CN1184369C - 使用直流排水电磁铁的洗衣机 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种电子控制的使用直流排水电磁铁的洗衣机。所述电磁铁的线圈只设一个绕组，即其吸合电路和保持电路均为同一绕组。所述电子控制的电路向电磁铁输出的电压按照设定：在电磁铁吸合启动时，为电磁铁的额定初吸电压；在经历一个相当于电磁铁衔铁吸合运动过程的额定时间后，降低为额定保持电压。本发明简化了现有技术电磁铁的绕组结构和位置开关，提高可靠性和降低成本，并可进一步改善其它性能。
Description
本发明涉及一种使用直流排水电磁铁的洗衣机，尤其是电子控制的使用直流排水电磁铁的洗衣机。该种洗衣机备有：排水阀，牵引排水阀的直流排水电磁铁(以下可简称电磁铁)，向电磁铁输出电压的电力电子驱动电路和控制该电力电子驱动电路的控制电路；开通排水阀时，控制电路使电力电子驱动电路向电磁铁输出电压使之启动吸合，并在排水阀开通期间，继续向电磁铁输出电压，使之保持吸合状态。
现有技术已沿用多年，近况仍可见于2000年6月13日发布的中华人民共和国轻工行业标准QB/T2482-2000《直流排水电磁铁》，和《全自动洗衣机原理与维修》(福建科学技术出版社2000年1月第1版第27页)：如图1所示洗衣机结构和如图2所示电磁铁及其控制的电路，所述洗衣机的电磁铁14的线圈包括二个绕组——少匝数粗线径的吸合绕组L1和多匝数细线径的保持绕组L2；电磁铁4内设由衔铁吸合推动的动断式微动位置开关S；开关S与保持绕组L2并联，在电磁铁4的衔铁释放时处于闭合状态；电力电子驱动电路13包括仅作为通断开关使用的双向晶闸管V1和整流桥元件V2。在电磁铁14吸合启动时，开关S仍处于闭合状态，在控制电路2的控制下，来自电源装置11的交流电压经双向晶闸管导通和整流桥元件V2整流为直流电压，全部施加在吸合绕组L1上形成足够大的初吸电流；在吸合动作完成转入保持状态时，开关S被电磁铁的衔铁推动至断开状态，保持绕组L2被接入电路，电力电子驱动电路13输出的相同的直流电压施加在吸合绕组L1和保持绕组L2的串联电路上，使电流降低为保持电流。按照QB/T2482所列额定参数，额定电压下的电磁铁的额定保持电流Ib0远小于额定初吸电流Ic0，约为后者的几十分之一。所述洗衣机存在如下问题：
1、所述开关被推动至断开时，吸合绕组的大电感直流电流的续流回路受到所串联的保持绕组阻隔，以至因释放达焦耳级的电磁能量产生相当高的过电压，明显损害开关触头和绕组绝缘，需对开关和绕组的性能提出较高的要求。限于体积和成本，使该开关达到足够的可靠性和寿命往往相当困难；如闭合不良，电磁铁在吸合启动时，保持绕组被接入电路，因而通过和保持电流一样的较小的电流以至不能吸合；如断开不良，电磁铁在吸合动作完成转入保持状态时，电力电子驱动电路输出的电压仍全部施加在吸合绕组上，因而长时间通过和初吸电流一样的较大的电流，导致电路过热，如未设有保护电路或其失灵，将烧毁吸合绕组，甚至发生电气火灾。由于牵引负载变大或电源电压偏低等电磁铁之外的事故以至电磁铁不能正常吸合并使开关断开时，即使事故扩大，发生上述长时间较大的电流的情况。
2、电磁铁使用二段绕组结构，其保持绕组为细线径绕组，材料单价较高，且需较高的绕制和绝缘处理工艺要求。在电磁铁处于保持状态时，二段线径差距颇大的绕组串联流过相同的保持电流，对吸合绕组，其电流密度太低，材料明显浪费；对保持绕组，其电流密度往往较高，以至温升偏高，影响安全和寿命。
本发明的目的在于提供一种电子控制的使用直流排水电磁铁的洗衣机，克服现有技术的电磁铁的绕组结构和位置开关的弊病，提高可靠性和降低成本，并可进一步改善其它性能。
该洗衣机备有：排水阀，牵引排水阀的直流排水电磁铁，向该电磁铁输出电压的晶闸管整流电路及其交流电源和控制电路；该晶闸管整流电路由双向晶闸管和整流桥元件组成，或是由1～4个单向晶闸管和整流二极管组成的单相全控桥、半控桥或半波可控整流电路；开通排水阀时，控制电路使晶闸管整流电路向该电磁铁输出电压使之启动吸合，并在排水阀开通期间继续向该电磁铁输出电压，使之保持吸合；并且：a)该电磁铁的线圈只设一个绕组，即其吸合电路和保持电路均为同一绕组；b)晶闸管整流电路向该电磁铁输出的电压按照设定控制在电磁铁吸合启动时为额定初吸电压，在经历相当于电磁铁吸合运动过程的额定时间后降低为额定保持电压；控制电路含有设定单元和脉冲发生单元，脉冲发生单元按设定单元内固有的设定，发生与交流电源同步的设定移相角的脉冲，在每一个交流半波过零后的设定时刻，触发双向晶闸管导通，并且该移相角在相当于电磁铁吸合运动过程的额定时间中，从较小值增大为较大值，又在直流排水电磁铁释放时增大为最大值或断电。
因而向电磁铁输出的电压按照设定控制为：在相当于电磁铁衔铁吸合运动过程的设定的时间中，从所述额定初吸电压按照时间逐步降低为所述额定保持电压；又在电磁铁释放时按照时间逐步降低为零。该设定综合牵引负载特性和电磁铁的吸力特性，设计为一定的时间函数关系，实行“缓慢吸合和缓慢释放”，减少机械动作冲击引起的振动和噪声等损害。
作为本发明的另一进一步改进，所述控制电路设有检测单元和设定单元；检测单元检测电源电压，其输出与设定单元内固有的设定，共同控制电力电子驱动电路，使其在电源电压波动时，向电磁铁输出的电压稳定于固有的设定。因而使电磁铁适应电源电压的波动，保持稳定的工作状态，避免以往电源电压过低以致吸力不足，或过高以至过电流和吸力过大的机械冲击。
本发明的洗衣机，其电磁铁取消了现有技术中的开关结构，把粗细线径各一段的绕组结构改为仅一段粗线径绕组结构，工艺性、可靠性以及电流密度的经济性和安全性明显改善，成本因而显著降低；其中，实施定时降低电压控制，还可以避免现有技术的电磁铁由于牵引负载变大或电源电压偏低等电磁铁之外的原因未能正常吸合到位而长时间通过较大的电流，使故障扩大，导致保护电路动作，甚至烧毁绕组的情况。本发明对现有技术电磁铁结构的简化，是对现有技术的电力电子驱动电路固有的功率连续调节功能加以利用实现的，未因此增加成本，并且可进一步改善其它性能。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
图1为现有技术和本发明各实施例洗衣机结构略图。
图2为现有技术洗衣机的电磁铁及其控制的电路图。
图3为本发明第1实施例的洗衣机的电磁铁及其控制的电路图。
图4为本发明第2实施例的洗衣机的电磁铁及其控制的电路图。
如图1所示本发明洗衣机的结构，盛水桶1旋转自如地设有在内底部旋转自如地设有波轮2的洗涤桶兼脱水桶3，靠悬挂件4吊挂在洗衣机主体5中；电动机及其传动机构7设在盛水桶1的底部，把动力传递到波轮2和洗涤桶兼脱水桶3；供水系统8向洗涤桶兼脱水桶3内供水，排水阀9受电磁铁14牵引，把洗涤兼脱水桶3内的洗涤水等排出。此是一种波轮式自动洗衣机的典型构成。但是并不限定是波轮式洗衣机，也可以是搅拌式洗衣机或滚筒式洗衣机。
如图3所示本发明第1实施例的洗衣机的电磁铁及其控制的电路，所述洗衣机的电磁铁14的线圈只有一个绕组L，是以现有技术符合QB/T2482要求的产品(以下简称原产品)去除保持绕组和位置开关构成，L即原来的吸合绕组L1；电力电子驱动电路13包括双向晶闸管V1和整流桥元件V2，在控制电路12控制下，按照现有技术双向晶闸管典型的移相触发调压方法工作。控制电路含有设定单元16和脉冲发生单元17，脉冲发生单元17按照设定单元16内固有的设定，发生与交流电源同步的设定移相角α0的脉冲，在每一个交流半波过零后的设定时刻，触发双向晶闸管V1导通，使来自电源装置11的正弦交流电压U转换为相应导通角θ0(θ0＝π-α0)的非正弦交流电压，再经整流桥元件V2整流，向电磁铁14的绕组L输出全波整流的直流电压Ed。当U为额定值U0时，Ed为与α0对应的设定直流电压Ed0。
以下是本实施例以U的一个半波为一个计时单位，各状态设定时间段T的α0和Ed0设定情况的2个方案。其中：
——U以有效值计量；Ed0以平均值计量，并以U0的倍数表示；
——对于以前述原产品去除保持绕组和位置开关构成的电磁铁，额定初吸电压取原产品的直流额定工作电压值；额定保持电压按以下现有技术等安匝数吸力原理公式，以原产品额定参数代入右式计算：
额定保持电压＝Ib0×L1的电阻×(L1的匝数+L2的匝数)÷L1的匝数
按此，额定保持电压约为额定初吸电压的1/7～1/10，即可形成所需额定保持电流和额定初吸电流，保持原产品的牵引特性。所述2个方案因此的额定初吸电压取值为0.9U0，额定保持电压取值为0.132U0。
——原产品的衔铁吸合运动过程的时间，QB/T2482规定为0.5S以内，通常约0.2～0.5S；所述2个方案因此的额定时间取值0.25S，当U的频率为50Hz时，即相当于10个半波。
第1方案：
| 序号 | 状态 | 设定时间段T | 设定移相角α0 | 设定直流电压Ed0 |
| 1 | 吸合 | 第1～10个半波 | 0 | 0.9U0 |
| 2 | 第11个半波并至吸合结束 | 3/4π | 0.132U0 | |
| 3 | 释放 | 全过程 | (π) | 0 |
此是电磁铁“瞬时吸合和瞬时释放”的一个控制方案。电力电子驱动电路13按照设定的α0工作，在电磁铁吸合启动时，首先向电磁铁14的绕组L输出为0.9U0的Ed0，并在10个半波的额定时间内维持该数值；又从第11个半波开始，把Ed0降低为0.132U0，并把该数值维持至吸合结束；至电磁铁释放时，断电或按设定α0＝π，使Ed0为零。
第2方案：
| 序号 | 状态 | 设定时间段T | 设定移相角α0 | 设定直流电压Ed0 |
| 1 | 吸合 | 第1～2个半波 | 0 | 0.9U0 |
| 2 | 第3～4个半波 | 1/6π | 0.840U0 | |
| 3 | 第5～6个半波 | 1/3π | 0.676U0 | |
| 4 | 第7～8个半波 | 1/2π | 0.450U0 | |
| 5 | 第9～10个半波 | 2/3π | 0.226U0 | |
| 6 | 第11个半波并至吸合结束 | 3/4π | 0.132U0 | |
| 7 | 释放 | 第1～2个半波 | 4/5π | 0.086U0 |
| 8 | 第3～4个半波 | 5/6π | 0.060U0 | |
| 9 | 第5～6个半波 | 6/7π | 0.045U0 | |
| 10 | 第7～8个半波 | 7/8π | 0.034U0 | |
| 11 | 第9～10个半波 | 8/9π | 0.027U0 | |
| 12 | 第11个半波及之后 | (π) | 0 |
此是电磁铁“缓慢吸合和缓慢释放”的一个控制方案。电力电子驱动电路13按照设定的α0工作，在电磁铁吸合启动时，首先向电磁铁14的绕组L输出为0.9U0的Ed0，然后在表中序号1～6共10个半波的额定时间中，把Ed0逐步降低为0.132U0，之后把该数值维持至吸合结束；电磁铁开始释放时，首先把Ed0降低为0.086U0，然后在表中序号7～12共10个半波的的时间内，把该数值逐步降低为零。
按照具体洗衣机及其电磁铁的额定电压、电磁结构和牵引负载的情况，还可以有其它设定数值的T和Ed0的方案。与Ed0对应的α0，按照以下现有技术全波桥式可控整流移相角计算公式计算：
α0＝arccos(2.22Ed0/U0-1)
有关设定，可在设定单元16以现有技术各种典型延时电路设置适当的元件参数获得，对于兼有其它功能并通常包括微计算机的控制电路12，通常固化在微计算机的ROM中。
本实施例的电力电子驱动电路13也并不限于由双向晶闸管和整流桥元件组成，也可以是现有技术由1～4个单向晶闸管和整流二极管组成的单相全控桥、半控桥或半波可控整流电路；对于洗衣机的电子电路中已有适合的直流电源的情况下，还可以是多种其它电力晶体管的开关电路。
如图4所示本发明第2实施例的洗衣机的电磁铁及其控制的电路，是在第1实施例的基础上，增设检测单元10，用以检测电源装置11的交流电压的有效值U；控制电路12的设定单元16，按照其内部固有的设定：如第1实施例中的U0以及对应于各组T和Ed0的α0，和检测单元10检测到的U，按照以下现有技术等电压波包络面积原理的公式，计算得到修正后的脉冲移相角α：
α＝arccos[(1+cosα0)U0/U-1]
当U偏离额定值时，控制电路12在对应于各组的T，按照所述修正后的α控制电力电子驱动电路13得到的Ed，即可以稳定在所对应设定的Ed0上，使其向电磁铁的输出电压不受电源电压波动的影响。上述计算，通常按照现有技术以程序固化在设定单元16所在微计算机的ROM中；也可以在设定单元16形成现有技术典型的自动调节的模拟或数字电子电路，按照差值Δ＝U-U0修正α，也能在指定时间段T使Ed稳定于Ed0，改善电源电压波动对电磁铁的影响。
实施例中以原产品去除保持绕组和位置开关构成的电磁铁，还存在磁路、线圈体积和线径可以缩减的可行性，通过电磁优化设计，可达到缩小体积和进一步降低成本。
Claims (6)
1、一种使用直流排水电磁铁的电子控制的洗衣机，备有：排水阀，牵引排水阀的直流排水电磁铁，向直流排水电磁铁输出电压的晶闸管整流电路及其交流电源和控制电路；所述晶闸管整流电路由双向晶闸管和整流桥元件组成，或者是由1～4个单向晶闸管和整流二极管组成的单相全控桥、半控桥或半波可控整流电路；开通排水阀时，控制电路使晶闸管整流电路向直流排水电磁铁输出电压使之启动吸合，并在排水阀开通期间，继续向直流排水电磁铁输出电压，使之保持吸合状态；并且：
a)所述直流排水电磁铁的线圈只设一个绕组，即直流排水电磁铁的吸合电路和保持电路均为同一绕组；
b)所述晶闸管整流电路向直流排水电磁铁输出的电压按照设定控制为：在直流排水电磁铁吸合启动时，为额定初吸电压；在经历一个相当于直流排水电磁铁衔铁吸合运动过程的额定时间后，降低为额定保持电压；
其特征在于，所述控制电路含有设定单元和脉冲发生单元，脉冲发生单元按照设定单元内固有的设定，发生与交流电源同步的设定移相角的脉冲，在每一个交流半波过零后的设定时刻，触发双向晶闸管导通，并且该移相角在相当于直流排水电磁铁衔铁吸合运动过程的额定时间中，从较小值增大为较大值，又在直流排水电磁铁释放时增大为最大值或断电。
2、根据权利要求1所述的洗衣机，其特征在于：所述额定时间为所述交流电源10个半波，所述较小值为0，所述较大值为3/4π，所述最大值为π。
3、根据权利要求1所述的洗衣机，其特征在于：该移相角在相当于直流排水电磁铁衔铁吸合运动过程的额定时间中，从较小值按照时间逐步增大为较大值，又在直流排水电磁铁释放时按照时间逐步增大为最大值。
4、根据权利要求3所述的洗衣机，其特征在于：
——该移相角自直流排水电磁铁通电开始所述交流电源第1～2个半波中为0，第3～4个半波中为1/6π，第5～6个半波中为1/3π，第7～8个半波中为1/2π，第9～10个半波中为2/3π，第11个半波并至吸合结束为3/4π；
——该移相角自直流排水电磁铁释放开始所述交流电源第1～2个半波中为4/5π，第3～4个半波中为5/6π，第5～6个半波中为6/7π，第7～8个半波中为7/8π，第9～10个半波中为8/9π，第11个半波及之后为π。
5、根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的洗衣机，其特征在于：所述控制电路设有检测单元和设定单元；检测单元检测电源电压，其输出与设定单元内固有的设定共同控制晶闸管整流电路，使其在电源电压波动时，向直流排水电磁铁输出的电压稳定于固有的设定。
6、根据权利要求5所述的洗衣机，其特征在于：该移相角为α0，电源电压额定值为U0和检测电源电压为U时，按照修正后的移相角α＝arccos[(1+cosα0)U0/U-1]控制。
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