潛水泵控制電路及具自保護功能的潛水泵的製作方法
2023-09-19 23:40:50
專利名稱：潛水泵控制電路及具自保護功能的潛水泵的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電機驅動領域，更具體地說，涉及一種潛水泵控制電路及具自保護功能的潛水泵。
背景技術：
現有的交流同步水泵的驅動部分由線圈繞組、U形鐵芯、帶葉輪的永磁轉子組成。 當纏繞於U形鐵芯上的線圈繞組通入交流電時，U形鐵芯的兩端產生極性相反的磁場，與永磁轉子的磁場相互作用，從而推動永磁轉子旋轉。由於交流電電流的方向按照一定的頻率不斷的變換，使U形鐵芯兩端的磁場方向也跟著不斷的變化，從而推動永磁轉子不斷的旋轉。永磁轉子帶動葉輪轉動，推動葉輪室內的水產生離心力，從而將水抽出，達到抽水的目的。現有的單相交流二極永磁同步電機驅動的水泵具有工藝製作簡單和成本低廉的優點。然而，上述交流同步水泵通常為工頻運行，工作效率較低。而採用直流變頻的交流同步水泵中，在轉子堵轉，特別是在缺水幹燒的時，無法進行自我保護，從而造成影響水泵的使用壽命，並且還存在安全隱患。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題在於，針對上述潛水泵因不具自保護功能而影響使用壽命的問題，提供一種具自保護功能的潛水泵及潛水泵控制電路。本實用新型解決上述技術問題的技術方案是，提供一種潛水泵控制電路，用於控制潛水泵的永磁轉子的轉動，包括整流電路、驅動電路以及保護電路，其中所述整流電路的輸出端包括連接驅動電路的高壓直流端，所述驅動電路包括分別由兩根線纜並行繞制而成的線圈以及兩路電子功率開關電路，所述兩根線纜在定子的兩個鐵芯臂上繞制方向相反且兩根線纜的一端分別連接所述高壓直流端、另一端分別連接所述兩路電子功率開關電路的兩個輸出端中的一個，所述保護電路包括用於檢測永磁轉子轉速的轉速檢測單元以及在所述永磁轉子轉子異常時使驅動電路停止輸出的主控晶片，所述轉子轉速檢測單元位於永磁轉子磁場徑向的外圍且避開永磁轉子靜態時N/S磁極分界線，該轉子轉速檢測單元的輸出端連接到主控晶片，所述兩路電子功率開關電路的輸入端分別連接到主控晶片的第一信號輸出引腳和第二輸出引腳。在本實用新型所述的潛水泵控制電路中，所述定子包括至少一對鐵芯且每一對鐵芯包括兩個對稱設置的鐵芯臂，所述兩根以並行的方式纏繞在所述定子的每一鐵芯臂上形成線圈且相鄰鐵芯臂上的線圈的繞制方向相反，所述永磁轉子包括與所述鐵芯臂數量相同的磁塊且相鄰磁塊的極性相反，所述兩根線纜中第一線纜的始端與第二線纜的末端連接在一起組成公共端並連接到驅動電路的高壓直流端，第一線纜的末端與第二線纜的始端分別連接到兩路電子功率開關電路的一個輸出端。在本實用新型所述的潛水泵控制電路中，所述轉速檢測單元為單極性型霍爾元件，在所述主控晶片的信號輸入端為高電平時第一信號輸出腳輸出高電平、第二信號輸出腳輸出低電平，並在信號輸入腳為低電平時，第一信號輸出腳輸出低電平，第二信號輸出腳輸出高電平。在本實用新型所述的潛水泵控制電路中，所述轉速檢測單元為雙極性型霍爾元件，所述霍爾元件的輸出端分別連接到所述主控晶片的第一信號輸入引腳和第二信號輸入引腳，所述主控該晶片在第一信號輸入腳為高電平時第一信號輸出腳輸出高電平，第二信號輸入腳為低電平時第二信號輸出腳輸出低電平，第一信號輸入腳為低電平時第一信號輸出腳輸出低電平，第二信號輸入腳為高電平時第二信號輸出腳輸出高電平。本實用新型還提供一種具自保護功能的潛水泵，包括泵體、葉輪室、葉輪，所述泵體內設置定子容置腔和轉子容置腔，定子和永磁轉子分別安裝於定子容置腔和轉子容置腔內，還包括控制所述永磁轉子轉動的控制電路，所述控制電路包括整流電路、驅動電路以及保護電路，其中所述整流電路的輸出端包括連接驅動電路的高壓直流端，所述驅動電路包括分別由兩根線纜並行繞制而成的線圈以及兩路電子功率開關電路，所述兩根線纜在定子的兩個鐵芯臂上繞制方向相反且兩根線纜的一端分別連接所述高壓直流端、另一端分別連接所述兩路電子功率開關電路的兩個輸出端中的一個，所述保護電路包括用於檢測所述永磁轉子轉速的轉速檢測單元以及在永磁轉子轉子異常時使驅動電路停止輸出的主控晶片， 所述轉子轉速檢測單元位於永磁轉子磁場徑向的外圍且避開永磁轉子靜態時N/S磁極分界線，該轉子轉速檢測單元的輸出端連接到主控晶片，所述兩路電子功率開關電路的輸入端分別連接到主控晶片的第一信號輸出引腳和第二輸出引腳。在本實用新型所述的具自保護功能的潛水泵中，所述定子包括至少一對鐵芯且每一對鐵芯包括兩個對稱設置的鐵芯臂，所述兩根以並行的方式纏繞在所述定子的每一鐵芯臂上形成線圈且相鄰鐵芯臂上的線圈的繞制方向相反，所述永磁轉子包括與所述鐵芯臂數量相同的磁塊且相鄰磁塊的極性相反，所述兩根線纜中第一線纜的始端與第二線纜的末端連接在一起組成公共端並連接到驅動電路的高壓直流端，第一線纜的末端與第二線纜的始端分別連接到兩路電子功率開關電路的一個輸出端。在本實用新型所述的具自保護功能的潛水泵中，所述整流電路還包括低壓輸出端，所述低壓輸出端連接到轉速檢測單元及主控晶片。在本實用新型所述的具自保護功能的潛水泵中，所述電子功率開關電路包括功率三極體，所述功率三極體的集電極、發射極分別串聯接入定子的兩組線圈繞組、控制極經由功率三極體連接到主控晶片的信號輸出引腳；或者所述電子功率開關電路包括場效應管， 所述場效應管的D極、S極分別串聯接入交流電機定子的兩組線圈繞組、控制極經由三極體連接到主控晶片的信號輸出引腳。在本實用新型所述的具自保護功能的潛水泵中，所述轉速檢測單元為單極性型霍爾元件，在所述主控晶片的信號輸入端為高電平時第一信號輸出腳輸出高電平、第二信號輸出腳輸出低電平，並在信號輸入腳為低電平時，第一信號輸出腳輸出低電平，第二信號輸出腳輸出高電平。在本實用新型所述的具自保護功能的潛水泵中，所述轉速檢測單元為雙極性型霍爾元件，所述霍爾元件的輸出端分別連接到所述主控晶片的第一信號輸入引腳和第二信號輸入引腳，所述主控該晶片在第一信號輸入腳為高電平時第一信號輸出腳輸出高電平，第二信號輸入腳為低電平時第二信號輸出腳輸出低電平，第一信號輸入腳為低電平時第一信號輸出腳輸出低電平，第二信號輸入腳為高電平時第二信號輸出腳輸出高電平。本實用新型的潛水泵控制電路及具自保護功能的潛水泵，通過轉子轉速檢測調整驅動輸出，解決了潛水泵堵轉及缺水而導致潛水泵使用壽命受到影響的問題。此外，本實用新型利用整流電路將高壓交流電源變成高壓直流和穩定的低壓直流電源，通過兩種線圈並行繞制的方式，且線圈按照特定的連接方法，利用霍爾元件感應轉子磁極的位置信號，並用主控晶片來處理相應的信號，輸出信號到驅動電路，使水泵啟動方向恆定。
圖1是本實用新型的潛水泵控制電路的示意圖。圖2是圖1中潛水泵控制電路的電路示意圖。圖3是永磁轉子線圈及霍爾元件安裝位置示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，是本實用新型的潛水泵控制電路的示意圖。該潛水泵控制電路包括整流電路12、驅動電路11以及保護電路13，其中整流電路用於對單相交流電進行整流、濾波、穩壓得到一個比交流電源更高的穩定的高壓直流電源，該整流電路的高壓直流輸出端連接到驅動電路11，驅動電路11用於驅動潛水泵的永磁轉子轉動，保護電路13包括用於檢測永磁轉子轉速的轉速檢測單元132以及在永磁轉子轉子異常時使驅動電路11停止輸出的主控晶片131。如圖2所示，是圖1中潛水泵控制電路的實施例的示意圖。整流電路12由整流橋堆01、電解電容(1、功率電阻1 1、1 2、穩壓管201、電容02、03、(4、穩壓IC Ul組成，從而實現單相交流電的整流、濾波、穩壓處理，為後續的驅動電路11提供高壓直流電，並為保護電路13提供低壓直流電。具體地，單相交流輸入電壓經過整流橋Dl整流，電容Cl濾波，得到一個比交流電源高的高壓直流電壓，以作為永磁轉子的驅動電源；高壓直流電壓的一端連接到電阻Rl、R2進行降壓，穩壓管ZDl穩壓，C2、C3、C4濾波、穩壓IC Ul穩壓，從而得到穩定的低壓電源，從而給驅動電路11、保護電路13以及其他的低壓電路供電。驅動電路11包括主控晶片U3、兩路電子功率開關電路以及磁場感應元件，其中兩路電子功率開關電路由三極體Ql、Q2、Q3、Q4及電阻R3、R4、R5、R6組成。具體地，主控晶片U3的控制信號分別經R5、R6連接到三極體Q3、Q4的基極，三極體Q3、Q4的集電極分別連接到功率管Ql、Q2的基極，控制三極體的通斷(上述三極體也可使用場效應管代替)。在本實施例中，定子包括U形鐵芯34以及繞制在該U形鐵芯34的兩個鐵芯臂上的線圈繞組 36，如圖3所示，其中線圈繞組36由兩根平行的漆包線繞制而成，且在兩鐵芯臂上的線圈繞組36的繞制方向相反(上述線圈繞組36繞制於線架35上，且線架35分別套設於U形鐵芯的兩個鐵芯臂上)，在組成線圈繞組36的漆包線中，A、C分別為第一漆包線的首端和末端， B、D分別為第二漆包線的首端和末端。線圈繞組36的A、C端相連成成公共端並連接到整流電路的高壓直流輸出端，B、D端則分別連接兩路電子功率開關電路的輸出端。在本實施例中，磁場感應元件由霍爾元件U2、電阻R7組成，該霍爾元件U2為的輸入端連接到穩壓IC 的輸出端、輸出端連接到主控晶片U3的第7腳。[0022]在啟動後，霍爾元件U2首先判斷永磁轉子靜止時其磁極位置信號，並產生相應的高低電平，主控晶片U3根據霍爾元件U2輸入的電平信號，向兩路電子功率開關電路輸出兩路電壓方向相反的控制信號，使線圈導通從而驅動永磁轉子的磁場與定子的磁場相匹配， 驅動力的方向一致，使永磁轉子的定向啟動和運行。由於本實用新型的潛水泵控制電路中，定子線圈的繞線方式與傳統方式不同且採用了直流變頻驅動，因此永磁轉子並沒有工作在與交流電頻率同步的狀態。永磁轉子的運轉頻率隨著線圈的勵磁電流的大小變化而變化，改變線圈參數可以改變線圈的勵磁電流， 從而改變定子線圈產生的磁場強度，改變驅動力的大小，使轉速隨之而變化。此外，永磁轉子的運轉頻率還隨著水泵負載的大小而變化，當水泵堵轉時，水泵的電流會很大，使線圈溫升快速的上升，從而造成一定的危險性；當水泵處於空載時，水泵的負載變得很小，轉速會變得很高，高轉速將會產生高磨損和高熱量，使水泵的穩定性和安全性不高，從而使水泵壽命變短。保護電路13的轉速檢測單元132為磁場感應元件(例如由霍爾元件U2、電阻R7 組成，該霍爾元件U2為的輸入端連接到穩壓IC的輸出端、輸出端連接到主控晶片U3的第 7腳)。在本實施例中，保護電路13與驅動電路11共用霍爾元件U2及主控晶片U3。轉子啟動後，永磁轉子每轉動半圈，霍爾元件U2將會產生一個高低電平變化的方波信號，主控晶片U3對此信號進行處理，分析一個周期內高低電平變化的次數，從而得到永磁轉子的轉速。進一步得知水泵的工作運行狀態。當檢測到轉子的轉動堵轉或者水泵在空載狀態導致轉速異常時，主控晶片U3輸出控制信號，使電機處於保護狀態。本實用新型通過檢測霍爾元件輸出信號，判斷水泵的運轉轉速，在水泵轉速異常時，停止輸出，並且在故障排除時自動恢復輸出，極大的解決了水泵因為堵住或者空載時產品的各種問題。當然，在實際應用中，圖2中的穩壓電路、驅動電路、保護電路可由其他現有電路代替。特別地，可通過改變圖3中線圈繞組的參數從而改變線圈勵磁電流的大小，改變永磁轉子的旋轉速度，在不改變水泵其他配件結構尺寸的情況下，極大的提高水泵的揚程，增大水泵的流量，從而提高水泵的效率。上述的霍爾元件U2可以為單極性的霍爾也可以為雙極性的霍爾元件(圖2中為單極性型霍爾元件)，該霍爾元件(如圖3中所示的標號32)設置在所述永磁轉子的磁場徑向的外圍，且偏離永磁轉子靜態時N/S磁極分界線。當霍爾元件為單極性時，主控晶片131 在信號輸入為高電平時第一信號輸出腳輸出高電平，第二信號輸出腳輸出低電平，並在信號輸入腳為低電平時，第一信號輸出腳輸出低電平，第二信號輸出腳輸出高電平；當霍爾元件為雙極性時，主控晶片131在第一信號輸入腳為高電平時第一信號輸出腳輸出高電平， 第二信號輸入腳為低電平時第二信號輸出腳輸出低電平，第一信號輸入腳為低電平時第一信號輸出腳輸出低電平，第二信號輸入腳為高電平時第二信號輸出腳輸出高電平。當永磁轉子啟動運轉後，霍爾元件32的信號輸出腳的高低電平不斷的變化，霍爾元件32輸出腳的變化頻率與永磁轉子的轉動頻率同步，當檢測轉子堵轉或者轉速異常的時候，主控晶片131 輸出保護信號，使水泵進入保護狀態。本實用新型還提供一種包括上述控制電路的潛水泵，該具自保護功能的潛水泵包括泵體、葉輪室、葉輪，所述泵體內設置定子容置腔和轉子容置腔，定子和永磁轉子分別安裝於定子容置腔和轉子容置腔內，還包括控制所述永磁轉子轉動的控制電路，所述控制電路包括整流電路、驅動電路以及保護電路，其中所述整流電路的輸出端包括連接驅動電路的高壓直流端，所述保護電路包括用於檢測所述永磁轉子轉速的轉速檢測單元以及在永磁轉子轉子異常時使驅動電路停止輸出的主控晶片。本實用新型的控制電路通過將輸入的單相交流電源進行整流並同時將線圈繞組由傳統的單繞改成並行雙繞，且兩根線纜中第一線纜的始端與第二線纜的末端連接到一起組成公共端並連接到整流濾波電路的高壓直流輸出端，第一線纜的末端與第二線纜的始端分別連接到兩組三極體(場效應管)的輸入端，兩組線圈分別由兩組獨立的功率管驅動電路驅動。此外，主控晶片根據霍爾元件位置信號進行邏輯分析處理，產生控制信號，輸出兩路電壓方向相反的控制信號，驅動對應的兩路功率管，使兩組線圈繞組交替導通，使永磁轉子在N極或者是在S極時分別由對應的電壓來驅動相對應的馬達線圈繞組，驅動功率管控制線圈繞組中的電流方向，從而實現交流水泵的定向啟動和運轉。本實用新型還通過檢測霍爾元件的信號，從而檢測永磁轉子運轉的狀態，當永磁轉子轉動異常(例如堵轉或無水空轉)時，使潛水泵處於保護狀態。大大的提高了水泵的安全性。以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求1.一種潛水泵控制電路，用於控制潛水泵的永磁轉子的轉動，其特徵在於，包括整流電路、驅動電路以及保護電路，其中所述整流電路的輸出端包括連接驅動電路的高壓直流端， 所述驅動電路包括分別由兩根線纜並行繞制而成的線圈以及兩路電子功率開關電路，所述兩根線纜在定子的兩個鐵芯臂上繞制方向相反且兩根線纜的一端分別連接所述高壓直流端、另一端分別連接所述兩路電子功率開關電路的兩個輸出端中的一個，所述保護電路包括用於檢測永磁轉子轉速的轉速檢測單元以及在所述永磁轉子轉子異常時使驅動電路停止輸出的主控晶片，所述轉子轉速檢測單元位於永磁轉子磁場徑向的外圍且避開永磁轉子靜態時N/S磁極分界線，該轉子轉速檢測單元的輸出端連接到主控晶片，所述兩路電子功率開關電路的輸入端分別連接到主控晶片的第一信號輸出引腳和第二輸出引腳。
2.根據權利要求1所述的潛水泵控制電路，其特徵在於，所述定子包括至少一對鐵芯且每一對鐵芯包括兩個對稱設置的鐵芯臂，所述兩根以並行的方式纏繞在所述定子的每一鐵芯臂上形成線圈且相鄰鐵芯臂上的線圈的繞制方向相反，所述永磁轉子包括與所述鐵芯臂數量相同的磁塊且相鄰磁塊的極性相反，所述兩根線纜中第一線纜的始端與第二線纜的末端連接在一起組成公共端並連接到驅動電路的高壓直流端，第一線纜的末端與第二線纜的始端分別連接到兩路電子功率開關電路的一個輸出端。
3.根據權利要求1所述的潛水泵控制電路，其特徵在於，所述轉速檢測單元為單極性型霍爾元件，在所述主控晶片的信號輸入端為高電平時第一信號輸出腳輸出高電平、第二信號輸出腳輸出低電平，並在信號輸入腳為低電平時，第一信號輸出腳輸出低電平，第二信號輸出腳輸出高電平。
4.根據權利要求1所述的潛水泵控制電路，其特徵在於，所述轉速檢測單元為雙極性型霍爾元件，所述霍爾元件的輸出端分別連接到所述主控晶片的第一信號輸入引腳和第二信號輸入引腳，所述主控該晶片在第一信號輸入腳為高電平時第一信號輸出腳輸出高電平，第二信號輸入腳為低電平時第二信號輸出腳輸出低電平，第一信號輸入腳為低電平時第一信號輸出腳輸出低電平，第二信號輸入腳為高電平時第二信號輸出腳輸出高電平。
5.一種具自保護功能的潛水泵，包括泵體、葉輪室、葉輪，所述泵體內設置定子容置腔和轉子容置腔，定子和永磁轉子分別安裝於定子容置腔和轉子容置腔內，其特徵在於，還包括控制所述永磁轉子轉動的控制電路，所述控制電路包括整流電路、驅動電路以及保護電路，其中所述整流電路的輸出端包括連接驅動電路的高壓直流端，所述驅動電路包括分別由兩根線纜並行繞制而成的線圈以及兩路電子功率開關電路，所述兩根線纜在定子的兩個鐵芯臂上繞制方向相反且兩根線纜的一端分別連接所述高壓直流端、另一端分別連接所述兩路電子功率開關電路的兩個輸出端中的一個，所述保護電路包括用於檢測所述永磁轉子轉速的轉速檢測單元以及在永磁轉子轉子異常時使驅動電路停止輸出的主控晶片，所述轉子轉速檢測單元位於永磁轉子磁場徑向的外圍且避開永磁轉子靜態時N/S磁極分界線，該轉子轉速檢測單元的輸出端連接到主控晶片，所述兩路電子功率開關電路的輸入端分別連接到主控晶片的第一信號輸出引腳和第二輸出引腳。
6.根據權利要求5所述的具自保護功能的潛水泵，其特徵在於，所述定子包括至少一對鐵芯且每一對鐵芯包括兩個對稱設置的鐵芯臂，所述兩根以並行的方式纏繞在所述定子的每一鐵芯臂上形成線圈且相鄰鐵芯臂上的線圈的繞制方向相反，所述永磁轉子包括與所述鐵芯臂數量相同的磁塊且相鄰磁塊的極性相反，所述兩根線纜中第一線纜的始端與第二線纜的末端連接在一起組成公共端並連接到驅動電路的高壓直流端，第一線纜的末端與第二線纜的始端分別連接到兩路電子功率開關電路的一個輸出端。
7.根據權利要求5所述的具自保護功能的潛水泵，其特徵在於，所述整流電路還包括低壓輸出端，所述低壓輸出端連接到轉速檢測單元及主控晶片。
8.根據權利要求5所述的具自保護功能的潛水泵，其特徵在於，所述電子功率開關電路包括功率三極體，所述功率三極體的集電極、發射極分別串聯接入定子的兩組線圈繞組、 控制極經由功率三極體連接到主控晶片的信號輸出引腳；或者所述電子功率開關電路包括場效應管，所述場效應管的D極、S極分別串聯接入交流電機定子的兩組線圈繞組、控制極經由三極體連接到主控晶片的信號輸出引腳。
9.根據權利要求5所述的具自保護功能的潛水泵，其特徵在於，所述轉速檢測單元為單極性型霍爾元件，在所述主控晶片的信號輸入端為高電平時第一信號輸出腳輸出高電平、第二信號輸出腳輸出低電平，並在信號輸入腳為低電平時，第一信號輸出腳輸出低電平，第二信號輸出腳輸出高電平。
10.根據權利要求5所述的具自保護功能的潛水泵，其特徵在於，所述轉速檢測單元為雙極性型霍爾元件，所述霍爾元件的輸出端分別連接到所述主控晶片的第一信號輸入引腳和第二信號輸入引腳，所述主控該晶片在第一信號輸入腳為高電平時第一信號輸出腳輸出高電平，第二信號輸入腳為低電平時第二信號輸出腳輸出低電平，第一信號輸入腳為低電平時第一信號輸出腳輸出低電平，第二信號輸入腳為高電平時第二信號輸出腳輸出高電平。
專利摘要本實用新型涉及一種潛水泵控制電路，用於控制潛水泵的永磁轉子的轉動，包括整流電路、驅動電路以及保護電路，其中所述整流電路的輸出端包括連接驅動電路的高壓直流端，所述驅動電路包括線圈以及兩路電子功率開關電路，所述保護電路包括用於檢測永磁轉子轉速的轉速檢測單元以及在所述永磁轉子轉子異常時使驅動電路停止輸出的主控晶片，該轉子轉速檢測單元的輸出端連接到主控晶片，所述兩路電子功率開關電路的輸入端分別連接到主控晶片的第一信號輸出引腳和第二輸出引腳。本實用新型還公開了一種包括上述控制電路的潛水泵。本實用新型通過轉子轉速檢測調整驅動輸出，實現解決了潛水泵堵轉及缺水而導致潛水泵使用壽命受到影響的問題。
文檔編號H02P6/08GK202187895SQ201120227039
公開日2012年4月11日 申請日期2011年6月30日 優先權日2011年6月30日
發明者敬策 申請人:深圳市鉅泰泵業有限公司