一种小功率单相同步电动机

技术领域

本发明涉及一种小功率单相同步电动机，尤其涉及其起动控制，IPC分类可属于H02P6/08或H02P6/20。

背景技术

现有技术小功率单相同步电动机的牵入转矩较小。为提高牵入转矩，传统方法是接入电压合闸时升高，电动机启动完成后回降至持续运行电压。按此的电路传统设计是经双向晶闸管向电动机供电：晶闸管合闸时全导通，然后减小导通角，以缺损正弦波电压持续运行。由此存在缺损正弦波电压供电导致的降低效率和EMI等问题。

除本申请说明书已指明外，有关术语和公知常识见《机械工程手册》和《电机工程手册》(机械工业出版社1978～1983年第1版和1997年第2版)、《电路理论基础》(清华大学出版社2015年第3版)和《电机学》(机械工业出版社1980年第1版)以及专利文献CN106230327B。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种小功率单相同步电动机，可改善背景技术所述问题，但电路及控制更简单可靠和节能。

本发明解决技术问题的技术方案是一种小功率单相同步电动机，该电动机包括：

——同样极数的定子和转子；

——开关，所述定子的绕组经该开关接往交流电源；

——控制电路，包括检测电路和内置程序，该内置程序含按照检测到的信号驱动所述开关以控制所述交流电源输入所述绕组的电流的步骤；

其特征在于：

a)所述检测电路包括对所述交流电源电压过零点的检测及其后的计时，以随时确定交流电源电压瞬时相位角；

b)所述步骤包括：该电动机进入同步运行之前，一旦判定所述交流电源电压瞬时相位角为规定接入相位角，使所述绕组接通所述交流电源，该规定接入相位角相比与其相差不超过±π/2的其它接入相位角，使接通后所述绕组的电流第1个半波的波形为最大。

公知常识如《电路理论基础》8.4.3中所述，传统电磁结构的电动机起动的电路过程可等效为所述RL电路接入正弦电压的零状态响应，会产生与接入相位角相关的明显大于稳态电流的短时过电流，因而需避免设备受该现象损害。然而，本发明人发现：与大功率电路容易被该过电流危害有别，小功率单相同步电动机耐受该过电流的能力因额定功率小而显著提高。该过电流不仅不损害电动机的结构，反而可被用来改善电动机的起动过程：

——在交流电源接入电动机绕组电路的过渡过程中，绕组电流的自由分量与强制分量叠加可使其首个半波电流的波形——时间跨度或/和最大值或/和面积为最大(参见《电路理论基础》中图8-19)，以至该首个半波电流产生的电磁力平均值或该力做功呈现的电磁能总量提高，尤其此时该半波电流时间跨度显著大于稳态交流电源电压半波的时间，该跨度较大的半波时间十分有利于适应转子起动基于自身和负载的惯性所需加速过程较长的时间，定、转子磁场极性匹配时间因而延长，实验显示的电动机牵入转矩因此显著增加，十分有利于促使其进入同步运转。

该技术方案针对性控制仅是电动机绕组接通电源的首个正弦电压半波的接入相位角，之后是与电源持续接通，电路过渡过程为电动机绕组本身自然地完成，其利用通常产品已有具相控功能的晶闸管电路，无需附加其它措施，简单、可靠地改善了传统电路的效率和EMI等问题。

该技术方案具体设计为：所述规定的接入相位角为ψ

i＝(U

式中：

i——所述绕组电流；

U

z——所述绕组电路等效阻抗，z＝(r

r——所述绕组电路等效电阻；

ω——所述交流电源角频率；

L——所述绕组电路等效电感；

t——时间；

ψ——所述接入相位角；

φ——所述绕组电流滞后于所述电源电压的相位角，φ＝arctg(ωL/r)；

k——r/L。

ψ

理论和实验表明，所述绕组电流该首个半波电流的波形随Δψ的增加而减少，当所述转子为永磁转子时，Δψ为π/12，牵入转矩仍可满足启动所需增加的要求，而电流的减小有利于将其对转子的去磁效应抑制在规定范围内，以适应矫顽力较低的永磁材料，例如：

——当永磁转子以矫顽力较高的永磁材料(如铷铁硼)制成时，该偏离宜控制在±π/36范围内，可获得更大的牵入转矩而不至于发生退磁；

——当永磁转子以矫顽力较低的永磁材料(如铁氧体)制成时，所述规定接入相位角为(ψ

进一步设计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；所述内置程序还包括对所述转子的永磁磁通轴线相比交流电源极性决定的主磁通轴线的位置检测，并使得在电动机启动时：

——对所述转子设定旋转方向与所述设定的圆周方向相同，所述开关在所述交流电源输入所述绕组的第1个半波电压将形成的主磁通轴线的相反方向与所述转子永磁磁通轴线相交为所述锐角角度时，所述Δψ为π/36；或者

——对所述转子设定旋转方向与所述设定的圆周方向相反，所述开关在所述交流电源输入所述绕组的第1个半波电压将形成的主磁通轴线的方向与所述转子永磁磁通轴线相交为所述锐角角度时，所述规定接入相位角为(ψ

该设计是当永磁转子沿所述圆周方向的相反方向启动时需减轻主磁通的去磁作用，以与最大电流值偏离较大的接入相位角启动；当永磁转子沿所述圆周方向启动时，主磁通起增磁作用，可以与最大电流值偏离较小的接入相位角启动，有利于提高此时的牵入转矩。该设计可达到有较大牵入转矩的单向或双向的定向启动控制。

其进一步的设计之一是，所述步骤包括：在所述交流电源第1个半波电压输入所述绕组之前，所述交流电源与该半波电压极性相反的1个或连续多个半波电压以接入相位角为零输入所述绕组。理论和实验表明，该设计可获得更有保障的电动机牵入转矩。

其进一步的设计之二是，所述内置程序还包括当转子沿所述圆周方向启动时，在所述转子转动至所述二轴线方向完全相同或接近相同时，所述开关断开所述交流电源输入绕组的第1个半波电压。该设计使电动机起动时定、转子磁场极性始终匹配，因而获得更大的起动过程平均转矩，牵入转矩因而得到提高。

附图说明

图1是本发明实施例电动机电磁基本结构示意图；

图2是本发明实施例电动机控制电路示意图；

图3是本发明实施例电动机序号1—3电源接入相位角起动过程电压电流波形示意图；

图4是本发明实施例电动机序号4—6电源接入相位角起动过程电压电流波形示意图；

图5是本发明实施例电动机序号7—9电源接入相位角起动过程电压电流波形示意图；

图6是本发明实施例电动机序号10-12电源接入相位角起动过程电压电流波形示意图。

具体实施方式

本发明实施例电动机是在本发明人之一在先申请CN106230327B等实施例电动机的基础上改进而成：继承实施例电动机的电磁基本结构和控制电路的设计，修改该实施例电动机控制电路单片机的内置程序。

本发明实施例电动机电磁基本结构如图1所示，其包括：

——定子1，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1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；

——电动机设定如图示逆时针(沿相反方向观察则为顺时针)旋转，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°。

该电动机也称U型铁芯单相自起动永磁同步电机，可参考2005年哈尔滨工业大学博士论文《U型铁芯单相自起动永磁同步电机的机理和特性分析》和《小功率永磁电机原理、设计与应用》(机械工业出版社2009年第1版)。

本发明实施例电动机控制电路如图2所示，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经常规的光电耦合电路或变压器隔离电路(图中未示出)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，与该电压同步和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，向其提供交流电源电压过零点信号；

——绕组12经电阻13接公共地，该电阻是检测通过绕组12的电流的取样电阻；绕组12与电阻13的连接点经转换电路621接往单片机的输入电路62，用于检查在电阻13的电压降并以此确定通过绕组12的电流。转换电路621可设计为隔离钳位电路——取样变压器初级连接被测交流电压，次级叠加一个高于被测交流电压峰值的恒定直流电压后输入单片机，经A/D转换即可确定交流电压的瞬时值。当然，也可选用含上述功能的芯片代替单片机6和转换电路621。此外，也可以电流互感器取代电阻13和取样变压器获得通过绕组12的电流的取样，可减少检测电路的功率消耗；

——绕组12与晶闸管4主电极的连接端经常规的分压电路(图中未示出)接往单片机的输入电路64，用于检测绕组12电流为零时的电压。单片机6的内置程序按照设定步骤检查输入电路61、62和64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。

对于绕组电流滞后于所述电源电压既定相位角的电动机绕组电路，求取所述绕组电流的第1个半波的时间跨度或最大值或面积为最大的接入相位角ψ

i＝(U

式中：

i——所述绕组电流；

U

z——所述绕组电路等效阻抗，z＝(r

r——所述绕组电路等效电阻；

ω——所述交流电源角频率,本实施例为100π；

L——所述绕组电路等效电感；

t——时间；

ψ——所述接入相位角；

φ——所述绕组电流滞后于所述电源电压的相位角，φ＝arctg(ωL/r)；

k——r/L；

载入Excel的XLS工作表中，在至少一个电源电压正弦波周期范围，逐个输入接入相位角ψ，可得无数随接入相位角而变的绕组电流波形，其中若干见图3—6。可见这些波形的第1个半波相比稳态时的半波波形，既有更大的，也有更小的。更小的波形将导致较小的牵入转矩。显然，本发明可避免出现该情况。可比较这些波形第1个半波波形数据，选取时间跨度t1最大者的接入相位角作为规定接入相位角，输入单片机6的内置程序。如下表的数据作为取值示例。

表中：

1、时间跨度指该第1个半波自坐标原点开始至再次过零的时间差或坐标原点t为零时该再次过零所在时刻。可见时间跨度最大达11.6ms，比稳态时半波的时间跨度10ms增大16％。

2、该第1个半波是正半波时面积S和最大值i

表中可见：在±π/2范围内相比其它接入相位角，第1个半波的时间跨度t1最大者的接入相位角有二个——对正半波为序号6，对负半波为序号1。该二序号的接入相位角，即作为按转向应用正半波或负半波合闸时的规定接入相位角，输入单片机6的内置程序。

单片机6的内置程序为电动机接通交流电源后，自每个交流电源电压过零点开始计时，直至下一过零点结束并再次开始计时，以随时得到交流电源电压瞬时相位角，并且：

a)对于无需定向转动控制的情况，在电动机接通交流电源后，在不长于交流电源电压一个正弦波周期内，一旦判定交流电源电压瞬时相位角等于前述规定接入相位角，输出电路63随即输出触发晶闸管4导通的脉冲，使绕组12获得如图3所示序号1或图4所示序号6的首个较大的半波电流及随后的稳态正弦波电流，电动机随后进入顺时针或逆时针转向的同步运转；

b)对于需要定向转动控制的情况，在电动机接通交流电源且CN106230327B所述定向起动检测完成后，在不长于交流电源电压一个正弦波周期内，一旦判定交流电源电压瞬时相位角等于前述规定接入相位角，且该接入相位角合闸首个半波的正负与选定的以顺时针为正或逆时针为负的转向一致，输出电路63再次输出触发晶闸管4导通的脉冲，使绕组12获得如图3所示序号1或图4所示序号6的首个较大的半波电流及随后的稳态正弦波电流，即电动机随后进入选定的顺时针或逆时针转向的同步运转。

CN106230327B所述定向起动检测完成，即其所述“若所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通”中的“若所述电流符合规定”。为此，在本实施例中，首先沿用CN106230327B说明书【0092，0094，0096，0098，0100】段中所述“使电动机进入同步运行”之前所述，随后改为前述本实施例的“在不长于交流电源电压一个正弦波周期内，一旦判定交流电源电压瞬时相位角等于前述规定接入相位角，且该接入相位角合闸首个半波的正负与选定的以顺时针为正或逆时针为负的转向一致，输出电路63再次输出触发晶闸管4导通的脉冲，使绕组12获得如图3所示序号1或图4所示序号6的首个较大的半波电流及随后的稳态正弦波电流，即电动机随后进入选定的顺时针或逆时针转向的同步运转”。

输入单片机6的内置程序设定接入相位角的允许偏离范围Δψ，交流电源电压瞬时相位角与规定接入相位角之差在该范围内时，判定二者为相等。本发明实施例的永磁转子为铷铁硼制成，该允许偏离范围Δψ为π/36。

本发明实施例可有如下设计修改：

a)实施例以所述表中时间跨度t1最大者的接入相位角ψ为规定接入相位角输入单片机6的内置程序，表中可见时间跨度t1最大者也是最大值i

b)实施例不同接入相位角合闸的绕组电流波形，也可以虚拟仪表软件进行电路仿真获取，或对具体样品以可调相控开关和示波器进行逐点接入相位角合闸的绕组电流测量。实测半波波形的最大值因铁芯磁饱和影响而显著增加，区别更明显，有利于ψ

c)实施例永磁转子改为以铁氧体制成，所述规定接入相位角改为(ψ

d)实施例对于无需定向转动控制的单相永磁同步电动机的控制，还可进一步设计为：

——在所述交流电源第1个半波电压输入所述绕组之前，所述交流电源与该半波电压极性相反的1个或连续多个半波电压以接入相位角为零输入所述绕组；

——所述内置程序还包括当转子沿所述圆周方向启动时，在所述转子转动至所述二轴线方向完全相同或接近相同时，所述开关断开所述交流电源输入绕组的第1个半波电压。

e)实施例电动机为2极，其控制机理也适用于4极或更多极数的该类电动机。

f)实施例对于无需定向转动控制的情况，也适用单相磁阻同步电动机和单相磁滞同步电动机。