一種電動裝置和含該裝置的洗衣機及其驅動和制動方法
【專利摘要】本發明公開了一種電動裝置和含該裝置的洗衣機，所述電動裝置包括電源調制器、定子單元和永磁體轉子單元；所述洗衣機的轉桶上至少設置一個轉子單元組，每個轉子單元組包括至少4個間隔設置的轉子單元，且所有轉子單元環繞轉桶的磁極方向相同；定子單元至少安裝一個在機架固定部位，其與轉子單元的周期性相對氣隙不大于70mm；所述電源調制器對定子單元繞組供電形成的電磁極方向與轉子單元運動相向的磁極相反；電源調制器對定子單元的繞組相應輸出時序電流，實現所述電動裝置的驅動/制動。所述洗衣機至少設置一套該電動裝置。
【專利說明】
一種電動裝置和含該裝置的洗衣機及其驅動和制動方法
技術領域
[0001]本發明涉及洗衣機的電動設計領域，具體涉及一種洗衣機的電動裝置結構、電源調制方法以及對洗衣機電動裝置的驅動和制動方法。
【背景技術】
[0002]洗衣機是涉及千家萬戶的家用電器，節能減排意義重大，據估計我國至少有2億臺洗衣機，如果平均每臺每月少用I度電，每年可節省24億度電。目前我國市場的洗衣機主要有滾筒洗衣機和波輪洗衣機，兩大類洗衣機各有其優缺點。
[0003]滾筒洗衣機發源于歐洲，洗衣方法是模仿棒錘擊打衣物原理設計，利用電動機的機械做功使滾筒旋轉，衣物在滾筒中不斷地被提升摔下，再提升再摔下，做重復運動，加上洗衣粉和水的共同作用使衣物洗滌干凈。波輪式洗衣機發源于日本，工作原理由電動機帶動波輪轉動，依靠裝在洗衣桶底部的波輪正反旋轉，帶動衣物上下左右不停地翻轉，使衣物之間、衣物與桶壁之間，在水中進行柔和地摩擦，在洗滌劑的作用下實現去污清洗。波輪式洗衣機有單桶、套桶、雙桶多種形式，一般認為具有結構比較簡單、洗凈率高的優點，但對衣物磨損率大，用水多。
[0004]市場普遍認為滾筒洗衣機的優點在于衣物無纏繞、洗滌均勻、磨損率要比波輪洗衣機小10%，可洗滌羊絨、羊毛、真絲等衣物，做到全面洗滌，也可以加熱，使洗衣粉充分溶解，充分發揮出洗衣粉的去污效能；也可以在桶內形成高濃度洗衣液，在節水的情況下帶來理想的洗衣效果。一些滾筒洗衣機較之波輪洗衣機，除了洗衣、脫水外，還有消毒除菌、烘干、上排水等功能，滿足了不同地域和生活環境消費者的需求。滾筒式洗衣機最突出的優點是采用了控制水量大小的節水技術，一般滾筒式洗衣機洗滌5KG衣物的標準用水為50L，僅為波輪式洗衣機的1/3。
[0005]滾筒洗衣機具有耗時和耗電的缺點，耗時一般消費者可接受(洗衣過程一般超過一小時，波輪式洗衣機40分鐘左右)，但耗電是明顯缺陷，雖然采用變頻技術可緩解其耗電的劣勢，但滾筒洗衣機比其他類型洗衣機更消耗電量是不爭的事實。滾筒洗衣機雖然號稱一般正常洗滌的功耗在200-400瓦，因多次脫水時功耗數倍增加(與轉速成正比)，如果水溫加到60度，洗一次要100分鐘以上，耗電1.5度左右(不計入烘干所耗電量)。相比之下，波輪洗衣機的耗電量小得多。
[0006]但是，無論是滾筒洗衣機還是波輪洗衣機，耗電量都是很可觀的，其耗電主要在所配置的電動機上；近年以來，技術開發商普遍試圖應用PWQ技術來控制電機轉速，以圖達到降低洗衣機耗電量的目的，但控制的基本思路通常建立在現有電動機的結構基礎上，研發主流集中在電機內部旋轉的相角位控制思想范疇。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于克服現有洗衣機配用單元結構電動機、對電動機供電方式局限于逆變電流方向和相角位控制的設計缺陷，提供一種通過電源調制器將外部電源改變為時序供電方式的設計方案，同時電動裝置不再采用單元結構電動機的傳統設計，結構簡單，轉矩大，工藝容易實現。
[0008]本發明提供的一種洗衣機的電動裝置，所述電動裝置包括電源調制器1、定子單元3a和永磁體轉子單元3b ;所述洗衣機的轉桶5上至少設置一個轉子單元組，每個轉子單元組包括至少4個間隔設置的轉子單元3b，且所有轉子單元環繞轉桶設置的磁極方向相同；所述定子單元3a至少安裝一個在靠近轉桶外緣的機架4固定部位，與轉子單元3b所形成的周期性相對氣隙3d不大于70mm ;
[0009]所述電源調制器I包括電源輸入端la、邏輯信號輸入端Id和時序電流輸出端lb，其電源輸入端電連接電源10，時序電流輸出端電連接定子單元3a的內部繞組；所述電源調制器I對定子單元3a內部繞組供電使定子單元形成電磁極的方向，設置為與永磁體轉子單元3b運動相向的極性相反；所述電源調制器對定子單元的內部繞組相應輸出時序電流，實現所述電動裝置的驅動/制動。
[0010]優選的，所述電源10包括常規交流電及其經整流的直流電，以及任意蓄電裝置。[0011 ] 優選的，所述至少4個轉子單元3b環繞轉桶5同極向設置，包括N/S兩極連線9與轉桶同軸法線7重合/垂直的4種典型組合狀態，以及在4種典型組合狀態基礎上N/S兩極連線偏轉不超過25度角；所述永磁體為常規磁鋼、釹鐵硼等一類帶有固定磁極、并且磁極方向不因外磁場而改變的物質。
[0012]優選的，所述轉子單元3b設置于轉桶上的位置包括嵌合在轉桶外緣、內緣或內部以及與轉桶實行一體化設計制造；轉子單元在不影響安裝于轉桶的前提下不限形狀，多個組合優選均勻排布。
[0013]優選的，所述定子單元3a由至少一組良導線環繞磁芯而成，其內部線圈繞組可任意串聯、并聯連接，或通過不同繞組之間引出中間抽頭組成多線外接回路；對外電連接的方式可以為兩線或多線構成的回路；
[0014]優選的，所述定子單元3a內部繞組或若干定子單元組合通電形成的電磁極兩極連線9與轉桶5的法線7垂直或重合，包括偏轉不超過25度角；
[0015]更優選的，若干個定子單元3a可在靠近轉桶5的機架4固定部位任意組合排布，包括若干所述定子單元3a環繞轉桶的機架相對部位對稱安裝；多個定子單元排布組合的電磁極方向設置，遵循與轉子單元3b運動相向磁極相反的原則。
[0016]優選的，所述電動裝置還包括傳感裝置，所述傳感裝置包括若干能感應所述轉子單元3b與定子單元3a相對位置的傳感單元3c，其與所述電源調制器專設的傳感信號輸入端Ic電連接；所述電動裝置至少在機架4內部設置一傳感單元；
[0017]更優選的，所述傳感裝置還包括定子單元的內部繞組，所述內部繞組包括環繞定子單元磁芯的繞組以及若干定子單元繞組之間串聯而成的多線外接回路。
[0018]優選的，所述電動裝置還包括若干選擇開關和內置控制程序的CPU邏輯系統組合的控制面板2，其電連接所述電源調制器的邏輯信號輸入端Id ;控制面板2的邏輯功能獨立設置，亦可將電源調制器的部分邏輯功能或全部邏輯功能集成于控制面板內。
[0019]本發明中，所述電源調制器I將外部的電源10轉換為時序電流，使電動裝置中的定子單元被限定在電源調制器設定的時域周期性地通電和斷電。
[0020]本發明中，所述含有上述任一電動裝置的洗衣機包括轉桶5、機架4、電源10和至少設置一套的電動裝置，所述的轉桶5包括在機架4內部臥放的滾筒式、豎放的波輪式以及斜放的結構；所述的機架4為任意固體成形材料制成的帶密封活動窗的盒狀，所述的密封活動窗設置在機架的上部或側面；所述機架4的水平截面為正方形、矩形、三角形、圓形以及其他任意形狀。
[0021]本發明還公開了一種前述洗衣機的電動裝置驅動方法，該方法根據所述轉子單元3a和所述定子單元3b的位置關系，通過電源調制器輸出時序電流控制轉桶轉動；
[0022]所述時序根據轉桶旋轉方向而定義，所述時序電流根據定子單元電磁場在轉桶上的有效作用區間結合轉桶上的轉子單元個數而設置若干個通斷周期T，每個通斷周期T包括供電時域和斷電時域；所述供電時域位于30度< Θ <90度相應的時間段，所述Θ為轉子單元在轉桶上繞軸所受定子單元電磁場吸引力與其法向分力的方向所形成的動態夾角。所述斷電時域內電源調制器I不輸出電流。
[0023]優選的，所述轉桶的轉速根據電源調制器輸出的時序電流強度結合時序頻率/周期而定義；所述電源調制器的供電電流不限波形、頻率及占空比。
[0024]優選的，所述電源調制器在供電時域內至少包括兩段不同電流幅值不同的子時域，且順時序呈幅度依次變小，供電時域或其子時域的幅值隨時序呈線性遞減關系；或呈2K遞減關系，所述的指數K取值0.6至0.9 ;或為如下關系:It/A= (10-1g)Sine，其中I。為通電起始的電流強度，Ig為通電終止時刻的電流強度。
[0025]優選的，所述方法還包括校正步驟；所述校正步驟為將定子單元與轉子單元周期性隔氣隙相對、處于同一法線的狀態(Θ為O)作為基準座標和基準時間，當轉子單元每次前轉至基準座標時，電源調制器進行一次時間歸O校準并記錄本次周期時間，通過與上次轉子單元前轉至基準座標的周期時間比較，從而獲知電動裝置的旋轉周期時間和轉速，并控制輸出電流。
[0026]本發明還公開了所述洗衣機的電動裝置制動方法，該方法在所述轉子單元趨近定子單元、轉子單元和定子單元處同軸法線相對以及處于遠離狀態的至少一個時域中，通過電源調制器I設定的程序輸出時序電流控制轉桶5制動；
[0027]所述時序根據轉桶旋轉方向而定義；所述轉子單元趨近定子單元為OS Θ ^ 30度相應的時間段，所述Θ為轉子單元在轉桶上繞軸所受定子單元電磁場吸引力與其法向分力的方向所形成的動態夾角。
[0028]優選的，所述方法還包括校正步驟，所述校正步驟將Θ為O作為基準座標和基準時間，通過傳感裝置獲知轉子單元趨近/相對/遠離定子單元的位置狀態。
[0029]優選的，所述輸出電流控制步驟包括當轉桶的轉速在預設時間未達到設定值時，所述電源調制器自動加大所輸出電流的強度；以及當轉桶轉速或通電頻率達到設定的閾值時，所述的電源調制器自動減少所輸出的電流強度或自動斷電。
[0030]本發明針對洗衣機的應用特點，對電源植入優化的數控編程技術，明確了電動裝置的時序供電周期及工作邏輯構成，實現高效節電。本發明洗衣機的電動裝置在機械結構上并不象傳統電動機那樣設計為單元結構形式，所述定子單元在機架上固連可類比于電動機的定子，所述轉子單元與轉桶組合可類比于電動機的轉子；伴隨轉桶周期性旋轉，轉子單元與定子單元會形成周期性的磁相互作用，由于傳感裝置總是被周期性感應，電源調制器從其獲得的信號可判知轉子單元與定子單元的相對位置，從而相應發出具有規律性的時序電流實現洗衣機的工作邏輯。
[0031]本發明的優點在于:所述電動裝置具有時序供電控制帶來的明顯節能效果，以此方案進行匹配設計的洗衣機結構簡單，電動裝置可在轉桶多樣化組合、成本低，有效適應高端節能洗衣機的設計要求。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發明電動裝置的一種機械本體結構示意圖。
[0033]圖2a是轉子單元在轉桶的一種磁極設置示意圖。
[0034]圖2b是轉子單元在轉桶的另一種磁極設置示意圖。
[0035]圖3a是定子單元繞組兩端連線設置為與轉桶法線垂直的示意圖。
[0036]圖3b是定子單元繞組兩端連線設置為與轉桶法線重合的示意圖。
[0037]圖3c是定子單元凹型繞芯上部正對轉桶內緣的結構示意圖。
[0038]圖4a是電動裝置的基礎結構及電磁力方向分解示意圖。
[0039]圖4b是轉子單元與定子單元處于同一法線的狀態示意圖。
[0040]圖5a是電源調制器的基本工作邏輯示意圖。
[0041]圖5b是一種實現電源調制器的數字技術邏輯的模塊組合示意圖。
[0042]圖5c是電源調制器的另一種工作邏輯示意圖。
[0043]圖6a是電源調制器輸出電流呈周期性通斷的時序示意圖。
[0044]圖6b是一種兩階丨旦流呈遞減關系的電流時序不意圖。
[0045]圖6c是一種首階電流恒定、二階電流呈曲線遞減關系的時序示意圖。
[0046]圖6d是一種多階電流呈連續遞減關系的時序示意圖。
[0047]圖6e是一種幅值呈曲線遞減關系的脈沖子集包絡示意圖。
[0048]圖7a是一個定子單元組合8個轉子單元的一種局部結構示意圖。
[0049]圖7b是轉桶逆時針方向旋轉對應的一種周期通斷電時域示意圖。
[0050]圖7c是一個定子單元組合8個轉子單元的一種通電邏輯示意圖。
[0051]圖8是轉桶順時針方向旋轉對應的一種周期通斷電時域示意圖。
[0052]圖9是4個定子單元組合12個轉子單元的一種局部結構示意圖。
[0053]圖1Oa是轉桶上設置一個轉子單元組的結構示意圖。
[0054]圖1Ob是轉桶上設置兩個轉子單元組的結構示意圖。
[0055]附圖標識:
[0056]1、電源調制器；la、直流電源輸入端；lb、時序電流輸出端；lc、感應信號輸入端；Id、邏輯信號輸入端；2、控制面板；3a、定子單元；3b、轉子單元；3c、傳感單元；3d、氣隙；4、機架；5、轉桶；6、轉桶軸心；7、同軸法線；8、轉桶切線；9、繞組兩極連線；10、電源；Θ、轉子單元所受電磁力與其法向分力的夾角。
【具體實施方式】
[0057]下面結合附圖和實施例進一步對本發明進行詳細說明。
[0058]本發明所述洗衣機的一種電動裝置的本體機械結構如圖1所示，該洗衣機沒有單元結構電機，電動裝置的基礎結構包括定子單元3a和轉子單元3b，定子單元由至少一組良導線環繞磁芯而成，良導線通常使用銅線或鍍銅鋁芯線，磁芯材料為本領域技術人員公知的一種在磁場作用下內部狀態發生變化、并產生更強附加磁場的物質；定子單元繞組越多，磁芯的磁導率越高，對轉子單元的電磁作用越強。
[0059]當轉桶5外緣設置一個永磁體轉子單元3b，其S極面向轉桶內設置；一個定子單元3a設置在靠近轉桶外緣的機架上，其繞組通電的N極面向轉桶內緣；轉子單元與定子單元運動相對的氣隙3d足夠小，則轉子單元趨近通電的定子單元時，會受到其電磁力吸引作用而使轉桶加速運動，如圖2a所示；在另一個實施例中，轉子單元3b的S極運動相向定子單元，定子單元繞組通電的N極逆轉桶旋轉方向與其相對，兩者磁作用同樣為相吸，如圖2b所示；該定子單元電磁極與轉子單元相吸關系設置是本發明洗衣機的電動裝置的基礎模型。
[0060]如圖4a所示，轉子單元所受電磁力F可分解為同軸法線7方向F1。與切線8方向F11,其中對轉子單元繞軸6有貢獻的是切向作用力Fn，F與F1。的方向形成了動態夾角Θ。轉子單元所受電磁力與定子單元的電磁作用區間相關，單個柱狀或工字形繞芯的定子單元電磁力線穿越氣隙的最大值，對應于電磁極兩極連線9與其在轉桶所處的法線7垂直，如圖3a所示；柱狀或工字形繞芯的定子單元亦可設置為電磁極兩極連線9與其在轉桶所處的法線7重合，如圖3b所示，該設置方式通常為多個定子單元組合排布時選用；對于凹型繞芯的定子單元，其電磁力對轉子單元的有效作用區間，位于凹型繞芯上部兩端正對轉桶5內緣的兩端范圍內，如圖3c所示。
[0061]轉子單元繞軸趨近定子單元時，存在一個F與F11重合的狀態，該特殊狀態表現為F與轉子單元繞軸切線8方向重合，以電磁力作用狀態描述轉子單元的有效受力區間，對應于轉子單元與定子單元處于同軸法線7隔氣隙相對為基準(Θ為O狀態)、Θ為±90度的位置區間內(所述土根據轉桶的旋轉方向而定義)；當Θ為O時，F1。為最大值，F ^為0，該狀態對轉子單元繞軸無貢獻，如圖4b所示T1JP F i。為一對此消彼長的運動變量，其理論強弱變換以Θ為45度為分界點，在Θ > 45度的狀態表現為以繞軸驅動力F11為主，在Θ< 45度的狀態表現為以制動力F1。為主。
[0062]本發明洗衣機的電動裝置的驅動技術方案為:電源調制器對應30度< Θ < 90度的時域通電，其余時域斷電；在該通電時域，以節電為主的設計應選擇在60度< Θ <90度甚至75度< Θ < 90度的時域通電；需要充分利用轉桶轉動慣量的設計，可選擇在45度(Θ <90度甚至30度< Θ <90度的時域通電；由于Θ在< 45度狀態相伴有可觀的F1。，在Θ < 30度狀態通電已失去節電優化設計意義；該優選驅動的電流通斷時域如圖6a所示，其中T1為通電時間，TjP T。均為斷電時間，(T !+T^T0)構成了時序驅動電流周期T。本發明洗衣機的電動裝置的制動技術方案為:電源調制器對應TjPT。的部分時域或全部時域設置為通電，所述T2為轉子單元繞軸趨近定子單元對應O度< Θ <30度的時域，所述T。為轉子單元繞軸遠離定子單元的相應時域；同理，由于Θ >30度狀態存在可觀的切向電磁力F11,對制動設計無益。
[0063]上述電源調制器對應根據Z Θ狀態對通、斷電的控制，可近似變換為相對時間控制，因電源調制器通過時序校準可判知Θ從90度到O度、S卩(?\+Τ2)的時間段，只要設定T1與T2的相對時間，即近似于對Θ相應狀態的通、斷電控制；例如控制Θ對應90度至45度的時域通電，可簡要設定在(TAT2)的時間段起始1/2時域通電，之后1/2時域斷電；同理，當控制Θ對應30度至O度的時域通電，可簡要設定在(?\+Τ2)的時間段起始2/3時域斷電，之后1/3時域通電；(?\+Τ2)時間段是一個與轉桶轉速相關的量，以周期時間確定Θ為90度的狀態判定在轉桶變速時會出現偏差，由于電源調制器對應Θ為O度狀態設置有時間校準，需在下一周期及時校正。
[0064]Z Θ為一個關聯定子單元及轉桶轉子單元設置方案的磁相互作用隱變量，當機架上定子單元設置(包括組合設置)方案確定后，對應Θ為90度的顯態位置同時被確定；通常是運用Θ為90度以及Θ為O的顯態位置作為傳感裝置判斷電動裝置內部相對位置的一種依據，并對電源調制器相應發出工作指令；Θ為90度的精確位置是一個與轉桶弧度、氣隙間距、定子單元繞芯形狀及其排布等參數相關的值，有多種理論模型，具體設計時應經實驗校準。電源調制器相應輸出驅動或制動電流的工作邏輯，既可由常規開關控制線路實現，也可采用CPU編程結合功率模塊組電路實現，或采用大規模集成電路技術制造的專用芯片實現。
[0065]電源調制器的工作邏輯變換指令信號通常是從固連在機架上的傳感單元3c獲得，如圖5a簡示，常見的傳感單元為磁電感應繞組、霍爾元件或光電編碼器等，當轉子單元繞軸周期性運動時，傳感單元可獲得電流(電壓)的變化率反饋給電源調制器，電源調制器依據該感應信號判知轉子單元的相對位置而相應發出時序電流。根據傳感單元的工作精度及可靠性要求，可在機架上設置一個或若干個傳感單元，甚至變形為從上述定子單元多繞組反饋的方式、以及運用定子單元雙線環繞磁芯的繞組反饋方式獲得工作邏輯變換指令信號(如圖5c簡示)，此時電源調制器的感應信號輸入端相應內置，其響應處理對電源調制器的工作程序邏輯提出了較高要求。
[0066]T1時域伴隨有表現為制動力的F:。，存在一個驅動與制動、有用功與耗電/散熱的優選問題，由于F1。對電動裝置驅動是潛在積熱來源，而在時序驅動電流中又無法將F i。徹底分離，一種削弱F1。對潛在積熱影響的優選方案為:在T i時域內將通電強度/幅值設置為隨時序遞減，該優選方案包括設置m多2個通電強度隨時序遞減的子集，例如設置兩段后階強度比前階小的恒定電流子集、5階段強度依次遞減的恒定電流，利用脈沖數字技術設置m為30、3K或30K幅值依次遞減構成的子集等等。通電強度/幅值隨時序遞減的技術方案眾多，例如設置為隨時序線性遞減，也可設置為由最大值按2Κ關系時序遞減，K取值范圍為0.6至
0.9的正數，等等；圖6b是一種兩階恒流隨時序遞減的設計方案，圖6c是一種首階電流恒定、二階電流呈曲線遞減的設計方案，圖6d是一種多階電流呈連續遞減的設計方案，其多階電流強度的幅值包絡越接近It/A= (1-1g)sin0的優選關系，節電效果越好；圖6e是一種通電時序終止時刻的電流不為0、其間強度隨時序遞減的幅值包絡趨勢示意圖。
[0067]圖7a是一個定子單元組合8個轉子單元的結構示意簡圖，在轉桶一個旋轉周期中定子單元分別與8個轉子單元發生磁作用，電源調制器的時序電流劃分為8個(Ti+L+T。)周期，圖7b標示了一種設定T為/8時、與轉桶逆時針旋轉方向相對應的TpTjP T。時序的示意區域，圖7c為其中一個周期T的通電邏輯示意圖。轉子單元并非設置越多越好，其在轉桶上的數目受限于所受定子單元電磁力有效作用區間相應的空間占位，否則電源調制器對應輸出的時序電流周期會重疊。
[0068]電源調制器啟動供電的時刻和所設定的電流時序直接定義了轉桶的旋轉方向，圖7b述例為時序電流啟動對應逆時針方向30度< Θ < 90度的區間設置，轉桶相應逆時針方向旋轉；當時序電流啟動對應于Θ為一 90度至Θ為一 30度的區間而設置(所述土以Θ為O而相對定義)，則轉桶相應順時針方向旋轉，圖8標示了一種結構與圖7b類同、與轉桶順時針旋轉方向相對應的！\、TjP T。時序的示意區域。
[0069]轉桶上的定子單元可設置多個，多個定子單元在轉桶一個旋轉周期分別與8個轉子單元發生電磁力作用。圖9所示的是4個定子單元在機架上對應轉桶上一個轉子單元組12個轉子單元的結構示意簡圖，在轉桶旋轉周期中，電源調制器要為4個定子單元分別提供12個周期為(Ti+L+T。)的時序電流，這種組合對電源調制器提出了更高的設計要求。進一步可選擇8個定子單元在機架上分兩組對應轉桶上兩個環形圈內各12個轉子單元，等等。理論上當H個定子單元組合η個轉子單元設計時，如果電源調制器對H個定子單元繞組分立供電，需對應設計η*Η個(Ti+L+T。)電流時序，編程將十分復雜；因此在多個定子單元的實用系統設計中，優選H個定子單元繞組電串聯組合，或H個定子單元繞組分為若干組外接電源調制器，例如4個定子單元的內部繞組串聯，串聯繞組中間引出抽頭共三根線對外電連接電源調制器，技術上還可利用該三根線兩兩比較的微分電位的不同，作為一種判別轉子單元相對位置的信號源，替代獨立設置的傳感單元。
[0070]本發明洗衣機在靜態啟動時存在一種特殊狀態，當轉子單元剛好處于與定子單元隔氣隙處于同一法線7、Θ為O時，容易出現堵轉，可通過對電源調制器設置靜態啟動程序解決。所謂靜態啟動時序程序的一個簡單例，是基于傳感裝置可判知Θ為O的狀態，當電源調制器在設定最大時間值得不到傳感裝置反饋信號的情況下，實時發出與正常驅動電流方向相反的啟動電流，使轉桶上至少一個轉子單元受到同性磁極相斥作用而偏離與定子單元隔氣隙處于同一法線的狀態，避免啟動不暢順。
[0071]理論上也可以在轉桶安裝一個轉子單元與機架上多個定子單元組合，但這種等效設計在技術上雖可實施，但因定子單元的造價相對較高，非優選方案。
[0072]電源調制器可用常規開關電路設計或脈沖數字技術實現，優選后者，后者基礎功能模塊一般包括電源變換電路、內存貯有工作程序的微處理器和信號輸入輸出電路，能通過傳感裝置反饋信號相應控制驅動模塊輸出的時序電流，對電動裝置進行動態控制，圖5b是一種實現所述基本功能的數字技術邏輯模塊組合示意圖。
[0073]綜上，所述的電源調制器是一個邏輯電源開關系統，時序通電周期/頻率反映了單位時間內定子單元3a對轉子單元3b的通電作用次數，該時序頻率間接定義了轉桶的轉速及定子單元所需要的電磁力(源于電源調制器對定子單元繞組通電)，通電幅值越大，單位時間內定子單元通電對轉子單元的作用力越大、作用次數越多，其結果反映了轉桶的轉速越快。電源調制器所輸出電流的時序頻率，與轉桶旋轉周期隱含的(T^T2+!;)時序作用次數、通電平均強度以及轉速是相互對應的諸物理量關系，當電源調制器的諸多設定條件進入邏輯工作狀態后，控制了時序通電頻率也就是控制了轉桶的轉速。該轉速及工作程序控制是通過控制面板2電連接電源調制器的邏輯信號輸入端Id來實現，電源調制器可安裝在機架上任意位置。
[0074]所述洗衣機可以在轉桶上設置一個轉子單元組，如圖1Oa所示；或設置兩個轉子單元組，如圖1Ob所示；也可以在轉桶上設置多個轉子單元組；與轉桶上環形設置的轉子單元組相對應，機架4上對應一個轉子單元組至少設置一個定子單元；所述洗衣機設置的多套電動裝置，包括每套轉子單元/定子單元對應設置一個電源調制器，也可以多套轉子單元/定子單元共用一個電源調制器。
[0075]—般洗衣機的控制面板2包括外置的若干按按式開關和內置CPU系統的組合，這些外置開關與內置CPU系統程序的若干輸入/設定接口一一對應，通過控制面板上若干開關的狀態組合，可得出洗衣機工作邏輯的不同程序，例如浸漬時間、啟動旋轉時間、暫停時間、脫水時間等參數，也可以根據商用產品的慣例設置常規連續執行的標準程序；這類標準程序以及接口編程方式，現有洗衣機產品已設計得較為完善，對本發明洗衣機的應用而言，原則是根據電動裝置的供電特征設定對應的工作邏輯，將控制面板的常規控制功能對接電源調制器系統實現，共用數據母線統一編程。控制面板也可設計為非機械式的電子感應開關控制方式，包括遙控。
[0076]定子單元在機架上的設置要點，是要使轉子單元在周期性旋轉中與其形成兩者有效發生磁作用必須的相對氣隙3d，該氣隙是定子單元向轉子單元傳遞電磁力作用的能量通道，氣隙越小越有利于磁能量作用傳遞，但氣隙過小易發生機械接觸，設計時需綜合把握材料的剛性和機械加工精度。
[0077]本說明書所述的優選例僅為推薦，若干技術方案可組合并用或部分使用，也可加入其他成熟技術。只要根據電動裝置的磁流特點對電源調制器設計可精確控制的時序電流，即可實現本發明方案的基本技術目標。
[0078]對洗衣機以及電動機技術較深入了解的專業人士，都不難在本發明所述的方案基礎上，舉一反三地變形實施本
【發明內容】
。例如在現有市場洗衣機的電動機控制基礎上，通過傳感方式以及控制器電流程序變換來部分實施本發明。本發明所述洗衣機的電動裝置基礎結構、電源調制器的電流時序控制方法和通電時域的幅值遞減設計方案及其衍生的技術變形實施，均應被列入本發明的保護范圍。
[0079]實施例1、
[0080]一種節電型波輪式洗衣機，機架4水平截面為邊長450mm的正方形，高度為550mm，選用周長為1000mm、高度為400mm的轉桶5，轉桶底部凸起筋條與常規波輪式洗衣機的設計類同；電動裝置設計為12個轉子單元3b與4個定子單元3a的組合，其結構示意如圖9簡示；洗衣機外接家用220V交流電源，通過常規變壓/整流裝置改變為48V的直流電源，首先滿足家用電器安全第一的設計要求。
[0081]轉子單元選用優質磁鋼，加工成厚度2mm、長度和寬度均為28mm的小單元，并且將該12個永磁體轉子單元加工為與轉桶外緣相應的弧形，緊密安裝在不銹鋼合金材料制成的轉桶的外緣，12個轉子單元的S極均設置為逆時針方向，環繞轉桶安裝在所設計最高水位至底部的0.618黃金分割處，間隔平均設置；定子單元3a的繞芯選擇凹形鐵磁體，繞芯下部外加一 V形配件，配件兩邊呈垂直，定子單元繞組由一根直徑0.90mm的銅線環繞凹形磁芯68圈而成，4個繞組電串聯，安裝要點:外加緊固件將4個定子單元固定在正對轉桶上轉子單元的機架四個邊角部位，繞芯上部兩端正對轉桶5的外緣(如圖3c所示)，與轉桶外緣的轉子單元形成18mm的周期性相對氣隙，繞芯兩端對應轉桶占位30度角。
[0082]該洗衣機4個定子單元在轉桶一個旋轉周期中，分別與轉桶上8個轉子單元發生磁作用，對應電源調制器輸出的時序電流分8個(Ti+L+T。)周期，設定每周期的(T1:T2:T。)時域比例為(3.25:8:11.25)，以此參數確定電源調制器在洗衣機各段工作程序輸出的不同時序頻率，并間接定義出相應的時序電流幅值。
[0083]脫水程序對應的轉桶最大轉速設計為1200轉/分即20轉/s，其(T1+!^+!;)時序頻率為160次/s，即時序周期時間為6.25ms ;轉桶在漂洗、清洗程序的轉速(包括轉動方向)、轉動時間、靜置時間等，均依據現有市場洗衣機的成熟經驗參數而設定；電源調制器對應轉桶最大轉速時輸出的電流強度在額定電壓48V時為26A，該最大電流值是一個根據轉桶滿載水重量、額定洗滌重量結合電動裝置設計并經實驗校準的值，以實驗值為準。
[0084]電源調制器的核心模塊包括常規CPU和一個設計功率1500W的驅動模塊(其邏輯結構如圖5b所示)，脈沖變換調理電路主要完成將脈沖信號轉換為階梯波信號，脈沖信號發生器主要產生所需的脈沖信號，其次經微分電路輸出尖峰脈沖，然后經過限幅電路將尖峰脈沖的負半周濾除，剩下正半軸尖峰脈沖，用集成運放組成的積分電路進行積分累加，加上電壓比較器和控制電路組成了完整的階梯脈沖信號，對電路的各個元件進行參數調整，從而得到滿足工作邏輯要求的階梯波信號。電源調制器在T1通電時序內，通過控制芯片使驅動模塊產生一系列幅值隨時序遞減的脈沖電流，脈沖頻率30KHz，其電源輸入端Ia電連接電源10的正負極，時序驅動電流輸出端Ib電連接定子單元3a的繞組(繞組通電方向對應4個定子單元的N極均為順時針方向)，邏輯信號輸入端Id電連接控制面板2，感應信號輸入端Ic電連接傳感單元3c。傳感單元由一個磁電感應繞組構成，通過外加螺絲將傳感單元固連在靠近轉桶5外緣、與其上轉子單元運動相對的機架4部位。
[0085]洗衣機控制面板2包括外置的若干按按式開關和內置CPU系統的組合，通過控制面板上若干開關的狀態組合，可得出洗衣機的常規工作邏輯程序，其標準程序以及接口編程方式可專門設計，也可以采購數據接口方式共通的市場產品配套；通過工作邏輯程序的配套設計，可實時控制電源調制器輸出的電流強度，從而控制洗衣機轉桶在不同工作階段的運行狀態。洗衣機常規使用的配件均采用市購。
[0086]電源調制器的驅動邏輯為:以某定子單元與轉子單元周期性隔氣隙相對、處于同一法線7(θ為O)的狀態記為基準座標和基準時間，當控制面板2的內置CPU程序給出驅動信號，電源調制器依設定的T1時序(轉子單元逆時針對應Θ為90度位置的時刻)輸出20Α電流使轉桶沿逆時針方向啟動，執行(Τ1:Τ2:Τ。)為(3.25:8:11.25)的時序，并對應轉桶每個旋轉周期自動加大5%電流強度；當轉子單元每次繞軸至基準座標時，電源調制器進行一次時間歸O校準并記錄本次周期時間，通過與上次周期時間比較，獲知本次周期時間的實時值，并對下一步工作邏輯進行判定:如果轉桶已達到程序設定的轉速，電源調制器自動降低5%電流強度；如果轉桶未達到程序設定的轉速，則電源調制器在下一周期對應轉子單元逆時針繞軸至Θ為90度位置的時刻，執行對應轉桶每個旋轉周期自動加大10%電流強度的程序，實時通電強度由電源調制器通過傳感單元3c給出的信號數據判定并自動調整。當時序通電頻率對應轉桶轉速連續4s高于某階段程序的設定值，或電源調制器連續4s輸出26A電流的狀態時，電源調制器進入暫時休眠而達到節電設計目標。
[0087]轉桶在洗衣機浸漬或工作程序變換的中間階段，表現為靜置，對應電源調制器休目民，不輸出電流；轉桶的順時針方向旋轉，對應電源調制器啟動T1時序變換至Θ為一 90度位置的時刻(Θ為一值以轉子單元逆時針方向相對定子單元的位置定義)，執行(T1:T2:T。)為(3.25:8:11.25)的時序，供電電流方向相反。
[0088]電源調制器設定的減速制動邏輯為:當洗衣機從轉桶高速旋轉狀態變換下一工作程序時(如漂洗后完成脫水程序，變換為轉桶靜置、自動重新加水)，切斷T1對應的時序電流，同時啟動！^時域通電，通電時域設定在傳感單元3c感知轉子單元3b繞軸7前轉至Θ為30度到Θ為O度位置的時間段；該制動通電時域可對應周期時序設定為:在(?\+Τ2)時序中，起始2/3時域斷電，之后1/3時域通電。
[0089]電源調制器相應制動時序輸出的電流強度為25Α。
[0090]本實施例通過對控制面板2和電源調制器I的編程，可有效實現洗衣機完成對注水、浸漬、漂洗、清洗、脫水及其間設置靜置的全自動控制過程。
[0091]實施例2、
[0092]在實施例1的基礎上優化電源調制器的通電程序:將！\通電時域設置為5段通電時間相同但電流強度規律遞減的電流，5段通電強度按KW1A的線性關系分級遞減，遞減系數K為0.8，即T1通電時域內設置的5段電流強度分別為26Α、20.8Α、16.64Α、13.31Α、
10.65Α0轉子單元3b的材料改用常規釹鐵硼。
[0093]其余與實施例1類同，本實施例可降低電動裝置積熱，節電效果相對好。
[0094]實施例3、
[0095]將實施例2的脈沖子集幅值改設置為連續遞減，即電源調制器對應T1啟動電流為26A時，通電時域的幅值包絡趨勢呈(26 — 10.65) Sin Θ的規律遞減，其中Z Θ為轉子單元所受電磁力F方向與其法向分力F1。方向形成的動態夾角。
[0096]為提高位置信號傳感的工作可靠性，本實施例將傳感單元設置為兩個。
[0097]本實施例因電源調制器I所輸出的脈沖子集包絡選擇了更優化的時序遞減關系，洗衣機的節電效果比實施例2好。
[0098]實施例4、
[0099]將實施例1洗衣機的制動邏輯進一步優化為:電源調制器啟動T2時域通電的同時，將T。部分時域的工作邏輯同步變換為通電，所述該T。部分時域的時間值與(T !+T2)相等，T。通電啟動時刻以Z Θ為O開始計時；電源調制器在該T。部分時域所輸出的制動電流強度同為25A。
[0100]本實施例對定子單元繞組的制動通電增加了轉子單元和定子單元處同軸法線相對以及處于遠離狀態的時域；該制動通電時域可對應周期時序設定為:在(Ti+L+T。)時序中，起始1/3的1\時域斷電，之后2/3的(T2+T。)時域通電。實施例1所述Θ為30度到Θ為O度位置的時間段也可以更改為15?O度位置的時間段。
[0101]實施例5、
[0102]將實施例1的定子單元3a繞芯改為圓柱形，每個繞芯的繞組匝數同為45圈，定子單元增加至16個，每4個為一組替代實施例1所述的I個凹形繞芯定子單元，安裝時每個繞芯兩端連線9與轉桶5的同軸法線7重合，如圖3a所示；每組4個定子單元繞組通電方向形成的電磁極相同，S極正對轉桶5的軸6。12個永磁體轉子單元3b與轉桶5實行一體化制造，S極均設置為逆時針方向，嵌合在與16個定子單元相對的轉桶環型圈內，相間平均設置。
[0103]本實施例中，對定子單元繞組的供電驅動時域定義為Θ從90度至70度相應的時間段，供電制動時域定義為Θ從20度至O度相應的時間段。機架上傳感單元3c變形為:在周期面對傳感單元的轉桶外緣環形區域任意部位，專門設置一塊永磁體，使傳感單元的感應繞組伴隨轉桶5旋轉而周期性感應，從而獲得傳感應信號。
[0104]實施例6、
[0105]在實施例1的基礎上，將轉桶5上的電動裝置設置為兩套。
[0106]12個一組的轉子單元3b設置兩組，共24個，兩組轉子單元的S極面向轉桶的軸6，沿轉桶分別環型安裝在所設計最高水位至底部之間的1/3和2/3位置，相間平均設置，如圖1Ob所示；轉子單元與轉桶實行一體化設計制造，轉桶采用塑鋼材料，轉子單元在轉桶的模壓成形過程中嵌合在轉桶的內部。4個一組的定子單元3a設置兩組，共8個，每組電串聯連接，分別安裝在機架4上對應兩個轉子單元環型圈的4個邊角，繞組通電的電磁極均設置為S極正對轉桶5的軸6 ;電源調制器I相應設置為兩路電流輸出并分別電連接兩組定子單元3a的繞組；轉桶外緣的機架4內部設置4個傳感單元3c，配件方式及其他設置方式與實施例1類同。
[0107]為防止在轉子單元3b與定子單元3a靜態處于同軸6法線7時、轉桶有可能出現啟動不暢順，本實施例對電源調制器專門設計有靜態啟動時序電流；當電源調制器在0.5S得不到傳感裝置反饋信號的情況下，實時發出與正常驅動電流方向相反的啟動電流，使轉桶上與定子單元相對的永磁體轉子單元受到同性磁極相斥，使之偏離與定子單元隔氣隙處于同一法線的狀態，避免啟動不暢順。
[0108]本實施例中，對轉桶定子單元繞組的供電驅動時域定義為Θ從90度至30度相應的時間段，供電制動時域定義為Θ從30度至O度相應的時間段。所述的轉桶，在洗衣機中既可設計為豎放的波輪式，也可設計為橫放的滾筒式，通過對控制面板2和電源調制器I編程，可實現洗衣機完成對注水、浸漬、漂洗、清洗、脫水及其間設置靜置的全自動控制過程，有效降低洗衣機的耗電量。
[0109]實施例7、
[0110]以上實施例的的機架4水平截面均為四邊形，定子單元3a設置在4個邊角，本實施例的機架改為水平截面三角形，12個繞芯為工字形的定子單元分3組，每組4個定子單元設置在3個邊角，即每個邊角安裝一組4個定子單元，每組定子單元繞芯組合的兩端對應轉桶占位105度角，與轉桶形成15mm的相對氣隙，每個定子單元的工字形繞芯兩端連線9與轉桶的法線7重合。
[0111]轉桶內部平均間隔嵌合有12個長度28mm的轉子單元，轉子單元的S極全部逆時針方向環繞轉桶設置；每個定子單元的繞組均由直徑0.85mm的銅線環繞而成，匝數45圈，安裝時每個繞芯兩端連線9與轉桶5的同軸法線7重合，如圖3a所示；3組定子單元的繞組環形電串聯，接口各引出一個抽頭，繞組外接回路改變為3根線(類似于傳統電機內部繞組的A接法)；電源調制器I對應設計為3線回路，其相應輸出的時序脈沖電流在3線構成的各個回路中平均分配，使每組4個定子單元繞組串聯組合后通電獲得的電磁場的N極全部順時針方向；本實施例可以利用定子單元3a繞組外接多個回路反饋的信號比較出微分電位差，作為轉子單元伴隨轉桶5旋轉相對位置判別的信號源，替代獨立設置的傳感單元。
[0112]本實施例對電動裝置的驅動、制動和工作邏輯控制與實施例1類同。
[0113]實施例8、
[0114]將實施例1單線環繞磁芯的定子單元改變為雙線環繞磁芯構成兩個繞組回路，兩個繞組由兩根直徑0.90mm的銅線環繞凹形磁芯68圈而成，其中一個繞組回路用于動力供電，電連接電源調制器I的時序電流輸出端；另一個繞組回路用作替代獨立設置的傳感單元，作為轉子單元伴隨轉桶5旋轉相對位置的判別信號源。
[0115]本實施例還可將所述雙線環繞磁芯的定子單元進一步優化為:動力供電繞組由一根直徑0.90mm的銅線環繞凹形磁芯68圈而成，傳感繞組由一根直徑0.20mm的銅線環繞凹形磁芯18圈而成，可更節省銅材。
[0116]以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1.一種洗衣機的電動裝置，其特征在于，所述電動裝置包括電源調制器(I)、定子單元(3a)和永磁體轉子單元(3b);所述洗衣機的轉桶(5)上至少設置一個轉子單元組，每個轉子單元組包括至少4個間隔設置的轉子單元(3b)，且所有轉子單元環繞轉桶設置的磁極方向相同；所述定子單元至少安裝一個在靠近轉桶外緣的機架(4)固定部位，與轉子單元所形成的周期性相對氣隙(3d)不大于70mm ; 所述電源調制器(I)包括電源輸入端(Ia)、邏輯信號輸入端(Id)和時序電流輸出端(Ib)，其電源輸入端電連接電源(10)，時序電流輸出端電連接定子單元(3a)的內部繞組；所述電源調制器對定子單元(3a)內部繞組供電使定子單元形成電磁極的方向，設置為與轉子單元(3b)運動相向的極性相反；所述電源調制器對定子單元的內部繞組相應輸出時序電流，實現所述電動裝置的驅動/制動。2.根據權利要求1所述的電動裝置，其特征在于，所述定子單元(3a)由至少一組良導線環繞磁芯而成，其在機架(4)上組合排布得到的繞組之間通過串聯或并聯連接，或通過不同繞組之間引出中間抽頭組成多線外接回路。3.根據權利要求1所述的電動裝置，其特征在于，所述電動裝置還包括傳感裝置，所述傳感裝置包括若干能感應所述轉子單元(3b)與定子單元(3a)相對位置的傳感單元(3c)，其與所述電源調制器的傳感信號輸入端(Ic)電連接；所述電動裝置至少在機架(4)內部設置一傳感單元。4.根據權利要求3所述的電動裝置，其特征在于，所述電動裝置的傳感裝置還包括定子單元(3a)的內部繞組，所述內部繞組包括環繞定子單元磁芯的繞組以及若干定子單元繞組之間串聯而成的多線外接回路。5.根據權利要求1所述的電動裝置，其特征在于，所述電動裝置還包括若干選擇開關和內置控制程序的CPU邏輯系統組合的控制面板(2)，其電連接所述電源調制器的邏輯信號輸入端(Id);控制面板(2)的邏輯功能獨立設置，亦可將電源調制器的部分邏輯功能或全部邏輯功能集成于控制面板內。6.一種洗衣機，其特征在于，所述洗衣機含有如權利要求1?4任一的電動裝置，所述洗衣機包括轉桶(5)、機架(4)、電源(10)和至少設置一套的電動裝置，所述的轉桶包括在機架內部臥放的滾筒式、豎放的波輪式以及斜放的結構。7.基于權利要求1?5任一洗衣機的電動裝置驅動方法，該方法根據所述轉子單元(3a)和所述定子單元(3b)的位置關系，通過電源調制器(I)輸出時序電流控制洗衣機的轉桶(5)轉動； 所述時序根據轉桶旋轉方向而定義，所述時序電流包括若干個通斷周期，每個通斷周期包括供電時域和斷電時域；所述供電時域位于30度< Θ <90度相應的時間段，所述Θ為轉子單元繞軸趨向定子單元所受電磁力與其法向分力的方向所形成的動態夾角；所述斷電時域內電源調制器(I)不輸出電流。8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述的電源調制器在供電時域內至少包括兩段不同電流幅值，且按時序呈幅值依次變小，供電時域或其子時域的幅值隨時序呈線性遞減關系；或呈2K遞減關系，所述的指數K取值0.6至0.9 ; 或為如下關系:It/A = (10-1g) Sin Θ，其中I。為通電起始的電流強度，I g為通電終止時刻的電流強度。9.根據權利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法還包括校正步驟；所述校正步驟為將轉子單元和定子單元處同軸法線相對、Θ為O的狀態作為基準座標和基準時間，當轉子單元每次轉至基準座標時，電源調制器(I)進行一次時間歸O校準并記錄本次周期時間，通過與上次轉子單元轉至基準座標的周期時間比較，從而獲知轉桶(5)旋轉周期時間和轉速。10.基于權利要求1?5任一洗衣機的電動裝置制動方法，該方法在所述轉子單元趨近定子單元、轉子單元和定子單元處同軸法線相對以及處于遠離狀態的至少一個時域中，通過電源調制器(I)設定的程序輸出時序電流控制轉桶(5)制動； 所述轉子單元趨近定子單元為O < Θ <30度相應的時間段，所述Θ為轉子單元繞軸所受定子單元電磁力與其法向分力的方向所形成的動態夾角。
【文檔編號】H02K3/28GK105986410SQ201510043814
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年1月28日
【發明人】劉粵榮, 陳方
【申請人】劉粵榮