一种单相电动机驱动的小型通风机的制作方法

本发明涉及一种单相电动机驱动的小型通风机，尤其涉及其机械、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：
：小型通风机使用广泛，运行时间长，颇需制造低成本和运行节能。针对传统小型通风机以异步电动机驱动效率偏低的情况，现有技术提出改由永磁同步电动机驱动。但同步电动机难以如异步电动机那样可以比较经济的手段调速，其以同步转速驱动的通风机固定的输出特性只能在设备中借助风门等调节以满足使用要求，该调节必导致流体能量损失而降低了设备能效。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是，提出一种由单相电动机驱动的小型通风机，可以较高的能效用于设备，但成本较低。本发明解决所述技术问题的技术方案是，一种单相电动机驱动的小型通风机，包括：——按预定旋转方向旋转的叶轮；——直接驱动所述叶轮的电动机，其定子绕组按规定绕向经控制电路接往单相电源，与定子极数相同的永磁转子与定子间气隙的宽度于每一极下沿规定旋转方向收窄，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，沿所述旋转方向偏转一锐角角度；其特征在于：所述定子的极数为2极，叶轮直径不大于100mm；或者定子的极数为4极，叶轮直径不大于150mm；所述控制电路包括：a)单相桥式整流电路，所述绕组经该整流电路的交流端接往所述单相电源，一全控型电力电子器件直接或串联一电流检测电路跨接该整流电路的直流端；b)检测电路，检测所述转子的极性状态和所述单相电源供给所述绕组的电压极性，以确定转子各极穿越气隙的永磁磁通轴线方向和所述单相电源在定子各极产生穿越气隙的主磁通轴线方向；c)含内置程序的控制器，其输出接往所述全控型电力电子器件的控制端，所述内置程序含按检测电路检测到的信号驱动所述全控型电力电子器件，逐个半波控制所述单相电源输入所述绕组的控制步骤；所述步骤包括：——在电动机起动时，所述电力电子器件在所述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开通此时的电源半波，并持续至该半波到零时切断；——在电动机运转时，所述电力电子器件在所述主磁通轴线与永磁磁通轴线方向完全相反或接近相反时，以脉冲控制方式开通此时的电源半波，并在永磁转子因此转动至该二轴线方向完全相同或接近相同时，完全切断此时的电源半波。实验表明，该巧妙控制经济实用，使该结构的通风机能以单相电源定向起动的同时实现调速运转，因而无需在设备中借助风门等节制风量，减少能量损失。所述控制电路的典型设计包括：——由4个二极管组成的整流桥(4)，其一交流端经绕组(102)串联接往单相电源一极(L)，另一交流端接往单相电源另一极(N)，晶体三极管(44)的集电极连接整流桥(4)直流正端，发射极串联第1电阻(45)连接整流桥(4)的直流负端；——单片机(6)，其共地端(VSS)连接整流桥(4)的直流负端，输出电路(63)接往晶体三极管(44)的控制极(41)；——所述单相电源的一极(L)经第2电阻(7)串联第1稳压二极管(8)连接共地端(VSS)，第2电阻(7)与第1稳压二极管(8)的串联点(B)接往单片机(6)的第1输入电路(61)，提供交流电源同步信号。该设计借整流桥一臂半波整流向单片机提供电源同步信号，节省了整流电路。进一步设计单片机(6)的电源端(VDD)经二极管(9)接往所述串联点(B)，单片机(6)的电源端(VDD)与共地端(VSS)间跨接电容器(10)。单片机取得直流电源与交流电源同步信号共用稳压电路，更为节省。该技术方案的进一步设计之一是：在电动机运转时，所述电力电子器件在所述永磁磁通轴线旋转至与主磁通轴线方向完全相反之前，开通此时的电源半波，所提前的时间短于绕组电流滞后电压的时间。该设计有利于增加每次开通的时间，因而提高电动机的效率。该技术方案的进一步设计之二是：所述脉冲控制与电动机转速构成闭环反馈控制，所需转速信号取自所述检测电路对所述转子的极性状态的检测。该设计使失步但受控的转速能更好地稳定于不同的负载和调速比，尤其是较重负载以及较大的调速比的情况。该技术方案的进一步设计之三是：所述检测电路检测所述转子的极性状态是使用靠近所述转子磁极表面安装的磁性位置传感器，以可靠检测所述转子的转动状态。该技术方案的进一步设计之四是：所述永磁转子朝向气隙的圆柱面为良导体金属层，以减轻脉冲控制导致的噪声。本发明的技术方案和效果将在具体实施方式中结合附图作进一步的说明。附图说明图1是本发明各实施例通风机基本机械结构主視示意图。图2是本发明第1实施例通风机电动机电磁基本结构示意图。图3是本发明各实施例通风机电动机控制电路示意图。图4是本发明第1实施例通风机电动机霍尔元件输出特性示意图。图5是本发明各实施例通风机电动机第1方式控制信号波形示意图。图6是本发明各实施例通风机电动机第2方式控制信号波形示意图。图7是本发明第2实施例通风机电动机电磁基本结构示意图。图8是本发明第2实施例通风机电动机霍尔元件输出特性示意图。具体实施方式本发明各实施例通风机基本机械结构如图1所示，包括：——按逆时针方向旋转的轴流式叶轮1；——固定于机壳的电动机2；——叶轮1连接于电动机2的输出轴，其具有4个叶片；按性能要求，叶片数也可以为3、5或6，但最好不要多于8片。叶轮为注塑成型，直径120mm。叶轮不宜更大，转动惯量宜尽量小，以配合电动机2仍不太大的起动力矩；——电动机2为内转子电动机，包括定子100和永磁转子200。本发明第1实施例通风机的电动机电磁基本结构如图2所示，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102组成；绕组102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流体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，并影响起动转矩和效率。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起动转矩为零的所谓“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；——线性的霍尔元件300，安装于定子铁芯100右侧凸极的轴线500上靠近转子200圆周的位置。本发明各实施例通风机电动机控制电路如图3，制成固定于电动机非轴伸端的印刷电路板，该印刷电路板除连接霍尔元件300外，还安装有：——由4个二极管组成的整流桥4，其一交流端经绕组102串联接往单相电源端子5一极L，另一交流端接往单相电源端子5另一极N；晶体三极管44的集电极连接整流桥4的直流正端，发射极串联电阻45连接整流桥4的直流负端；——单片机6，其共地端VSS连接整流桥(4)的直流负端，输出电路63接往晶体三极管44的控制极；——来自单相电源端子5的二极L、N的电压经整流桥4如图右下臂的二极管半波整流和经电阻7串联稳压二极管8组成的电路整形，该电路的输出B接往单片机6的输入电路61。输出B在单相电源端子5的电压极性为正半波时为1而负半波时为0；——所述串联点B经二极管9连接单片机6的电源端VDD，该连接点与共地端VSS间跨接滤波电容器10，向单片机6提供5V稳定电压的直流电源；——晶体三极管44的发射极与电阻45的连接点接往单片机6的输入电路64，其上的对地电位与电动机的电流成正比。该输入可用于闭环控制和进行电动机过电流或/和泵的空载保护；——调速设定端子K，接往单片机6的输入电路65。霍尔元件300的输出接往单片机6的输入电路62。霍尔元件300的输出特性为线性，因而霍尔元件300的输出电平与穿越定转子之间气隙的永磁磁通轴线电角度的关系为正弦波特性。该特性如图4所示，如图2转子200各极轴线700、800分别与定子各凸极轴线500、600重合时，正对霍尔元件300所在定子右侧的凸极的若为N极，永磁磁通轴线电角度即为0°，霍尔元件300的输出电平为最高——5V；若为S极，永磁磁通轴线电角度即为180°，霍尔元件300的输出电平为最低——1V。此外，在自由状态下，转子200各极永磁磁通轴线以相邻定子凸极的轴线为参照沿逆时针方向偏转电角度约10°，当转子200朝向霍尔元件300所在定子右侧的凸极的是N极时，霍尔元件300的输出电平为4.97V；是S极时，则为1.03V。该特性存储于单片机6中。按照右手螺旋法则对绕组102的绕向及其往单相电源端子5的连接设计为:单相电源端子5的电压半波为正时，穿越定转子之间气隙的主磁通轴线的方向按图2：对位于水平的轴线500上的左、右二个凸极为沿轴线500指向转子200，对位于垂直的轴线600上的上、下二个凸极为沿轴线600背向转子200；半波为负时则相反。因此，在电动机起动时，单相电源端子5的电压半波为正和霍尔元件300输出为4.97V，或者半波为负和霍尔元件300输出为1.03V时，主磁通轴线方向的反向(对位于水平的轴线500上的左、右二个凸极为沿轴线500背向转子200，对位于垂直的轴线600上的上、下二个凸极为沿轴线600指向转子200)与永磁磁通轴线方向相交为电角度约10°；在电动机运转时，单相电源端子5的电压半波为正和霍尔元件300输出为5V，或者半波为负和霍尔元件300输出为1V时，主磁通轴线方向的反向与永磁磁通轴线方向相交为0°或接近0°。所谓“接近”是指虽然不为0°，但在容许的偏差内。该控制出现于电动机运转，叶轮和转子为主的旋转系统的机械惯性被巧妙用于减轻不可避免的控制偏差的影响。单片机6内置的软件或硬件控制还包括：a)对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件300的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平为4.97V和电动机起动时或者到达5V和电动机运转时变为1，当该电平为1.03V和电动机起动时或者到达1V和电动机运转时时变为0；b)以上述输出A和输出B二者为输入的同或门逻辑控制的输出L与A、B的逻辑关系，如下表；电源极性霍尔300输出电平ABL主磁通的反向与永磁磁通夹角正半波电动机起动时为4.97V，或运转时为5V111起动时为10°，或运转时为0°正半波电动机起动时为1.03V，或运转时为1V100————————负半波电动机起动时为4.97V，或运转时为5V010————————负半波电动机起动时为1.03V，或运转时为1V001起动时为10°，或运转时为0°c)上述L为1时，单片机6的输出电路63向晶体三极管44的控制极41输出脉冲电压。该脉冲电压于相应电源极性半波结束之前结束，且在电动机起动时为恒定值，运转时为频率固定脉宽可调的脉冲群且其导通比通过单片机6内置的软件或硬件可调。晶体三极管44在控制极41获得上述脉冲电压后按其形态开通，使单相电源端子5向绕组102供电，转子200因而起动或继续旋转。由于控制极41获得的脉冲电压于相应电源极性半波结束之前结束，晶体三极管44此次半波开通至该半波过零时完全截止，然后在紧接着的下一半波再次按检测结果进行控制：符合所述条件，即L为1时，再次开通，否则完全截止。电动机按上述脉冲群导通比为1运转时，各信号的波形如图5所示：51为单相电源端子5的波形，52为整形电路输出B的波形，31为霍尔元件300的输出电平的波形，32为单片机6内置的软件或硬件对霍尔元件300的输出电平与所述储存的霍尔元件300输出特性比较后的输出A的波形，64为单片机6的输出电路63向晶体三极管44的控制极41输出的电压脉冲的波形，74为施加于绕组102的电压波形。泵此时额定负载运转于同步转速，轻载时平均转速会高于同步转速。电动机按上述脉冲群导通比为2/3运转时，各信号的波形如图6所示：51、52与图5中的意义相同。31’为霍尔元件300的输出电平的波形，可见此时电动机转速约降低为开通比为1时的1半；32’为单片机6内置的软件或硬件对31’的输出电平与所述储存的霍尔元件300输出特性比较后的输出A的波形；64’为单片机6的输出电路63向晶体三极管44的控制极41输出的电压脉冲的波形，可见开通比为2/3的方波脉冲群；74’为施加于绕组102的电压波形，可见开通比为2/3和包络线为非完整正弦波且不太有规律的脉冲群，其施加于绕组102的电压有效值低于额定电压，转子200的转速因而降低，使通风机风量和压力相应降低而无需在设备中借助风门等调节，达到高能效。该降速也可用于改善通风机轻载(如于外部顺向风运转)时平均转速会高于同步转速以至噪声过大的问题。以上述对永磁通相对主磁通轴线方向相同、相反或接近相同、相反位置的检测方法，对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件300的输出特性进行比较可得到转子200所有旋转位置的电角度，内置程序以这些电角度增量除以相应时间增量得到转子200的瞬时转速或平均转速，以该转速反馈控制所述脉冲群的导通比：当转速高于内置或调速设定端子K输入的设定值时，减少导通比；反之则增加，因而使转速稳定。因此，改变调速设定端子K的输入即可调速，该输入为模拟或数字量，在内置程序相应设计即可。本发明第2实施例通风机电动机电磁基本结构如图7所示(以下叙述对图7中的标记未列举者，均与图2同一标号的意义相同)，其与第1实施例的差异主要在于：a)霍尔元件300改为安装于定子铁芯右、上二个凸极之间的对称轴线上靠近转子200的圆周的位置，即相当于第1实施例的位置沿逆时针旋转迁移了机械角45°或电角度90°；b)由于a)，霍尔元件300的输出电平与转子200永磁磁通轴线方向的关系逆时针迁移90°，如图7所示。可见，相同坐标系图7特性曲线相比图4向右平移了90°，霍尔元件300的输出电平在永磁磁通轴线方向为0°和180°时均为3V(高、低电平的中间值)，但0°时的瞬时值越过3V时升高(前一瞬时值取样为2.9V)，180°时则降低(前一瞬时值取样为3.1V)。c)由于b)，对第1实施例中单片机6内置的软件或硬件控制中的a)项改为：——对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件300的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平的瞬时值为3V且越过3V升高时变为1，降低时变为0。其实，霍尔元件300可安装于就机械结构而言以任何更方便的角度靠近转子200圆周的位置，只需参照上述a)、b)、c)的办法，按照该位置相对于之前的安装位置沿旋转方向前或向后移的角度，并按照该角度把单片机6原来所储存的霍尔元件300的输出特性相应向右或向左平移，以及按照该迁移后的特性，确定霍尔元件300的输出电平在永磁磁通轴线方向分别为0°和180°时的值及其升降情况，并以该二值及其升降情况作为输出A的比较、判别和输出的依据，对单片机6内置的软件或硬件控制相应修改。例如，若霍尔元件300的安装位置改为相比第1实施例的位置逆时针旋转迁移机械角22.5°或电角度45°，则：a)霍尔元件300的输出电平与转子200永磁磁通轴线方向的关系即特性曲线如图7所示，其相比图4向右平移了45°，霍尔元件300的输出电平在永磁磁通轴线方向为0°时为4.41V且瞬时值越过4.41V时升高(前一瞬时值取样为4.38V)，为180°时为1.59V且瞬时值越过1.59V时降低(前一瞬时值取样为1.56V)。b)对第1实施例中单片机6内置的软件或硬件控制中的a)项改为：——对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件300的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平的瞬时值为4.41V且越过4.41V时升高时变为1；当该电平的瞬时值为1.59V且越过1.59V时降低时变为0。上述各实施例通风机在电动机运转时，均设计为在永磁磁通轴线旋转至主磁通轴线的相反方向时开通电源。该设计比较简单可靠。然而，由于绕组的感性电流的滞后于电压，该开通时间可适当提前。该提前是指永磁磁通轴线沿旋转方向旋转至接近主磁通轴线的相反方向时即开通电源。但对该提前应予以限制，只要该提前时间不长于绕组电流滞后于电压的时间即可。可通过测定绕组电流的功率因数确定绕组电流滞后时间。然后，把单片机6中用于与所储存的霍尔元件300的输出特性比较判别的电平瞬时值，修改为按所述电流滞后时间提前的永磁磁通轴线旋转的电角度(可按电流功率因数角除以极对数计算)在所储存的霍尔元件300的输出特性中对应的电平瞬时值，并参照实施例2所述办法控制，即可实现晶体三极管44在主磁通轴线与永磁磁通轴线方向接近相反时开通此时的交流电源半波。该设计可有更高的效率，进一步减轻了起动和运转的脉动，并提高起动和运转的平均转矩。但为可靠起见，提前时间最好稍微短些，即留适当的裕量。例如，若测试绕组电流的功率因数角为45°,所提前的永磁磁通轴线旋转角度可设定为约30°，因此：对于实施例1的电动机，对前述单片机6内置的软件或硬件控制的a)项可修改为：——对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件300的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平的瞬时值为4.73V且在升高(前一瞬时值取样为4.70V)时变为1，当该电平的瞬时值为1.27V且在降低(前一瞬时值取样为1.30V)时变为0。对于实施例2的电动机，对前述单片机6内置的软件或硬件控制的a)项可修改为：——对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件300的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平的瞬时值为2.00V且在升高(前一瞬时值取样为1.97V)时变为1，当该电平的瞬时值为4.00V且在降低(前一瞬时值取样为4.03V)时变为0。在电动机运转时，也可如同在电动机起动时一样，设计在永磁磁通轴线沿旋转方向稍微超越主磁通轴线的相反方向后开通相应的交流电源半波，但电源电压的利用降低，效果相对稍差些。此外，还可以有如下设计：——霍尔元件改为锁键型或开关型，其输出电平在永磁转子磁极分界线掠过时发生阶跃变化，因而确定永磁转子位置，以此为基础加上适当的时间运算，设计单片机内置的软件或硬件。还可改用电磁式或光电式位置传感器，可参见《电机工程手册》。——所述检测电路还可以改按现有技术检测绕组电流、电压，按照磁饱和原理或反电动势原理推断出所述转子的极性状态。——转子200的铁氧体圆柱面套以等长的纯铝或纯铜套筒。实验表明该套筒对于减轻脉冲控制导致的噪声特别有效，可以使通风机调速运转更平稳。——电动机也可为U型电机那样的2极电动机，上述相应机械角加倍，即与所述电角度相同。此时泵的同步转速为4极电机的2倍，叶轮直径需相应减小，宜不大于70mm。——叶轮可因应壳体出风口方向设计为顺时针旋转，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。——如无需检测电流进行相应控制，晶体三极管的发射极也可以不串联电阻。——在晶体三极管集电极和发射极间并联适当的阻容电路，或对绕组102并联电容器，以吸收晶体三极管断路时的过电压。——晶体三极管最好使用IGBT，也可以改为采用可关断晶闸管(GTO)。——脉冲控制可为固定频率的脉冲宽度控制或固定脉宽的脉冲频率控制或二者兼有。这些控制可利用单片机内固有的脉冲生成程序，适当设置参数即可。且均可设置单片机内置程序，以31或31’波形所反映的电动机转速实施调速或/和闭环稳速控制。当前第1页1 2 3