专利名称：一种微型单相永磁同步电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型单相永磁同步电动机，尤其涉及一种直接驱动小功率离心式水泵的微型单相永磁同步电动机，在国际专利分类表中，分类可属于H02P6/20。
背景技术：
传统的直接驱动小功率离心式水泵的微型单相永磁同步电动机相比异步电动机明显节能节材，但其旋转方向不确定，影响了被传动机械的高效和多用途设计，现有技术一直为改善该不足而努力，可见于中国发明专利申请公开说明书CN1275257A和中国实用新型专利说明书CN201409107Y。但现有技术这些设计的控制结构偏于复杂，且实际使用效果仍然欠佳。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种微型单相永磁同步电动机，可以按照设定的旋转方向运行，因而便于被传动机械的高效和多用途设计，而控制结构比较简单。本发明解决技术问题的技术方案是，一种微型单相永磁同步电动机，包括—同样极数的定子和永磁转子；—开关，交流电源经该开关向定子供电；——控制电路，控制开关的通断；其特征在于a)所述定子的绕组按规定绕向接往交流电源；b)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，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，沿设定的圆周方向偏转一锐角角度；c)所述控制电路包括一安装于所述转子圆周设定位置以随时检测所述转子的极性和位置的线性磁性位置传感器，并以该设定位置为参照和按该传感器的输出，确定转子各极穿越气隙的永磁磁通轴线的方向；d)所述控制电路随时检测外部交流电源供给定子的电压的极性，确定其将在定子各极产生穿越气隙的主磁通轴线的方向，并按照对所述转子设定的旋转方向对交流电源逐个半波进行控制-在电动机启动时，如果对所述转子设定的旋转方向与所述圆周方向相同，所
述开关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接通此时的交流电源半波；如果对所述转子设定的旋转方向与所述圆周方向相反，所述开关在所述主磁通轴线的方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度时，接通此时的交流电源半波；—在电动机运转时，所述开关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，接通此时的交流电源半波。该设计的巧妙之处在于
——气隙沿设定的圆周方向收窄的设计，使得在电动机启动的一刻，若对所述转子设定的旋转方向与所述圆周方向相同，永磁磁通轴线处在沿设定的旋转方向超越主磁通轴线的相反方向一锐角角度；或者对所述转子设定的旋转方向与所述圆周方向相反，永磁磁通轴线处在沿设定的旋转方向落后主磁通轴线的方向一锐角角度；—在电动机运转时，设计在永磁磁通轴线旋转至主磁通轴线的完全相反或接近相反的方向时接通电源，使主磁通在永磁磁通轴线沿设定的旋转方向稍微超越主磁通轴线的相反方向后出现。该设计的有益效果在于—按照磁场校直原理，在电动机启动第I个电源半波通电期间，若对所述转子设定的旋转方向与所述圆周方向相同，转子磁极即首先被与其最靠近的定子磁极沿旋转方向推斥而靠往极性相反的下一定子磁极，接着受到该下一定子磁极吸引，因而有较高的启动转矩；若对所述转子设定的旋转方向与所述圆周方向相反，转子磁极即首先被与其最靠近的定子磁极沿旋转方向吸引而进入运转；在电动机运转时，在每个电源半波通电期间，转子磁极均首先被与其最靠近的定子磁极沿旋转方向推斥而靠往极性相反的下一定子磁极，接着受到该下一定子磁极吸引，电磁斥力和吸力均得到利用，提高了启动和运转的平均转矩，因而运转转矩较高且脉动较小。—同一电动机可具有顺、逆时针2个可控的旋转方向，特别适用于传动双出口或双功能泵；且所述转子设定的旋转方向与所述圆周方向相同时，启动和运转中所受到的电磁力均为设定的旋转方向的电磁力，确保按设定旋转方向启动和运转，并减轻了启动和运转的脉动，不会发生转子磁极被与其最靠近的定子磁极吸住而阻滞的情况，尤其是电磁斥力和吸力均得到利用，提高了启动和运转的平均转矩。—使用线性磁性位置传感器可实现与转子永磁磁通轴线方向的关系接近正弦波的连续输出特性，以其所安装的转子圆周设定位置为参照检测转子的极性和位置，转子的极性和位置均可按传感器的输出和安装位置计算确定。因此，传感器可安装于转子圆周任何位置，可免除现有技术对其安装位置的限定，有利于结构设计。该技术方案最好设计在电动机运转时，所述开关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，接通此时的交流电源半波，所提前的时间短于绕组电流滞后电压的时间。由于电动机绕组的感性电流的滞后于电压，该设计可更充分地利用电源电压。该技术方案的典型设计之一为—所述定子的铁芯为U形铁芯，轭部穿入绕组，上开口成形为供转子插入的二极，所述永磁转子也为二极；—所述开关为双向晶闸管，双向晶闸管主电极与所述绕组串联后接往交流电源；——所述设定的圆周方向为逆时针，所述铁芯二极的左侧一极与转子间气隙的宽度自上而下收窄，右侧一极与转子间气隙的宽度自下而上收窄，因此在自由状态下，转子永磁磁通轴线以定子铁芯二极的水平轴线为参照，沿逆时针方向偏转一锐角角度；—所述传感器为霍尔元件，安装于所述定子铁芯二极的水平轴线靠近转子圆周的位置；—绕组的绕向及连接使所述电压的半波为正和霍尔元件输出为最高电平或接近最高电平，或者所述电压的半波为负和霍尔元件输出为最低电平或接近最低电平时，达到在电动机启动且所述转子设定的旋转方向为逆时针时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或者所述转子设定的旋转方向为顺时针时所述主磁通轴线的方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度，或者在电动机运转时所述主磁通轴线与永磁磁通轴线方向相反或接近相反；——所述控制电路包括一同或门逻辑控制，该同或门逻辑输入之一为相应于主磁通轴线方向的交流电源供给所述绕组的电压的极性，且正半波时为I而负半波时为O ;输入之二是为相应于永磁磁通轴线方向的霍尔元件的输出电平，且最高电平或接近最高电平时为I而最低电平或接近最低电平时为O ;——所述同或门输出为I时，所述控制电路向所述双向晶闸管的触发极输出电压脉冲，脉冲宽度不超出所述电压极性再次转换的时刻。该技术方案的典型设计之二为—所述定子的铁芯为U形铁芯，轭部穿入绕组，上开口成形为供转子插入的二极，所述永磁转子也为二极；—所述开关为双向晶闸管；双向晶闸管的主电极与所述绕组串联后接往交流电源；——所述设定的圆周方向为逆时针，所述铁芯二极的左侧一极与转子间气隙的宽度自上而下收窄，右侧一极与转子间气隙的宽度自下而上收窄，因此在自由状态下，转子永磁磁通轴线以定子铁芯二极的水平轴线为参照，沿逆时针方向偏转一锐角角度；——所述传感器为霍尔元件，安装于所述铁芯中心线上方靠近转子圆周的位置；—绕组的绕向及连接使所述电压的半波为正和霍尔元件输出电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在升高时，或者所述电压的半波为负和霍尔元件输出电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在降低时，达到在电动机启动且所述转子设定的旋转方向为逆时针时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或者所述转子设定的旋转方向为顺时针时所述主磁通轴线的方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度，或者在电动机运转时所述主磁通轴线与永磁磁通轴线方向相反或接近相反；——所述控制电路包括一同或门逻辑控制，该同或门逻辑输入之一为相应于主磁通轴线方向的交流电源供给所述绕组的电压的极性，且正半波时为I而负半波时为O ;输入之二为相应于永磁磁通轴线方向的霍尔元件输出电平的瞬时值及其变化方向，且当该电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在升高时为1，降低时为O ;——所述同或门输出为I时，所述控制电路向所述双向晶闸管的触发极输出电压脉冲，脉冲宽度不超出所述电压极性再次转换的时刻。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。
图I是本发明第I实施例微型单相永磁同步电动机电磁基本结构示意图；图2是本发明第I、第2、第3实施例微型单相永磁同步电动机控制电路示意图；图3是本发明第I实施例微型单相永磁同步电动机霍尔元件输出特性图4是本发明第2、第3实施例微型单相永磁同步电动机霍尔元件输出特性图；图5是本发明第I、第2、第3实施例微型单相永磁同步电动机的控制信号波形图；图6是本发明第2实施例微型单相永磁同步电动机电磁基本结构示意图；图7是本发明第3实施例微型单相永磁同步电动机电磁基本结构示意图。
具体实施例方式本发明第I实施例和第2实施例微型单相永磁同步电动机是在诸如中国发明专利申请公开说明书CN1275257A和中国实用新型专利说明书CN201409107Y所述传统的直接驱动小功率离心式水泵的微型单相永磁同步电动机的基础上改进而成。本发明第I实施例微型单相永磁同步电动机电磁基本结构如图I所示,其继承CN1275257A中图I或CN201409107Y中图3和图4所示结构包括—定子I，主要由U形铁芯11和绕组12组成；铁芯11上方成形为包围转子2的左右二极——左极111和右极112 ;绕组12由穿入铁芯11轭部左臂、右臂各I线圈串联或并联而成；——转子2为永磁转子，径向对称正弦波充磁为N、S 二极，插入铁芯11的左极111和右极112之间，并支撑于轴承旋转。特别设计的机械结构为——沿图示逆时针圆周方向，左极111与转子2间的气隙的宽度自上而下呈阶梯状收窄，右极112与转子2间气隙的宽度自下而上呈阶梯状收窄，因此在图示自由状态下，转子2 二极磁通的轴线21以定子二极的水平轴线113为参照，沿逆时针方向偏转约10° ;——霍尔元件3安装于水平轴线113右侧靠近转子2圆周的位置。本发明第I实施例微型单相永磁同步电动机控制电路如图2所示，主要由固定于电动机非轴伸端的印刷电路板组成，该印刷电路板安装有—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接往双向晶闸管4的触发极41 ;此外，单片机6还具有输入电路61、62和68 ；——由电阻7和二极管9、10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的电压极性为正半波时为I而负半波时为O。输出B接往单片机6的输入电路61 ；—电平输入端口8，用于接收外部(如电动机所在设备的控制器)发来的高/低电平信号，并将信号传给单片机6的接收端68。该信号主要用于设定电动机的旋转方向电路板得电开始工作后，借助于单片机6内置的软件或硬件，所述信号若为高电平，控制转子2沿逆时针方向启动和旋转；该信号若为低电平，控制转子2沿顺时针方向启动和旋转。霍尔元件3的输出接往单片机6的输入电路62。霍尔元件3的输出特性为线性，因而霍尔元件3的输出电平与转子永磁磁通轴线方向的关系为正弦波特性，永磁磁通轴线方向以水平轴线113自左向右的方向为零度时，该特性如图3所示。可见，霍尔元件3的输出电平在永磁磁通轴线方向为0°时最高——5V，180°时最低——IV。此外，在自由状态下，转子永磁磁通轴线沿逆时针方向偏转10°，当转子永磁N极朝向霍尔元件3时，霍尔元件3的输出电平为4. 97V ;或当转子永磁S极朝向霍尔元件3时，霍尔元件3的输出电平为I.03V。该特性存储于单片机6中。按照右手螺旋法则对绕组12的绕向及其往交流电源端子5的连接设计为交流电源端子5的电压半波为正时，穿越气隙的主磁通轴线的方向于水平轴线113自右向左；半波为负时则自左向右。因此，在电动机启动时，交流电源端子5的电压半波为正和霍尔元件输出为4. 97V，或者半波为负和霍尔元件输出为I. 03V时，主磁通轴线的反向与永磁磁通轴线方向相交为10° ;在电动机运转时，交流电源端子5的电压半波为正和霍尔元件输出为5V，或者半波为负和霍尔兀件输出为IV时，主磁通轴线的反向与永磁磁通轴线方向相交为0°。单片机6当其接收端68获得的信号为高电平时，内置的软件或硬件控制为a)对输入电路62的电平进行检测、判别和输出的程序，其输出A当该电平为4. 97V和电动机启动时或者电动机运转到达5V时变为1，当该电平为I. 03V和电动机启动时或者电动机运转到达IV时变为O ;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；
权利要求
1.一种微型单相永磁同步电动机，包括—同样极数的定子和永磁转子；—开关，交流电源经该开关向定子供电；——控制电路，控制开关的通断；其特征在于a)所述定子的绕组按规定绕向接往交流电源；b)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，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，沿设定的圆周方向偏转一锐角角度；c)所述控制电路包括一安装于所述转子圆周设定位置以随时检测所述转子的极性和位置的线性磁性位置传感器，并以该设定位置为参照和按该传感器的输出，确定转子各极穿越气隙的永磁磁通轴线的方向；d)所述控制电路随时检测外部交流电源供给定子的电压的极性，确定其将在定子各极产生穿越气隙的主磁通轴线的方向，并按照对所述转子设定的旋转方向对交流电源逐个半波进行控制——在电动机启动时，如果对所述转子设定的旋转方向与所述圆周方向相同，所述开关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，接通此时的交流电源半波；如果对所述转子设定的旋转方向与所述圆周方向相反，所述开关在所述主磁通轴线的方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度时，接通此时的交流电源半波；——在电动机运转时，所述开关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，接通此时的交流电源半波。
2.按照权利要求I所述微型单相永磁同步电动机，其特征在于在电动机运转时，所述开关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，接通此时的交流电源半波，所提前的时间短于绕组电流滞后电压的时间。
3.按照权利要求I或权利要求2所述微型单相永磁同步电动机，其特征在于—所述定子的铁芯为U形铁芯，轭部穿入绕组，上开口成形为供转子插入的二极，所述永磁转子也为二极；—所述开关为双向晶闸管；双向晶闸管主电极与所述绕组串联后接往交流电源；——所述设定的圆周方向为逆时针，所述铁芯二极的左侧一极与转子间气隙的宽度自上而下收窄，右侧一极与转子间气隙的宽度自下而上收窄，因此在自由状态下，转子永磁磁通轴线以定子铁芯二极的水平轴线为参照，沿逆时针方向偏转一锐角角度；——所述传感器为霍尔元件，安装于所述定子铁芯二极的水平轴线靠近转子圆周的位置；——绕组的绕向及连接使所述电压的半波为正和霍尔元件输出为最高电平或接近最高电平，或者所述电压的半波为负和霍尔元件输出为最低电平或接近最低电平时，达到在电动机启动且所述转子设定的旋转方向为逆时针时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或者所述转子设定的旋转方向为顺时针时所述主磁通轴线的方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度，或者在电动机运转时所述主磁通轴线与永磁磁通轴线方向相反或接近相反；——所述控制电路包括一同或门逻辑控制，该同或门逻辑输入之一为相应于主磁通轴线方向的交流电源供给所述绕组的电压的极性，且正半波时为I而负半波时为O ;输入之二为相应于永磁磁通轴线方向的霍尔元件的输出电平，且最高电平或接近最高电平时为I而最低电平或接近最低电平时为O ;—所述同或门输出为I时，所述控制电路向所述双向晶闸管的触发极输出电压脉冲，脉冲宽度不超出所述电压极性再次转换的时刻。
4.按照权利要求I或权利要求2所述微型单相永磁同步电动机，其特征在于—所述定子的铁芯为U形铁芯，轭部穿入绕组，上开口成形为供转子插入的二极，所述永磁转子也为二极；—所述开关为双向晶闸管；双向晶闸管的主电极与所述绕组串联后接往交流电源；——所述设定的圆周方向为逆时针，所述铁芯二极的左侧一极与转子间气隙的宽度自上而下收窄，右侧一极与转子间气隙的宽度自下而上收窄，因此在自由状态下，转子永磁磁通轴线以定子铁芯二极的水平轴线为参照，沿逆时针方向偏转一锐角角度；——所述传感器为霍尔元件，安装于所述铁芯中心线上方靠近转子圆周的位置；—绕组的绕向及连接使所述电压的半波为正和霍尔元件输出电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在升高时，或者所述电压的半波为负和霍尔元件输出电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在降低时，达到在电动机启动且所述转子设定的旋转方向为逆时针时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或者所述转子设定的旋转方向为顺时针时所述主磁通轴线的方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度，或者在电动机运转时所述主磁通轴线与永磁磁通轴线方向相反或接近相反；——所述控制电路包括一同或门逻辑控制，该同或门逻辑输入之一为相应于主磁通轴线方向的交流电源供给所述绕组的电压的极性，且正半波时为I而负半波时为O ;输入之二为相应于永磁磁通轴线方向的霍尔元件输出电平的瞬时值及其变化方向，且当该电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在升高时为1，降低时为O ;—所述同或门输出为I时，所述控制电路向所述双向晶闸管的触发极输出电压脉冲，脉冲宽度不超出所述电压极性再次转换的时刻。
全文摘要
一种微型永磁单相同步电动机，包括同极数的定子和永磁转子，交流电源经控制电路的开关向定子供电；气隙于每一极下沿同一圆周方向收窄，使转子各极轴线在自由状态以最靠近的定子一极的轴线为参照偏转一锐角；线性磁性位置传感器安装于转子圆周设定位置以检测转子的极性和位置，控制电路以该设定位置为参照和传感器的输出，确定转子各极永磁磁通的轴线方向；控制电路检测电源供给定子的电压极性以确定在各极产生的主磁通的轴线方向并按照对转子设定的旋转方向对交流电源逐个半波进行控制。该电动机可按照设定转向启动和运转，且性能较佳，控制结构简单可靠。
文档编号H02P21/14GK102938626SQ201210392649
公开日2013年2月20日 申请日期2012年10月16日 优先权日2012年10月16日
发明者区长钊, 卓春光 申请人:江门市地尔汉宇电器股份有限公司