（机械工程专业论文）直流无刷电机直驱式全自动洗衣机关键技术研究.pdf

摘要 摘要 直驱式全自动波轮洗衣机采用电机商接与离合器连接，然后挂在洗涤桶 中央，从而直接驱动波轮进行洗涤农物，摈弃厂传统伞自动波轮洗衣机电机 挂在洗涤桶一侧，通过皮带与离合器连接所带来的洗衣机难以j f 衡，且皮带 传送效晋夏低的问题。由丁f 商流无刷! 也机具有噪音低、效率高、变频涮速等优 点，凶此，a 流无刷1 u 机“驱式个自动波轮沈农机足发展趋势。而l 置流无刷 电机及控制驱动技术、离合器传动技术和洗衣机、f 衡减搬技术都直接影响 着洗衣机的质量，所以要生产出高质量的洗衣机，必须综合考虑直流无刷电 机及其控制驱动技术、离合器传动技术和沈衣机乎獭减振技术。本文系统地 分析了宜驱式全自动洗衣机现状及其存在的主要问题，研究分析了影响直驱 式全自动洗衣机振动和噪声的主要因素：贞流无刷电机及其控制驱动系统、 离合器传动系统和洗衣机平衡减振系统。 本文第一章阐述了直驱式全自动波轮洗衣机的现状，分析了影响直驱式 全自动波轮洗衣机振动和噪声的主要因素。通过分析，直流无席0 电机直驱式 全自动波轮洗衣机是发展趋势。 本文第二章研究了直流无刷电机直驱式全自动波轮洗衣机结构及其振动 噪音问题，研究了洗衣机平衡减振系统。 本文第三章研究了直流尤刷电机及其控制驱动系统，提出了降低直流无 刷电机噪声的措施。 本文第四章研究了离合器结构及其原理，提h j 了降低离合器传动噪声的 措施。 本文第五章通过赢驱式全自动波轮洗衣机设计实例及实验对上述理论分 析进行了验证。 关键词：全自动洗衣机、直接驱动、直流无刷电机、离合器 a b s t r a c t t h e 】e a d i n gf e a t u r e so ft h ed cb r u s h l e s s m o t o ra r e1 0 wh o i s e s ，h i g h e f f i c i e n c y a n d f r e q u e n c y c o n v e r s i o nv a r i a b l e s p e e d e t c t h ed e b r u s h e s sm o t o ra s s e m b l e dd i r e c t l yw i t hc l u t c h ，w h i c hd r i v e st h e p u ls a t o rf u n d i n gt oi m p l e m e n tw a s h i n gf u n c t i o n ，c a nb e i n s t a l l e da t l h ec e l l t e r0 ft h et u bb a s e ，s ot h eb a l a n c eo ft h ew a s h i n gm a e hi n ei s e a s yt om a i n t a in a sf o rt h es i n g l ep h a s ea cm o t o rd r i v e ns y s t e m w h i c h c o r m e c t e dt h ec 1 u t c hw i t hb e ta n dp u l 1 e y s h a v et ob e i n s t a l l e do n o n es i d eo ft h et u bb a s e s u c h b e i n gt h ec a s e ，i t u s u a l l yl e a d st o l o w e rm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c ya n dh i g h e r n o i s e s a sa r e s u l t ，i ti sm u c hm o r ed i f f i c u l tt ob a l a n c et h ew h o l ew a s h i n gr o a c h i n e t h ed cb r u s h l e s sm o t o rd r i v e nf u l l ya u t o m a t i cw a s h i n gm a c h i f i ec a n s o l v et h ep r o b l e m sc a u s e db yt h es i n g l ep h a s ea cm o t o rd r i v e ns y s t e m ， s ot h et e n d e n c yo fu s i n gd cb r u s h l e s sm o t o ri n s t e a d0 fs i n g l e p h a s e a co n eh a sab r i l l i a n tf u t u r e t h e t e c h n o l o g i e s o ft h ed cb r u s h l e s s m o t o r d r i v i n g ，t h e t r a n s m i s s i o no fc l u t c ha n dt h eb a l a n c e & d a m p i n go f w a s h i n gm a c h i n eh a v e d i r e e t l y i n f l u e n c eo nt h e q u a l i t yo f t h e f u l t ya u t o m a t i cw a s h i n g m a c h i l i e t h e r e f o r e ，i no r d e rt op r o d u c eh i g hq u a l i t yw a s h i n gm a c h i n e ， t h e s e t e c h n o l o g i e sm u s tb ed e a l tw i t hc o l l a b o r a t i v e l y t h i sp a p e r s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d t h e p r e s e n ts i t u a t i o no ft h e d i r e c td r i v e f u l l ya u t o m a t i cw a s h i n gm a c h i n ea sw e l la st h em a i ne x i s t i n gp r o b l e m s o nt h eb a s i so ft h i sa n a l y s i s ，t h i sp a p e r p r o v i d e ss o m en e wp o i n t s o nt h ea p p li c a t i o no ft h ed ch r u s h l e s sm o t o ri nt h ef u l l ya u t o m a t i c w a s h i n gm a e h i n ea n ds o m em e a s u r e st or e d u c e n o i s e so ft h e f u l i y a u t o m a t i cw a s h i n gm a c h i n e i n c h a p t e ro n eo ft h i sd i s s e r t a t i o n t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h e p e r f o r m a n c eo ft h r e et y p eo fm o t o r ，w h i c hc a nb eu s e di nd i f e e td r i y e n f u l l ya u t o m a t i cw a s h i n gm a c h i n e a n dp o i n t e do u tt h a titi st h et r e n d t od e v e l o pt h ed i r e c td r i v e n f u l l ya u t o m a t i cw a s h i n gm a c h i n e i nc h a p t e rt w o t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ec o n s t r u e t i o no ft h ef u l 1 y a u t o m a t i cw a s h i n gm a c h i n ed r i v e nd i r e c t l yb yt h ed cb r u s h l e s sm o t o r a n dt h ep r o b l e m so fv i b r a t i o n a l n o i s e s t h ea u t h o rp r o v i d e ss o m em e a s u r e sf o rr e d u c i n gt h en o i s e so ft h e d cb r u s h l e s sm o t o rb ys t u d l e dt h ed cb r u s h l e s s m o t o ra n dt h ec o n t r o l l e r o ft h em o t o ri nc h a p t e rt h r e eo ft h i s d i s s e r t a t i o n b a s e do na n a y z i n g t h es t r u c t u r eo fc l u t c h ，s o m e m e t h o d so f i - e d u c i n gn o i s e sh a v eb e e np u t f o r w a r d t h i sc a rb ef o u n di nc h a p t e r f o u r o ft h i sd i s s e r t a t i o n i n c h a p t e r f iv e ，t h ea u t h o r v e fir je dt h ef o r e m e n ti o n e d t h e o r e t i e a la n a l y s i sw jt ht h ed e s i g n i n gp r o t o t y p ea n de x p e r i m e n t a t i o n o ft h i s t y p eo fw a s h i n gm a c h i n e k e yw o r d s ：f u l l ya u t o m a t i cw a s h i n gm a c h i n e d r i v e nd i r e c t y t h ed c b r u s h l e s sm o t o rc l u t c h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗苤茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：招考明签字闩期： 2 _ 0 0 2 _ 年6 月五n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的栅定。 特授权叁垄叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据痒进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用水授权c 兑明) 薹侥论义作者签名：按专确 剐印张畏氍麴b 德 答1 ， i 期：z o ，2 年 6j j 2 o o 笞7 ，| | 抑j ：2 0 0 2 ：6 ：j2 黾 釜二童堑堡一 第一章绪论 1 1 直驱式全自动波轮洗衣机现状 直驱式全自动波轮洗衣机采用 乜机直接与离合器连接，然后托存洗涤椭中央，从 而直接驱动波轮进行洗涤衣物，摈弃了传统全自动波轮沈衣机f 【l 机挂靠沈涤桶一侧， 通过皮带与离合器连接所带柬的沈衣机难以1 i 衡，1 1 皮带传送效牢低的问题，降低了 故障率，简化了生产与装配工艺，提高了沈衣机的可靠性、平衡性、稳定性及机械效 率，节约电能。 影响直驱式全自动波轮洗衣机振动和噪声的主要因素是：电机、离合器传动系统 及洗衣机平衡系统。而电机作为洗衣机的主振源，因此，要对整机进行降噪，必须首 先降低电机噪声。下面对电机、离合器及洗衣机平衡系统分别加以分析。 1 1 1 电机 直驱式全自动渡轮洗衣机采用电机可以分为：普通异步电机、开关磁阻电机、直 流无刷电机三类。 普通异步电机不易正、反向频繁启动洗涤时阃少，而且启动电流大，对电网有 电磁干扰，另外异步电机不便进行低成本，有效的调速控制，无法实现宽范围的洗涤 速度来适应不同衣物对洗涤速度、脱水速度的要求。同时，采用普通异步电机，必须 采用减速离合器，而减速离合器结构复杂、故障率高、生产成本高，安装、维修不方 便，效率低，机械噪声大。 开关磁阻电机是二十世纪8 0 年代初随着电力电子、微电脑和控 制技术的迅猛发展而发展起来的一 种新型调速驱动系统，具有结构简 单、运行可靠及效率高等突出特点。 图l 一1 所示是开关磁阻电机的典型结 构原理图，电机为双凸极结构。转 子仅有叠片叠压而成，既无绕组也 无永磁体；定子各极上绕有集中绕组， 径向相对极的绕组串联，构成一相。其图1 1 开关磁阻电机典型结构原理图 第一章绪论 工作原理遵循“磁阻最小原理”磁通总是要沿磁阻晟小的路径闭合因磁场扭曲而产 生磁阻性质的f = 乜磁转矩。顺序给a b ，c d 相绕组通电，则转子便按逆时针方向连续转 动起来。当二e 开关s ，、s ：导通时a 相绕组从直流电源v 吸收电能：而当s 。、s 2 关断 时，绕组r 乜流通过续流二极管d 、d 将剩余能量回馈给电源v 。闪此，丌关磁阻f 乜 机具有再生能力，系统效率高。对) r 关磁阻电机的理论研究和实践证明，浚系统具有 以下特点：电机结构简单、“芒固可工作与极高转速。损耗二l 耍产二生在定予，电机 易于冷却。转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功：笨变换器，降低系统 成本。功率变换器不会出现故障，可靠性高。起动转矩丈，低速性能好。明速 范围宽、控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩速度特性。征宽“的转速和功率 范围内都具有高效率。能凹象限运行，具有较强的再生制动能力。与直流无刷电机 相比，其和变频感应电动机一样都存在励磁惩罚( 即励磁电损耗) 的问题，效率和单 位体积功率稍显不足。此外，出于开关磁阻电机固有的转矩波动，可能导致较大的噪 声和振动。图卜2 为1 3 2 机座开关磁阻电机的声压级。 s o f - 一 i 墨7 0 卜堂势、一 墓6 0 卜皇彗 坦5 0 卜 骰4 0 l 0 l i 4 0 i0 i 8 0 l0 i 1 2 0 10 转速( 即硒 图i - 21 ：3 2 机座开关磁阻电机的声压级 近年来，随着高性能永磁材料、微电子技术和电力电子技术特别是大功率半导体器 件的快速发展，直流无刷电机得到迅猛发展，由于其调速性能优越，克服了直流伺服电 机机械式换向器和电刷带来的一系列限制，且体积小、重量轻、转动惯量小，同普通异 步电机和开关磁阻电机相比直流无刷电机效率高、噪音低( 可达到4 0 d b 以下) 、不存 在励磁损耗问题。直流无刷电机的相电压、功率输出和效率与负载电流的关系曲线如图 卜3 所示。由图可见，在8 0 以上的负载范围内，实测的电动机效率都超过7 5 ，最高效 率可达8 4 。目前，只本松下、东芝、三洋、夏普公司都已推出直流无刷电机直驱式全自 动波轮沈衣机，国内各家电公司、高等院校也都在积极研制。因此，直流无刷电机直驱 第一章绪论 式全自动波轮洗衣机是全自动洗衣机的发展趋势。 出 口 霉 图l 一3电动机相电压、效率与负载电流的关系曲线 ( 功率因数为1 铁氧体磁性材料) 电压 1 1 2 离合器传动系统 效率 长 、， 辟 裁 全自动波轮洗衣机由同一只电机实现洗涤和脱水两种功能，其主要控制机构是离 台器因此，人们常把离合器比作全自动波轮洗衣机的“心脏”。离合器主要分为两类： 减速离合器和l ：l 传动同轴离合器。 1 减速离合器 全自动波轮洗衣机洗涤时要求低速运转，脱水时要求高速运因此由于行星齿轮减 童比较大，因此洗衣机一般采用行星齿轮减速离合器。其优点是传动比范围大。其缺 黥是行星齿轮结构复杂，传动精度低，效率低，噪声大。 2 1 ：i 传动同轴离合器 采用1 ：l 传动同轴离合器由于省却行星齿轮减速机构，提高了传动效率，精度高， 噪声低。 1 1 - 3 平衡系统 全自动波轮洗衣机的脱水桶，盛水桶复合套在起，用底盘托住，采用特殊的悬 挂式支撑结构，将其吊挂在洗衣机箱体内。因此，全自动波轮洗衣机的平衡系统主要包 括支撑吊簧减振系统和安装在脱水桶上部的平衡圈平衡系统。 第一章绪论 1 2 本文选题依据及主要内容 通过以上分析，在进行了大量的调研基础上，作者认为直流无刷电机直驱式全自动波 轮洗衣机是全自动洗衣机的发展趋势a 而影响直流无刷电机直驱式全自动波轮洗衣机振 动和噪声的主要因素是直流无刷电机、传动系统和平衡系统，因此，作者将直流无刷电 机及其控制驱动系统、离合器传动系统和洗衣机平衡减振系统作为本文的研究重点。 第二章直流无刷电机直驱式全自动波轮洗衣机 第二章直流无刷电机直驱式全自动波轮洗衣机 2 1 直流无刷电机直马区式全自动波轮洗衣机结构 直驱式全自动波轮洗衣机是指直流无刷电机直接安装在离合器下面，从而不通过 皮带，直接驱动洗涤桶和波轮。它包括上罩、箱体、盛水桶、洗涤桶、挡水盖、波轮、 平衡圈、支撑挂簧系统、离合器、直流无刷电机、控制驱动系统、底座等。如图2 1 所 刁i 。 1 一上罩 3 平衡圈 5 盛水桶 7 一挂簧系统 9 离合器 1 1 一底座 2 挡水盖 4 箱体 6 洗涤桶 8 波轮 l o 直流无刷电机 1 2 - 控制驱动系统 图2 1 直驱式全自动波轮洗衣机 二十世纪九十年代末，我国许多洗衣机生产厂家开始研制直流无刷电机直驱式全自 动波轮洗衣机生产线，但是由于对技术难度估计不足，生产的全自动洗衣机存在噪声、振 动等问题，导致没有批量生产。故减振降噪技术是行内各厂家都在不断研究的课题。 2 2 直流无刷电机直驱式全自动波轮洗衣机振动噪声问题 解决直流无刷电机直驱式全自动波轮洗衣机振动噪声问题必须分析清楚直流无刷 电机直驱式全自动波轮洗衣机的振源及其传播渠道，因此，本文以小鸭x q b 5 5 2 0 8 g 直 驱式全自动波轮洗衣机为例，分析洗衣机的振动噪声问题。 第二章直流无刷电机直驱式全自动波轮洗衣机 2 2 1 仪器配置及连接 仪器名称型号及连接关系见下图2 - 2 图2 - 2 仪器连接关系图 2 2 2 噪声源分析 确定振动源 对于全自动洗衣机，振源无非是电机和减速离合器，但对于全自动洗衣机来说到底知 个是主振源，那个是次振源，为此我们将沈衣机进行空载运转，测试绘制出噪声频谱曲线 如图2 - 3 所示。 ， i ll 1 掣山瞄i iii i l il- f 1 i l | 1 1 v 呐ji -l 彤凡a ，v：v p n q o i 1 f hyo1 0 0瑚x d4 5 图2 - 3 洗衣机空载噪声频谱 第二章直流无刷电机直驱式全自动波轮洗衣机 然后，做电机空转时的加速度频谱曲线，如图2 _ 4 所示。 l ， il iij 1_潼 ji覆jij_?l1 1i砸 匿 螭 v l ，剐i ff 一 v ，旷 f f 嗣y0 h 25 ( n 图2 - 4电机空转时加速频谱 比较两条曲线，不难发现其噪声响应的最高峰值都在1 0 0 h z 处，其余各峰值出现的频 率也相似，说明电机是主振源。要对整机进行降噪，必须先在减小电机振动上下功夫。 响应、放大和传递环节 比较噪声频谱曲线图2 3 与曲线圈图2 - 4 进行，可以看出，装机后测得的噪声谱中的 i o o h z 的峰值特别突出，可以肯定在整机运行时电机的振动，特别是l o o h z 被某个环节放 大。 电机振动的传递过程是：电机一离合器盛水桶一吊杆一箱体各环节中吊杆为抗 拉细杆，其上又串有减振弹簧，因固有频率较低无放大1 0 0 h z 振动的可能，这样只有详细分 析盛水桶和箱体了。对盛水桶和箱体分别进行敲击拾振，并分别做出其固有频谱曲线图 2 - 5 、图2 - 6 ，从图上可以看出盛 f 埘沁髓蛰8 哐们0 m bu t 江m il k ni 、。醢8 ii 】i l | i1 1 溘i ii。j ia j l f v。飞黼 脚 v i oiho 图2 - 5 盛水桶固有频谱 第二章直流无刷电机直驱式全自动波轮洗衣机 水桶在1 0 0 h z 处和箱体在1 0 0 5 h z 处都有峰值，而且运，两峰值与电机的1 0 0 h z 振动很近 极易共振。由此看来这两零件的现状恶劣，必须进行謦进a ia 1i f 。 l v v v ，li , 一 v 刚y0 m 图2 - 6 箱体固有频谱 2 2 3 减振降噪措施 减小振动源 从以上的分析已经知道电机是主振源，电机的振动噪声可采用选择合适的定子、转 子槽配合、减少力矩波动、改进驱动方式和采用塑封技术来降低， 力矩波动产生主要有两方面：换向引起的力矩波动和齿槽引起的力矩波动。减少 力矩波动可采取下述措施： a 在满足工艺制造条件下，应尽量增加槽数，使电机的槽数与极对数之问无公约数， 以减小磁场波动。 b 在一个槽内分如虚槽，以增加换向片数，从而减少换向元件匝数和换向 乜势。 c 斜槽( 即铁心叠片扭转适当齿距) 以削弱齿谐波磁场引起的力矩波动。 d 减小槽口宽度，采用磁性槽楔，削弱气隙磁阻的变化，从而减小阻力矩。 e 适当减小电刷宽度，以减小换向区域，使换向元件在磁密为零附近进行换向。 综合考虑性能价格比，采用三相十对极斜槽结构和对电机定子转子进行塑封处理， 效果比较明显。 除电机外，离合器传动噪声也是影响洗衣机振动噪声的主要因素，通过l ：l 传动，去搏 行星减速机构，且在刹车带内侧贴上石棉橡胶带，提高离合器制造精度，可有效降低传动 噪声。 降低传递环节的放大 a 降低盛水桶放大 对盛水桶桶底的刚度进行调整，可以使固有频率特性中的峰值远离1 0 0h z ，由于涉一1 r 第二章直流无刷电机直驱式全自动波轮洗衣机 较大的盛水桶模具的修改，而且此项工作难度较大。我们通过大量试验，找到了一个较简 单可行的办法，设计加强盘将其安装在盛水桶底，可对盛水桶桶底刚性加强，使频谱特性曲 线中的峰值上移，减小了盛水桶对电机1 0 0 - l z 振动的放大。 b 降低箱体的放大 对箱体我们曾做了振动模态分析，并按模态振形在箱体内侧贴上阻尼材料条，该措施 可将整机嗓声降低2 d b 。此外。将原来箱上压的筋由深0 6 变为深1 2 ，可使箱体刚性增 强，固有频谱特性曲线峰值上移，远离1 0 0h z 处。 改进平衡圈、挂簧结构降低振动噪声。 全自动波轮洗衣机的脱水桶，盛水桶复合套在一起，用底盘托住，采用特殊的悬 挂式支撑结构，将其吊挂在洗衣机箱体内。 在箱体上部，四角焊有四只带内凹球面的箱角，四根减振吊杆用上吊杆座固定在 上铰的槽内。吊杆上设有一整套减振件如图2 7 所示。 图2 7 挂簧系统结构图 1 一垫圈2 一下托3 一减振簧4 下吊杆座5 上托6 一减振垫7 吊杆8 一上吊杆座 减振簧及减振垫等部件能吸收脱水桶，盛水桶在洗涤、脱水时引起的振动，从而 降低噪声。 传统全自动波轮洗衣机离合器安装在盛水桶底部中心位置，而电机挂在盛水桶底 部一侧，因此导致脱水桶，盛水桶复合体的重心位置不在盛水桶中央，使洗衣机平衡困 难。为保证平衡，必须在与电机相对的一侧安装配重块( 水泥块或铸铁) 来达到平衡。 但这样。洗衣机重量增加，同时增加了成本。 此外，可以将4 个挂簧系统分成两组：靠近电机一侧减振簧比另一侧加长，而吊 杆长度一致，从而调节平衡。但这种方式必须经反复实验才能确定，且工艺复杂。 直驱式全自动波轮洗衣机离合器安装在盛水桶底部中心位置，而电机直接挂在离 合器底部，因此脱水桶，盛水桶复合体的重心位置在盛水桶中央，使洗衣机平衡容易， 使4 个挂簧系统均匀挂在盛水桶四周即可。 实验证明：挂簧挂在盛水桶上的位置( 即挂簧系统中减振垫6 与盛水桶的结合点) 9 第二章直流无刷电机直驱式全自动波轮洗衣机 距盛水桶底部的距离a 约为盛水桶总高度的1 6 时t 振动最小。在小鸭x q b 5 5 2 0 8 g 直 驱式全自动波轮洗衣机中，盛水桶总高度为5 1 4 5 m m ，因此，取距离a 为8 7 m m 。 为了减少振动，在吊杆上吊杆座、下吊杆座的球面上、箱角、阻尼套以及减振簧上 都应涂以适量的润滑脂。 由于投入脱水桶的衣物是不规则的，洗涤后衣物在脱水桶内的分布也是不均匀的 加之制造、装配上的误差，往往会造成脱水桶系统与转动中 心不同心而产生不平衡现象，使之在脱水时产生振动。为此， 全自动波轮洗衣机采取了特殊装置_ _ - 平衡圈，来解决由 于不平衡而造成的振动。 平衡圈是由上下两片胶合而成的塑料空心圈，如图2 - 8 所示。在平衡圈的内壁上增设数条挡板，用以控制圈内平衡 液的运动。平衡圈内注有浓度为2 5 食盐水( 保证在高寒地 带不结冰) 作为平衡液。平衡圈是利用陀螺仪的基本原理来 进行平衡的。脱水时平衡圈与洗涤桶一起旋转，平衡液受离 心力的作用，在平衡圈内呈圆形分布，液面随旋转频率不同 而变化。当 衡圈以3 赫兹以j 二的频率旋转时，彳能发挥其平衡作用。图2 8 平衡圈剖面图 卜平衡圈2 一食赫水 o 一一- 审审审 图2 - 9 平衡圈工作原理示意图 由图2 - 9 可看出，当洗涤物在桶内发生偏置，脱水时盐水向洗涤物偏斜的相反方向集中， 这样洗涤物不平衡所产生的离心力与平衡圈偏移量所产生的离心力方向相反，由于两力 的互相抵消使振动和噪音减小，逐渐达到平衡。 需要说明平衡圈对衣物偏心的平衡作用不是无限的，如果衣物偏心比较严重，盛； 水桶将撞击安全杆，那么洗衣机控制系统将通过安全杆检测到衣物偏心。此时，控制剩 6 第二章直流无刷电机直驱式全自动波轮洗衣机 统将发出指令绘进水阀，使其进水至设定水位。由于直驱式全自动波轮洗衣机直流无刷 电机直接驱动离合器，因此电机可以频繁起动。控制系统在检测到水位后，电机进行低 速运转，以平衡水流( 波轮正转0 4 s 、停0 1 s 、反转0 4 s 循环) 对衣物进行平衡。然 后。再进行排水、脱水以避免振动过大。 低频振动问题 洗衣机洗涤时低频振动主要由洗涤水流引起，主要原因是洗涤时波轮转停比过 大，导致衣物缠绕引起。采用直流无刷电机直接驱动后由于直流无刷电机可频繁起动， 且直接驱动传动比精确，因此，通过减小波轮转停比可降低振动。 脱水时低频振动主要因为衣物严重偏心引起。采用直流无刷电机后如出现该问 题，可进少量水，电机驱动波轮低速运转对衣物进行平衡，然后，进行排水脱水，可解 殃偏心问题。 第三章直流无刷电机及其控制驱动系统 第三章直流无刷电机及其控制驱动系统 直流无刷电机作为直流无刷电机直驱式全自动波轮洗衣机的核心部件，其性能盲 接影响洗衣机的振动和噪声。此外，其特性对洗衣机驱动系统( 如离合器) 的设计十分 重要。因此，为了选型必须对该直流无刷电机及其控制驱动系统进行深入了解。 直流无刷电机是近3 0 年来随着电动机技术及微电子技术的迅猛发展而发展起来 的一种新型电动机。它是有电动机本体( 主定子和主转子) 、位置传感器( 传感器定子 和传感器转子) 和电子换向线路三大部分组成。直流无刷电机的工作原理，就是利用反 映主转子位置的位置传感器的输出信号，通过电子换向线路去驱动与电枢绕组连接的功 率开关器件，使电枢绕组依次馈电，从而在主定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁 式转子旋转。同时，随着电动机转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢 绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变。 由于直流无刷电机取消了电刷和换向器间的滑动接触，因此具有寿命长、可靠性 高、噪声低等特点。在性能上，还具有起动转矩大、加速度快、动态制动简便、转速一 转矩特性呈线性及效率高等优点。 3 1 系统的组成和特点 3 1 1 系统的组成 直流无刷电机调速驱动系统原理框图如图3 1 所示。它能实现高调速精 度、快动态响应和电动机四象限运行。 图3 1 直流无刷电机调速驱动系统原理框图 为了使电机电磁转矩脉动量最小，直流无刷电机的三相输入电流为1 2 0 。 整三童童堕垂型皇垫墨基蕉型望塾墨堕 一 竞的方波电流，且为了实现最大的能量转换效率，电动机电漉应和电动机的反 电动势同相位。如图3 - 2 所示， 图3 - 2b l d c m 的方波电流和梯形波反电动势 3 ，1 2 无刷直流电机的运行特性 无刷直流电机的运行特性是指电机在起动、正常工作和调速等情况下，电 机外部各可测物理量之间的关系。 电机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械。因此，我们最关心的 是它的转矩、转速，以及转矩和转速随输入电压、电流、负载变化而变化的规 律。据此，电机的运行特性可分为：起动特性、工作特性、机械特性和调速特 性。 讨论各种电机的运行特性时，一般都从电势公式( 即转速公式) 、电势平 衡方程式、转矩公式和转矩平衡方程式出发，对于直流无刷电动机，其电势平 衡方程式为： u = e 矿8 c p + 氇u ( 3 一1 ) 式中肛一一电源电压( 伏) ： e 一一电枢绕组反电势( 伏) ： l 。广一平均电枢电流( 安) ： ，l 。一电枢绕组的平均电阻( 欧) ； 4 卜一功率晶体管饱和管压降( 伏) ；对于桥式换向线路为2 a u 。 对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式。电枢绕组反宅势有不同的等 3 第三章直流无刷电机及其控制驱动系统 效表达式，但无论那一种绕组和线路结构，均可表示为 e = k , n 式中n 一一电机转速( 转分) ： k 。一一反电势系数( 伏转分) 。 由公式( 3 一1 ) 、( 3 - 2 ) 可知 e u a u l 。，。p k tk 。 在转速不变时，转矩平衡方程式为 m = m2 + mo 式中m 。一一输出转矩( 克厘米) ： m 。一摩擦转矩( 克厘米) m 一一电磁转矩( 克厘米) 。 这里 m = k j c e k 一转矩系数( 克厘米安) 。 在转速变动情况下，则 m ：m 2 + m o + ，堕 玻 ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 6 ) 式中j 一一转动部分( 包括电机本体、传感器转子及负载) 的转动 惯量( 克厘米秒2 ) ； d m d t 一一转子的机械加速度( 弧度秒2 ) 。 下面从这些基本公式出发，来讨论直流无刷电动机的各种运行特性 1 起动特性 由方程( 3 1 ) 、( 3 - 2 ) 和( 3 - 6 ) 可知，电动机在起动时，由于反电势为 零。因此电枢电流( 即起动电流) 为 u 一u h = 一 f a c p ( 3 7 ) 其值可为正常工作电枢电流的几倍到几十倍。所以起动电磁转矩很大， 电动机可以很快起动，并能带负载直接起动。随着转子的加速反电势e 增加， 电磁转矩降低， 图3 3 空载起动时电枢电流和转速的变化 加速力矩也减小，最后进入正常工作状态。在空载起动时，电枢电流和转速的 变化如图3 3 所示。 需要说明，直流无刷电动机的起动转矩，除了如上所述与起动电流有关外， 尚与转子相对于电枢绕组的位置有关。转子位置不同时起动转矩是不同的。 这是因为上面所讨论的关系式都是平均值问的关系，而实际上，由于电枢绕组 产生的磁场是跳跃的。当转子所处位置不同时，转子磁场与电枢磁场间的夹角 在变化，因此所产生的电磁转矩也是变化的。 2 工作特性 在直流无刷电动机中，工作特性主要包括如下几方面的关系：电枢电流 和电机效率与输出转矩之间的关系。 ( 1 ) 电枢电流和输出转矩的关系 4 第三章直流无刷电机及其控制驱动系统 由式( 3 - 5 ) 可知，电枢电流随着负载转矩的增加而增加，如图3 4 所示。 图3 4 负载和效率特性曲线 1 2 ) 电机效率和输出转矩之间的关系 这里仅考察电机部分的效率与输出转矩的关系。电机效率 r l = l 一旦：1 一逆 p ip i 式中p 一一电动机的总损耗： p ；一一电动机的输入功率，p ：= i u ； p 。一一输出功率，p ：= m ，n 。 m ：= 0 ，即没有输出转矩时，电机的效率为零。随着输出转矩的增加，电机 的效率也就增加。当电机的可变损耗等于不变损耗时，电动机的效率达到最大 值。随后，效率又开始下降，如图3 4 所示。 3 机械特性和调速特性 机械特性是指外加电源电压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系。 由方程式( 3 1 ) 、( 3 - 2 ) 和( 3 3 ) 可知 u 一uh k f l o o p 一。一 ，r o m p m ：k ：型二垒竺一坐堑 r a c p ” 6 ( 3 - 8 ) 第三章直流无刷电机及其控制驱动系统 我们知道，式( 3 - 8 ) 等号右边的第一项是常数( 当不计4 u 的变化和电 枢反应的影响时) 。所以，电磁转矩随转速的减小而线性增加，如图3 - 5 所示。 当转速为零时， n m 图3 5 机械特性曲线 即为起动电磁转矩。当式( 3 - 8 ) 右边二项相等时，电磁转矩为零，此时的转 速即为理想空载转速。实际上，由于电机损耗中可变部分及电枢反应的影响， 输出转矩稍稍偏 离直线变化。又因为功率晶体管的饱和管压降随集电极电流的变化而变化( 在 基极电流不变时，功率晶体管的饱和管压降随集电极电流的增大而增大) 。所 以随着转速的减小，电机的反电势也减小，电枢电流增加，u 增大，到一 定值以后，增加较快。所以机械特性曲线在接近堵转( 即转速很低) 时，加快 下跌，如图3 5 所示。 又从式( 3 - 8 ) 可见，改变电源电压，可以容易地改变输出转矩( 在同一 转速下) 后改变转速( 在同一负载下) ，如图3 5 所示。所以，直流无刷电动 机调速性能很好，可以用改变电源电压实现平滑的调速。 综上所述，直流无刷电动机的运行特性有着良好的伺服控制性能。 3 2 直流无刷电机结构 直流无刷电动机结构与传统直流电动机不同，是“反装式”或“里翻外” 结构。即电枢固定，磁极旋转和永磁同步电动机结构更为相似。电枢铁心也是 由硅钢片叠成，铁心有齿槽，放置多相绕组。 直流无刷电机由由下列三大部分组成：电动机本体( 带有电枢绕组的定子 和永磁转子) 、位置传感器、电子换向电路( 驱动系统) 组成。其结构如图3 - 6 6 7 第三章直流无刷电机及其控制驱动系统 所示。 满l ；俐 笺静 3 2 1 电动机本体 图3 6直流无刷电机结构 电动机本体的主要部件有转子和定子它们必须首先满足电磁方面的要 求，保证在工作气隙中产生足够的磁通，电枢绕组允许通过一定的电流，以便 产生一定的电磁转矩。其次要满足机械方面的要求。保证机械结构牢固和稳定， 能传送一定的转矩，并能经受住一定环境条件的考验。此外，还要节约材料、 结构简单、紧凑、运行可靠和稳升不超过规定的范围。 1 定子 定子是电动机本体的静止部分。它由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组 及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成。 定子铁芯 它由硅钢片迭成，取用硅钢片的目的是为了减少定子的铁损耗。硅钢片冲 成带有齿槽的环形冲片。在槽内嵌放电枢绕组。槽数视绕组的相数和极对数而 定为减少铁芯的涡流损耗，冲片表面涂绝缘层或磷化处理。为了减少噪音和 寄生转矩，定子铁芯采用斜槽。在叠装好的铁芯槽内放置槽绝缘和电枢线圈， 然后整形、浸漆。有时为了增加绝缘和机械强度，减少噪音，还宜采用环氧树 脂进行塑封。 定子绕组 7 第三章直流无刷电机及其控制驱动系统 定子绕组是电动机本体的一个最重要部件。当电动机接上电源后，电流流 入绕组，产生磁势，后者与转子产生的激磁磁场相互作用而产生电磁转矩。当 电动机带着负载转起来以后，便在绕组中产生反电势，吸收了一定的电功率并 通过转子输出一定的机械功率，从而实现了将电能转换成机械能的过程。显然 绕组在实现能量的转换过程中起着极为重要的作用。因此，对绕组的要求为： 一方面它能通过一定的电流，产生足够的磁势以得到足够的转矩；另一方面要 求结构简单，运行可靠，并应尽可能节能有色金属和绝缘材料。 2 转子 转子是电动机本体的转动部分，是产生激磁磁场的部件。它由三部分组 成：永磁体、导磁体和支撑部件。 永磁体和导磁体是产生磁场的核心，系由永磁材料和导磁材料组成。导 磁材料一般用10 号钢或工业用电工纯铁等。直流无刷电机用永磁材料的发展 经历了铁氧体、稀土钴、钕铁硼等几个阶段。钕铁硼永磁材料同其它永磁材料 比较具有以下特点： 在取得样输出力矩的情况f ，钕铁硼磁铁的体积最小、尺寸最小和重 量最轻，这是因为高磁能积的钕铁硼磁铁能产生具有更多磁通和更高磁性负荷 的气隙，因而缩减了有效材料的尺寸； 铁氧体电动机的成本最低，其次是钕铁硼，然后是铝镍钴和稀土钴： 铁氧体电动机磁铁部分最小，然后依次是钕铁硼、铝镍钴和稀土钴。所 需用的铜和铁心材料成本最高的是铁氧体电动机，然后依次是钕铁硼电动机、 铝镍钴电动机和稀土钴电动机。因此，对低磁能积磁铁( 例如铁氧体磁铁) 而 言，减少电气和磁性材料可以大大地降低电动机成本，而对高磁能积磁铁( 例 如钕铁硼磁铁) 而言，则应首先减少磁铁，从而减少电动机成本。 显然，钕铁硼电动机在任何方面都优于铝镍钴电动机和稀土钴电动机。钕 铁硼电动机的成本虽然稍高于铁氧体电动机，但其体积和质量却比铁氧体电动 机小得多，如果将电动机的成本、体积和质量综合加以考虑，则钕铁硼电动机 优于铁氧体电动机。 机械支撑零部件主要是指转轴、轴套和压圈等。它们起固定永磁体和导磁 体的作用。转轴由不导磁材料，如圆钢1 c r l 8 n i 9 t i 等车磨而成，要求它具有 一定的机械强度和刚度。轴套和压圈通常由黄铜或铝等不导磁材料做成。 第三章直流无刷电机及其控制驱动系统 3 2 2 霍尔位置传感器 霍尔位置传感器是组成无刷直流电动机系统的主要部分，其作用是检测主 转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑 开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组 中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱 动永磁转子连续不断地旋转。 1 原理 l8 7 9 年美国霍普金斯大学的霍尔( e h ，h a l l ) 发现，当磁场中的导体有 电流通过时，其横向不仅受到力的作用，同时还出现电压。这个现象后来被称 为霍尔效应。随后人们又发现，不仅是导体，而且在半导体中也存在霍尔效应， 并且霍尔电势更明显，这是由于半导体有比导体更大的霍尔系数的缘故。 众所周知，任何带电粒子在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时，都要 受到磁场的作用力，该力称为洛伦兹力，其大小可用下式表示： f = q v b ( 3 9 ) 式( 3 9 表踢，洛伦兹力的大小与粒子的电荷量q ，粒子的运动速度v 及 磁感应强度b 成正比， 图3 7 是在一长方形半导体薄片上加上电场e x 后的情况。在没有外加磁 场时，电子沿外加电场e x 的相反方向运动，形成一股沿电场方向的电流i ，如 图3 7 a 所示。当加以与外电场垂直的磁场b 时，运动着的电子受到洛伦兹 9 if 蝴 i j 妊j + 图3 7 半导体中电子运动的状态示意图 2 0 日 e x 第三章直流无刷电机及其控制驱动系统 力的作用将向左边偏移，并在该侧面形成电荷积累，如图3 7 b 所示由于该 电荷的积累产生了新的电场，称为霍尔电场。该电场使电子在受到洛伦兹力的 同时还受到与它相反的电场力的作用。随着半导体横向方向边缘上的电荷积累 不断增加，霍尔电场力也不断增大。它逐渐抵消了洛伦兹力，使电子不再发生 偏移，从而使电子又恢复到原有的方向无偏移地运动，达到新的稳定状态，如 图3 - 7 c 所示。然而，与无磁场时不同的是在半导体两侧产生了一电场e h ， 这个霍尔电场的积分，就在元件两侧间显示出电压，成为霍尔电压，这就是所 谓盼霍尔效应。 一土一! 图3 8霍尔效应原理 根据霍尔效应的原理可制成如图3 8 所示结构的半导体元件霍尔元件。 对于一定的半导体薄片，其霍尔电动势e 可用下式表示： e ：r h i h b d ( 3 1 0 ) 耻专p “ ( 3 1 1 ) 式中：r h 霍尔系数( m 3 c ) ：i h 控制电流( a ) ：b 磁感应强度( t ) ： d 薄片的厚度( m ) ；p 材料电阻率( q m ) ；p 材料迁移率( m 2 ( v s ) 。 若式( 2 ) 中常数项用k h 表示则有 e = k h i h b ( 3 一1 2 ) 式中：k h 霍尔元件的灵敏度 m v ( m a t ) ， 当磁感应强度b 和霍尔元件的平面法线成一角度。时，实际上作用于霍尔 1 0 2j 第三章直流无刷电机及其控制驱动系统 元件的有效磁场是其法线方向的分量，即b c o s0 此时霍尔电势为： e = k h l h b c o s 8 ( 3 一1 3 1 上述霍尔元件所产生的电动势很低，在应用时往往要外按放大器，很不方便。 随着半导体集成技术的发展，将霍尔元件与半导体集成电路一起制作在同块 硅外延片上，这就构成了霍