專利名稱：吊扇的制作方法
技術領域：
本發明涉及吊扇，尤其但不僅僅涉及無傳感器正弦吊扇和控制吊扇的方法。
背景技術：
吊扇通常通過高極數AC感應電機供電，所述感應電機在高轉差率下由市電AC線路電壓直接運作，其使運作效率非常低。典型的家用吊扇可在低成本及長壽命方面進行優化，但無法在電效率方面優化。例如，典型的家用吊扇消耗大約75W電輸入功率，但僅生成大約15W機械軸功率；效率僅為20%。可通過用電子整流(EC)電機更換AC感應電機來極大地提高吊扇的效率，所述電子整流電機包括具有多個交替磁極的永磁轉子和具有由電子開關控制的一相繞組或多相繞組的定子。EC電機通常能夠實現60%或更大的效率，因此只需25W電輸入功率來生成15W機械軸功率。與典型AC電機吊扇相比，EC吊扇的使用具有將能耗減小多達66%的潛力。由于吊扇在全球溫帶、熱帶和亞熱帶地區廣泛使用，所以對EC吊扇技術的改進可在降低全球能耗和其對全球氣候變化的影響方面發揮重要作用。EC吊扇需要電子控制器來檢測轉子磁極的位置并且給定子繞組通電使得正確量值和極性的電流在繞組中流動以生成所需旋轉方向(DOR)上的運動力矩。還可控制繞組電流波形振幅和相以在聲學上實現消費者可能需要的靜音運作。電子控制器需要轉子位置感測(RPS)手段來確定轉子磁極相對于定子繞組的位置。一種可能性是使用高分辨率編碼器，但是這很昂貴。另一個選擇是貼近轉子磁鐵放置的磁感電子霍爾效應開關，其直接感測磁極。這些霍爾效應傳感器的輸出隨后可通過邏輯電路或微處理器解碼以確定轉子位置和因此確定繞組切換模式的時序。但是霍爾效應傳感器是相對脆弱的電子組件并且在嵌入定子中時可能因裝置本身和其與主控制器電路的互連而產生可靠性問題。美國專利第7157872號公開一種具有外轉子DC無刷電機的吊扇，所述電機具有安裝在外轉子外側上的額外磁環。這使得霍爾效應裝置可從電機外部確定轉子位置。但是使用霍爾效應裝置和其互連件可能增大電機的機械復雜度并且由于輔助磁片與實際轉子磁極未對準而可能引入電機效應降低和聲噪聲增大的可能性，其可能導致整流時序出現誤差。發明概述總的來說，本發明提出一種使用具有無傳感器電機控制器的高效電子整流(EC)電機的吊扇。無傳感器控制器可具有免去使用霍爾效應裝置或編碼器來確定轉子位置的優點，提供更高的開機可靠性并且提供平穩且安靜的運作。無傳感器控制器可包括具備輸出濾波的PWM DC-DC轉換器。例如，轉換器可以是同步降壓轉換器(synchronous Buck convertor)。轉換器可采用正弦脈沖寬度調制(SPWM),一個或多個切換配置以速度為依據。例如，低速下，切換波形可以是具有低諧波量的大致正弦，其可實現非常安靜的運作，而在高速下，可將高次諧波添加至切換波形，其可提高效率。輸出濾波和/或切換配置可具有優化效率和/或使噪聲最小化的優點。無傳感器控制器可包括一旦停機立刻在非易失性程序存儲器中存儲轉子位置的停機時序使得信息可在電源斷開時保留。無傳感器控制器可包括開機時序，其以風扇上次停機時的轉子位置為依據。這可能具有提高開機時序的成功機率的優點。無傳感器控制器可采用切換邏輯，所述切換邏輯導致每個相連續依序連接到共軌持續1/3電周期。這可具有使電流可基于跨開關的電壓降而確定以及電流可在開機時序期間用于確定開機時序是否已成功的優點。此外，AC:DC隔離電源(SMPS)可用于提供與輸入市電供應的安全隔離以及將線路電壓轉化成保護用戶不遭受低壓電平電擊的電平，這類電源符合IEC安全超低電壓和/或UL 1310等級2限制。電源可在安裝管的密封部分中與電機分開。或者，AD:DC電源可以是非隔離轉換器布局，由此通過風扇的結構部件防止用戶接觸帶電組件。或者，AC:DC電源可直接由輸入AC供電整流和濾波而來。在本發明的第一特定表達中，提供根據權利要求1所述的吊扇。附圖簡述現將參考下列附圖描述本發明的一個或多個示例性實施方案，其中:
圖1是從下方觀看的根據示例性實施方案的EC吊扇的透視圖；圖2是葉片10、上蓋15、EC電機30的安裝細節的分解透視圖；圖3是從下方觀看的示出EC電機30、電子控制器PCBA 351的EC風扇的部分透視圖；圖4是EC電機30的分解透視圖；圖5是從下方觀看的EC電機定子350的透視細節圖；圖6是電源136和印刷電路板總成(PCBA) 351的電的方框示意圖；圖7是參考繞組共同點413的電壓Abmf420、Bbmf421、Cbmf422的曲線圖；圖8是主控制器運作狀態的軟件狀態圖；圖9是備用狀態運作的軟件流程圖；圖10是開機狀態運作的軟件流程圖；圖11是運行狀態運作的軟件流程圖；圖12是運行狀態PWM中斷運作的軟件流程圖；圖13是參考OV的電壓Aph 410、Bph 411和Cph 412的曲線圖；圖14是參考OV的電壓Aph 410的曲線圖；和圖15是關機狀態運作的軟件流程圖。詳述根據示例性實施方案的轉子位置感測使用電子感測手段(反向EMF RPS)來通過測量與繞組相關的反向EMF電壓來確定整流時序，因此免去霍爾效應裝置。最簡單的反向EMF RPS方法采用以2-打開/1-關閉6步驟切換模式控制的三相逆變器。在此方法中，驅動三相電機使得兩相隨時通電并且在具有零電流流動的第三個斷開相上測量電壓。這使得控制器可直接通過轉子磁鐵的移動來感測第三相中產生的反向emf電壓(Vbmf)。控制器通常在感測到的相的Vbmf過零時檢測并且將其用作經由模擬或數字手段計算感測到的相將打開以及通電相之一將關閉的下一整流時刻的時序的依據。通過改變DC總線電壓或通過一個或多個逆變器切換裝置的脈沖寬度調制(PWM)控制電機速度。具有2-打開/1-關閉整流的反向EMF RPS提供簡化的優點，但是具有當繞組從打開切換到關閉的每個時刻生成聲噪聲的主要缺點。所生成的噪聲可能對于在戶內環境(包括臥室)內貼近人運作的吊扇來說是不可接受的。可通過使用用SPWM逆變器驅動的EC電機來提高電機驅動器的最佳平穩度和低的聲噪聲，其中繞組電壓或電流也控制為正弦并且保持與電機Vbmf同步。用SPWM逆變器實施反向EMF RPS是存在問題的，因為所有繞組必須連續通電，所以電機Vbmf無法在零電流條件下直接測量。電機的終端電壓是所施加的PWM電壓并且無法直接用于確定反向EMF。在此情況下，需要對測量到的電壓和電流執行高級數學變換的高速微處理器來確定轉子位置。這些裝置和相關支持電路的成本和復雜性對于吊扇來說是較不需要。根據示例性實施方案，反向EMF感測結合同步降壓轉換器使用。因為同步降壓轉換器輸出通過濾波器組件與逆變器切換裝置的SPWM解耦，所以測量到繞組電壓接近反向EMF。這可實現正弦波電機中轉子位置的準確感測并且可避免對用于確定反向EMF的復雜計算的需要。風扇構誥圖1示出了根據示例性實施方案的EC吊扇。三個風扇葉片10圍繞中心管狀總成13徑向安裝，下蓋11具有中心定位的紅外線LED透鏡12，其緊緊地裝配到葉片10的下邊緣以提供針對來自下方的灰塵和水的合理進入保護。圖2和圖3示出了葉片安裝配置的分解圖。葉片10與電機30葉片安裝腹板331對齊并且通過螺絲312緊固在適當位置。圖3示出了下蓋11突出轉塔314可與安裝槽315對齊使得蓋11可被垂直向上推并且被旋轉到鎖定在適當位置。具有紅外線信號檢測器352的電機控制器PCBA 351安裝在電機30的中心。圖4示出了 EC電機30的分解圖，電機是外部轉子、無槽、軸向流量、雙轉子配置，通常被稱作TORUS電機。電機30包括可由適當強度的非鐵磁材料(如壓鑄鋁或注射成型熱塑性物質)形成的轉子殼330并且提供葉片安裝腹板331和提供上軸承324和下軸承326的安裝的軸承轉塔332。或者，轉子殼330和上蓋15可形成為單個集成組件。上轉子340包括鐵磁材料的環形片和由永磁材料組成的環形磁環341，所述環形磁環341膠合至適當位置并且用面向定子350上表面的16個等距分隔的磁極區磁化。上轉子340通過3個安裝螺絲327從電機的內側附接到電機殼330。定子350具有塑料注射成型核心，主電機軸351被壓至適當位置并且通過花鍵357和黃環358固持。裝配有上轉子340、軸承324和326的轉子殼330沿著軸351向下滑入適當位置并且通過簧環322和墊圈323固持在適當位置。波形墊圈325提供軸承預加負荷。下轉子342包括鐵磁材料的環形片，由永磁材料組成的環形磁環343膠合至適當位置并且用面向定子350下表面的16個等距分隔的磁極區磁化。
上環狀磁鐵341和下環狀磁鐵343兩者優選為陶瓷磁性材料，所述陶瓷磁性材料可如擴音器環形磁鐵的應用以低成本大量獲得。或者，可由多個磁段形成整環。或者，可使用稀土、釹、鐵、硼或其他高強度永磁材料，作為整環或由多個磁段形成。圖5示出了定子350下表面的透視細節圖，定子350螺旋纏繞有16極三相繞組，包括每個0.9mm直徑搪瓷銅磁線的磁極15匝，每相電阻為0.4歐姆且電感為180uH。定子齒355由注射成型熱塑性材料形成；用于在纏繞期間引導磁線的目的并且不形成電機磁性電路的有源元件。成型轉塔356從定子核心的下表面延伸并且提供PCBA 351的外罩，所述PCBA 351通過安裝夾354固持在適當位置。定子繞組經由卷線軸和插頭353直接終接至PCBA。電機控制器根據示例性實施方案，EC電機通過圖6所示的電機控制器351通電。電機控制器351電連接至12V DC電源136和電機定子繞組350。電機控制器351通常包括三相同步降壓轉換器409、微控制器368、轉換器409的驅動電路367、電壓感測濾波器386至397和微控制器368的3.3V電源381。電機控制器351配置在印刷電路板總成(PCBA)上。用戶經由紅外線發射器373提供所要的控制設置，如速度，所述設置提供在紅外線接收器352上。微控制器368隨后測量來自電壓感測濾波器386至397的反向EMF并且提供通過驅動器367放大的適當切換信號到轉換器409。一般來說，如果風扇需要加速，那么增大來自轉換器409的所施加電壓的電平且反之則減速。來自轉換器409的所施加電壓的頻率總是與(如從反向EMF測量到的)電機速度同步。SMPS 136提供12Vdc供電到控制器351。SMPS 136提供輸出電流和針對12Vdc供電軌的過載保護。如果內部溫度由于電機或控制器故障或環境溫度過高而超過安全限制，那么熱開關374將至電機控制器351的電力斷開。3.3V電源381包括電壓調節器以生成針對微控制器368的3.3V供電軌。當AC電源135斷開時，電容器382和383提供足夠的電荷存儲來給微控制器368供電直到風扇速度從最大rpm減小到靜止。二極管380隔離電容器382使其不放電至12Vdc軌。12Vdc供電軌通過微控制器368定時測量。電阻器384和385使12Vdc供電電壓衰減至低于3.3V以允許通過微控制器368測量。經過衰減的供電軌電壓連接至模擬至數字轉換器(A/D)輸入端AM。當電壓降至低于9.5V時，微控制器368進入超低功率關機狀態。當12Vdc軌恢復至大于10.5V時，電機驅動重新啟動。轉換器409包括一組金氧半場效晶體管(mosfet)開關361至366以將12V供電DC電壓轉換為三相脈沖寬度調制電壓。PWM通過各具有50uH的值的濾波感應器400至402和各具有47uF的值的濾波電容器403至405平滑化為近似正弦電壓(即，諧波減少)。開關361至366控制為增強的正弦PWM(ESPWM)。換句話說，在每個電周期過程中，PWM占空比大致根據正弦變化。濾波器400至405和ESPWM的組合可導致電機的接近無聲運作。每個電周期的ESPWM切換模式以數據表(波表PWM)的形式存儲在微控制器368內部存儲器中。多個表可用于在不同運作速度下優化性能，例如一個表格針對低速下的低噪聲而優化，而另一個表格針對高速下的最佳效率而優化。
根據切換模式,微控制器368輸出Adrv、Bdrv> Cdrv, Aen> Ben、Cen被供應至驅動電路367。驅動器367隨后根據下表所示的金氧半場效晶體管驅動邏輯發送驅動信號到每個開關的柵極:
權利要求
1.一種吊扇，其包括: EC電機，其驅動多個風扇葉片， 電機控制器，其被配置來使用反向EMF確定轉子位置以及被配置來根據所述轉子位置和預定指令給所述電機通電。
2.根據權利要求1所述的風扇，其中所述控制器包括具有輸出濾波器的DC-DC轉換器。
3.根據權利要求2所述的風扇，其中所述輸出濾波器是多相LC濾波器。
4.根據權利要求2或3所述的風扇，其中所述轉換器是同步降壓轉換器。
5.根據上述權利要求中任一項所述的風扇，其中所述控制器被配置來基于電機終端電壓的過零而確定所述轉子位置。
6.根據權利要求4所述的風扇，其中所述輸出濾波器使切換PWM輸出電壓的所述轉換器與所述電機繞組解耦。
7.根據上述權利要求中任一項所述的風扇，其中所述預定指令包括一旦停機就存儲所述轉子位置的停機時序。
8.根據權利要求7所述的風扇，其中所述預定指令包括取決于上次停機的轉子位置的開機時序。
9.根據上述權利要求中任一項所述的風扇，其中所述預定指令包括至少一個SPWM切換配置。
10.根據權利要求9所述的風扇，其中所述預定指令包括多個SPWM切換配置，所述控制器被配置來基于速度選擇切換配置`。
11.根據上述權利要求中任一項所述的風扇，其中所述預定指令包括基于一種或多種故障條件的關機狀態。
12.根據權利要求11所述的風扇，其中所述故障條件包括低輸入電壓、過高溫度和高開機電流。
13.根據權利要求12所述的風扇,其中當單相依序連續連接到負DC供電軌時,所述高開機電流基于所述電機的單相電壓確定。
14.根據權利要求5所述的風扇，其還包括衰減及濾波電路以供應所述電機終端電壓至所述控制器從而確定所述反向EMF。
15.根據權利要求8所述的風扇，其中所述開機時序具有高于50%的成功機率。
16.根據上述權利要求中任一項所述的風扇，其中所述預定指令包括超低功率待機狀態。
17.根據上述權利要求中任一項所述的風扇，其中所述電機是三相電機且所述控制器是二相控制器。
18.—種控制吊扇的方法,其包括: 確定EC電機的反向EMF， 基于所述反向EMF和預定指令給所述電機通電以驅動所述風扇。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述預定指令包括一個或多個SPWM切換配置。
20.根據權利要求18或19所述的方法，其還包括對同步降壓轉換器進行輸出濾波以給所述電機通電。
21.根據權利要求18至20中任一項所述的方法，其還包括使所述電機停機和一旦停機就存儲所述電機的位置。
22.根據權利要求21所述的方法，其還包括基于所述上次停機的轉子位置使所述電機 開機 。
全文摘要
一種吊扇，其包括EC電機，其驅動多個風扇葉片；電機控制器，其被配置來使用反向EMF確定轉子位置以及被配置來根據電機位置和預定指令給所述電機通電。此外涉及一種控制吊扇的方法。
文檔編號H02P6/18GK103155402SQ201080066626
公開日2013年6月12日 申請日期2010年5月3日 優先權日2010年5月3日
發明者E·J·諾布爾 申請人:德爾塔T公司