电机在普波轮洗衣机中的应用.doc

扬州高等职业技术学校 学生毕业设计 题 目 系 部 专 业 学 号 班 级 姓 名 指导教师 完成日期 1 电机在电机在普普波波轮轮洗洗衣衣机机中的应用中的应用 摘摘 要要 本论文主要阐述了电机的家用电器中的作用和电机的发展趋势 家用 洗衣机电机类型的选择和单相异步电机的工作原理 并对家用洗衣机 电机系统 进行基本的设计 从而完成洗衣机的洗涤工作 关键词关键词 家电电动机 电机发展趋势 单相异步电机 电机工作原理 电机控 制系统 2 目目 录录 摘摘 要要 1 1 1 1 绪论绪论 3 3 2 2 家电电机的应用现状及发展趋势家电电机的应用现状及发展趋势 4 4 2 1 家电电机类型 4 2 2 现有各种家电电机及其特点 4 2 3 电机发展趋势 5 3 3 电机的选型电机的选型 7 7 3 1 普通型波轮洗衣机 7 3 2 洗衣机电机选择 7 4 4 单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的工作原理 8 8 4 1 单相异步电动机的定义 8 4 2 工作原理 8 5 5 电机系统设计电机系统设计 1010 3 5 1 控制系统的选择 10 5 2 控制系统的设计 10 总总 结结 1313 致致 谢谢 1414 1 1 绪论绪论 电动机是一种实现机 电能量转换的电磁装置 常见的电动机可分为交流 电动机和直流电动机 电动机是随着生产力的发展而发展的 反过来 电动机 的发展也促进了社会生产力的不断提高 从 19 世纪末期起 电动机就逐渐代替 蒸汽机作为拖动生产机械的原动机 一个多世纪以来 虽然电动机的基本结构 变化不大 但是电动机的类型增加了许多 在运行性能 经济指标等方面也都 有了很大的改进和提高 而且随着自动控制系统和计算机技术的发展 在一般 旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机 控制电动机具有高 可靠性 好精确度 快速响应的特点 已成为电动机学科的一个独立分支 在自然界各种能源中 电机具有大规模集中生产 远距离经济传输 智能 化自动控制的突出特点 它成为人类生产和生活的主要能源 而且对近代人类 文明的产生和发展起到了重要的推动作用 在现代生活中 电机在家电中扮演 了重要的角色 家用电器用电机家用电器用电机主要是小功率电机 凡家庭 中有转动件的 都是由电机来驱动的 而且绝大部分为中小功率电机 如空调 用的室内机风扇电机 室外机的风扇电机 压缩机 室内机转叶电机 洗衣机 的转动电机等 4 2 2 家电电机的应用现状及发展趋势家电电机的应用现状及发展趋势 2 12 1 家电电机类型家电电机类型 电机及其控制技术的发展对家电产品的升级换代起至关重要的作用 家电 电机一般采用 B 级或 F 级绝缘 应用场合十分广泛 B 级绝缘电机的最高温度 为 130 F 级绝缘的最高温度为 155 对电机的性能要求往往包括在相应的 家电电器中 例如 洗衣机的能耗标准就包括了对电机的效率要求 用于各种 家用电器的电机 一般均为单相电机 属分马力电机的范畴 家用电器用电机家用电器用电机主要是小功率电机 凡家庭中有转动件的 都是由电机来驱动的 而且绝大部分为中小功率电机 如空调用的室内机风扇 电机 室外机的风扇电机 压缩机 室内机转叶电机等 家用电器性能与所匹 配的小功率电机有着直接的关系 电机的效率 功率因数 调速范围及噪声直 接与家用电器的节能环保有着密切的关系 目前中国家用电器行业增长显著 预计 2005 年家用电器行业年产量都有不同程度的增长 以空调为例 空调增幅 达到 10 如按一台空调 4 台电机来计算的话 除去部分压缩机不属于小功率 电机外 其电机的需求量增幅也超过 30 这种良好的发展态势 将为家用电 器用电机提供广阔的市场 2 22 2 现有各种家电电机及其特点现有各种家电电机及其特点 1 单相感应电机尽管各种新型电机层出不穷 目前家电产品中使用最多 的仍是单相感应电机 约占市场容量的 80 以上 单相感应电机的结构简单 5 节能 容易生产成本低 技术成熟 没有电刷 运转噪音不大 寿命长 单相 感应电机有自启动能力 但启动时冲击电流 速度与负载大小有关 效率一般 通常在 50 60 罩极电机效率一般低于 30 2 单相变极感应电机在家电电机中 变极电机有一定应用 例如 在 北美市场上的搅拌式洗衣机就采用了 4 6 极双速或 4 6 8 极三速电容起动电机 在中国国内的波轮式洗衣机则大部分采用 4 极单速电容运转电机 近年来 才 开始出现由艾默生公司提供的 4 6 极共享绕组双速电容运转电机 长期以来 滚筒洗衣机大都采用 2 16 极或 2 12 极独立绕组电容运转电机 目前 单相变 极感应电机正在逐渐被串激电机或三相变频感应电机所替代 3 无刷直流永磁电机 BLDC 无刷直流永磁电机 BLDC 近年来在家电 电机中得到越来越多的应用 如洗衣机 空调 洗碗机等 其优点是高效率与 低噪声 与电子控制器相配合可以进行无级调速 日本在采用无刷直流电机上 处于领先地位 其空调及洗衣机广泛地使用 BLDC 但由于其没有自启动能力 通常不能脱离电子控制器而单独运行 与同样必须带电子控制的开关磁阻电机 三相感应调频电机相比 控制器的价格相差不大 由于这种电机在高速运转时 需要进行弱磁控制 因而其应用受到限制 4 三相感应调频电机由于三相感应调频电机的生产工艺比较成熟 其运 行可靠性高 但是在需要兼顾较大范围速度调节时 其高速时的力矩及低速时 的效率会受到限制 5 开头磁阻电机开头磁阻电机的特点是转子结构简单 既没有绕组 磁 钢 也没有电刷 因此特别适宜于高速及超高速运行 其效率及力矩在大范围 调速中可保持较小的变化 缺点是较难控制其噪音 其电子控制器需要特殊的 设计 6 永磁同步水泵电机永磁同步水泵电机的特点是泵与电机结合成一体 电机转子为两极环形永磁体 没有电子控制器 靠振动启动 旋转方向不定 效率达 60 70 比传统罩极电机效率提高一倍多 代表了无电子控制器的永 磁电机的发展方向 电机的发展趋势及研究方向家电电机产品正在向高性能 轻薄短小化 永磁化 无刷化 机电一体化 智能化和组合化发展 6 2 32 3 电机发展趋势电机发展趋势 1 电机高性能和轻薄短小化主要是指传统电机产品性能的提高和产品尺 寸的缩小 如果电机产品采用永磁材料激磁 特别是采用高性能稀土永磁材料 可大大提高电动机效率 缩小电机体积 2 无刷化主要指发展无刷直流电机 以提高产品的可靠性和寿命 无刷 电机已经广泛应用于家用电器 例如在变频空调器中采用无刷直流电机替代异 步电动机 效率可明显提高 3 组合化主要是为了适应市场对小型化要求 将角度传感器 速度传感 器 电动机 减速器和制动器等根据不同用途组合成一体 发展单元产品 作 为整机的一个独立的功能组件或部件 或者发展直接驱动和直线驱动产品 例 如整机采用电机转子直接作为驱动元件 省掉了中间的传动机构 不但使其结 构简化 又可以提高系统精度 4 电机生产技术向集约化 柔性化 自动化 专业化以及生产协作配套 网络化发展 柔性 可以克服以多品种小批量为特点的微电机生产组织上的 困难 生产方式集约化 生产自动化和专业化 生产协作配套网络化则可以使 以大批量生产为特点的微电机实现规模化经济 此外 电机的设计会有效地利 用系统软件把设计分析 设计综合 优化紧密地联系起来 还将信息管理 图 形显示 专家系统等有机地联系起来 构成一个新的集成软件体系 计算越来 越精确 5 交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态 性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转 矩控制系统方面 6 为了尽可能提高效率 电机永磁体采用烧结钕铁硼 电枢冲片采用拼 块式或铰链式 多极集中绕组 根据用户使用要求电机可做成外转子或内转子 结构 空调器 洗衣机 电冰箱等为主的家电领域将越来越多地采用永磁无刷 电机 7 变频电机与控制密不可分 随着新型电力电子器件和高性能微处理器 的应用以及控制技术的发展 变频器的性能价格比越来越高 体积越来越小 7 驱动的交流化 功率变换器的高频化 控制的数字化 智能化和网络化 笔者 认为 由于永磁电机提供多种速度 提高效率 节约材料和能源 改善起动和 刹车特性 将会是未来的主导产品 尤其是直驱变频系统 其效率最高可达到 90 以上 电动机驱动用电约占全球用电量的 60 电机效率的提高对家电产品 用能的减少有决定性作用 因此 在中国 十一五 规划提出单位国内总产值 能源消耗降低 20 左右的目标的大背景下 如何使电机效率更高更节能 已经 成为电机发展最重要的方向 国家发展和改革委员会编制的中期能源节约规划 中已经将永磁电机视为节能推广产品 3 3 电机的选型电机的选型 3 13 1 普通型波轮洗衣机普通型波轮洗衣机 结构 由洗衣桶 电动机 定时器 传动部件 箱体 箱盖及控制面板 等组成 工作原理 依靠装在洗衣桶底部的波轮正 反旋转 带动衣物上 下 左 右不停地翻转 使衣物之间 衣物与桶壁之间 在水中进行柔和地摩擦 在洗涤剂的作用下实现去污清洗 3 23 2 洗衣机电机选择洗衣机电机选择 我们根据洗衣的工作原理得知其电机主要是控制波轮的启动 停止和正 反转 由此 我们可以选择单相异步电机作为普通波轮洗衣机的电机 从而 实现洗衣机的正常工作 单相交流异步电机 是目前洗衣机普遍采用的电机 原因很筒单 因为它 的原理 构造大家已经非常了解 制作工艺已很成熟 而且 应用在洗衣机上 已有几十年历史了 但由于这种电机是恒速运转 工作时通过皮带传动及减速 离合器完成速度 力矩的转换 再分别完成洗衣机的洗涤 脱水动作 普通波轮洗衣机的电机的功率一般在 300 瓦左右 同时根据节能和环保的 理念 我们可以选择具有噪音低 升温低 功率大以及维护方便的优点的 YC 系 列单值电容起动单相异步电动机 同时 8 该电机具有产品结构简单 运行可靠 具有起动转矩大 过载能力强的特点 因此 YC 系列的单相异步电机非常适合我们家用电器电机的设计理念 我们选择 YC801 2 型号的电机 该电机的功率为 0 37kwh 转速为 2800r min 电流 3 4A 电压 220v 频率为 50Hz 4 4 单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的工作原理 4 14 1 单相异步电动机的定义单相异步电动机的定义 单相异步电动机 single phase asynchronous motor 是靠 220V 单相 交流电源供电的一类电动机 它适用于只有单相电源 single phase power 的小型工业设备和家用电器中 4 24 2 工作原理工作原理 在交流电机中 当定子绕组通过交流电流时 建立了电枢磁动势 它对 电机能量转换和运行性能都有很大影响 所以单相交流绕组通入单相交流产 生脉振磁动势 该磁动势可分解为两个幅值相等 转速相反的旋转磁动势和 从而在气隙中建立正传和反转磁场和 这两个旋转磁场切割转子导体 并分 别在转子导体中产生感应电动势和感应电流 该电流与磁场相互作用产生正 反电磁转矩 正向电磁转矩企图使转子 正转 反向电磁转矩企图使转子反转 这两个转矩叠加起来就是推动电动机 转动的合成转矩 他们的大小与转差率的关系和 三相异步电动机 的情况是一样的 若电 动机的转速是 n 则对正转磁场而言 转差率为 s n0 n n0 9 对反转磁场而言 转差率为 s n0 n n0 单相异步电动机的 T s 曲线 图 4 1 单项异步电机 T S 曲线图 由图可知单相异步电动机的主要特点有 1 n 0 s 1 T T T 0 说明单相异步电动机无启动转矩 如不采 取其他措施 电动机不能启动 2 当 s 1 时 T 0 T 无固定方向 它取决于 s 的正 负 3 由于反向转矩存在 使合成转矩也随之减小 故单相异步电动机 的过载能力较低 电容分相式起动工作原理 启动时开关 K 闭合 使两绕组电流 I1 I2 相位差约为 90 从而产生 旋转磁场 电机转起来 转动正常以后离心开关被甩开 启动绕组被切断 罩极式单相电机的工作原理 电流阻碍磁通的变化 致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了 相位差 从而形成旋转磁场 使转子转起来 上图中电机的转动方向 瞬时针旋转 因为没有短路环部分的磁通比有短 路环部分的磁通领先 10 5 5 电机系统设计电机系统设计 5 15 1 控制系统的选择控制系统的选择 由于洗衣机的工作原理可知 洗衣机主要是通过波轮的正反转来洗涤衣服 以此我们就要设计一个控制电机正反转来带动波轮正反转的电机系统 在这里 我们选择用 PLC 来控制电机的正反转 已达到我们的设计要求 由于洗衣机的 控制系统不是很复杂 我们就选择一个小型的 PLC 来控制洗衣机电机的运行 5 25 2 控制系统的设计控制系统的设计 洗衣机波轮正反转洗涤衣物的同时电机就在进行正反转 设定洗衣机在按 下启动按钮时计时需要 40 分钟的时间对衣物的浸泡 以便能够更好的洗涤衣物 洗衣机在洗涤衣物时 波轮正转 20 秒后在反转 20 秒 并重复此种状态直至波 轮转动 15 分钟对衣物进行充分的洗涤时停止 由于单相异步电机直接启动时的电流较大 将使线路的电压下降 影响负 载的正常工作 所以 我们选择降压启动 以减小线路中电流过大的现象 如 5 1 图所示 采用串电阻启动 11 图 5 1 波轮电机正反转接线图 根据电机的运行要求和接线图 我们设计出 PLC 控制电机的 I O 接线图 如 图 5 2 和梯形图 如图 5 3 所示 12 图 5 2 I O 接线图 图 5 3 梯形图 根据的 PLC 梯形图 写出需要植入 PLC 中的控制程序 语句表 如表 5 4 所 示 来使 PLC 能够对洗衣机电机工作进行正确的控制 LD XO ANI Y1 ANI Y2 OUT T200 K2400 LD T200 OUT CO K100 LD C0 ORI Y1 ORI Y2 ANI T211 OUT T210 K250 OUT T201 K50 LD T210 OUT T211 K250 OUT T201 K50 LD T201 OUT C3 K4 LD C0 OR C3 OUT Y0 LDI C1 AND C0 ANI T202 ORI T203 ORB ANB OUT Y1 OUT T202 K200 LDI C1 AND T202 ANI T203 OUT Y1 OUT T203 K200 LD T202 OUT C1 K45 表 5 4 语句表 13 总总 结结 随着科学技术的快速发展 电动机作为动力之源被广泛应用于各行各业中 无论是工厂 建筑 军事 医疗 还是家用电器都少不了电动机的存在 电机 在现代生活中发挥了巨大的作用 可以说 如果没有电机的存在就没有我们的 现代文明 电动机的种类繁多 各种电动机的应用场合也各不相同 有大型的 工业应用电机 也有小到家用电器中的中小型电机 甚至一些特殊场合应用的 微型电机 特别 是近几年来 随着数字技术的发展 电机应用在各种智能控 制系统中 使电机的地位又得到了跨越式的发展 本次毕业设计主要阐述了电动机在家电中的应用范围 以及怎么选择家用洗 衣机的电机 并阐述了电机在洗衣机中的作用原理 对家用洗衣机的电机系统 进行了简单的设计 电机的系统的电路并不复杂 通过给 PLC 植入程序后就能 够实现洗衣机电机的启动 正反转和停止功能 基本实现洗衣机的洗涤功能 虽然不能与电器市场上的洗衣机电机系统媲美 但也具有一定的实用性 通过毕业设计 我巩固了大量的电器控制 电机方面的学科知识 对我三 年的所学知识有了一个清晰的总体概括 也使自己多