專利名稱：一種基于一體化永磁同步電機水泵和電子調(diào)速技術(shù)的內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種基于一體化永磁同步電機水泵和電子調(diào)速技術(shù)的內(nèi)燃機冷卻
系統(tǒng)，屬(機動車)內(nèi)燃機(電控)技術(shù)領(lǐng)域、或自動控制裝置領(lǐng)域，可用于小型水冷式內(nèi) 燃機冷卻系統(tǒng)，也可用于其它機械、電子或電氣等設(shè)備(或其器件)的冷卻系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)主要分為水冷系統(tǒng)方式或風冷系統(tǒng)方式，在摩托車內(nèi)燃機等小型 內(nèi)燃機上也采用與水冷系統(tǒng)原理類似的油冷系統(tǒng)方式。隨著技術(shù)的進步和環(huán)保節(jié)能標準的 提高，現(xiàn)代內(nèi)燃機基本都采用水冷系統(tǒng)方式(也有采用將水冷和風冷結(jié)合使用的混合冷卻 系統(tǒng)，但其主要靠水冷系統(tǒng)保持溫度穩(wěn)定，本質(zhì)上仍是水冷系統(tǒng))。 內(nèi)燃機水冷系統(tǒng)通常由冷卻水套、水泵、散熱器和節(jié)溫器等組成。其中內(nèi)燃機驅(qū)動
水泵，水泵再驅(qū)動冷卻液循環(huán)流動，而節(jié)溫器作為控制元件，其典型控制方式通過控制循環(huán)
路徑來控制冷卻系統(tǒng)的散熱量當內(nèi)燃機機體溫度低時，節(jié)溫器關(guān)閉，冷卻液只在內(nèi)燃機機
體內(nèi)部小循環(huán)流動而降低系統(tǒng)散熱，當溫度升高時，節(jié)溫器逐漸打開，冷卻液開始在內(nèi)燃機
機體和散熱器之間大循環(huán)流動而提高系統(tǒng)散熱量，使內(nèi)燃機機體溫度保持恒定。 在摩托車發(fā)動機上，為使系統(tǒng)簡單，也有只依靠節(jié)溫器的節(jié)流作用來調(diào)節(jié)散熱量
的單循環(huán)路徑冷卻系統(tǒng)。 由上述可見，現(xiàn)有水冷系統(tǒng)是基于節(jié)溫器的冷卻控制系統(tǒng)，水泵作為驅(qū)動元件，只 隨內(nèi)燃機轉(zhuǎn)數(shù)而改變流量，不具有根據(jù)負荷、氣溫等散熱量需要而改變其流量及系統(tǒng)散熱 量的控制作用。現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)技術(shù)存在以下缺陷 節(jié)溫器精度低、不靈敏，其冷卻控制原理使冷卻系統(tǒng)的冷卻性能差，表現(xiàn)為升溫 慢、控制精度低，不能使內(nèi)燃機工作在最理想的溫度。 雙循環(huán)路徑的冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)較復雜、成本較高。由于其循環(huán)路徑較長、三通和彎 頭較多，使水阻力較大；節(jié)溫器的節(jié)流作用使水阻力進一步加大。水阻力大、而且水泵連續(xù) 運行，使水泵消耗的功率較大，由此增加了內(nèi)燃機的耗油量。即使是簡單的單循環(huán)路徑的冷 卻系統(tǒng)，節(jié)溫器的節(jié)流作用仍會使水阻力加大、而且水泵連續(xù)運行，使水泵消耗的功率仍較 大。 水泵由內(nèi)燃機直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)上軸必須有動密封零件，動密封零件使水泵結(jié)構(gòu)復 雜、易損壞。特別是摩托車發(fā)動機，由于其水泵都采用發(fā)動機直接驅(qū)動方式，且多與發(fā)電機 或機油泵共軸，結(jié)構(gòu)較復雜，成本較高，而且軸的動密封零件不僅有水封、還有油封，結(jié)構(gòu)也 較復雜，使可靠性降低。 近年來，也有如電控節(jié)溫器、電動水泵及電控冷卻系統(tǒng)等新技術(shù)被提出和應用。電 控節(jié)溫器相比機械節(jié)溫器靈敏度稍有提高，但其并未使冷卻系統(tǒng)的性能有實質(zhì)性提高、反 而使冷卻系統(tǒng)更復雜。電動水泵及電控冷卻系統(tǒng)會使冷卻系統(tǒng)的性能有較大改善，但現(xiàn)有 結(jié)構(gòu)的電動水泵為保證電機的性能都采用普通電動水泵的結(jié)構(gòu)，電機和水泵是相對獨立的、之間靠軸傳動，軸上有動密封零件、因此不僅成本高而且使可靠性降低，目前僅報道應 用在寶馬汽車的一款高端發(fā)動機上(也有報道其它如豐田汽車等未來幾年將投產(chǎn)的新車 型也將使用電動水泵冷卻系統(tǒng))。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于一體化永磁同步電機水泵和電子調(diào)速技術(shù)的內(nèi)燃
機冷卻系統(tǒng)，可以較好地解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，使系統(tǒng)簡單、冷卻控制性能和溫度控制精度 提高、功率消耗減小、可靠性和實用性顯著改善。本發(fā)明裝置是通過這樣的技術(shù)方案實現(xiàn)的 這種冷卻系統(tǒng)由冷卻水套、散熱器、水泵、連接水管、永磁同步電機、溫度傳感器、 電子調(diào)速驅(qū)動電路組成，其特征是，冷卻水套、散熱器、水泵及連接水管構(gòu)成單循環(huán)路徑冷 卻循環(huán)系統(tǒng)，水泵驅(qū)動冷卻液在冷卻水套和散熱器之間循環(huán)流動而將內(nèi)燃機的熱量帶至散 熱器散出，永磁同步電機的永磁轉(zhuǎn)子與定子之間有將兩者隔離開的水套，水套是水泵殼體 的一部分，永磁同步電機的定子在水泵殼體外，而永磁轉(zhuǎn)子及其軸在水泵殼體內(nèi)、并采用共 軸方式驅(qū)動水泵葉輪旋轉(zhuǎn)工作，從而使永磁同步電機與水泵構(gòu)成一體化永磁同步電機水 泵，永磁同步電機、水泵、溫度傳感器和電子調(diào)速驅(qū)動電路構(gòu)成自動冷卻控制系統(tǒng)，此控制 系統(tǒng)的連接關(guān)系和控制作用為，溫度傳感器連接到電子調(diào)速驅(qū)動電路上、為其提供內(nèi)燃機 機體溫度信號，電子調(diào)速驅(qū)動電路連接到永磁同步電機上以驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)、并能根據(jù)內(nèi)燃機 機體溫度信號控制其轉(zhuǎn)速及水泵流量，進而控制冷卻系統(tǒng)的冷卻性能、并使內(nèi)燃機機體溫 度穩(wěn)定； 本發(fā)明電機還具有下述技術(shù)特征。 永磁轉(zhuǎn)子采用徑向兩極充磁的磁體(極)結(jié)構(gòu)，永磁轉(zhuǎn)子及軸在冷卻液中工作；
永磁同步電機是內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，沿徑向，永磁轉(zhuǎn)子在內(nèi)側(cè)，定子在外側(cè)；
永磁同步電機是單相永磁同步電機或三相永磁同步電機，單相永磁同步電機的定 子有兩個相對的磁極(極靴)和一個或兩個集中式定子繞組，三相永磁同步電機的定子有 三個等距磁極(極靴)和三個集中式定子繞組； 電子調(diào)速驅(qū)動電路是以全控(全波)驅(qū)動方式或半控(半波)驅(qū)動方式連接到永 磁同步電機的集中式繞組上； 永磁同步電機(PMSM)包括自起動永磁同步電機(Self-startingPMSM)類，或無 刷直流電機(BLDC Motor)類，當采用自起動永磁同步電機時，電子調(diào)速驅(qū)動電路采用變頻 (VF)方式控制此類永磁同步電機的轉(zhuǎn)速，當采用無刷直流電機時，電子調(diào)速驅(qū)動電路采用 脈寬調(diào)制(P麗)方式控制此類永磁同步電機的轉(zhuǎn)速； 使用具有一定溫度特性的溫度傳感器和電子調(diào)速驅(qū)動電路來實現(xiàn)所需要的自動 冷卻控制系統(tǒng)的機體溫度_水泵流量特性及機體溫度_散熱量特性，以控制冷卻系統(tǒng)的冷 卻性能； 其自動冷卻控制系統(tǒng)是開放的，能增加根據(jù)內(nèi)燃機工作狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)(例如負 荷或環(huán)境溫度、進氣溫度、冷卻循環(huán)系統(tǒng)下水管溫度)等參變量隨時靈活改變機體溫度-水 泵流量特性及機體溫度_散熱量特性的能力； 自動冷卻控制系統(tǒng)通過這樣的控制過程使內(nèi)燃機機體溫度穩(wěn)定，當機體溫度升高到控制溫度以上時，此控制系統(tǒng)使永磁同步電機的轉(zhuǎn)速提高，從而提高水泵流量和冷卻系 統(tǒng)的散熱量，使機體溫度保持在設(shè)定的控制溫度附近，而當機體溫度降低到控制溫度以下 時，此控制系統(tǒng)使永磁同步電機的轉(zhuǎn)速降低，從而降低水泵流量和冷卻系統(tǒng)的散熱量，使機 體溫度保持在設(shè)定的控制溫度附近。
本發(fā)明裝置的工作原理是 冷卻水套、散熱器、水泵等構(gòu)成單循環(huán)路徑冷卻循環(huán)系統(tǒng)，水泵驅(qū)動冷卻液在冷卻 水套和散熱器之間循環(huán)流動從而將內(nèi)燃機的熱量帶至散熱器散出，實現(xiàn)冷卻作用；而永磁 同步電機、水泵、溫度傳感器和電子調(diào)速驅(qū)動電路構(gòu)成自動冷卻控制系統(tǒng)，控制冷卻系統(tǒng)的 冷卻性能、并使機體溫度穩(wěn)定。 永磁轉(zhuǎn)子與定子之間有水套，使氣隙(永磁轉(zhuǎn)子與定子磁極間的距離)較大，因此 永磁轉(zhuǎn)子適合采用徑向兩極充磁結(jié)構(gòu)。 —體化永磁同步電機水泵，其永磁轉(zhuǎn)子及其軸在泵殼內(nèi)并在冷卻液中工作，永磁 轉(zhuǎn)子與水泵葉輪共軸并驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)(按類似水泵的結(jié)構(gòu)，有同軸連接并同軸旋轉(zhuǎn)、和同 軸套連接圍繞同軸旋轉(zhuǎn)兩種共軸方式)，這樣，除水泵的進口和出口外，包括水套在內(nèi)的水 泵殼體構(gòu)成密閉的腔，葉輪、永磁轉(zhuǎn)子、軸和軸承(一般是塑料制成的滑動軸承)等都在水 泵殼體內(nèi)，軸不再需要動密封，結(jié)構(gòu)得到極大簡化，水泵的各項性能因此獲得顯著提高。
與永磁同步電機驅(qū)動的風機不同，水泵的葉輪較小，所以本發(fā)明的永磁同步電機 適合采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可使永磁同步電機水泵結(jié)構(gòu)緊湊。而且，這樣的一體化永磁同步電機 水泵，其進口和出口布置靈活，即適合制成離心水泵、也適合制成離心和軸流混流水泵的結(jié) 構(gòu)，可根據(jù)需要設(shè)計。 同樣，永磁轉(zhuǎn)子與定子之間有水套，使氣隙較大，定子磁極間的距離不能過小，否 則磁極間的漏磁會加大并嚴重降低電機的性能，因此本發(fā)明的永磁同步電機是單相的或三 相的(而不能采用有更多磁極的方案)，單相永磁同步電機的定子有兩個相對的磁極(極 靴)和一個或兩個集中式繞組，三相永磁同步電機的定子有三個等距磁極(極靴)和三個 集中式繞組。 對本發(fā)明中所謂的永磁同步電機的類型說明如下。不同的永磁同步電機(主要) 在驅(qū)動上有一定的差別，分外同步永磁同步電機和自同步永磁同步電機兩類，雖然本質(zhì)上 都屬永磁同步電機，但在不同的研究領(lǐng)域或應用領(lǐng)域有不同的名稱。外同步永磁同步電 機多用于直接使用交流電(外同步)的場合，而且一定要具有自起動能力，一般稱為自起 動永磁同步電機，單相自起動永磁同步電機還使用如U型鐵芯單相自起動永磁同步電機 (U-sh即ed coresingle phase self-starting permanent magnet synchronous motor)， 或U型定子鐵芯單相永石茲電機，single phase permanent magnet motor with U-shaped stator core)等名稱。而自同步直流永磁電機一般稱為無刷直流電機(BLDC Motor或 Brushless DC Motor)，多用于使用直流電的場合，其驅(qū)動電路根據(jù)永磁轉(zhuǎn)子的位置做電子 換向驅(qū)動，所以是自同步永磁同步電機。 上述兩類永磁同步電機與其(功率)驅(qū)動電路都可采用全控(全波)驅(qū)動方式或 半控(半波)驅(qū)動方式連接。同樣，本發(fā)明的電子調(diào)速驅(qū)動電路也以全控(全波)驅(qū)動方 式或半控(半波)驅(qū)動方式連接到永磁同步電機的集中式定子繞組上。全控驅(qū)動方式的優(yōu) 點主要是繞組利用率高，半控驅(qū)動方式的優(yōu)點主要是驅(qū)動電路簡單，具體可根據(jù)冷卻系統(tǒng)需要做出選擇。 目前的電子技術(shù)和集成電路技術(shù)水平是，半導體生產(chǎn)商已開發(fā)出許多種單相、三 相永磁同步電機、特別是無刷直流電機的驅(qū)動(專用)集成電路，使本發(fā)明所需的電子調(diào)速 驅(qū)動電路設(shè)計變得容易，一般僅需配置少量的外圍元件，就可以設(shè)計、制作出具備全控驅(qū)動 方式或半控驅(qū)動方式、及調(diào)速能力(變頻調(diào)速方式或脈寬調(diào)制方式)的電子調(diào)速驅(qū)動電路。
單相自起動永磁同步電機是一類特殊結(jié)構(gòu)的永磁同步電機，一般用作洗衣機排水 泵等微型水泵的驅(qū)動電機，其結(jié)構(gòu)和原理均有其特殊性。其采用一個端部有兩個磁極(極 靴)的U形鐵心(其實也可以是有兩個磁極的環(huán)形鐵芯)、并依靠磁極處的不均勻氣隙實現(xiàn) 自起動。其一般有兩個集中式定子繞組，兩個定子繞組串聯(lián)或并聯(lián)成一相繞組，加交流電后 產(chǎn)生脈振(交流)磁場拖動永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。隨著電子逆變技術(shù)的發(fā)展，這類電機也可 以使用直流電，但如前述，當使用直流電時，習慣上稱其為單相無刷直流電機，其一般用作 計算機等電子設(shè)備的冷卻風扇(無刷直流風扇，Brushless DCFAN)的驅(qū)動電機，一般采用 單相雙繞組半波驅(qū)動方式，驅(qū)動電路(根據(jù)霍爾傳感器的位置信號采用電子換向方式，如 后述的UDN2625M等)為兩個定子繞組交替提供直流電、以使兩個定子繞組產(chǎn)生(合成)脈 振(交流)磁場拖動永磁同步旋轉(zhuǎn)；當然，也可采用全控(全波)方式的驅(qū)動電路，半導體 生產(chǎn)商也有全控(全波)驅(qū)動集成電路提供。自起動永磁同步電機及電子調(diào)速驅(qū)動電路簡 單，但其采用變頻調(diào)速(VF)，調(diào)速范圍??；無刷直流電機的電子調(diào)速驅(qū)動電路較復雜(但可 選擇的驅(qū)動集成電路豐富)，但其自同步性質(zhì)使其起動性能好，采用脈寬調(diào)制(P麗)方式調(diào) 速使其調(diào)速范圍大、并明顯節(jié)電?？筛鶕?jù)冷卻系統(tǒng)實際需要對兩者做出具體選擇和設(shè)計。
三相自起動永磁同步電機和三相無刷直流電機的原理等與上述單相自起動永磁 同步電機或單相無刷直流電機類似，也可以采用半控(半波)驅(qū)動方式或全控(全波)驅(qū) 動方式，但目前基本都采用全控(全波)驅(qū)動方式，三相繞組也因此接成Y型。特別是對三 相無刷直流電機，半導體廠商提供的全控驅(qū)動芯片很豐富、保護功能完善，許多還采用了無 傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)和正弦波驅(qū)動等先進技術(shù)。三相自起動永磁同步電機和三相無刷 直流電機具有更好的性能，更適合制作較大的一體化永磁同步電機水泵。
所謂機體溫度_水泵流量特性是指水泵流量隨機體溫度變化的特性，所謂機體 溫度_散熱量特性是指冷卻系統(tǒng)的散熱量隨機體溫度變化的特性。本發(fā)明的自動冷卻控 制系統(tǒng)使用具有一定溫度特性的溫度傳感器和電子調(diào)速驅(qū)動電路來實現(xiàn)所需要的機體溫 度_水泵流量特性及機體溫度_散熱量特性。相比普通節(jié)溫器，這樣的自動冷卻控制系統(tǒng) 具有極優(yōu)異性能，例如，通過選擇適合的溫度傳感器的特性和參數(shù)、或設(shè)計適合的電子調(diào)速 驅(qū)動電路(特別是使用具有智能控制功能的微控制器)可實現(xiàn)更理想的機體溫度-水泵流 量特性及機體溫度_散熱量特性，可使暖機過程中機體溫度更迅速提高，達到控制溫度后 自動冷卻控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定(反饋振蕩小)、使機體溫度更穩(wěn)定。 本發(fā)明的自動冷卻控制系統(tǒng)是開放的，使用具有一定溫度特性的溫度傳感器和電 子調(diào)速驅(qū)動電路來實現(xiàn)所需要的機體溫度_水泵流量特性及機體溫度_散熱量特性是其基 本的特征，但也能在此基礎(chǔ)上采取完善自動冷卻控制系統(tǒng)功能的措施，因為電子調(diào)速技術(shù) 的使用(特別是具有智能控制功能的微控制器支持更優(yōu)異的自動控制算法)使自動冷卻控 制系統(tǒng)能根據(jù)內(nèi)燃機工作狀態(tài)或環(huán)境參數(shù)(例如負荷或環(huán)境溫度、進氣溫度、冷卻循環(huán)系 統(tǒng)下水管溫度)等參變量隨時靈活改變(設(shè)定)機體溫度_水泵流量特性及機體溫度_散熱量特性，使自動冷卻控制系統(tǒng)的功能更完善，冷卻系統(tǒng)的性能進一步提高。 本發(fā)明的自動冷卻控制系統(tǒng)通過這樣的控制過程使內(nèi)燃機機體溫度穩(wěn)定，當機體
溫度升高到控制溫度以上時，此控制系統(tǒng)使永磁同步電機的轉(zhuǎn)速提高，從而提高水泵流量
和冷卻系統(tǒng)的散熱量，使機體溫度保持在設(shè)定的控制溫度附近，而當機體溫度降低到控制
溫度以下時，次控制系統(tǒng)使永磁同步電機的轉(zhuǎn)速降低，從而降低水泵流量和冷卻系統(tǒng)的散
熱量，使機體溫度保持在設(shè)定的控制溫度附近。 對裝備內(nèi)燃機電控單元(ECU)的內(nèi)燃機，也可以由電控單元作為電子調(diào)速驅(qū)動電 路(或直接控制功率開關(guān)電路)，電控單元能根據(jù)內(nèi)燃機負荷和進氣溫度等參數(shù)綜合控制 本發(fā)明的自動冷卻控制系統(tǒng)的溫度_水泵流量特性及機體溫度_散熱量特性，使內(nèi)燃機具 有更好的性能。 本發(fā)明也可用于內(nèi)燃機機油的冷卻系統(tǒng)，其原理是，將機油作為循環(huán)冷卻液即可
對機油進行冷卻(沒有類似上述冷卻水套的結(jié)構(gòu)或把油底殼視作冷卻水套，系統(tǒng)非常簡
單)。類似地，本發(fā)明也可用于大中型內(nèi)燃機變速箱油(齒輪油)的冷卻系統(tǒng)。 顯然，本發(fā)明也可用于電動汽車的電機(及其驅(qū)動系統(tǒng))冷卻和熱量回收系統(tǒng)，其
原理是，本發(fā)明的散熱器是駕駛室加熱系統(tǒng)(暖風系統(tǒng))的散熱器，使冷卻系統(tǒng)(液)吸收
的熱量用于對駕駛室的加熱。 本發(fā)明可產(chǎn)生的有益效果 1、本發(fā)明采用單循環(huán)路徑，簡單、可靠、制造成本低。而且水泵工作在調(diào)速狀態(tài)，相 比同類定速水泵，其使用壽命及系統(tǒng)的使用壽命都很長。本發(fā)明不僅適用于小型內(nèi)燃機冷 卻系統(tǒng)，也適用于其它需要控溫的冷卻系統(tǒng)。 2、基于電子調(diào)速技術(shù)的自動控制系統(tǒng)，無論是精度還是靈敏度都明顯高于節(jié)溫 器，使冷卻系統(tǒng)的冷卻性能顯著提高。應用于小型內(nèi)燃機上，可改善其冷卻性能，機體升溫 快、溫度穩(wěn)定，使內(nèi)燃機工作在最理想溫度。 3、電子調(diào)速技術(shù)的使用，不僅可實現(xiàn)更理想的機體溫度_水泵流量特性及機體溫 度_散熱量特性，也便于自動冷卻控制系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)燃機工作狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)等隨時靈活改 變(設(shè)定)機體溫度_水泵流量特性及機體溫度_散熱量特性，使冷卻系統(tǒng)的性能和內(nèi)燃 機的性能進一步提高，這是普通節(jié)溫器無法做到的。 4、系統(tǒng)循環(huán)路徑簡單、水阻力小、且沒有節(jié)溫器的節(jié)流阻力，使全部冷卻系統(tǒng)的水 阻力顯著減小，水泵(永磁同步電機)的功率可顯著減小。當采用單相無刷直流電機時， 由于電子調(diào)速驅(qū)動電路采用脈寬調(diào)制(P麗)方式調(diào)速，使其實際功率消耗更小(例如，對 250mL排量以下的摩托車發(fā)動機功率不超過IOW，對3L排量的小型車發(fā)動機功率不超 過30W)。 5、本發(fā)明用于摩托車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)，可使發(fā)動機結(jié)構(gòu)極大簡化、成本降低、冷 卻均勻、可靠性提高，并改善其燃燒工況、降低燃油消耗和尾氣中有害氣體排放、延長使用 壽命。 6、目前摩托車發(fā)動機多為單缸機，相比單缸機，雙缸機具有低速扭矩大、平穩(wěn)性 好、壽命長等明顯優(yōu)勢。但風冷雙缸機由于散熱需要兩缸間距較大、使發(fā)動機不緊湊。本發(fā) 明可較容易地解決這個問題，對摩托車發(fā)動機的雙缸機化和水冷化升級具有特別意義。
7、用于內(nèi)燃機機油冷卻系統(tǒng)和變速箱油冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)也非常簡單。
8，相對于風冷系統(tǒng)，本發(fā)明用于電氣、電子系統(tǒng)的冷卻，可保證電氣系統(tǒng)是密封防 塵的，這對于提高電氣、電子系統(tǒng)的可靠性具有積極意義。


圖1是一體化永磁同步電機水泵的結(jié)構(gòu)示意圖。此圖是將永磁轉(zhuǎn)子和定子之間的 水套從靠近葉輪處剖開后、向永磁同步電機方向看的剖視圖。圖中，各標號名稱為1、永磁 轉(zhuǎn)子，2、軸，3、水套，4、定子磁極，5、定子鐵芯，6定子繞組。圖中可見剖開的軸(2)和水套 (3)。 圖2是單相自起動永磁同步電機的一種電子調(diào)速驅(qū)動電路原理圖。圖中以虛線將 圖分成兩部分，左側(cè)部分是由IC1及其外圍元件構(gòu)成的方波信號發(fā)生電路，IC1是LM331函 數(shù)發(fā)生器芯片，Rt是PTC熱敏電阻。右側(cè)部分是(功率)開關(guān)電路，T1、T2為達林頓功率 晶體管，L1、L2為單相自起動永磁同步電機的兩個定子繞組。 圖3是無刷直流電機一種電子調(diào)速驅(qū)動電路原理圖。圖中以虛線將圖分成兩部 分，左側(cè)部分是由IC1和IC2及外圍元件構(gòu)成脈沖寬度調(diào)制P麗信號發(fā)生電路，IC1和IC2 是555時基芯片(或用一片556時基芯片)，Rt是PTC熱敏電阻。右側(cè)部分是由IC3及其 外圍元件構(gòu)成的(功率)驅(qū)動電路，IC3是UDN3625M單相雙繞組無刷直流(風扇)電機專 用(功率)驅(qū)動芯片，L1、L2為無刷直流電機的兩個定子繞組。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的具體實施方式
。 由圖1可見，一體化永磁同步電機水泵的結(jié)構(gòu)是這樣的，1、永磁轉(zhuǎn)子(1) 一般采用 一個整體的兩極充磁的永磁體，永磁體可采用鐵氧體、釹鐵硼等通過燒結(jié)、粘結(jié)或注塑等工 藝制造，永磁轉(zhuǎn)子(1)上制有軸(2)，軸(2)上可直接安裝水泵葉輪構(gòu)成同軸連接并同軸旋 轉(zhuǎn)方式的共軸結(jié)構(gòu)，同同軸套連接圍繞同軸旋轉(zhuǎn)共軸結(jié)構(gòu)相比，其優(yōu)點是永磁轉(zhuǎn)子(2)和 葉輪之間可安裝一個兼作軸承和防止冷卻液中的雜質(zhì)進入的蓋板，此蓋板與軸(2)和水套 (3)間的間隙很小可防止雜質(zhì)進入到永磁轉(zhuǎn)子(1)和水套(3)之間而使永磁轉(zhuǎn)子(1)卡滯。 永磁同步電機是內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其永磁轉(zhuǎn)子(1)在內(nèi)側(cè)，沿徑向向外，依次是水套(3)和定子 磁極(4)(定子)，水套(3)構(gòu)成水泵殼體的一部分，永磁轉(zhuǎn)子(1)及其軸(2)等在水泵殼體 內(nèi)并在冷卻液中工作，而水套(3)將定子隔離在水泵殼體外。定子由U形的定子鐵心(5) 和兩個集中式定子繞組(6)組成，其端部有兩個相對的磁極(4)，當然定子鐵心(5)也可以 采用有兩個相對(凸)磁極的環(huán)形鐵心。 下面結(jié)合附圖1、附圖2來說明采用單相自起動永磁同步電機的具體實施方式
和 實施例1。在圖2左側(cè)部分中，PTC熱敏電阻Rt具有在其開關(guān)溫度(動作溫度)附近阻值 快速增大的溫變特性，其開關(guān)溫度和溫變特性可根據(jù)冷卻系統(tǒng)的設(shè)定溫度需要確定，溫度 傳感器可以安裝在發(fā)動機缸體上、也可以安裝在冷卻水套上或出水管上，用來感知發(fā)動機 缸體的溫度。在本實施例中，選用開關(guān)溫度為85t:的PTC熱敏電阻、及適合的(外圍)元 件參數(shù)，可使左側(cè)部分的方波信號發(fā)生電路產(chǎn)生的方波信號的振蕩頻率85t:附近具有隨缸 體溫度升高而增大、并在超過85t:具有顯著增大的特性(此特性要根據(jù)具體的散熱系統(tǒng)設(shè) 計，以使控溫準確、而且自動冷卻控制系統(tǒng)的振蕩小(或快速收斂))，振蕩頻率范圍由低溫時的25Hz到高溫時的50Hz。此方波信號控制右側(cè)部分開關(guān)電路的通斷和通斷頻率，低電 平時T1導通、T2關(guān)斷，高電平時T1關(guān)斷、T2導通。圖1、圖2中，L1、L2為單相自起動永磁 同步電機的兩個集中式定子繞組(6)，T1、T2的交替通斷可使兩個定子繞組產(chǎn)生(合成)交 流(脈振)磁場拖動(圖1中)永磁轉(zhuǎn)子(1)同步旋轉(zhuǎn)，而且轉(zhuǎn)速也會受缸體溫度的控制， 在85t:附近具有隨缸體溫度升高而增大、超過85t:時顯著增大的特性，轉(zhuǎn)數(shù)范圍由溫度低 時的1500rpm到高溫時的3000rpm，溫度低時散熱量小、發(fā)動機升溫快，溫度高時散熱量顯 著增大，使發(fā)動機溫度穩(wěn)定。在本實施例中，通過使用適合的PTC特性溫度傳感器和適合的 變頻方波信號發(fā)生電路，實現(xiàn)了機體溫度低時水泵流量低、散熱量低，機體溫度高時水泵流 量高、散熱量高的較理想的機體溫度_水泵流量特性及機體溫度_散熱量特性。顯然，通過 選擇適合的溫度傳感器及其參數(shù)、或設(shè)計適合的電子調(diào)速驅(qū)動電路(特別是具有智能控制 功能的微控制器)可實現(xiàn)更理想的機體溫度-水泵流量特性及機體溫度-散熱量特性。也 能通過在方波發(fā)生電路中增加一個測量環(huán)境溫度(進氣溫度或冷卻循環(huán)系統(tǒng)下水管溫度) 的熱敏電阻(如在Rt上串聯(lián)一個PTC特性的熱敏電阻，并一體化永磁轉(zhuǎn)子水泵裝在冷卻循 環(huán)系統(tǒng)下水管上)使該自動冷卻控制系統(tǒng)能根據(jù)環(huán)境溫度(進氣溫度或冷卻循環(huán)系統(tǒng)下水 管溫度)參數(shù)隨時靈活改變機體溫度_水泵流量特性及機體溫度_散熱量特性，可避免在 低溫等條件下自動冷卻控制系統(tǒng)不穩(wěn)定(振蕩)，使冷卻系統(tǒng)具有更好的性能。
本實施例中，之所以采用PTC特性的熱敏電阻，是因為如果連接溫度傳感器的導 線意外斷線，電路會使永磁電機保持最高轉(zhuǎn)速，可避免發(fā)動機過熱而引起嚴重故障。由于低 速時單相自起動永磁同步電機的反電動勢小、性能下降，所以本實施例的調(diào)速范圍較小，為 此，實際應用中，可在圖2右側(cè)部分的(功率)開關(guān)電路的電源上增加一個溫度控制的機械 或電子開關(guān)S1，發(fā)動機機體溫度低時S1斷開，達到某個溫度(例如6(TC)以上而需要本發(fā) 明系統(tǒng)介入自動控溫時，開關(guān)S1接通，這樣既可使系統(tǒng)簡單，又可發(fā)揮本發(fā)明自動冷卻控 溫的能力。 上述實施例只是以圖2中的器件實現(xiàn)的半控方式或方案中的一種，用來具體說明 本發(fā)明內(nèi)容及其原理，也可以以其它器件或元件實現(xiàn)。例如，采用低靈敏度型的或線性的 PTC熱敏電阻，也可以采用NTC熱敏電阻、并按其NTC特性設(shè)計電子變頻控制電路。功率開 關(guān)電路也可以采用集成電路器件，例如各種(集成)驅(qū)動橋器件實現(xiàn)。當然由于器件的豐 富性，也可以有許多全控的方式或方案，比如利用專用的(集成)全橋驅(qū)動電路等。
下面結(jié)合附圖1、附圖3來說明采用無刷直流電機的具體實施方式
和實施例2。圖 3左側(cè)部分，IC1及其外圍元件構(gòu)成矩形波信號發(fā)生帶電路，IC2及其外圍元件構(gòu)成單穩(wěn)態(tài) 觸發(fā)器電路，兩個電路連接后，構(gòu)成脈沖寬度調(diào)制(P麗)信號發(fā)生電路，其P麗信號的占空 比受PTC熱敏電阻Rt的控制。PTC熱敏電阻Rt具有與上個實施例類似的溫變特性，選用開 關(guān)溫度為85t:的PTC熱敏電阻、及適合的(外圍)元件參數(shù)，可使P麗信號的占空比在85t: 附近具有隨缸體溫度升高而增大、并在超過85t:顯著增大的特性，例如由低溫時的30%到 高溫時的接近100%。圖3右側(cè)部分，UDN3625M是單相雙繞組無刷直流(風扇)電機專用 (功率)驅(qū)動芯片，其內(nèi)部帶有霍爾型轉(zhuǎn)子位置傳感器，所以只需要幾個外圍元件就能構(gòu)成 單相無刷直流電機的半控型(功率)驅(qū)動電路，實現(xiàn)可靠的換向驅(qū)動，使(圖1中)兩個定 子繞組(6)交替工作，產(chǎn)生(合成)交流磁場。UDN3625M還有P麗信號輸入端，將圖3左側(cè) 部分的P麗信號接入其P麗信號輸入端，即可實現(xiàn)對電機及水泵的調(diào)速控制，從而顯著改變冷卻系統(tǒng)的散熱量，溫度低是散熱量小、發(fā)動機升溫快，溫度高時散熱量顯著增大，使發(fā)動 機溫度穩(wěn)定。本實施例中，也可通過增加一個測量環(huán)境溫度(進氣溫度或冷卻循環(huán)系統(tǒng)下 水管溫度)的熱敏電阻(如在Rt上串聯(lián)一個PTC特性的熱敏電阻)使該自動冷卻控制系統(tǒng) 能根據(jù)環(huán)境溫度(進氣溫度或冷卻循環(huán)系統(tǒng)下水管溫度)參數(shù)隨時靈活改變機體溫度-水 泵流量特性及機體溫度-散熱量特性。此實施例中也可在(功率)開關(guān)電路的電源上增加 一個溫度控制的機械或電子開關(guān)Sl。 根據(jù)實施例2制作了一個模擬的內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)，以電熱功率分別為500W和 2000W的電熱元件來模擬發(fā)動機，溫度傳感器安裝在上水管上，電動水泵安裝在下水管上， 此外，此冷卻系統(tǒng)散熱器上還增加了電控冷卻風扇來幫助散熱，電控冷卻風扇也使此冷卻 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍顯著加大。試驗表明，當熱源功率分別為500W和2000W時，模擬系統(tǒng)均能 很好地工作。其中，溫控開關(guān)Sl在模擬發(fā)動機的溫度低于65t:時是關(guān)斷的、系統(tǒng)(及模擬 發(fā)動機)只有表面散熱和冷卻系統(tǒng)因?qū)α鳟a(chǎn)生的散熱，散熱量非常小、升溫很快；模擬發(fā)動 機溫度高于65t:時Sl閉合，此時模擬發(fā)動機溫度低時水泵流量低、散熱量低，模擬發(fā)動機 溫度高時水泵流量高、散熱量高，使模擬發(fā)動機的溫度穩(wěn)定在85t:，偏差不超過±5°C。模 擬系統(tǒng)顯示本發(fā)明的性能具有較理想的冷卻性能。
權(quán)利要求
一種基于一體化永磁同步電機水泵和電子調(diào)速技術(shù)的內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)，由冷卻水套、散熱器、水泵、連接水管、永磁同步電機、溫度傳感器、電子調(diào)速驅(qū)動電路組成，其特征是，冷卻水套、散熱器、水泵及連接水管構(gòu)成單循環(huán)路徑冷卻循環(huán)系統(tǒng)，水泵驅(qū)動冷卻液在冷卻水套和散熱器之間循環(huán)流動而將內(nèi)燃機的熱量帶至散熱器散出，永磁同步電機的永磁轉(zhuǎn)子與定子之間有將兩者隔離開的水套，水套是水泵殼體的一部分，永磁同步電機的定子在水泵殼體外，而永磁轉(zhuǎn)子及其軸在水泵殼體內(nèi)、并采用共軸方式驅(qū)動水泵葉輪旋轉(zhuǎn)工作，從而使永磁同步電機與水泵構(gòu)成一體化永磁同步電機水泵，永磁同步電機、水泵、溫度傳感器和電子調(diào)速驅(qū)動電路構(gòu)成自動冷卻控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)的連接關(guān)系和控制作用為，溫度傳感器連接到電子調(diào)速驅(qū)動電路上、為其提供內(nèi)燃機機體溫度信號，電子調(diào)速驅(qū)動電路連接到永磁同步電機上以驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)、并能根據(jù)內(nèi)燃機機體溫度信號控制其轉(zhuǎn)速及水泵流量，進而控制冷卻系統(tǒng)的冷卻性能、并使內(nèi)燃機機體溫度穩(wěn)定；
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于一體化永磁同步電機水泵和電子調(diào)速技術(shù)的內(nèi)燃 機冷卻系統(tǒng)，其特征是，永磁轉(zhuǎn)子采用徑向兩極充磁的磁體(極)結(jié)構(gòu)，永磁轉(zhuǎn)子及軸在冷 卻液中工作；
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于一體化永磁同步電機水泵和電子調(diào)速技術(shù)的內(nèi) 燃機冷卻系統(tǒng)，其特征是，永磁同步電機是內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，沿徑向，永磁轉(zhuǎn)子在內(nèi)側(cè)，定子在外
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種基于一體化永磁同步電機水泵和電子調(diào)速技術(shù)的 內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)，其特征是，永磁同步電機是單相永磁同步電機或三相永磁同步電機，單相 永磁同步電機的定子有兩個相對的磁極(極靴)和一個或兩個集中式定子繞組，三相永磁 同步電機的定子有三個等距磁極(極靴)和三個集中式定子繞組；
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種基于一體化永磁同步電機水泵和電子調(diào)速技 術(shù)的內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)，其特征是，電子調(diào)速驅(qū)動電路是以全控(全波)驅(qū)動方式或半控(半 波)驅(qū)動方式連接到永磁同步電機的集中式繞組上；
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的一種基于一體化永磁同步電機水泵和電子調(diào) 速技術(shù)的內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)，其特征是，永磁同步電機(PMSM)包括自起動永磁同步電機 (Self-starting PMSM)類，或無刷直流電機(BLDC)類，當采用自起動永磁同步電機時，電 子調(diào)速驅(qū)動電路采用變頻(VF)方式控制此類永磁同步電機的轉(zhuǎn)速，當采用無刷直流電機 時，電子調(diào)速驅(qū)動電路采用脈寬調(diào)制(P麗)方式控制此類永磁同步電機的轉(zhuǎn)速；
7. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、或6所述的一種基于一體化永磁同步電機水泵和電子調(diào) 速技術(shù)的內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)，其特征是，使用具有一定溫度特性的溫度傳感器和電子調(diào)速驅(qū) 動電路來實現(xiàn)所需要的自動冷卻控制系統(tǒng)的機體溫度_水泵流量特性及機體溫度_散熱量 特性，以控制冷卻系統(tǒng)的冷卻性能；
8. 根據(jù)權(quán)利要求1 、2、3、4、5、6或7所述的一種基于一體化永磁同步電機水泵和電子調(diào) 速技術(shù)的內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)，其特征是，其自動冷卻控制系統(tǒng)是開放的，能增加根據(jù)內(nèi)燃機工 作狀態(tài)或環(huán)境參數(shù)(例如負荷或環(huán)境溫度、進氣溫度、冷卻循環(huán)系統(tǒng)下水管溫度)等參變量 隨時靈活改變機體溫度_水泵流量特性及機體溫度_散熱量特性的功能；
9. 根據(jù)權(quán)利要求1 、 2、 3、4、 5、6、 7或8所述的一種基于一體化永磁同步電機水泵和電子 調(diào)速技術(shù)的內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)，其特征是，自動冷卻控制系統(tǒng)通過這樣的控制過程使內(nèi)燃機機體溫度穩(wěn)定，當機體溫度升高到控制溫度以上時，此控制系統(tǒng)使永磁同步電機的轉(zhuǎn)速提 高，從而提高水泵流量和冷卻系統(tǒng)的散熱量，使機體溫度保持在設(shè)定的控制溫度附近，而當 機體溫度降低到控制溫度以下時，此控制系統(tǒng)使永磁同步電機的轉(zhuǎn)速降低，從而降低水泵 流量和冷卻系統(tǒng)的散熱量，使機體溫度保持在設(shè)定的控制溫度附近。
全文摘要
一種基于一體化永磁同步電機水泵和電子調(diào)速技術(shù)的內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)，屬內(nèi)燃機(電控)技術(shù)領(lǐng)域，可用于小型水冷式內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)，也可用于其它機械、電子和電氣設(shè)備的冷卻。發(fā)明的目的是使系統(tǒng)簡單、冷卻控制性能和溫度控制精度提高、功率消耗減小、可靠性和實用性顯著改善。其特征是，單循環(huán)路徑冷卻循環(huán)系統(tǒng)，由工作于水泵殼體內(nèi)的永磁轉(zhuǎn)子構(gòu)成一體化永磁同步電機水泵，由永磁同步電機水泵、溫度傳感器和電子調(diào)速驅(qū)動電路構(gòu)成自動冷卻控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)所需要的溫度-水泵流量特性及機體溫度-散熱量特性、并使機體溫度穩(wěn)定。
文檔編號F01P7/16GK101709664SQ20091025829
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者于佳衣, 于昊昱, 衣美鳳 申請人:于佳衣