半周的后部分對電機進行驅動，可使電機按設定的旋轉方向轉 動。由此，電路實現了電機的定向啟動和運行的控制功能。 另外，本實施方式還對匹配作出了更進一步的限制 參照圖7—圖9,當交流電源處于正半周時，INTO中斷子程序已 置Pos-l， Neg-O, INT1中斷未再出現，霍爾元件檢測到S磁極，磁 極性狀態端口S的電平，S= "0",且INTO中斷以后再未觸發過，CPU的定時器未超時，此時，兩電信號才被認為匹配；當交流電源處于負 半周時，INT1中斷子程序已置Neg-l, Pos=0, INTO中斷未再出現， 霍爾元件檢測到N磁極，磁極性狀態端口 N的電平，N= "0",且INTl 中斷以后再未觸發過，CPU的定時器未超時，此時-，兩電信號也才被 認為匹配；其他情形下，兩電信號均不匹配。其次，介紹具體實施方式
中，采用丄述電機結構和控制方法對潛 水泵結構和抽水方法作進一步的改造。參見圖1和圖2,本具體實施方式
的潛水泵，其葉輪4的葉片制作成螺旋漸開式型，泵房2改為左右非對稱的蝸殼型結構，出水口 2. 2 設于泵房2邊沿且與旋轉水體的切向一致，這樣，由轉子3帶動葉輪 4的葉片按逆時針方向轉動，使水體螺旋運動產生離心力，將水流源 源不斷地沿旋渦水流切向的方向甩向出水口 2.2。本發明潛水泵的抽水方法及其裝置，由于轉子和葉輪的轉動 可按設定的轉向啟動和轉動，使潛水泵的啟動和運行具有定向性， 有效地解決了現有單相交流二極永磁同步電機驅動的潛水泵，其 轉子的啟動和運行存在旋轉方向不能確定的缺點，有利于潛水泵 在結構上的進一步改造，另外，由于葉輪的葉片可改為弧型，尤 其是呈螺旋漸開式型，泵房改為左右非對稱的蝸殼型結構，且泵 房出水口改為設在沿葉輪及蝸殼邊沿處，做成左右非對稱的切向 出水口，能大幅度地提高這類潛水泵的工作效率，并保留其電機 制作工藝的簡易性和低成本。其次，本發明的方法和裝置中，還利用電源極性檢測電路在電源 半周的前沿產生下降沿的中斷請求信號，并設置相應的中斷子程序， 可有效地進一步提高系統的可靠性和系統資源的效率。其次，利用中斷子程序清除觸發狀態存儲器(置"0"),在主程 序中檢查是否已觸發過，當各種條件符合時輸出觸發，并置位觸發狀 態存儲器(置'T，)，這樣可避免在一個半周中的多次重復觸發。再則，在主程序中設置定時子程序，并檢查定時器是否超時，可 避免誤觸發，防止當交流電源半周已到達將近結東時才出現匹配的磁 極信號而造成在本半周內無法驅動轉子磁極轉動到應達到的位置還 可能出現觸發脈沖跨入下一個半周而造成誤觸發，避免后面的半周內 定子繞組產生的磁場與轉子磁場的作用力使轉子沿與目標旋轉方向 相反的方向轉動。
權利要求
1、一種采用交流電源驅動的永磁電機的潛水泵的抽水方法，包括用于獲取代表當前交流電源正、負極性的電信號的步驟；用于獲取代表當前轉子磁場極性N極或S極位置的電信號的步驟；將代表當前交流電源處于正半周或負半周的電信號與代表當前轉子磁場極性N極或S極位置的電信號進行匹配，以使交流電源驅動定子繞組產生的磁場方向有利于轉子按特定方向轉動，通過對上述信號進行判斷和處理，并產生輸出控制信號的步驟；由上述的匹配結果輸出的控制信號觸發導通，使當前交流電源半周驅動定子繞組以產生磁場的步驟；由上述定子磁場驅動永磁轉子轉動的步驟；由上述轉子帶動呈弧形葉片的葉輪轉動的步驟；由上述葉輪帶動從泵房進水口進入的水繞轉軸旋轉的步驟；將旋轉的水從旋轉切向方向拋向出水口的步驟；由出水口將水引出的步驟。
2、 根據權利要求1的采用交流電源驅動的永磁電機的潛水泵的 抽水方法，其特征在于，葉輪采用呈螺旋漸開式型的葉片。
3、 根據權利要求1或2的采用交流電源驅動的永磁電機的潛水 泵的抽水方法，其特征在于，將代表當前交流電源處于正半周或負半周的電信號與代表當前轉子磁場極性N極或S極位置的電信號進行匹配時，還包括用于判斷交流電源是否正處在已觸發導通驅動定子繞組 產生磁場的狀態，若本半周已觸發則不需要再觸發的步驟。
4、 根據權利要求1或2的采用交流電源驅動的永磁電機的潛水 泵的抽水方法，其特征在于，將代表當前交流電源處于正半周或負半 周的電信號與代表當前轉子磁場極性N極或S極位置的電信號進行匹 配的過程中，還包括用于判斷磁場極性N極或S極位置的電信號的到 來是否已超過一定時限，若不能滿足觸發和軀動要求則該半周不觸發 導通的步驟。
5、 根據權利要求3的.果用交流電源驅動的永磁電機的潛水泵的 抽水方法，其特征在于，將代表當前交流電源處于正半周或負半周的 電信號與代表當前轉子磁場極性N極或S極位置的電信號進行匹配的 過程中，還包括用于判斷磁場極性N極或S極位置的電信號的到來是 否已超過一定時限，若不能滿足觸發和驅動要求則該半周不觸發導通 的步驟。
6、 一種釆用交流電源驅動的永磁電機的潛水泵，包括帶有進、 出水口的泵房，由封閉材料和殼體密封于其中的定子，設置在轉子室 內的轉子，以及由轉子帶動設置于泵房中的葉輪，其特征是，葉輪的 葉片呈弧形；泵房出水口設在泵房邊沿且與旋轉水體的切向一致；且 設置有轉子磁場極性位置檢測電路、交流電源正/負極性檢測電路、 信號處理電路、可控硅及電機驅動電路，由信號處理電路的CPU對交 流電源正/負極性檢測電路輸出的電源極性電信號和轉子磁場極性位置檢測電路輸出的轉子磁場極性電信號進行匹配，并將符合條件的匹 配結果輸出，并觸發可控硅及電機驅動電路，以便交流電源通過定子 繞組產生磁場使轉子和葉輪按特定的方向轉動。
7、根據權利要求6的采用交流電源驅動的永磁電機的潛水泵， 其特^E在于，葉輪的葉片呈螺旋漸開式型。
全文摘要
本發明公開了一種采用交流電源驅動的永磁電機的潛水泵的抽水方法及其裝置，它依據電機轉子當前磁場極性位置和交流電源正、負極性，通過控制交流電源正、負半周是否導通及半周前沿導通相位，使電機定子產生的磁場極性與轉子磁場極性匹配，將電機的不定向啟動和運行改進為定向啟動和運行。包括設置轉子磁場極性位置檢測電路、交流電源正/負極性檢測電路、信號處理電路、可控硅及電機驅動電路，通過對電源極性信號和轉子磁場極性信號進行匹配，并將符合條件的匹配結果輸出并觸發可控硅，使交流電驅動電機的定子繞組，轉子和葉輪按特定方向轉動，以適合于潛水泵結構上的進一步改造，獲得具有更好效率的抽水方法及其裝置。
文檔編號H02P6/22GK101222198SQ20071003148
公開日2008年7月16日 申請日期2007年11月13日 優先權日2007年11月13日
發明者邱遠銳 申請人:廣東博宇水族實業有限公司