CN1026743C - 用于自动洗衣机的永久分相式电容电动机 - Google Patents

Abstract

一种永久分相式电容电动机和用于自动洗衣机的驱动系统，该系统包括用于旋转在自动洗衣机内搅拌器的电动机。一个控制电路以第一和第二方向操作该电动机。所述电动机具有一个匝数比约为1.0的两个定子绕组和一个低惯量的转子。定子内、外径比最好为0.43。

Description

本发明涉及用于自动洗衣机的、包括交替反向驱动的电动机，特别是永久分相电容器（permanent    split    capacitor）的搅拌器驱动系统。

在美国专利No.4779431中，揭示了一种用于自动洗衣机的驱动系统，它具有连结到用于驱动能量吸收搅拌器的驱动减速机构的高滑差电动机（high    slip    motor）。该高滑差电动机由间隔交变的脉冲驱动，使得搅拌装置在一个方向加速，然后在该脉冲结束后减速，接着在另一方向加速然后减速，因而通过向电动机输入脉冲产生正弦式的搅拌。发现在洗衣机中产生的正弦运动在减少织物损伤的同时改善了洗涤特性。以前这种搅拌运动只有使用相当大、复杂且昂贵的可逆传输才能得到。

在美国专利No.4542633中，揭示了一种搅拌驱动洗衣机，它具有借助于滑轮装置被联至可逆驱动电动机的搅拌轮。该搅拌轮具有短而厚的多个叶片。一个旋转角探测器连接到控制器，它使具有刚性的电动机旋转搅拌轮一个预定的角度。一旦到达预定角度，电动机不再供电直至搅拌轮停止，此时，该电动机相反方向动作再次使搅拌轮大致旋转一个预定角度。

由美国专利No.4542633的受让人制造的，且包含该专利技术的自动洗衣机被观察到在每分钟70个冲程速率时，每个冲程具有大约360°的搅拌冲程角。一个高刚性电动机在每个旋转方向随着短、快速的加速后产生一个近乎恒定的搅拌速度，随后是惯性滑行使之停止。

这样，具有为产生一般方波搅拌曲线的可逆电动机的自动洗衣机驱动系统是公知的。这里搅拌曲线由搅拌器转速相对于时间所定义。这样，方波搅拌曲线是在一个方向上有恒定速度，随后在一个相反旋转方向上有一个恒定速度。相应地，正弦搅拌曲线可以由搅拌器在每个旋转方向上的逐渐加速和继之立即逐渐减速所引起。

在美国专利No3，315，500（布伦戴奇（Brundage）等人）中，提供一种机构用作搅拌器的驱动系统，它采用一个在一个方向上作恒速运行的电动机去驱动一个液压传动装置，该传动装置经一个反向阀给搅拌器提供很快的倒转，因而这是一种方波型式的搅拌电动机。在搅拌器和搅拌器驱动轴间采用弹性耦联以减少冲击，否则它会在每次反转时传递给搅拌器。

在美国专利No.4232536中揭示了一种具有轴向气隙（axial    air    gap）感应电动机的自动洗衣机。该电动机重复反转经行星式驱动装置去振动一垂直轴向搅拌器，行星式驱动装置耦联于电动机和搅拌器之间，电动机作高速动作。在每次反转时提供搅拌器的软启动动作是大家所期望的，这种软启动动作是通过与行星式驱动机构相联的齿隙游移（backlash）来提供的。

上述所引参考文献中揭示的装置说明了所采用的电动机类型的重要性。采用的电动机显著地影响这些装置的质量。

一种适当设计的永久分相式电容（permanent    split    capacitor）（PSC）电动机具有许多特性，使它对于连续可逆的应用场合，例如在自动洗衣机中是理想的，它不需要启动开关，满负载效率是70%，启动与堵转（breakdown）的转矩比是约0.6，电子技术能施加于它来扩展其性能，且它轴向长度固有地短于其它类型的电动机。它的可靠性和多年的使用证明对这种应用是风险很低的电动机。

永久分相式电容电动机及其设计是熟知的现有技术。典型的， 运行和辅助绕组被绕制成空间磁极正交，即相互差90度电角度;前者通常先绕，然后后者以不同的圈数和线径绕在其上面。转子通常是鼠笼式结构。

现有技术的永久分相式电容电动机的设计参数已被恰当地确定，任何一个显著偏离这些参数可预计引起电动机某一功能变差。例如，定子内径D₁与定子外径D的比值对于四极电动机而言，大约是0.6。对于这个比值，为确定一个值的熟知的经验公式是（式中P是极数）：

$D_1=\frac{\mathrm{D\; -\; 0.647}}{\mathrm{1.175\; +}\frac{\mathrm{1.03}}{P}}$

还有，在负载点为了获得最大效率，电动机应有范围在1.5至2.5间的定子匝数比。

图7A表示现有技术的可逆电动机的速度一转矩曲线，其中曲线201是相应于一个旋转方向，而曲线203是相应于相反旋转方向。如图所示，负载线205与两曲线201和203均相交。如果电动机绕组在点207反转连接，系统将沿线205到稳定而不是反转的点209。本发明克服现有技术的这种缺陷。代之以，曲线201和203是绕组匝数比的函数。

可以在西里尔G魏诺特（Cyril    G.Veinott）所著、由MCGraw    Hill图书公司（MCGraw    Hill    Book    Company）于1959年出版的“小型感应电动机的理论和设计”中，找到现有技术的永久分相式电容电动机的设计和工作参数的极好概述。

永久分相式电容电动机在连续反转应用中，必须大大增加电动机的尺寸以在负载下达到快速加速。但是，已经发现，实际电动机尺寸的大量增加仅使电动机性能稍有提高。这是因为增加的转矩大部分用于动已增加惯性的转子。本发明再次克服现有技术中的这 一缺陷。

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种更适于连续可逆运转的永久分相式电容电动机及其驱动系统。

一个用于自动洗衣机的驱动系统，包括用于在该自动洗衣机中转动搅拌器的永久分相式电容电动机。一个控制电路以第一方向和第二方向操作该电动机。该电动机具有两个匝数比约为1.0的定子绕组和一个低惯性转子。电动机定子的内径与外径比值约为0.43。

电动机按速度转矩曲线，沿对于第一旋转方向的第一曲线T₁运行至与负载线T₃的交点，且按对于第二旋转方向的转矩曲线T₂运行。对所有第一象限的速度值，T₃减T₂大于零。对第二象限，T₂小于零，对所有T₃的正值，T₃减T₂大于零。

本发明相信具有新颖的特点详细叙述于所附权利要求中。本发明及其进一步的目的和优点通过参照结合附图所作的下述说明将更易于理解，在图中，相同的参照号表示相同的元部件。

图1是描述利用本发明的一个自动洗衣机，部分切开的透视图。

图2是图1的自动洗衣机部分剖视图。

图3是在图1的洗衣机中使用的永久分相式电容电动机中转矩对速度的一般曲线图。

图4是用于永久分相式电容电动机的控制电路的总框图。

图5是控制电路和永久分相式电容电动机的框图。

图6是永久分相式电容电动机的示意图。

图7A是现有技术的电动机转矩/速度曲线。

图7B是按照本发明构造的PSC电动机的转矩/速度曲线。

图8A是描述在可逆的现有技术电动机中加速度的图。

图8B是描述按本发明构造的PSC电动机中加速度的曲线图。

图9和图10是描述图1的自动洗衣机的动态的图。

本发明的新型PSC电动机具有普遍的通用性，且可用于多种应用。应用之一是用于操作自动洗衣机。

在图1中，标号10总体表示垂直轴搅拌器型洗衣机，该洗衣机具有可预置的控制器，它通过洗涤、漂清和甩干（Spin）等一系列编程自动操作该洗衣机。洗衣机包括底座（frame）12，形成机壳16的侧面、顶面、前面和后面的面板14。铰接的盖18通常以作为洗衣机10内部出入口的方式设置。洗衣机10具有后控制台20，其中设置人工设定控制装置包括定时度盘22和温度选择器24。

在洗衣机10内，设置一无孔的液体容纳桶26，在其内部安装一个围绕垂直轴转动的穿孔的滚筒（basket）28。一垂直设置的搅拌器30经驱动机构34联结到电动机32，以便动作。

参见图2，搅拌器30通过轴36联结到减速驱动机构34，它依次通过滑轮装置38由电动机30驱动。电动机32是高转差电动机，最好是永久分相式电容（PSC）电动机，它相对于堵转转矩（break-down    torque）具有低启动转矩以提供搅拌器软启动。PSC电动机32还在堵转点附近具有相对平缓的负荷曲线，使稳态速度将不会随负荷而变化很大。电动机32安装在联到洗衣机10底座12的托架装置40和42中。

电动机32通过滑轮装置38联结到减速驱动机构34。该滑轮装置包括由皮带48联结的主动轮44和从动轮46。在一个实施例中，减速驱动机构34是行星齿轮驱动机构，它包括弹性离合器50和安装在联到洗衣机10的底座12的减速驱动器框架54中的行星罩52。虽然在这里设置行星减速驱动机构用于本发明，但也可设想使用其它各种该技术领域中熟知的减速驱动装置。也可以设想除去减速驱动机构而把搅拌器直接联结到适当选择的电动机。

轴36从减速驱动机构34通过桶26和穿孔的滚筒28向上延伸，并联结到搅拌器30。桶环55在桶26的顶部四周伸展。搅拌器30是复式作用搅拌器，它具有带有螺旋状叶片58的上圆筒56和下搅拌器部分60，多个韧性的叶片62从该部分伸展。韧性的叶片62 使搅拌器30在转动方向反转时吸收能量，而仍把搅拌器30耦联到由桶26中的水以及织物中的任何颗粒提供的负荷。搅拌器和织物及水之间的耦连加载于电动机，致使速度缓慢增加。韧性叶片在行程的转角范围和织物尺寸范围上提供更均匀的负荷耦合和转矩。叶片62的韧性也防止冲程开始时的冲击负荷超过电动机32的制动转子转矩。

PSC电动机32的一般转矩/速度特性示于图3。转矩/速度曲线70相应于动作的第一方向，曲线72表示一相反方向的转矩/速度特性。如上面所讨论的，电动机32在慢速时有低的转矩，且电动机在有最高转矩值的曲线最右部分所指示的转折点或失落点74附近有相对平缓的曲线。由此可见，PSC电动机32主要工作在转矩/速度曲线的启动部分。

参见图4，其中说明永久分相式电容电动机32的控制电路。电动机32被连接到交流电源102，它提供适当频率和幅度的交流电压和电流去操作电动机32。电动机32包括一对绕组104和106。这对绕组104和106连接成一个绕组是运行绕组而另一个是辅助绕组。一对开关107和108确定绕组104和106中哪个将是运行绕组和辅动绕组。例如，开关107和108可以如图4所示是具有控制电极110和112的三端双向可控硅开关。

其它形式的双向开关装置例如机械开关或继电器可用来代替三端双向可控硅开关107和108。但是，使用三端双向可控硅开关允许在绕组供电点上得到相对精确的控制。

使用图4的电动机和开关装置，通过向绕组104和106供电可以有效地使电动机32快速反转。但是，通过按照速度分布向PSC电动机32供电可以获得自动洗衣机的优良性能。例如，加速电动机-预定时间，以恒速运行电动机，最后减速电动机直至它达到大约零速度，此时，电动机32通过改变开关107和108而反转。作为提供给每个绕组104和106、用于在每个方向操作电动机的速度分布可以根据应用取任何变化的形式。

如图4所示，电动机32的轴114连到转速计116，它输出一个指示电动机32速度的信号。一个脉冲一直流转换电路118把该信号转换成供给加法接点（summing    junction）120的直流电平。来自速度分布产生器122的速度分布信号也提供给加法接点120。速度分布产生器122也提供一个为脉冲位置变换器124所利用的方向信号。脉冲位置变换器124还接收来自加法接点120的误差信号，并然后根据这个信息在来自交流电源102的交流电流的一定相角期间把一脉冲信号提供给适当的三端双向可控硅开关，以确定提供给电动机32的功率数量。如所周知，三端双向可控硅开关在开启后将维持导通直到通过电动机32的交流电流的下一过零点为止。易于理解，其它形式的控制电路也能用于本发明的新颖的PSC电动机。图4的电路仅是个例子。

图5表示本发明的总框图。PSC电动机32由交流电源102供电。可逆的三端双向可控硅驱动装置126根据PSC电动机32选择的旋转方向把交流电源线128连到线130或者连到线132。

示于图5的PSC电动机32具有许多特性，这使它对于连续反转的应用例如用于驱动自动洗衣机的搅拌器十分理想。例如，它不需要启动开关且满负载效率约70-80%。启动与失落转矩比约是0.6.PSC电动机特有的轴向长度短于其它类型电动机这一事实也是重要的。

为了在PSC感应电动机中从PSC电动机静止位置产生一个旋转磁场必须有两个要求。辅助绕组必须实际上相对主绕组位移大约360°/2P（P是极数）。例如，在一个四极电动机中，最好相对主绕组位移45度。而且，辅助绕组必须相对于主绕组具有约360°/P的电气相移（例如对四极电动机最好是90度）。这样的四极PSC电动机示于图6，其中，辅助绕组140相对主绕组142位移45度机械角，且电容器144当开关146在所示位置1时用于在辅助绕组中移动相电压。由定子148的定子绕组产生的合成旋转磁通量和转子笼150中感应的电流的矢量积产生电动机转矩。

如上所述，已有技术PSC电动机的设计要求为了在负载点有最大的效率，典型的定子匝数比是在1.5至2.5范围中，且容抗选择成等于主绕组开路电抗乘匝数比的平方。但是，这种形式的PSC电动机在操作一个自动洗衣机中能引起某些问题。这些确立的关系不适合自动洗衣机的要求，因为它们在每个旋转方向产生不同速度转矩特性、不平衡的搅拌器运动和织物缠结。例如，速度转矩曲线的第一象限中的转矩使得在反转开关启动后转子在同一方向继续转动。

按照本发明的新颖的PSC电动机通过使定子运行绕组与辅助绕组的匝数比大约为1.0和容抗等于1.5倍主绕组开路电抗而克服了已有技术中的这个问题。容抗应在主绕组开路阻抗1.25至1.75倍范围中。在较佳实施例中，PSC电动机的槽电抗（slot    reactancel）可借助在1.0到1.04范围内改变电动机绕组的匝数比来加以考虑。

一个典型的已有技术速度曲线示于图7A。已知在已有技术中，单相感应电动机应该与相等额定值、用于相反旋转方向机械耦合和连接的两个多相电动机有相同的总转矩特性。这产生图7A的曲线。当电动机以一个方向旋转时，它按201所示的第一曲线T₁运行。当电动机以相反方向旋转时，它按203所示的第二曲线T₂运行。如所周知，在运行过程中，电动机加速到由产品负载线（product load line）T₃（示于205）和曲线T₁和T₂交点所确定的稳定状态速度。示于205的产品负载线T₃是一个例子，其中，在点207上使电动机绕组反转连接，这将导致在209点上电动机的稳定而不反转的运行。

已经确定，如果在产品负载线T₃上的转矩值减去电动机转矩曲线T₂上的转矩值在第一象限内（即，曲线T₃和T₂不相交）对所有的速度值都大于零，则电动机将发生成功的反转。通过设计电动机使对所有T₃的正值、T₂均小于零时，这个条件能够满足。即，电动机最好设计成使得反转电动机转矩曲线T₂只位于第二象限，如 图7B所示。

本发明的新颖的单相PSC电动机产生分别示于图7B中211和213的新颖速度曲线T₁和T₂。因为如图所示213的曲线T₂始终位于第二象限，PSC电动机从示于221的负载线T₃上的点215反转后，将加速到处平衡状态的点217。注意到这点是重要的，即如果PSC电动机的匝数比是1.0，则曲线211和213将不是精确对称的。这是因为一个绕组必须绕在电动机槽中另一绕组的上面。因而，发现绕组匝数比1.04能提供曲线211和213的适当的对称。

搅拌器加速度在产生合适的洗涤负载翻转和洗涤动作中是重要的参数。因而电动机转矩必须足够提供需要的搅拌器加速度。在现有技术中已知为了增加输出转矩，PSC电动机的尺寸即它的直径和长度都将增加。但是，本发明的PSC电动机不使用现有技术的处理来达到输出转矩的增加。电动机/机器动态分析显示多于75%的电动机转矩消耗于加速转子质量。这个分析也显示，当增加电动机的尺寸以增加更多转矩时，转子惯性也足够大地增加以致大大地抵消附加的转矩。如下面将详细说明的那样，转子惯量是直径四次幂的函数，因而，确定必须主要从设计定子内径对外径比的现有技术作出改变。通过把内径对外径的比从0.6减为0.43（如上所述0.6是现有技术），并增加附加长度以维持转矩，则惯量和加速转子所需的转矩被减小系数2.8。

例如，具有大的直径的现有技术电动机的图8A的计算机模拟显示电动机在223处的加速度是1570rad/S²。如本发明的新型PSC电动机图8B的计算机模拟中所示，它具有小得多的直径，在225处有2736rad/S²的加速度。加速只要较少时间是一个重要的考虑，因为这是一个感应电动机无效的区间。

根据图9，下面的方程式显示电动机转矩对于示于图1和图2的洗衣机的旋转方式的关系。按照图10，下面方程式显示对于示于图1和图2的洗衣机搅拌方式的关系。

旋转方式

$\mathrm{T\; (t)\; =\; J\; m\; \prime }\frac{d^2{\theta }_1\mathrm{(t)}}{{\mathrm{d\; t}}^2}{\mathrm{+\; B}}_m\frac{{\mathrm{d\; \theta }}_1\mathrm{(t)}}{\mathrm{d\; t}}+\frac{N^2{}_1}{N_2}{\mathrm{(J\; b\; \prime +J}}_1)\frac{d^2{\theta }_1\mathrm{(\; t)}}{{\mathrm{d\; t}}^2}$

$+\frac{N^2{}_1}{N_2}\mathrm{B\; b}\frac{{\mathrm{d\; \theta }}_1\mathrm{(t)}}{\mathrm{d\; t}}+\frac{N^2{}_1}{N_2}\mathrm{F\; b}\frac{{\mathrm{d\; \theta }}_1\mathrm{(\; t)}}{{\mathrm{｜\theta }}_1｜}$

式中：Jm′＝总驱动惯量＝Jm+Jd

Jm＝电动机惯量＝45×10^-3N.m.s²

Jd＝滑轮惯量＝0.037×10^-3N.m.s²

Bm＝驱动摩擦＝1.9×10^-3N.m/RPS

Jb′＝机器惯量＝Jb+Ja+Js

Jb＝滚筒惯量＝.375 N.m.s²

Ja＝搅拌器惯量＝.0088N.m.s²（包括滑轮的9×

10^-4N.m.s²）

Js＝旋转管＝0.001 N.m.s²

J₁＝负载惯量＝0.035×L（在湿的条件中织物的干的磅重）

N₁/N₂＝齿轮比＝1/2.6

Bb＝粘滞摩擦＝12.3×10³N.m/RPS

Fb＝库仑摩擦＝2.26N.m

搅拌方式

式中：

Jm′＝总驱动惯量＝Jm+Jd

Jm＝电动机惯量＝.45×10^-3N.m.s²

Jd＝滑轮＝0.037×10^-3N.m.s²

Bm＝驱动摩擦＝0.0019N.m./RPS

Ja＝搅拌器惯量＝0.0088N.m.s²

（包括滑轮的9×10^-4N.m.s²）

N₁/N₂＝齿轮比＝ 1/11.43

Bb＝传输粘滞摩擦＝0.0123N.m/RPS

B₁＝负载粘滞摩擦＝0.06 N.m/RPS

K₁＝弹性常数＝2+.34×负荷（磅）（N.m/rad）

B₂＝织物对滚筒粘滞摩擦＝40N.m/RPS

下面是对按照本发明构造的PSC电动机一个实施例的说明。

电动机样机已发现能产生对于自动洗衣机所希望的性能特性。该样机是在120伏、60Hz的电源上并具有45微法电容器的情况下产生这一性能的。

为了获得可接受的搅拌速度分布，转子的惯量必须相关于电动机的牵拉转矩（pull-up    torque）。一个实验性的电动机具有下述惯量：

转子、轴及轴承内座圈-.45×10^-3N.m.s²

风扇和滑轮 -.037×10^-3N.m.s²

总计 -.487×10^-3N.m.s²

其它比值也可能可接受。

样机设计如下：

主绕组-33-66^＃22

辅助绕组-33-66^＃22

转子-34槽，2.4英寸外径（O.D.）

定子-24槽，5.5英寸外径

铁芯长度（Stack）-1.53英寸

X    -5.724/6.36

Xo    -42.55/47.7

R₂-9.3

铁损    -31.9/42

轴承    -双球型

应该设置安装风扇的内轴以提供绕组冷却。一个位于与轴尾相对、贴近绕组的单个径向电扇就足够了。在托架的末端应设置通风口以通过轴向进气和径向排气。

这样，可以看到，按照本发明构制的新型的PSC电动机提供按照示于图7的速度转矩曲线的运行，而且利用基本上1比1的绕组比，另外利用具有比现有PSC电动机更小的直径和较长长度的低惯量转子。值得赞赏的是，本发明的PSC电动机完全与PSC电动机目前公认的设计不同。

如前所述显然，本发明允许包括与前面叙述的说明细节上有些不同的各种变换和修改。但易于理解，所有这些修改有理由认为适当的包含在本发明内。

Claims (2)

1、一种连续可逆的永外分相式电容电动机，它包括：

具有外径的转子；

具有内径和外径的定子；

其特征在于，所述定子内径除以所述定子外径所确定的定子比是0.43；

定子主绕组线，它包括与第一开关串联的、具有第一匝数的定子主绕组；和

与所述主绕组线并联的定子辅助绕组线，它包括与第二开关串联的、具有第二匝数的定子辅助绕组；所述第一和第二匝数比是1.04；

所述辅助绕组相对主绕组位移360°/2p，其中p是该电动机的极数；且该辅助绕组相对于主绕组具有360°/p的电相移。

2、一种用于具有设置在洗衣桶内的搅拌器的自动洗衣机的驱动系统包括：

安装在自动洗衣机内的连续可逆的低惯量的永久分相式电容电动机，所述电动机是可按照对于第一方向的速度/转矩曲线T₁和对于第二方向的速度/转矩曲线T₂运行的，所述速度/转矩曲线T₁和T₂是在一速度/转矩两维图上绘制的，其中：水平轴是转矩而垂直轴是速度;所述电动机包括：

具有外径的转子;

具有内径和外径的定子;

其特征在于，所述定子内径除以所述定子外径所确定的定子比是0.43;

定子主绕组线，它包括与第一开关串联的、具有第一匝数的定子主绕组;和

与所述主绕组线并联的定子辅助绕组线，它包括与第二开关串联的、具有第二匝数的定子辅助绕组;所述第一和第二匝数比是1.04;

所述辅助绕组相对主绕组位移360°/2p，其中p是该电动机的极数;且该辅助绕组相对于主绕组具有360°/p的电相移;

联结到所述电动机的驱动装置，它转动所述搅拌器且对于所述电动机在所述图上呈现负载线T₃;

以第一方向和相反的第二方向操作所述电动机的控制电路，该控制电路包括以所述第一方向和相反的第二方向变换电动机运行的装置。

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