專利名稱：吊扇的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及吊扇，尤其但不僅僅涉及無(wú)傳感器正弦吊扇和控制吊扇的方法。
背景技術(shù)：
吊扇通常通過(guò)高極數(shù)AC感應(yīng)電機(jī)供電，所述感應(yīng)電機(jī)在高轉(zhuǎn)差率下由市電AC線路電壓直接運(yùn)作，其使運(yùn)作效率非常低。典型的家用吊扇可在低成本及長(zhǎng)壽命方面進(jìn)行優(yōu)化，但無(wú)法在電效率方面優(yōu)化。例如，典型的家用吊扇消耗大約75W電輸入功率，但僅生成大約15W機(jī)械軸功率；效率僅為20%?？赏ㄟ^(guò)用電子整流(EC)電機(jī)更換AC感應(yīng)電機(jī)來(lái)極大地提高吊扇的效率，所述電子整流電機(jī)包括具有多個(gè)交替磁極的永磁轉(zhuǎn)子和具有由電子開關(guān)控制的一相繞組或多相繞組的定子。EC電機(jī)通常能夠?qū)崿F(xiàn)60%或更大的效率，因此只需25W電輸入功率來(lái)生成15W機(jī)械軸功率。與典型AC電機(jī)吊扇相比，EC吊扇的使用具有將能耗減小多達(dá)66%的潛力。由于吊扇在全球溫帶、熱帶和亞熱帶地區(qū)廣泛使用，所以對(duì)EC吊扇技術(shù)的改進(jìn)可在降低全球能耗和其對(duì)全球氣候變化的影響方面發(fā)揮重要作用。EC吊扇需要電子控制器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置并且給定子繞組通電使得正確量值和極性的電流在繞組中流動(dòng)以生成所需旋轉(zhuǎn)方向(DOR)上的運(yùn)動(dòng)力矩。還可控制繞組電流波形振幅和相以在聲學(xué)上實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者可能需要的靜音運(yùn)作。電子控制器需要轉(zhuǎn)子位置感測(cè)(RPS)手段來(lái)確定轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于定子繞組的位置。一種可能性是使用高分辨率編碼器，但是這很昂貴。另一個(gè)選擇是貼近轉(zhuǎn)子磁鐵放置的磁感電子霍爾效應(yīng)開關(guān)，其直接感測(cè)磁極。這些霍爾效應(yīng)傳感器的輸出隨后可通過(guò)邏輯電路或微處理器解碼以確定轉(zhuǎn)子位置和因此確定繞組切換模式的時(shí)序。但是霍爾效應(yīng)傳感器是相對(duì)脆弱的電子組件并且在嵌入定子中時(shí)可能因裝置本身和其與主控制器電路的互連而產(chǎn)生可靠性問(wèn)題。美國(guó)專利第7157872號(hào)公開一種具有外轉(zhuǎn)子DC無(wú)刷電機(jī)的吊扇，所述電機(jī)具有安裝在外轉(zhuǎn)子外側(cè)上的額外磁環(huán)。這使得霍爾效應(yīng)裝置可從電機(jī)外部確定轉(zhuǎn)子位置。但是使用霍爾效應(yīng)裝置和其互連件可能增大電機(jī)的機(jī)械復(fù)雜度并且由于輔助磁片與實(shí)際轉(zhuǎn)子磁極未對(duì)準(zhǔn)而可能引入電機(jī)效應(yīng)降低和聲噪聲增大的可能性，其可能導(dǎo)致整流時(shí)序出現(xiàn)誤差。發(fā)明概述總的來(lái)說(shuō)，本發(fā)明提出一種使用具有無(wú)傳感器電機(jī)控制器的高效電子整流(EC)電機(jī)的吊扇。無(wú)傳感器控制器可具有免去使用霍爾效應(yīng)裝置或編碼器來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置的優(yōu)點(diǎn)，提供更高的開機(jī)可靠性并且提供平穩(wěn)且安靜的運(yùn)作。無(wú)傳感器控制器可包括具備輸出濾波的PWM DC-DC轉(zhuǎn)換器。例如，轉(zhuǎn)換器可以是同步降壓轉(zhuǎn)換器(synchronous Buck convertor)。轉(zhuǎn)換器可采用正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM),一個(gè)或多個(gè)切換配置以速度為依據(jù)。例如，低速下，切換波形可以是具有低諧波量的大致正弦，其可實(shí)現(xiàn)非常安靜的運(yùn)作，而在高速下，可將高次諧波添加至切換波形，其可提高效率。輸出濾波和/或切換配置可具有優(yōu)化效率和/或使噪聲最小化的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)傳感器控制器可包括一旦停機(jī)立刻在非易失性程序存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)子位置的停機(jī)時(shí)序使得信息可在電源斷開時(shí)保留。無(wú)傳感器控制器可包括開機(jī)時(shí)序，其以風(fēng)扇上次停機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)子位置為依據(jù)。這可能具有提高開機(jī)時(shí)序的成功機(jī)率的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)傳感器控制器可采用切換邏輯，所述切換邏輯導(dǎo)致每個(gè)相連續(xù)依序連接到共軌持續(xù)1/3電周期。這可具有使電流可基于跨開關(guān)的電壓降而確定以及電流可在開機(jī)時(shí)序期間用于確定開機(jī)時(shí)序是否已成功的優(yōu)點(diǎn)。此外，AC:DC隔離電源(SMPS)可用于提供與輸入市電供應(yīng)的安全隔離以及將線路電壓轉(zhuǎn)化成保護(hù)用戶不遭受低壓電平電擊的電平，這類電源符合IEC安全超低電壓和/或UL 1310等級(jí)2限制。電源可在安裝管的密封部分中與電機(jī)分開?；蛘撸珹D:DC電源可以是非隔離轉(zhuǎn)換器布局，由此通過(guò)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)部件防止用戶接觸帶電組件?；蛘?，AC:DC電源可直接由輸入AC供電整流和濾波而來(lái)。在本發(fā)明的第一特定表達(dá)中，提供根據(jù)權(quán)利要求1所述的吊扇。附圖簡(jiǎn)述現(xiàn)將參考下列附圖描述本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方案，其中:

圖1是從下方觀看的根據(jù)示例性實(shí)施方案的EC吊扇的透視圖；圖2是葉片10、上蓋15、EC電機(jī)30的安裝細(xì)節(jié)的分解透視圖；圖3是從下方觀看的示出EC電機(jī)30、電子控制器PCBA 351的EC風(fēng)扇的部分透視圖；圖4是EC電機(jī)30的分解透視圖；圖5是從下方觀看的EC電機(jī)定子350的透視細(xì)節(jié)圖；圖6是電源136和印刷電路板總成(PCBA) 351的電的方框示意圖；圖7是參考繞組共同點(diǎn)413的電壓Abmf420、Bbmf421、Cbmf422的曲線圖；圖8是主控制器運(yùn)作狀態(tài)的軟件狀態(tài)圖；圖9是備用狀態(tài)運(yùn)作的軟件流程圖；圖10是開機(jī)狀態(tài)運(yùn)作的軟件流程圖；圖11是運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)作的軟件流程圖；圖12是運(yùn)行狀態(tài)PWM中斷運(yùn)作的軟件流程圖；圖13是參考OV的電壓Aph 410、Bph 411和Cph 412的曲線圖；圖14是參考OV的電壓Aph 410的曲線圖；和圖15是關(guān)機(jī)狀態(tài)運(yùn)作的軟件流程圖。詳述根據(jù)示例性實(shí)施方案的轉(zhuǎn)子位置感測(cè)使用電子感測(cè)手段(反向EMF RPS)來(lái)通過(guò)測(cè)量與繞組相關(guān)的反向EMF電壓來(lái)確定整流時(shí)序，因此免去霍爾效應(yīng)裝置。最簡(jiǎn)單的反向EMF RPS方法采用以2-打開/1-關(guān)閉6步驟切換模式控制的三相逆變器。在此方法中，驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)使得兩相隨時(shí)通電并且在具有零電流流動(dòng)的第三個(gè)斷開相上測(cè)量電壓。這使得控制器可直接通過(guò)轉(zhuǎn)子磁鐵的移動(dòng)來(lái)感測(cè)第三相中產(chǎn)生的反向emf電壓(Vbmf)?？刂破魍ǔＴ诟袦y(cè)到的相的Vbmf過(guò)零時(shí)檢測(cè)并且將其用作經(jīng)由模擬或數(shù)字手段計(jì)算感測(cè)到的相將打開以及通電相之一將關(guān)閉的下一整流時(shí)刻的時(shí)序的依據(jù)。通過(guò)改變DC總線電壓或通過(guò)一個(gè)或多個(gè)逆變器切換裝置的脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制電機(jī)速度。具有2-打開/1-關(guān)閉整流的反向EMF RPS提供簡(jiǎn)化的優(yōu)點(diǎn)，但是具有當(dāng)繞組從打開切換到關(guān)閉的每個(gè)時(shí)刻生成聲噪聲的主要缺點(diǎn)。所生成的噪聲可能對(duì)于在戶內(nèi)環(huán)境(包括臥室)內(nèi)貼近人運(yùn)作的吊扇來(lái)說(shuō)是不可接受的?？赏ㄟ^(guò)使用用SPWM逆變器驅(qū)動(dòng)的EC電機(jī)來(lái)提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的最佳平穩(wěn)度和低的聲噪聲，其中繞組電壓或電流也控制為正弦并且保持與電機(jī)Vbmf同步。用SPWM逆變器實(shí)施反向EMF RPS是存在問(wèn)題的，因?yàn)樗欣@組必須連續(xù)通電，所以電機(jī)Vbmf無(wú)法在零電流條件下直接測(cè)量。電機(jī)的終端電壓是所施加的PWM電壓并且無(wú)法直接用于確定反向EMF。在此情況下，需要對(duì)測(cè)量到的電壓和電流執(zhí)行高級(jí)數(shù)學(xué)變換的高速微處理器來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置。這些裝置和相關(guān)支持電路的成本和復(fù)雜性對(duì)于吊扇來(lái)說(shuō)是較不需要。根據(jù)示例性實(shí)施方案，反向EMF感測(cè)結(jié)合同步降壓轉(zhuǎn)換器使用。因?yàn)橥浇祲恨D(zhuǎn)換器輸出通過(guò)濾波器組件與逆變器切換裝置的SPWM解耦，所以測(cè)量到繞組電壓接近反向EMF。這可實(shí)現(xiàn)正弦波電機(jī)中轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確感測(cè)并且可避免對(duì)用于確定反向EMF的復(fù)雜計(jì)算的需要。風(fēng)扇構(gòu)誥圖1示出了根據(jù)示例性實(shí)施方案的EC吊扇。三個(gè)風(fēng)扇葉片10圍繞中心管狀總成13徑向安裝，下蓋11具有中心定位的紅外線LED透鏡12，其緊緊地裝配到葉片10的下邊緣以提供針對(duì)來(lái)自下方的灰塵和水的合理進(jìn)入保護(hù)。圖2和圖3示出了葉片安裝配置的分解圖。葉片10與電機(jī)30葉片安裝腹板331對(duì)齊并且通過(guò)螺絲312緊固在適當(dāng)位置。圖3示出了下蓋11突出轉(zhuǎn)塔314可與安裝槽315對(duì)齊使得蓋11可被垂直向上推并且被旋轉(zhuǎn)到鎖定在適當(dāng)位置。具有紅外線信號(hào)檢測(cè)器352的電機(jī)控制器PCBA 351安裝在電機(jī)30的中心。圖4示出了 EC電機(jī)30的分解圖，電機(jī)是外部轉(zhuǎn)子、無(wú)槽、軸向流量、雙轉(zhuǎn)子配置，通常被稱作TORUS電機(jī)。電機(jī)30包括可由適當(dāng)強(qiáng)度的非鐵磁材料(如壓鑄鋁或注射成型熱塑性物質(zhì))形成的轉(zhuǎn)子殼330并且提供葉片安裝腹板331和提供上軸承324和下軸承326的安裝的軸承轉(zhuǎn)塔332?；蛘撸D(zhuǎn)子殼330和上蓋15可形成為單個(gè)集成組件。上轉(zhuǎn)子340包括鐵磁材料的環(huán)形片和由永磁材料組成的環(huán)形磁環(huán)341，所述環(huán)形磁環(huán)341膠合至適當(dāng)位置并且用面向定子350上表面的16個(gè)等距分隔的磁極區(qū)磁化。上轉(zhuǎn)子340通過(guò)3個(gè)安裝螺絲327從電機(jī)的內(nèi)側(cè)附接到電機(jī)殼330。定子350具有塑料注射成型核心，主電機(jī)軸351被壓至適當(dāng)位置并且通過(guò)花鍵357和黃環(huán)358固持。裝配有上轉(zhuǎn)子340、軸承324和326的轉(zhuǎn)子殼330沿著軸351向下滑入適當(dāng)位置并且通過(guò)簧環(huán)322和墊圈323固持在適當(dāng)位置。波形墊圈325提供軸承預(yù)加負(fù)荷。下轉(zhuǎn)子342包括鐵磁材料的環(huán)形片，由永磁材料組成的環(huán)形磁環(huán)343膠合至適當(dāng)位置并且用面向定子350下表面的16個(gè)等距分隔的磁極區(qū)磁化。
上環(huán)狀磁鐵341和下環(huán)狀磁鐵343兩者優(yōu)選為陶瓷磁性材料，所述陶瓷磁性材料可如擴(kuò)音器環(huán)形磁鐵的應(yīng)用以低成本大量獲得?；蛘?，可由多個(gè)磁段形成整環(huán)?；蛘撸墒褂孟⊥?、釹、鐵、硼或其他高強(qiáng)度永磁材料，作為整環(huán)或由多個(gè)磁段形成。圖5示出了定子350下表面的透視細(xì)節(jié)圖，定子350螺旋纏繞有16極三相繞組，包括每個(gè)0.9mm直徑搪瓷銅磁線的磁極15匝，每相電阻為0.4歐姆且電感為180uH。定子齒355由注射成型熱塑性材料形成；用于在纏繞期間引導(dǎo)磁線的目的并且不形成電機(jī)磁性電路的有源元件。成型轉(zhuǎn)塔356從定子核心的下表面延伸并且提供PCBA 351的外罩，所述PCBA 351通過(guò)安裝夾354固持在適當(dāng)位置。定子繞組經(jīng)由卷線軸和插頭353直接終接至PCBA。電機(jī)控制器根據(jù)示例性實(shí)施方案，EC電機(jī)通過(guò)圖6所示的電機(jī)控制器351通電。電機(jī)控制器351電連接至12V DC電源136和電機(jī)定子繞組350。電機(jī)控制器351通常包括三相同步降壓轉(zhuǎn)換器409、微控制器368、轉(zhuǎn)換器409的驅(qū)動(dòng)電路367、電壓感測(cè)濾波器386至397和微控制器368的3.3V電源381。電機(jī)控制器351配置在印刷電路板總成(PCBA)上。用戶經(jīng)由紅外線發(fā)射器373提供所要的控制設(shè)置，如速度，所述設(shè)置提供在紅外線接收器352上。微控制器368隨后測(cè)量來(lái)自電壓感測(cè)濾波器386至397的反向EMF并且提供通過(guò)驅(qū)動(dòng)器367放大的適當(dāng)切換信號(hào)到轉(zhuǎn)換器409。一般來(lái)說(shuō)，如果風(fēng)扇需要加速，那么增大來(lái)自轉(zhuǎn)換器409的所施加電壓的電平且反之則減速。來(lái)自轉(zhuǎn)換器409的所施加電壓的頻率總是與(如從反向EMF測(cè)量到的)電機(jī)速度同步。SMPS 136提供12Vdc供電到控制器351。SMPS 136提供輸出電流和針對(duì)12Vdc供電軌的過(guò)載保護(hù)。如果內(nèi)部溫度由于電機(jī)或控制器故障或環(huán)境溫度過(guò)高而超過(guò)安全限制，那么熱開關(guān)374將至電機(jī)控制器351的電力斷開。3.3V電源381包括電壓調(diào)節(jié)器以生成針對(duì)微控制器368的3.3V供電軌。當(dāng)AC電源135斷開時(shí)，電容器382和383提供足夠的電荷存儲(chǔ)來(lái)給微控制器368供電直到風(fēng)扇速度從最大rpm減小到靜止。二極管380隔離電容器382使其不放電至12Vdc軌。12Vdc供電軌通過(guò)微控制器368定時(shí)測(cè)量。電阻器384和385使12Vdc供電電壓衰減至低于3.3V以允許通過(guò)微控制器368測(cè)量。經(jīng)過(guò)衰減的供電軌電壓連接至模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D)輸入端AM。當(dāng)電壓降至低于9.5V時(shí)，微控制器368進(jìn)入超低功率關(guān)機(jī)狀態(tài)。當(dāng)12Vdc軌恢復(fù)至大于10.5V時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)重新啟動(dòng)。轉(zhuǎn)換器409包括一組金氧半場(chǎng)效晶體管(mosfet)開關(guān)361至366以將12V供電DC電壓轉(zhuǎn)換為三相脈沖寬度調(diào)制電壓。PWM通過(guò)各具有50uH的值的濾波感應(yīng)器400至402和各具有47uF的值的濾波電容器403至405平滑化為近似正弦電壓(即，諧波減少)。開關(guān)361至366控制為增強(qiáng)的正弦PWM(ESPWM)。換句話說(shuō)，在每個(gè)電周期過(guò)程中，PWM占空比大致根據(jù)正弦變化。濾波器400至405和ESPWM的組合可導(dǎo)致電機(jī)的接近無(wú)聲運(yùn)作。每個(gè)電周期的ESPWM切換模式以數(shù)據(jù)表(波表PWM)的形式存儲(chǔ)在微控制器368內(nèi)部存儲(chǔ)器中。多個(gè)表可用于在不同運(yùn)作速度下優(yōu)化性能，例如一個(gè)表格針對(duì)低速下的低噪聲而優(yōu)化，而另一個(gè)表格針對(duì)高速下的最佳效率而優(yōu)化。
根據(jù)切換模式,微控制器368輸出Adrv、Bdrv> Cdrv, Aen> Ben、Cen被供應(yīng)至驅(qū)動(dòng)電路367。驅(qū)動(dòng)器367隨后根據(jù)下表所示的金氧半場(chǎng)效晶體管驅(qū)動(dòng)邏輯發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)到每個(gè)開關(guān)的柵極:
權(quán)利要求
1.一種吊扇，其包括: EC電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)多個(gè)風(fēng)扇葉片， 電機(jī)控制器，其被配置來(lái)使用反向EMF確定轉(zhuǎn)子位置以及被配置來(lái)根據(jù)所述轉(zhuǎn)子位置和預(yù)定指令給所述電機(jī)通電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)扇，其中所述控制器包括具有輸出濾波器的DC-DC轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)扇，其中所述輸出濾波器是多相LC濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的風(fēng)扇，其中所述轉(zhuǎn)換器是同步降壓轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的風(fēng)扇，其中所述控制器被配置來(lái)基于電機(jī)終端電壓的過(guò)零而確定所述轉(zhuǎn)子位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)扇，其中所述輸出濾波器使切換PWM輸出電壓的所述轉(zhuǎn)換器與所述電機(jī)繞組解耦。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的風(fēng)扇，其中所述預(yù)定指令包括一旦停機(jī)就存儲(chǔ)所述轉(zhuǎn)子位置的停機(jī)時(shí)序。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)扇，其中所述預(yù)定指令包括取決于上次停機(jī)的轉(zhuǎn)子位置的開機(jī)時(shí)序。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的風(fēng)扇，其中所述預(yù)定指令包括至少一個(gè)SPWM切換配置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)扇，其中所述預(yù)定指令包括多個(gè)SPWM切換配置，所述控制器被配置來(lái)基于速度選擇切換配置`。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的風(fēng)扇，其中所述預(yù)定指令包括基于一種或多種故障條件的關(guān)機(jī)狀態(tài)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的風(fēng)扇，其中所述故障條件包括低輸入電壓、過(guò)高溫度和高開機(jī)電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的風(fēng)扇,其中當(dāng)單相依序連續(xù)連接到負(fù)DC供電軌時(shí),所述高開機(jī)電流基于所述電機(jī)的單相電壓確定。
14.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)扇，其還包括衰減及濾波電路以供應(yīng)所述電機(jī)終端電壓至所述控制器從而確定所述反向EMF。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)扇，其中所述開機(jī)時(shí)序具有高于50%的成功機(jī)率。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的風(fēng)扇，其中所述預(yù)定指令包括超低功率待機(jī)狀態(tài)。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的風(fēng)扇，其中所述電機(jī)是三相電機(jī)且所述控制器是二相控制器。
18.—種控制吊扇的方法,其包括: 確定EC電機(jī)的反向EMF， 基于所述反向EMF和預(yù)定指令給所述電機(jī)通電以驅(qū)動(dòng)所述風(fēng)扇。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述預(yù)定指令包括一個(gè)或多個(gè)SPWM切換配置。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的方法，其還包括對(duì)同步降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輸出濾波以給所述電機(jī)通電。
21.根據(jù)權(quán)利要求18至20中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括使所述電機(jī)停機(jī)和一旦停機(jī)就存儲(chǔ)所述電機(jī)的位置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其還包括基于所述上次停機(jī)的轉(zhuǎn)子位置使所述電機(jī) 開機(jī) 。
全文摘要
一種吊扇，其包括EC電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)多個(gè)風(fēng)扇葉片；電機(jī)控制器，其被配置來(lái)使用反向EMF確定轉(zhuǎn)子位置以及被配置來(lái)根據(jù)電機(jī)位置和預(yù)定指令給所述電機(jī)通電。此外涉及一種控制吊扇的方法。
文檔編號(hào)H02P6/18GK103155402SQ201080066626
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2010年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月3日
發(fā)明者E·J·諾布爾 申請(qǐng)人:德爾塔T公司