专利名称：开关磁阻电机高速潜深(汤)井电泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种崭新结构的潜深(汤)井电泵。
背景技术：
我国的交流市电是50Hz的，小型2极三相异步电动机的转速为2850到2900r/min，因井径的限制单级潜井电泵的扬程很小。例如对于扬程60mφ150井径需要7级段节泵串联，φ100井径则需13级段节泵串联。如要输送10m3/h流量，60m扬程的井泵需要大于3kW容量的电机，放不下φ100井径内。故福州地区的汤井只能用长轴深井泵，一定泵的叶轮直径D2，其扬程与n2成正比，最近江苏曾引用400Hz电机制造高扬程水泵，但需要一套由50Hz变频为400Hz电源，造价是很高的。
发明内容
本发明的目的，是提供一种结构瘦小坚实又可获得高速高扬程的潜深(汤)井电泵，而价格低廉且长寿命。
本发明引入一种与市电频率无关近年新开发的高速电机，其特征是开关磁阻电机其转速最高可达100×103r/min，其容量自数十瓦至数千kW；并引入新结构的主从内外磁对调的磁性联轴器，将电机完全密封起来，杜绝电机渗水之虞。外磁转子与叶轮联结，内磁带简形与电机转子轴直联，旋转于电机腔内空气中，外磁为短柱形旋转于外部潜水隔离罩中，柱状外磁并刻划一道反螺旋沟槽，高速旋转时总是力图把隔离杯内的渗水甩出来，免除带水旋转阻力。隔离杯(罩)为聚醚醚酮所制，厚度虽薄而强度高。因为电机转速高达9700r/min传递3kW扭矩仅为3.5N·m，又引用钕铁硼强永磁合金，故磁性联轴器很小，价格低廉。因为转速高，扬程60m流量10m3/h的叶轮，仅用单级，外径68mm。所以容易装入φ100井径中，其余导流器、逆止阀与常规井泵相同，出水管为带加强筋的软塑料管，内径φ40管内流速仅为2.2m/s，故摩擦损头很小。这种潜深(汤)井电泵装入井内与拔出不过几分钟与长轴深井泵每次装卸需费时半日大不相同。除高速开关磁阻电机以磁性联轴器在井内与泵部结合外，其附属部分包括功率变换器、控制器、转速给定、电流及位置检测等电子电路及电源都在井上用电缆连到井内开关磁阻高速电机内不另占井内空间。
由于本发明引用开关磁阻电机，转速不受市电频率的限制，在9700r/min下井径φ100内的叶轮单级扬程即达60m，井径φ150单级扬程可达百m，从此潜深井电泵引用成串的多级段节泵将完全改观；其二由于电机功率P∝D2Ln，在同功率下转速n提高3倍电机体积缩为1/3，如果电机铁芯长L不变，则电机直径降至1/，原来普通50Hz电源潜井异步电动机要扬程60m，扬水流量10m3/h电机体积大装不进φ100井径，要改用长轴深井泵，将被高速的开关磁阻电机与泵结合的高速潜深(汤)井电泵所取代，终将使长轴深井泵逐渐退出历史舞台，理论上开关磁阻电动机拖动系统具有最低的电机、控制器及功率变换器的制造成本，开关磁阻电动机的坚固性又只需要相对低的开关频率，在叠片性能和轴承满足要求并精确的动平衡的条件下可高速运行，其转子结构极其简单，仅由硅钢片叠压而成，特适于高速运行。且开关磁阻电动机其定子采用集中绕组，端部较短，没有异步电动机相间跨接线，因而具有制造工序少，成本低，工作可靠维修最少的特点；开关磁阻电动机的功率变换器电路与电机定子绕组直接串联，不会出现直通故障，因此该系统中，无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠，毋须或很少需要维护。
这种开关磁阻电机高速潜深(汤)井电泵(包括功率变换驱动电源)其造价仅相当于长轴深井泵的1/2。鉴于我国深井有数百万眼，需量甚大，如推广应用开关磁阻电机高速潜深(汤)井电泵来改造井灌，可节约上百亿元。福州的汤井一向用长轴多段节深井泵，因汤温高，易腐蚀，寿命短，尤其适合改用此开关磁阻电机高速潜汤井泵。
本发明的实施情况通过一个例子参考以下附图进行说明图1为开关磁阻电机高速潜深(汤)井电泵结构简图。
图2为开关磁阻电机高速潜深(汤)井电泵系统图。
图3为水泵叶轮。
图4为三相6/4开关磁阻电动机结构简图。
图5为三相开关磁阻电动机功率变换器主电路。
图6为EXB841驱动电路原理图。
图7为基于TMS320LF2407 DSP控制器的开关磁阻电动机-电泵控制系统。
图8为控制系统框图。
图9为磁性联轴器结构简图。
具体实施例方式
本发明的实施情况通过一个具体的高速开关磁阻电动机驱动的潜深(汤)井电泵实例加以说明，图2为开关磁阻电机高速潜深(汤)井电泵系统图。
(1)泵设深井扬程H＝60米，抽水量Q＝10立方米/小时，井径φ100。
图1是本发明的开关磁阻电机高速潜深(汤)井电泵结构简图。其中1-呼吸膜片应对热胀冷缩用。2-定子有三相每相各自一对的磁极绕组。3-转子四极无绕组。4-内磁。5-隔离罩。6-外磁。7-端面密封和止推轴承。8-滤栅。9-叶轮。10-导流器。11-泵轴。12-PTFE轴承。13-单向阀。14-电缆。15-吊绳。16-输水软塑料管。
选取电泵的电动机转速为9700r/min，则泵的比转速为ns=3.65nQH3/4=3.65×9700×103600603/4≈86.56]]>叶轮外径D2=φ84.6Hn=84.6×609700φ≈0.0676φ]]>(米)φ值随ns而变化，当ns在80～90时，φ值为1.03，故D2＝68mm叶轮结构简图参见图3。
选取效率高的叶轮模型缩小到叶轮外径68mm，这种泵在流量Q＝10立方米/小时下效率为55％，则该泵所需的驱动功率
P=QH102η=100003600×60102×0.55≈2.97(KW)]]>(2)开关磁阻电动机图4为三相6/4开关磁阻电动机(SRM)结构简图，SRM由于转子结构极其简单，既无永久磁钢又无绕组，仅由硅钢片叠压而成，其转子结构非常的紧固，所以可以非常高的速度下运行，其转速的限制来源于逆变器的开关频率，而不是电动机本身，本例高速SRM其转速为9700r/min，额定功率为3kW，额定电压为570V，三相，定子外径为95mm，铁心叠长为300mm，当某相绕组励磁后，如图4中的A相绕组通电，转距总是力图牵引转子达到最近能使磁链达到最大时的位置，如图4中的定子A相磁极与转子磁极对齐。在该相绕组励磁断开后，下一相绕组接着励磁，转子又被牵引到新的最大磁链位置。由此可见，SRM的转子转速由相绕组电流的频率决定。
(2)功率变换器主电路主电路整流侧采用三相全桥整流，经电容滤波得到稳定直流电压源。在图5中，380伏的三相交流电压有效值U线，经过三相全波整流，其输出电压是三相线电压的包络线。整流输出的直流电压的峰值为UM＝U线＝×380＝537(伏)平均值为 而输出电压的有效值 功率变换器主电路采用三相双开关器件式逆变器电路，如图5所示。6个1GBT组成3个直流通道，分别与SRM的3个定子绕组串联，每相有主开关管及两个续流二极管。整流后的电源加到电机绕组的两端，故电机绕组两端的电压为U＝1.11Ud＝1.11×514≈570(伏)式中系数1.11是电容滤波的存在导致电压升高的系数。
功率变换器主开关管选择及参数计算绝缘栅双极型晶体管(1GBT)是80年代出现的新型复合开关器件，是功率场效应管(MOSFET)和双极型功率晶体管(GTR)复合而成的，它综合了MOSFET和GTR的优点，具有前者的输入阻抗高，速度快，热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有后者的通态电压低，耐压高和承受大电流的特点。目前已广泛应用于小体积，低噪音，高性能的变频电源，斩波器，不间断电源等场合。本系统选用1GBT作为本系统的主开关元件。
在系统中，采用三相桥式整流交流电压380V，直流侧电压的峰值为537V，主开关管承受的电压最大值等于直流电源电压，考虑到2倍的电压裕量，则主开关器件的耐压定额为Ur＝2US＝2×537＝1074V对于电流定额的计算，在SRD变换器中主开关器件的电流定额有两种一是体现电流脉冲作用的定额，即峰值电流定额；二是体现电流连续作用的定额，即有效值电流定额。在已知开关磁阻电动机额定功率PN的情况下，根据文献给出的经验公式，则电流额定值近似为1SRS＝0.8PN/US＝0.8×3.0×1000/537＝4.47A最大峰值电流为1＝2.1PN/US＝2.1×3.0×1000/537＝11.73A根据市场已有规格，选取30A/1200V的1GBT作为系统的主开关器件。
(4)驱动电路设计目前市场上推出了各种系列的驱动模块，如日本富士公司的EXB841系列，英达公司的HR065系列，美国NNITRODE公司生产的UC3726/3727系列，东芝公司生产的驱动模块TLP250，日本三菱公司生产的混合型集成驱动器，美国IR公司生产的IR2110，西门康公司生产的SKHI系列驱动模块等。
采用日本富士公司专为快速型1GBT设计的专用混合集成驱动电路EXB841模块。其EXB841模块电路原理结构如图6。该驱动电路内集成有检测1GBT集电极与发射极电压降实现被驱动1GBT欠饱和的保护电路，同时还集成了一对外部+20V整流供电电源，以分配产生+15V开栅电压和-5V关栅电压，防止开关状态时的误动作，确保1GBT可靠关断的内装电路网络，并且其内装TLP550高速光耦，具有过流检测及切断电路的功能，且对10ps以下的过流信号不予响应，一但确认过流，则低速切断电路以便慢速关断1GBT。低速切断电路的原因是为了防止以过快的速度切断过流时，因电路中电感的存在，集电极产生电压尖脉冲损坏1GBT。该电路的优点是驱动电路集成化，抗干扰能力强，速度较高，保护功能较完善，可实现IGBT的最优驱动。
(5)控制电路采用数字信号处理器(Digital Signal Processor)DSP芯片作为控制中心来进行控制，它综合处理速度指令，速度反馈信号及电流传感器，位置传感器的反馈信号，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SRM运行状态的控制。TMS320LF240X是美国TI(德州仪器)公司专为电机数字控制应用而推出的一种低价格，高性能16位定点运算数字信号处理器。它具有高速信号处理和数字控制所必需的体系结构特点，而且有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备。作为系统的管理者，DSP具有强大的片内I/O端口和其它外围设备。这个应用优化的外围设备单元和DSP内核一起，使在这所有类型电机的高精度，高效，全变速控制中实用先进的控制技术成为可能。
TMS320LF2407控制器是所有240X控制器中的一种超级控制器，TMS320LF2407控制器上有比较丰富的外围接口。基于TMS320LF2407DSP控制器的开关磁阻电动机-电泵控制系统如图7。
在本系统中，DSP根据转子的位置信息，并综合各种保护信号和给定给出相通断信号，实现数字PI调节和产生定频调宽的PWM信号，为驱动电路提供控制信号，从而控制1GBT管的开通和关断。
由于转子旋转，使得定子相绕组的电感不仅是电流的函数，且随转子空间位置角变化而变化。功率电路相开关的通断时刻，对应着转子的一定控制位置角。设相开关的导通时刻对应空间位置角θon为开通角，相开关的关断时刻对应空间位置角θoff为关断角，也就是合理地控制相绕组电流的通断时刻，是SR电动机正常运行的关键。
开关磁阻电机调速系统的控制方式指电动机运行时控制哪些参数及如何控制，使电动机按规定的工况运行，并保持较高的性能指标。开关磁阻电机调速系统几种控制方式角度位置控制开通角θon和关断角θoff是开关磁阻电机最主要的控制参数，通过改变θon或θoff可实现相电流性质(如电动和制动)，大小和波形的控制，从而可有效调节电机的转距，转速以及转向。
当SR电机高速运行时，因旋转电动势较大，且各相主开关器件导通时间较短，电流较小。控制开通角θon或关断角θoff通常是固定关断角，而仅改变开通角，来达到调节导通区间角θon-θoff的目的。
2电流斩波控制当电机在起动或低速(一般系指在额定转速的40％以下)运行时，定子相绕组中反电势较小，可能产生过大的冲击相电流。为防止可能出现的过电流和较大电流尖峰，必须采取斩波方式加以限制，即将检测到的相电流与某一给定电流上限值比较，当导通相绕组电流达到设定值时使开关关断，相电流下降；当电流降至电流设定的下限值时，再重新导通功率开关，使相绕组电流上升，这样反复通断功率开关，形成在给定电流值附近上下波动的斩波电流波形。
3电压斩波控制在θon-θoff导通区间内，使功率开关按PWM方式工作。其脉冲周期T固定，占空比可调。改变占空比，则绕组电压的平均值变化，绕组电流也相应变化，从而实现转速和转矩的调节，这就是电压斩波控制，又称调压调速。
电压斩波控制是通过PWM方式调节绕组电压平均值，间接调节和限制过大的绕组电流，既能用于高速运行，又适合于低速运行。其它特点则与电流斩波控制方式相反，适合于转速调节系统，抗负载扰动的动态响应快，缺点是低速运行时转矩脉动较大。
采用电气传动中PWM控制技术，能实现调节相绕组的平均电压。PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到调节相绕组电压目的。
本调速系统主要特征是以转速值为给定量，并要求电动机转速自动跟随给定量，为保证良好的调速性能，控制系统应采用闭环控制系统。
本系统采用的是变角度与调压调速组合控制方法，控制系统框图见图8。
调节相绕组的平均电压，实现SR电机调速。在一定负载转矩条件下，相绕组平均电压升高，转速增大；相反，相绕组平均电压降低，转速减小。速度外环反馈的速度与速度给定值产生偏差，通过速度控制生成电流参考值。它与电流反馈构成电流闭环控制，靠控制PWM的占空比来能实现调节相绕组的平均电压，从而调节电流，实现输出转矩的控制，TMS320LF2407有PWM发生单元，可以产生16路PWM信号，PWM信号经过光电隔离后输入驱动电路，用以驱动电路中的1GBT。
根据编码器的位置信息对开关磁阻电动机进行换相控制，保证电动时在电感的上升段通断电。根据电流信息和速度信息对开通角和关断角进行控制，低速时延后开通角，提前关断角，以减小通电时间，减小电流的幅值。高速时，提前开通角，以减弱电流滞后作用。
(6)电流检测电路开关磁阻电动机驱动(SRD)系统在低速运行时采用电流斩波控制，是通过调节相绕组电流的大小来控制转矩的，因此要求有反馈电流；在高速运行时采用角度位置控制方式，系统通过调节开通角θon和关断角θoff来实现对转矩的控制，尽管电流不再是控制量，但为了防止系统过载或故障，仍要采取过电流保护，所以，系统始终都要可靠地检测电流。
在SRD系统中，电流是方向的且有较大的尖峰，因此要求电流检测电路的性能要好，如工作范围大，稳定，可靠，抗干扰能力强，线性度好等。
电流检测的方法一般可采用磁敏电阻法，霍尔元件直接测量法，电阻取样直接隔离法等。输出的模拟电压信号经过放大电路后，连接到DSP的ADC模数转换输入通道ADCIN00，ADCIN01，作为电流环的反馈信号。
(7)位置传感器电路位置检侧器实际上是位置。速度检侧器，它的作用是向控制器DSP端口正确提供开关磁阻电机转子的位置，速度信息，经逻辑处理后形成驱动电路的控制信号，从而保证转子位置与相绕组通电次序有机地配合。
本系统的转子位置信号传感器采用增量式编码器作为位置和速度检测传感器，本例采用360线的编码器，编码器的两个输出连接到DSP的QEP接口。
图9为磁性联轴器4.-内磁为为钛制筒形内壁嵌3对钕铁硼瓦状永磁，异极间有空隙，用环氧树脂充填；并磨成内径Φ35(在电机内)。
5.-隔离罩筒形上部带法兰为聚醚醚酮高强度塑料所制，壁厚1mm。
6.-外磁泵轴下端颈部紧套钛圈外径Φ20，外嵌3对瓦状钕铁硼永磁，异极相对，瓦长占105°宽12mm异极间留有空隙，外径Φ30。空隙充填环氧树脂。外径刻划一道螺旋浅槽以带出渗水。
权利要求
现有的潜深井电泵是一台用50Hz交流市电驱动的二极三相异步电动机通过机械密封直联成串的段节泵组装而成，至于Φ100的小井径因装不下3KW电机，只能改用长轴深井泵，本发明的特征是引入新近开发的高速开关磁阻电动机通过内外磁对调的磁性联轴器把电机与水隔绝全封闭起来，其外磁转子再与单级至双级泵串联而成，由于转速高近万转/分，井径Φ100即可容纳3KW的高速开关磁阻电动机，包括井上的功率变换器、控制器、及位置、电流检测和给定的转速频率的电子电路元器件，组成全套高速开关磁阻电机的潜深井电泵。
全文摘要
本发明公开了一种高速开关磁阻电动机潜深(汤)井电泵，如图1所示。此近万转/分的高速开关磁阻电动机，通过磁性联轴器把电机全封闭起来，其外磁转子再与泵串联，因高转速容量≥3KW的这种电动机，容易纳入Φ100井径中，且只用单级泵，扬程即达60m，流量10m
文档编号F04D13/10GK1885681SQ200510081518
公开日2006年12月27日 申请日期2005年6月26日 优先权日2005年6月26日
发明者肖鸿杰 申请人:肖鸿杰