一种无刷直流电机水泵的制造方法与工艺

本发明属于家电技术领域，具体涉及一种无刷直流电机水泵。

背景技术：
空调机具有生成冷气和向室内送风的能力，在将室内热空气进行热交换过程中，会在热交换器上产生冷凝水，所以空调机中一般都设有排水泵，主要是避免自然排水不畅时，便于将冷凝水排出。目前，空调机排水泵一般多采用罩极排水泵，但罩极排水泵效率低，一般在12％左右，而且还会产生噪音大，泵振动大等不良的影响。同时，常规水泵的驱动电路还存在一下缺陷：(1)常规的电机驱动电路是，单个主控芯片+6个外置的MOSFET+外置的GateDrive电路，进行设计和连线，由于设计方案中的器件选用较多，连线复杂，整个电路控制系统可靠度较低；(2)常规MOSFET制造工艺，其导通电阻一般在0.5欧姆以上，芯片外部需要连接较大面积的金属散热片进行散热；(3)常规的无刷电机，采用120度导通技术，电机相绕组的导通和切换是突发的，电流波形类似于方波波形，其电流冲击和谐波成分很大，给电机带来较大的噪音；(4)常规的无刷电机驱动电路，一般没有考虑到电源反接和EMI异常电压尖峰的实际应用情况，所设计的电路往往会因操作者接线错误，人体静电，EMI干扰等等，导致电路过早失效，这也是很多常规产品可靠性不高的一个重要原因。总体来说，现有水水泵由于存在上述技术问题，使得现有水泵效率低、噪音大、振动大、性能不稳定。

技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种无刷直流电机水泵，其提高了水泵效率、降低了噪音和振动幅度，提升了水泵使用时的稳定性能。解决上述技术问题的技术方案为：一种无刷直流电机水泵，包括一驱动电路，用以提供所述无刷电机的电力驱动以及控制；所述驱动电路包括主控芯片、肖特基二极管、电压瞬变抑制二极管、主吸收电容、放电电阻、上拉电阻；其中，所述肖特基二极管的阳极端接电源正极端口，肖特基二极管的阴极端同时连接所述电压瞬变抑制二极管的阴极端、主吸收电容、放电电阻、上拉电阻以及主控芯片的电源正极端口；所述电压瞬变抑制二极管的阳极端以及主吸收电容和放电电阻的另一端均接电源负极端口；所述主控芯片的占空比调速指令输入管脚与上拉电阻另一端相连；所述主控芯片的电机相绕组连接管脚分别与三相无刷电机的3个U/V/W绕组连接；所述无刷电机的三个相绕组的绕线末端焊接在一起。较佳地，所述肖特基二极管用于防止因电源错误地反接而损坏无刷直流电机水泵整个电路；所述电压瞬变抑制二极管用于将其两端的电压钳制在某一数值范围内，用于防止输入电压异常过压；所述主吸收电容用于稳定电压，吸收EMI电压浪涌；所述放电电阻用于在关闭电机时泄放主吸收电容上的电荷。较佳地，所述主控芯片集成多个单元控制电路，以及由6个金属氧化物半导体场效应管组成的逆变桥；所述多个单元控制电路包括：模数转换电路，用于将来自占空比调速指令输入管脚的数字占空比调速指令信号转换成模拟量，并发送给正弦波驱动电路；正弦波波形发生电路，根据电机磁场位置检测电路的信号，产生一个中间略凹的“钟型”波形，发送给MOSFET门极驱动电路；MOSFET门极驱动电路，用于驱动逆变桥中相应的MOSFET器件；过流保护电路，用于检测电机相绕组的电流，当电流超过某一阈值时，关断电机绕组；参考电压基准电路，用于给内部各单元电路进行正确的工作电压；脉冲宽度调制振荡发生电路，内部设置PWM占空比频率振荡基准，决定电机绕组中的PWM占空比调制频率；起动逻辑控制电路，用于无刷电机在加电瞬间直至切换到反电动势换相阶段的驱动控制。较佳地，所述多个单元控制电路还包括过热保护电路，当主控芯片的温度超过设定的温度后，用于切断无刷电机的三相输出。较佳地，所述多个单元控制电路还包括电机磁场位置检测电路，用于检测电机三相绕组的反电动势，根据反电动势进行换算，得到电机绕组正确换相时的磁场位置信号，并发送给正弦波波形发生电路。较佳地，还包括壳体，无刷电机和所述驱动电路封装在所述壳体内，且驱动电路安装在一驱动板上；所述无刷电机的转动轴伸出壳体外部；与所述壳体外部转动轴固定的泵叶轮；与所述壳体固定并罩在所述泵叶轮上的出水口盖；所述壳体外部安装有U形卡扣；所述壳体包括泵体上壳和泵体下壳，泵体上壳和泵体下壳分别在对应位置开设有多个连接孔，以便通过紧定螺钉将泵体上壳与泵体下壳固定连接；在所述无刷电机转动轴位于泵体上壳内侧的地方套装一个挡水圈；在所述泵叶轮和出水口盖之间设置有出水口密封圈。较佳地，在所述泵体上壳和出水口盖设置有相互配合的卡扣，用以固定连接泵体上壳和出水口盖。较佳地，所述泵体下壳的外侧固定有安装脚垫和减震脚垫。较佳地，所述无刷电机包括依次组装的电机端盖、石墨垫片、橡胶密封圈、转子组件、含油轴承组件、塑封定子组件；其中，所述含油轴承组件的轴承座下端放置在定子组件内部空腔内，所述转子组件套装在含油轴承组件的含油轴承上，所述石墨垫片粘接在电机端盖的凹孔内，所述橡胶密封圈安装在塑封定子组件外侧的台阶上，所述电机端盖压在塑封定子组件的台阶上把橡胶密封圈压在中间并固定。较佳地，所述塑封定子组件包括安装在塑料骨架上的多个定子铁心，所述塑料骨架内部呈圆形的空腔用于安装含油轴承组件；绕线在所述定子铁心外部的线圈；所述塑料骨架固定在驱动板上，所述线圈的出线焊接在所述驱动板上并与电源线连接；所述驱动板上安装有压线板，用于压紧电源线；所述多个定子铁心和塑料骨架均被塑封在驱动板上形成塑封定子组件。与现有技术相比，本发明的显著有点在于，(1)特别设计的电机内置驱动结构、外转子结构、外转子壳出轴结构和塑封结构，实现了高效、节能、减排，安装维护都很方便，同时实现了比较高的防护等级；(2)电机的设计上考虑到防水，对定子和电路板部分进行了整体的塑封，电路部分与水完全隔离，即使与水直接接触也不会有短路的危险；(3)水泵外壳安装U形卡扣，安装快捷方便；(4)安装的减震脚垫和安装脚垫明显地减小电机的震动；(5)本发明将GateDrive电路和6个MOSFET器件全部集成到单个U1主控芯片内，使得电路板上主控芯片U1的外围电路非常简洁，大幅减小电路板的整体面积，使其能够安装和内置到“微小型”的无刷电机中去，整个电机系统可靠的大幅提升；(6)本发明应用180度正弦波驱动技术，降低了电机扭矩冲击、换相冲击所带来的噪音；(7)本发明中，应用了浪涌吸收和防反接、电压击穿抱回等技术，从而可有效避免因电源接线错误、电路器件过压等造成的电路和元器件的失效和损坏以及噪音大等问题。附图说明图1是本发明中的驱动电路原理框图。图2是本发明中主控芯片集成的多个单元控制电路工作原理图，其中，VSP为占空比调速指令输入管脚，FG为转速脉冲反馈输出管脚；OUTA/OUTBOUTC为电机相绕组连接管脚；GND为电源负极连接管脚，VREG为参考电压基准，Protection为过流保护电路，GateDrive为MOSFET门极驱动电路，SineDriveWaveshape为正弦波波形发生电路，ADC为模数转换电路；TSD为过热保护电路，StartUPLogic为起动逻辑控制电路，30KHzPWMOSC为30KHz脉冲宽度调制振荡发生电路，PositionDetect为电机磁场位置检测电路。图3是本发明中电机内置驱动波形图。图4是本发明无刷直流电机水泵立体图。图5是本发明无刷直流电机水泵爆炸图。图6是本发明使用的无刷直流电机爆炸图。图7是本发明中电机定子在塑封前的立体图。图8是本发明中电机含油轴承组件的爆炸图。附图中序号说明：1：水泵出水口；2：密封圈；3：泵叶轮；4：上泵体；5：挡水圈；6：无刷电机；7：下泵体；8：安装脚垫；9：减震脚垫；10：紧定螺钉；6-1：电机端盖；6-2：石墨垫片；6-3：橡胶密封圈；6-4：转子组件；6-5：含油轴承组件；6-6：塑封定子组件；6-5-1：轴承盖；6-5-2：含油轴承；6-5-3：润滑油；6-5-4：轴承座；6-6-1：定子铁心；6-6-2：塑料骨架；6-6-3：线圈；6-6-4：驱动板；6-6-5：压线板；6-6-7：电源线。具体实施方式容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明无刷直流电机水泵的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。本发明无刷直流电机水泵包括一个驱动电路，用以提供所述无刷电机6的电力驱动以及控制。该驱动电路包括主控芯片U1、肖特基二极管SD1、电压瞬变抑制二极管TD1、主吸收电容C1、放电电阻R1、上拉电阻R2；肖特基二极管SD1的阳极端接电源正极端口VCC，肖特基二极管SD1的阴极端同时接电压瞬变抑制二极管TD1的阴极端、主吸收电容C1、放电电阻R1、上拉电阻R2以及主控芯片U1的VCC电源正极端口；电压瞬变抑制二极管TD1的阳极端以及主吸收电容C1和放电电阻R1的另一端接电源负极端口GND；主控芯片U1的PWMI脚(占空比调速指令输入管脚，即为图7中的VSP管脚)与上拉电阻R2另一端相连；主控芯片U1的U/V/W脚(电机相绕组连接管脚)，分别与3相无刷电机的3个U/V/W绕组连接。在上述驱动电路中：肖特基二极管SD1用于防止因电源错误地反接而损坏无刷直流电机水泵整个电路；电压瞬变抑制二极管TD1，基于电子的雪崩效应而能够将其两端的电压钳制在某一数值上，用于防止输入电压的异常过压，保护整个电路；主吸收电容C1用于稳定电压，吸收EMI电压浪涌；放电电阻R1用于在关闭电机时泄放掉主吸收电容C1上的电荷；上拉电阻R2，由于无刷电机6不需要进行转速调速，因此将PWMI管脚直接通过电阻R2上拉到VCC电源正极，满足PWMI管脚输入逻辑高电平的需要；电机三个相绕组采用星形接法，即三个相绕组的绕线开始端分别定义为U/V/W，将3个相绕组的绕线末端焊接在一起，定义为COM端，COM端也叫星型绕组的“中性点”。所述驱动电路安装在电路板上，在上述驱动电路中：肖特基二极管SD1和电压瞬变抑制二极管TD1实现了浪涌吸收和防反接技术，其中，肖特基二极管SD1具有单向导电性，如果电源正接，肖特基二极管SD1正向导通开启，整个电路回路畅通；如果电源反接，此时肖特基二极管SD1处于“反向偏置”状态，呈现出很高的电阻，相当于“断开”状态，整个电路通路被SD1截断，无反向电流流过；而主控芯片U1中是不允许反向流过电流的，从而可有效避免因电源接线错误而使电路损坏。电压瞬变抑制二极管TD1，当阴极电压超出“击穿阈值”时，电压瞬变抑制二极管TD1内的半导体PN结将处于“电子雪崩”状态，在极短的时间内(几纳秒)PN结反向击穿，在此反向击穿状态下，其PN结电压将会保持在预定的“雪崩”值(仅比“击穿阈值”略高)，从而使得和电压瞬变抑制二极管TD1两端相连的电压钳制在一个安全的范围内，避免电路器件过压击穿而损坏。电压瞬变抑制二极管TD1的雪崩击穿效应，提供EMI异常高压尖峰能量的导通回路，并将EMI异常尖峰电压钳制在一个安全的范围内，避免电路和元器件的失效和损坏。进一步，在上述驱动电路中，主控芯片U1集成了多个单元控制电路，以及由6个MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)组成的逆变桥；各单元控制电路实现无刷电机6所具有的各项控制功能以及各种保护功能，如图7所示，多个单元控制电路包括：TSD电路(过热保护电路)，当主控芯片U1的温度超过设定的温度后，比如主控芯片U1的温度达到150摄氏度后，TSD电路动作，切断无刷电机6的三相输出，电机绕组和电源VCC将断开，电机停转，避免因无刷电机6过热而对主控芯片U1造成的损害；ADC电路(模数转换电路)，用于将来自PWMI的数字“占空比调速指令”信号转换成一个模拟量，发送给SineDriveWaveshape(正弦波驱动电路)；用来调制三相绕组导通时的占空比，达到对无刷电机6进行调试的目的；SineDriveWaveshape电路(正弦波波形发生电路)，根据PositionDetect(电机磁场位置检测电路)的信号，产生一个中间略凹“钟型”波形，发送给GateDrive(MOSFET门极驱动电路)，当MOSFET管导通，电机绕组接入VCC电源后，其导通波形即为图8所示，图8中，OUTA/OUTB/OUTC为三相电机U/V/W绕组连接端，iA/iB/iC分别为电机相绕组U/V/W中的电流，呈现出完美的正弦波波形；GateDrive(MOSFET门极驱动电路)，直接受SineDriveWaveshape电路的控制，用于驱动逆变桥中相应的MOSFET器件，使其导通，将电机绕组连入电源VCC回路中；本发明将GateDrive电路和6个MOSFET器件全部集成到单个主控芯片U1内，使得驱动电路板上主控芯片U1的外围电路非常简洁，大幅减小电路板的整体面积，使其能够安装和内置到“微小型”的无刷电机中去，整个电机系统可靠的大幅提升；同时，“SineDriveWaveshape”和“GateDrive”电路实现了180度正弦波驱动技术在本发明中的应用，通过控制MOSFET管整个导通周期内，不同时间区域内的PWM占空比大小(见图8，MotorTerminalPWM(OUTA)波形)，使得OUTA上的等效电压波形得到一个中间略凹“钟型”波形，最终在绕组中得到一个完美的正弦波电流波形；该绕组中通过的此正弦波电流波形所形成的电磁扭矩，将趋于恒定，相与相之间的换相平滑过渡，可以降低扭矩冲击、换相冲击所带来的噪音；Protection(过流保护电路)，用于检测电机相绕组的电流，当电流超过某一阈值时，关断电机绕组，实现限制电机绕组电流的目的；VREG电路(参考电压基准电路)，给内部各单元电路进行供电，提供一个正确的工作电压；PositionDetect(电机磁场位置检测电路)，通过检测电机三相绕组的反电动势，根据反电动势进行换算，得到电机绕组正确换相时的磁场位置信号，最终发送给SineDriveWaveshape电路；30KHzPWMOSC(30KHz脉冲宽度调制振荡发生电路)，内部PWM占空比频率振荡基准，固定为30KHz；最终决定电机绕组中的PWM占空比调制频率；StartUPLogic(起动逻辑控制电路)，用于电机在加电瞬间，直至切换到反电动势换相阶段的驱动控制；前述各单元控制电路通过半导体制造工艺，在同一块硅晶圆上制作而成。本发明所述无刷直流电机水泵工作时，将VCC和GND分别接上直流电源的正负极后，肖特基二极管SD1正向导通；电源电压正确的加到主控芯片U1上。主控芯片U1内置的各个单元控制电路开始动作：首先，StartUPLogic电路根据“起动算法”，开始对6个MOSFET不断地进行通断控制，电机绕组U/V/W依次不断地通电和切断，在电机的定子上形成一个旋转的磁场，根据磁场间的“同极相斥，异性相吸”的原理，和转子上的磁场(转子内壁装有一圈磁钢，N\S磁极均匀分布)相互作用，产生电磁扭矩驱动电机连续地旋转起来。当PositionDetect电路检测到足够大的U/V/W相绕组反电势时，自动切换到“正弦波”驱动模式，在电机绕组上形成一个正弦波电流波形，以降低噪音。本发明为无刷直流电机水泵，主要用于空调机中排放冷凝水，其整体外形如图4所示，内部结构如图5所示，包括水泵出水口盖1、出水口密封圈2、泵叶轮3、泵体上壳4、挡水圈5、无刷电机6、泵体下壳7、安装脚垫8、减震脚垫9以及紧定螺钉10。泵体上壳4和泵体下壳7用于包容无刷电机6，组装时，将无刷电机6放置到泵体下壳7内，然后将泵体上壳4与泵体下壳7固定；其中泵体上壳4中心开有供无刷电机6转动轴穿过的孔。作为较佳的选择方案，泵体上壳4与泵体下壳7分别在对应位置开设有多个连接孔，以便通过紧定螺钉10将泵体上壳4与泵体下壳7固定连接。在本发明的一个实施例中，为增加密封性，可以在无刷电机6转动轴位于泵体上壳4内侧的地方套装一个挡水圈5，以防止水通过泵体上壳4的孔与转动轴之的缝隙进入无刷电机6。泵叶轮3套装在泵体上壳4外侧的无刷电机6的转动轴上，水泵出水口盖1具有泵叶轮3相适应的腔体用于容纳泵叶轮3，水泵出水口盖1固定在泵体上壳4外侧。泵叶轮3和水泵出水口盖1之间还设置有出水口密封圈2以增强密封性。作为较佳的选择方案，泵体上壳4和水泵出水口盖1设置有相互配合的卡扣，以便固定连接泵体上壳4和水泵出水口盖1。作为较佳的选择方案，泵体下壳7的外侧还可以安装脚垫8和减震脚垫9，在使用的过程中起到减震的作用，保护电机受到震动，亦可阻隔电机本身的震动。如图6所示，无刷电机6包括依次组装的电机端盖6-1、石墨垫片6-2、橡胶密封圈6-3、转子组件6-4、含油轴承组件6-5、塑封定子组件6-6；其中，含油轴承组件6-5的轴承座6-5-4下端放置在定子组件6-6内部空腔内，转子组件6-4套装在含油轴承组件6-5的含油轴承6-5-2上，石墨垫片6-2粘接在电机端盖6-1的凹孔内，橡胶密封圈6-3安装在塑封定子组件6-6外侧的台阶上，电机端盖6-1压在塑封定子组件6-6的台阶上把橡胶密封圈6-3压在中间并固定，橡胶密封圈6-3可以起到密封的作用，同时还能起到阻隔电机的噪音的作用。电机端盖6-1压装定子组件6-6后，整个电机安装完成，此时石墨垫片6-2可以顶住转子组件6-4的转轴，防止转子组件6-4的窜动。如图7所示，塑封定子组件6-6包括安装在塑料骨架6-6-2上的多个定子铁心6-6-1，塑料骨架6-6-2内部呈圆形的空腔用于安装含油轴承组件6-5，绕线在定子铁心6-6-1外部的线圈6-6-3，塑料骨架6-6-2固定在驱动板6-6-4上，线圈6-6-3的出线焊接在驱动板6-6-4上并与电源线6-6-7连接，驱动板6-6-4上安装有压线板6-6-5，用于压紧电源线6-6-7，多个定子铁心6-6-1和塑料骨架6-6-2均被塑封在驱动板6-6-4形成塑封定子组件6-6。