一种永磁同步电动机直接驱动的小功率换气扇的制作方法

本发明涉及一种永磁同步电动机直接驱动的小功率换气扇，尤其涉及其机械结构、电磁结构和控制方法的配合；ipc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。针对换气扇使用异步电动机驱动以至效率偏低的情况，本申请人在先申请cn201510395121.5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起动和运转性能，且无需设置单独的转子位置检测元件，但为使其按预定转向起动运行，需控制其通电，首步骤为预定位——确定永磁转子的磁极相对于定子磁极的位置，随后按该检测结果和预定转向对定子施加相应极性波形的电压，检测电路和程序较为复杂。

有关术语可参考《机械工程手册》、《电机工程手册》和机械工业出版社1981年版《通风机》。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提出一种永磁同步电动机直接驱动的小功率换气扇，其在预定的旋转方向有较佳的起动和运转性能，且成本较低，包括无需设置单独的转子位置检测元件，但其预定位比较简单。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，一种永磁同步电动机直接驱动的小功率换气扇，包括：

——按照预定方向旋转的注塑成型的叶轮；

——直接驱动所述叶轮的电动机，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，且在自由状态下，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往所述绕组通电的步骤；

——该换气扇起动前，所述定子铁芯一极面呈现规定极性的磁性。

所述极面的磁性与永磁转子磁极之间的相互作用力，将使永磁转子与定子该极磁性相反的磁极停留于面对定子该极的位置。由于定子该极的磁性按规定设计，相当于停留于面对定子该极位置的永磁转子的磁极的极性为已知，因而可免除检测。

本技术方案进一步设计之一是：所述定子与转子间气隙的宽度于每一极下沿设定的圆周方向收窄，所述定子绕组在通电结束前，通入产生规定极性磁性的直流电流。该极磁化的剩磁维持至下次通电前用以呈现规定极性的磁性。此外，在该磁化过程，定子该极较强的磁场吸引永磁转子与定子该极磁性相反的磁极停留于面对定子该极的位置，既确保下次通电前呈现规定极性的磁性，且十分有利于避免退磁。通入该直流电流比较简单的方法是：所述开关为双向晶闸管，其在通电结束前被触发控制为所述直流电流的单向导通。

本技术方案进一步设计之二是：在所述定子铁芯该极安装朝转子表面呈现所述规定极性磁性的永磁体。还可进一步设计该永磁体于定子该极安装于圆周方向该极轴线的一侧，永磁体此时吸引转子的磁极使二者轴线对正而偏离定子该极的轴线形成启动角，可免除传统技术为产生启动角普遍使用的非均匀气隙，因而提高效率和减轻磁阻转矩波动导致的振动噪声。

上述技术方案应用于换气扇起动过程所述步骤的设计之一是：所述换气扇预定按所述设定的圆周方向旋转：

——往所述绕组通电对所述铁芯规定极性的磁性为去磁的电源半波，以规定移相角逐个半波导通，且移相角逐个半波减少；

——在此期间，测量绕组电流为零时的电压，当该电压达到规定值后，对其后所有极性的电源半波均在符合如下条件的时刻立即开始导通：

——所述电源电压的极性、绕组电流为零时的电压的极性和该电压对时间的变化率的极性相同；

或者均在同时符合如下条件的时刻立即开始导通：

a)所述电源电压的极性、绕组电流为零时的电压的极性和该电压对时间的变化率的极性相同；

b)所述绕组电流为零时的电压在规定范围内；

c)所述时刻在规定时间区间；

累计符合上述条件的导通达到规定次数，所述电动机进入同步运行控制。

上述技术方案应用于换气扇起动过程所述步骤的设计之二是：所述换气扇预定按所述设定的圆周方向的相反方向旋转：

——往所述绕组通电对所述铁芯规定极性的磁性为增磁的电源半波，以规定移相角逐个半波导通，且移相角逐个半波减少；

——在此期间，测量绕组电流为零时的电压，当该电压达到规定值后，对其后所有极性的电源半波均在符合如下条件的时刻立即开始导通；

——所述电源电压的极性、绕组电流为零时的电压的极性和该电压对时间的变化率的极性相同；

或者均在同时符合如下条件的时刻立即开始导通：

a)所述电源电压的极性、绕组电流为零时的电压的极性和该电压对时间的变化率的极性相同；

b)所述绕组电流为零时的电压在规定范围内；

c)所述时刻在规定时间区间；

累计符合上述条件的导通达到规定次数，所述电动机进入同步运行控制。

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是本发明第1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是本发明实施例换气扇电动机按逆时针转向时信号波形图；

图4是本发明实施例换气扇电动机按顺时针转向时信号波形图；

图5是本发明实施例换气扇电动机停止通电前的信号波形图；

图6是本发明第2实施例换气扇电动机电磁基本结构示意图；

图7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在先申请cn201510395121.5公布说明书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7所示，其继承cn201510395121.5公布说明书中图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。

本发明第1实施例换气扇的电动机电磁基本结构如图1所示，其继承cn201510395121.5公布说明书中图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；

上述电磁结构与cn201510395121.5公布说明书所述如其附图2所示电磁结构相同。本实施例的特别设计是：通过实验使绕组12的绕向达到在通入交流电源负半波时定子100轴线水平的2个凸极的磁性为s，轴线垂直的2个凸极的磁性为n，因而吸引转子200处于轴线大致水平的2个极面的磁性为n和轴线大致垂直的2个极面的磁性为s的状态。

本发明第1实施例换气扇电动机控制电路如图2所示，主要包括：

——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经常规的耦合电路(光偶或变压器)40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，与该电压同步且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。

——绕组12与晶闸管4主电极的连接端经电阻2和电阻3组成的分压电路接往单片机的输入电路62，用于检测绕组12电流为零时的电压。绕组12另一端接公共地。

相比cn201510395121.5公布说明书所述如其附图3所示控制电路，该控制电路主要是将前者为预定位由输入电路62检测绕组12的电流取消，并将输入电路62改为用于控制起动加速过程对绕组12的电压检测。

单片机6内置程序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。

本发明第1实施例电动机按逆时针转向各信号波形如图3所示，按顺时针转向各信号波形如图4所示，停止通电前各信号波形如图5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；

——534～536为绕组12上的电压的波形，包括交流电源所施加和电流为零时的电压波形；

——54f～h为绕组12的电流的波形；

——554～556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。

本发明第1实施例换气扇电动机如图1所示特别设计：绕组12通入交流电源负半波使定子100于轴线水平的2个凸极的磁性为s，轴线垂直的2个凸极的磁性为n，因而吸引转子200处于轴线大致水平的2个极面的磁性为n和轴线大致垂直的2个极面的磁性为s的状态。因而，通入交流电源正半波产生的磁场对上述极性的磁性为去磁。按此设计单片机6内置程序对电动机起动的控制步骤如下：

(1)预定按逆时针转向起动的控制过程如图3，单片机6的输出电路63：

——首先向晶闸管4的触发极41输出多个电压脉冲k1、k2等使晶闸管4导通，使交流电源以负极性全导通半波电压v1～v2施加于绕组12产生脉动直流电流i1～i2,以加强磁性，接着，电动机开始起动，

——自此后的交流电源第1个正过零点开始，延时电角度3/4π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k3使晶闸管4导通，使交流电源以正极性导通角1/4π缺损正弦半波电压v3施加于绕组12产生电流i3,接着，

——自交流电源第2个正过零点开始，延时电角度5/9π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k4使晶闸管4导通，使交流电源以正极性导通角4/9π缺损正弦半波电压v4施加于绕组12，产生比i3增大的电流i4,，接着，

——自交流电源第3个正过零点开始，延时电角度1/4π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k5使晶闸管4导通，使交流电源以正极性导通角3/4π缺损正弦半波电压v5施加于绕组12，产生比i4增大的电流i5。

上述交流电源施加于绕组12正极性的导通角和电流逐个半波增大，所产生的磁场驱动转子200逆时针加速扭转，单片机的输入电路64检测到绕组12在电流为零时的电压e3～e5也逐个半波增大，直至电流i5恢复为零时，检测到e5于点g的值大于规定值，单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲k6～k8改为在符合以下条件的时刻发出：

——电源电压的极性、绕组电流为零时的电压的极性和该电压对时间的变化率的极性相同。

为可靠起见，通常还可增加以下二个条件或其之一：

——绕组12的电流为零时的电压在规定范围内；

——该时刻在规定时间区间内。

图3中可见施加于绕组12的各半波电压v6～v8和电流i6～i8以及绕组12的电流为零时的电压e6～e8的波形，此时转子200的转速通常继续上升。

累计符合上述条件的导通达到规定次数，单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲kt改为按同步运行的控制条件发出，并以同步的完整或缺损正弦半波电压vt施加于绕组12，产生同步运行电流it。该控制条件通常还包括：电源电压的极性、绕组电流为零时的电压的极性和该电压对时间的变化率的极性相同，还会加上为取得最佳效率或适应电源波动的闭环反馈控制。

图3所示基于图幅相比实际有所简化，例如：

——最初的脉动直流电流只有2个半波，实际为可靠起见，可再多若干个；

——其后，施加逐个增大的正极性电流只有3个，实际该电流个数通常比较多，对于转子和负载转动惯量较大时尤其需要；

——最后，累计符合条件的导通仅3次即进入同步运行控制，实际次数也要多很多，以确保稳定进入同步运行。

(2)预定按顺时针转向起动的控制过程如图4，单片机6的输出电路63：

——首先向晶闸管4的触发极41输出多个电压脉冲k1、k2等使晶闸管4导通，使交流电源以负极性全导通半波电压v1～v2施加于绕组12产生脉动直流电流i1～i2,以加强磁性，接着，电动机开始起动，

——自此后的交流电源第1个负过零点开始，延时电角度3/4π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k3使晶闸管4导通，使交流电源以负极性导通角1/4π缺损正弦半波电压v3施加于绕组12产生电流i3,接着，

——自交流电源第2个负过零点开始，延时电角度5/9π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k4使晶闸管4导通，使交流电源以负极性导通角4/9π的缺损正弦半波电压v4施加于绕组12，产生比i3增大的电流i4,，接着，

——自交流电源第3个负过零点开始，延时电角度1/4π向晶闸管4的触发极41输出电压脉冲k5使晶闸管4导通，使交流电源以负极性导通角3/4π的缺损正弦半波电压v5施加于绕组12，产生比i4增大的电流i5。

上述交流电源施加于绕组12负极性的导通角和电流逐个半波增大，所产生的磁场驱动转子200加速扭转，单片机的输入电路64检测到绕组12在电流为零时的电压也逐个半波增大，在电流i5恢复为零时，检测到绕组12的电压于g点的值大于规定值，单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲k6～k8改为在符合之前(1)中所述条件的时刻发出。其后的情况基本如之前(1)中所述。

以上二种转向的起动均首先使交流电源以负极性全导通半波电压v1～v2施加于绕组12产生脉动直流电流i1～i2，以加强磁性。当定子的剩磁足够时，可省略该过程。

单片机6内置程序还包括换气扇停止通电前对电动机的控制步骤，如图5所示，单片机6的输出电路63：

——换气扇断电信号发出前，向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲kt按前述同步运行的控制条件发出，并以同步的完整或缺损正弦半波电压vt施加于绕组12，产生同步运行电流it；

——在单片机6接收到断电指令后，按同步运行控制条件发出的电压脉冲kt停止，使同步的完整或缺损正弦半波电压vt和同步运行电流it停止；

——改为向晶闸管4的触发极41输出多个电压脉冲k1’、k2’、k3’、k4’……,使晶闸管4导通，使交流电源以负极性全导通半波电压v1’、v2’、v3’、v4’……施加于绕组12产生脉动直流电流i1’、i2’、i3’、i4’……,使定子铁芯产生如图1所示极性的磁化，然后断电，定子铁芯的剩磁维持如图1所示极性，供下次再起动时使用。

本发明第2实施例换气扇电动机电磁结构如图6所示，其相比如图1所示第1实施例换气扇电动机电磁结构的差异在于：

——定子铁芯位于轴线水平左侧的凸极前端面于轴线以下固定一s极朝向转子200的条形永久磁铁900，其吸引转子200处于轴线大致水平的2个极面的磁性为n和轴线大致垂直的2个极面的磁性为s的状态。由于条形永久磁铁900位于定子铁芯水平轴线以下，因而吸引转子200的永磁磁通轴线700、800分别以相邻定子凸极的主磁通轴线500、600为参照，沿逆时针方向偏转一较小的锐角ω即起动角。定转子间因而设计为均匀气隙而非实施例1的非均匀气隙。

本实施例只在定子一极设置永久磁铁，其实在其它极也可以类似地设置以加强定位。

本发明第2实施例换气扇的控制原理与第1实施例相同。

此外，还可以有如下设计改变：

——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，以至影响预定位。

——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；

此外，本发明也适用于离心式通风机结构的换气扇，但离心式叶轮的转动惯量大于轴流式叶轮，其直径宜选择相对更小些。