CN101622390B - 具有4极36槽电动机的水平轴洗衣机 - Google Patents

具有4极36槽电动机的水平轴洗衣机 Download PDF

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Abstract

一种水平轴洗衣机，其包含由4极转子旋转的衣物容器。具有有着内直径的内腔的36槽定子以磁耦合关系容纳4极转子，并能够在至少5∶1的弱磁范围内运行。定子具有大于或等于0.63∶1的内直径与最小外直径比。

Description

具有4极36槽电动机的水平轴洗衣机
技术领域
本发明一般涉及受控感应电动机(CIM)或无刷永磁体电动机(BPM)。特别地，本发明涉及用于前装载(front load)水平轴洗衣(HAW)机的这种CIM以及BPM电动机。
背景技术
用于HAW机的电动机典型地需要高的速度范围，以便驱动洗衣机的洗衣周期和脱水周期(spin cycle)。特别地，这样的电动机常常在大约30比1的宽广速度范围上运行。在洗衣周期中，电动机以高转矩以典型地在400-800rpm的范围内的低速运行。在脱水周期中，电动机以低转矩以典型地在12000-18000rpm的范围内的高速运行。许多在HAW机中的CIM在500rpm到18000rpm的宽广速度范围内运行，代表5或者更大的弱磁范围(flux weakening range)。
在具有有着等于或小于6.3英寸直径的定子的电动机的范围内，极和槽的几种组合用于实现HAW机所需要的必要的磁场减弱范围。例如，这样的电动机已经实现为2极24槽CIM。
尽管2P/24S CIM可被设计为满足HAW机的宽广速度范围要求，2P/24S CIM比所希望的要大，具有较高的定子端匝(end turn)和增大的材料成本。存在对这样的宽广速度CIM或BPM电动机的需求：其具有较小的构造，以便在更为紧凑的电动机设计中容纳较低的定子端匝并提供减小的材料成本。
在具有5.5英寸到6.3英寸范围内的定子外直径的工业范围电动机中，已经使用了4极36槽电动机。然而，尚未知道将这样的工业范围电动机用于大约5或更大的弱磁范围。另外，这样的电动机已被观察到小于0.63的ID/最小OD比(例如内直径/对边直径(diameter across flats))。出于多种原因，这样的电动机尚未用在HAW机中，因为不适合满足驱动、重量和尺寸要求。
发明内容
在一种实施形态中，本发明是一种4极36槽电动机。在一个实施例中，电动机的转子包含暴露在转子周缘的线棒(bar)。在另一实施例中，电动机具有控制器，该控制器以至少5∶1的弱磁范围运行电动机。在另一实施例中，电动机的定子具有0.63∶1或更大的内/外直径。在另一实施例中，电动机驱动水平轴上的洗衣机的衣物容器。在另一实施例中，电动机为受控感应电动机或内永磁体电动机。在另一实施例中，电动机的定子具有铝绕组。在另一实施例中，电动机从小于600rpm到至少14000rpm运行。在另一实施例中，4极36槽电动机具有用于2极24槽电动机的驱动控制器，其中，与用于2/24电动机的运行频率相比，驱动控制器具有用于4/36电动机的不同的运行频率。
其他的目的和特征将在某种程度上在下文中指出和明了。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的水平轴洗衣(HAW)机的框图，其具有由4极36槽电动机驱动的衣物容器；
图2为根据本发明的定子叠层(lamination)的一实施例的截面图；
图3为根据本发明的转子叠层的一实施例的截面图；
图4为根据本发明的图3的转子叠层的槽的一实施例的局部截面分解图。
贯穿附图，对应的参考标号表示对应的部件。
具体实施方式
在一实施例中，本发明提出了对4极电动机设计的优选，其允许较低定子端匝，由此降低了材料成本并提供了更为紧凑的电动机。另一方面，在HAW运行需要的5∶1弱磁范围上，在4极/24槽电动机设计中，对于给定负载所需要的电流有过高的倾向。
在一个实施例中，通过提供具有产生料想不到的协合结果的特征组合的电动机，本发明克服了高电流问题，并提供了其他的优点。例如，具有暴露线棒(特别是CIM版本)的4极转子与具有大于0.63的内直径(ID)/最小外直径(mOD)比的36槽定子的组合提供了5比1或更大的弱磁范围。这种直径比也导致提供了具有大约20％磁通损失的低水平泄漏路径。另外，这样的组合可视情况可选地包含铝导线绕组，这是因为减小的定子截面积和较大的槽面积(例如与2P/24S电动机相比减小)。在一个实施例中，磁通饱和是电压频率(赫兹)比的函数，故弱磁能通过增大电压或减小频率(赫兹)来实现。
根据本发明的多个实施例，对于用于驱动HAW机的电动机--该电动机在至少5∶1的弱磁范围内运行，4极36槽构造提供了超越2极设计的优点。例如，在一个实施例中，与24槽构造相比，由于线圈的较短跨度(span)，36槽定子的绕组具有较短的端匝。这导致较小的端匝导线重量和较小的匝平均长度。因此，导线重量减小，这意味着绕组内的较小的电阻，由此减小了导线的功率损耗。另外，36槽与24槽相比增大了槽周缘，故更大的绕组表面积与转子接触，允许减小的导线重量。因此，4极36槽构造倾向于比2极24槽构造相比更为高效，并提供更有成本效益的设计。然而，如果用于4P/36S构造的ID/OD与对于2P/24S构造的ID/OD是相同的，4P/36S构造可具有更大的电流要求，以便在5∶1的弱磁范围上驱动电动机。这需要要求更高的电子电路来处理附加的电流，导致实现速度范围的更为昂贵的电动机控制成本。
已经发现，根据本发明多种实施例的4P/36S构造在速度范围上减小了电流并具有高的磁化电阻(magnetizing resistance)。36槽也减小了绕组导线与槽周缘之间的热阻。结果带来较凉的电动机，并带来了对于同样的整体温升使用较少铜线或使用铝线的选择。另外，与2极/24槽构造相比，4P/36S构造实质上具有同样的电流要求。尽管电流要求没有显著不同，但运行频率是不同的，这是因为不同的极和槽数。
还已发现，大于0.63的ID/最小OD也在速度范围上减小了电流并改善了磁化电阻。与最小OD相比腔越大带来越高的转矩密度，故电动机越小且成本越低。另外，定子叠层的堆叠长度能得到减小，同时，保持速度范围和弱磁要求。减小的堆叠长度转化为减小的重量、减小的劳动和材料成本、减小的抵衡重量(counterbalancing weights)大小以及减小的运输成本。
一般而言，4极电动机与相同叠层结构的2极电动机相比具有较低的磁化电抗，对于给定负载增大了电流要求并减小了功率因数，特别是在磁化电抗与转子电阻之比小的较低频率下。根据本发明的实施例，磁化电抗通过采用36槽定子来增大。这导致较低的电倾斜角，因为定子节距(pitch)较小。较低的倾斜角增大了磁化电抗。另外，根据本发明的实施例，磁化电抗通过使用暴露线棒转子(也称为开放线棒转子或断开线棒转子)来增大。使转子线棒暴露降低了较高速度时的转子与定子电抗，其增大了给定电压下产生的转矩，由此减小了电流要求。另外，可以想到，可向绕组增加匝，以便减弱较高速度时的电动机，从而增大磁化电抗。另外，还已发现，暴露的转子线棒降低了嵌齿效应(cogging)。
在图1所示本发明一实施例中，水平轴洗衣(HAW)机包含衣物容器100，其被支撑为绕水平轴H旋转。用于驱动衣物容器的电动机包含：4极转子102，其典型设计在图3中示出；36槽定子104，其具有由驱动控制器105通电的绕组。4极转子例如通过驱动轴101连接到衣物容器，以便使衣物容器100绕着水平轴旋转。
定子104--其典型设计在图2中示出--被配置为具有有着内直径204的内腔202。内腔202以关于36槽定子104的绕组的磁耦合关系容纳4极转子102。在通电时，绕组使得转子102绕着水平轴H顺时针和/或逆时针方向以多种速度旋转，从而对衣物容器100进行搅拌和/或旋转。
定子104具有有着最小外直径208的外周缘206。最小外直径是在考虑定子外周缘的所有直径时最小的。内直径204与最小外直径208的比大于或等于0.63∶1，因此，将电动机配置为以至少5∶1的弱磁范围运行。
在一个可选实施例中，转子102包含在转子的周缘暴露的线棒。如上所述，在较高速度下，结果得到的减小的转子电抗增大了给定电压时产生的转矩。图3示出了根据本发明包含视情况可选的暴露线棒402的转子叠层400的一实施例，其在图4中更为详细地示出。在此实施例中，线棒402是锥形的，且宽度W向着叠层400中心减小。各个末端404、406具有半径，且朝向周缘的较宽末端406具有在颈部410上终止的肩部408和409。可以想到线棒402的多种形状和构造的其他实施例。在一个实施例中，可以想到初始叠层延伸超过周缘411，使得叠层402的初始周缘如虚线412所示，构成不暴露的闭合线棒402。在组装叠层402并在组装叠层中插入线棒402之后，转子412的周缘被机械加工，以便移除410与412之间的周缘的部分，由此将转子线棒402的颈部暴露出来。
在一个可选实施例中，36极定子的内直径204与最小外直径208的比为大约0.63∶1或更大(例如0.65∶1)。这种增大的定子直径比意味着电动机具有减少的材料并在较低速度下以降低的温度运行，这是因为与具有小于0.63∶1的内直径与外直径比的电动机相比较低的电流。在一个实施例中，36槽定子的最小外直径208为大约120毫米，内直径204为大约78mm，定子叠层具有大约40毫米的高度。
表1示出了与现有技术的2极24槽(2P/24S)电动机的运行相比的本发明的4极36槽(4P/36S)电动机的一实施例的运行。如表1所示，下面，在一个实施例中，与具有大约132mm直径和大约60mm高度的尺寸的2极24槽(2P/24S)电动机相比，本发明的4极36槽(4P/36S)电动机具有降低的运行温度和较低的电流。例如，表1显示，在540rpm时，与产生同样转矩的2P/24S电动机相比，4P/36S电动机以较低的瓦特数运行并具有较高的效率。表1还显示，在540rpm时，与2P/24S电动机相比，4P/36S电动机以基本相同的瓦特数和效率运行。
表1
  2P/24S   4P/36S   2P/24S   4P/36S
  速度(rpm)   540   540   16200   16200
  转矩(Nm)   1.85   1.85   0.285   0.285
  频率(Hz)   11.40   20.45   285.00   556.00
  瓦特   216.1   204.8   678.2   678.6
  轴瓦特   104.7   104.83   483.8   483.8
  平均Voltsrms   48.90   47.27   191.77   194.42
  平均Voltsrms   2.83   2.90   2.42   2.39
  Eff(％)   48.4   51.2   71.3   71.3
  PF(％)   90.3   86.4   84.4   84.3
  V/Hz   4.29   2.31   0.67   0.35
可以想到，电动机可以为受控感应电动机(CIM)，或为内永磁体(IPM)电动机。如上所述，在一个可选实施例中，定子可具有铝绕组。IPM为嵌入磁极转子，而CIM具有例如铝或铜笼等的导电笼。IPM为同步电动机，而CIM为异步电动机。对于IPM，较高的转子定子直径比(rotor diameterto stator)带来至少两项优点：较高的lmax/lmin比和较高的磁通等级，这在某种程度上由于磁极的增大的尺寸。较高的lmax/lmin改善了低速与高速运行时可用的磁阻转矩。磁体产生的转矩较大，这是因为较大磁极的较高磁通。超越于24槽构造，36槽构造对于电动机的给定bemf(反emf)减小了lmax和lmin。较低的电感在高速下降低了电抗，使得易于将AC相电流驱动到电动机中。
在一个实施例中，在脱水周期中，定子104由驱动控制器105通电，以便旋转转子102，从而绕水平轴H以至少14000rpm的速度驱动衣物容器100，在洗衣周期中，定子104由驱动控制器105通电，以便旋转转子102，从而以小于600rpm的速度驱动衣物容器100。这意味着驱动控制器以大约6∶1的弱磁范围运行电动机。
表1显示，本发明的4P/36S电动机的至少一个实施例实质上具有与现有技术的2P/24S电动机相同的运行参数。因此，用于4P/36S电动机的驱动控制器105实质上可具有与用于24槽2极电动机的驱动控制器相同的电流和电压额定值。在运行中，用于本发明的4P/36S电动机的驱动控制器105可具有不同的运行频率，这是因为不同数量的极和槽。
已经详细介绍了本发明，将会明了，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可做出修改和变型。
例如，本发明还包含制造洗衣机的方法，其包含：
(1)制造4极转子102，例如通过堆叠叠层400、插入线棒402并对转子102的周缘411进行机械加工，以便将线棒402的颈部410暴露出来；
(2)制造36槽定子104，例如通过堆叠具有有着内直径的内孔202的定子叠层，所述定子叠层具有有着最小外直径的最小外直径，其中，内直径与最小外直径的比为至少0.63，定子具有铝绕组；
(3)将4极转子102插入孔202，使得当绕组由驱动控制器105通电时4极转子与36槽定子104处于磁耦合关系；以及
(4)将转子102连接到可水平旋转的衣物容器。
视情况可选地，制造4极转子102的方法可包含堆叠叠层400、插入线棒402并对转子102的外缘411进行机械加工以便将线棒402的颈部410暴露出来。
视情况可选地，该方法可配置受控感应电动机(CIM)或内永磁体(IPM)电动机。
在另一实施例中，本发明的电动机包含与可在至少5∶1的弱磁范围运行的36槽定子104组合的4极转子104，转子包含暴露在转子104的周缘的线棒402。
实例
为了进一步示出本发明，提供下面的非限制性实例。
根据本发明一实施例，已经发现，具有大于0.63的ID/最小OD的4极/6槽构造供给至少5∶1的弱磁范围，而没有与2极/24槽构造相比明显不同的电流要求。
根据本发明另一实施例，已经发现，具有暴露转子线棒的4极/36槽构造提供了至少5∶1的弱磁范围，而没有与2极/24槽构造相比明显不同的电流要求。
根据本发明一实施例，已经发现，具有大于0.63的ID/最小OD并具有暴露转子线棒的4极/36槽构造提供了至少5∶1的弱磁范围，而没有与2极/24槽构造相比明显不同的电流要求。
除非另有说明，这里介绍和示出的本发明的实施例的操作性能或执行顺序不是本质性的。也就是说，除非另有说明，运行可以以任何顺序进行，且本发明的实施例可包含除这里所公开以外的附加或较少的操作。例如，可以想到，在一操作之前、同时或之后执行或运行特定操作属于本发明的实施形态的范围。
在介绍本发明或其实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”、“所述”旨在表示存在一个或一个以上的该元件。术语“包含”、“包括”以及“具有”是包括性的，并旨在表示可能存在除所列元件以外的其它元件。
鉴于此，将会明了，可实现本发明的几个目标，并获得其他的有利结果。
由于在不脱离本发明的范围的情况下可对上述构造进行多种修改，上面的说明书所包含以及附图所示的所有主题将被解释为说明性的，而不是限制性的。

Claims (10)

1.一种洗衣机，其包含：
衣物容器，其被支撑用于绕水平轴旋转；以及
电动机，包含：
4极转子，其连接到衣物容器，以便绕水平轴旋转衣物容器；
36槽定子，其具有有着内直径的内腔，所述内腔容纳与36槽定子处于磁耦合关系的4极转子，所述定子具有有着最小外直径的外周缘，其中，内直径与最小外直径的比为大约0.63∶1或更大，其中，电动机能够以至少5∶1的弱磁范围运行，由此配置与具有小于0.63∶1的内直径与外直径比的电动机相比具有减少的材料、较低速度下降低的运行温度以及较低电流的电动机。
2.根据权利要求1的洗衣机，其中，转子包含在转子周缘暴露的线棒，且其中，电动机包含受控感应电动机(CIM)或内永磁体(IPM)电动机中的至少一个。
3.根据权利要求1的洗衣机，其中，36槽定子的内直径与外直径的比为大约0.63∶1。
4.根据权利要求1或3的洗衣机，其中，36槽定子的外直径为大约120毫米，其中，内直径为大约78mm，且其中，定子具有大约40毫米的高度。
5.根据权利要求1的洗衣机，其中，与具有大约132mm直径和大约60mm高度的尺寸的24槽2极电动机相比，电动机具有减少的材料，降低的运行温度和较低的电流。
6.根据权利要求1的洗衣机，其还包含具有不同运行频率的用于2极24槽电动机的驱动控制器，所述驱动控制器被连接到电动机，用于对所述电动机进行通电，其中，在脱水周期中，电动机被通电，以便以至少14000rpm的速度旋转转子，在洗衣周期中，电动机被通电，以便以小于600rpm的速度旋转转子。
7.一种制造用于水平轴洗衣机的电动机的方法，其包含：
制造4极转子；
制造36槽定子，其具有有着内直径的内孔，所述定子具有有着最小外直径的外周缘，其中，内直径与最小外直径的比为大约0.63或更大，其中，电动机能够以至少5∶1的弱磁范围运行，由此配置与具有小于0.63∶1的内直径与外直径比的电动机相比具有减少的材料、较低速度下降低的运行温度以及较低电流的电动机；
将所述4极转子插入所述孔，使得4极转子处于与36槽定子的磁耦合关系；以及
将4极转子连接到可水平旋转的衣物容器。
8.根据权利要求7的方法，其中，所述4极转子具有转子线棒，且该方法还包含制造4极转子，其可包含堆叠叠层、插入线棒并对转子的周缘进行机械加工以便将线棒的颈部暴露出来。
9.根据权利要求7的方法，其中，电动机包含受控感应电动机(CIM)或内永磁体(IPM)电动机中的至少一个，且该方法还包含提供具有铝绕组的定子。
10.根据权利要求7的方法，其中，在脱水周期中，电动机被通电，以便以至少14000rpm的速度旋转转子，在洗衣周期中，电动机被通电，以便以小于600rpm的速度旋转转子。
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