一种洗衣机的电动装置、洗衣机及其驱动、制动方法

一种洗衣机的电动装置、洗衣机及其驱动、制动方法
【专利摘要】本发明公开了一种洗衣机的电动装置和洗衣机，所述电动装置包括电源调制器、定子单元和转子单元；所述洗衣机的转桶上设置一个以上的转子单元组；所述转子单元的材料包括永磁体或导磁体，或两者组合设置；所述永磁体转子单元多个环绕转桶同一组设置的磁极方向相同；所述定子单元至少安装一个在靠近转桶外缘的机架固定部位，其与转子单元所形成的周期性相对气隙不大于90mm；所述电源调制器对定子单元内部绕组供电形成的电磁极方向，与永磁体转子单元运动相向的极性相反；电源调制器通过控制面板获取用户程序指令并相应输出时序电流，实现所述电动装置的驱动/制动。所述洗衣机至少设置一套该电动装置。
【专利说明】
一种洗衣机的电动装置、洗衣机及其驱动、制动方法
技术领域
[0001]本发明涉及洗衣机的电动设计领域，具体涉及一种洗衣机的电动装置结构、电源调制方法以及对洗衣机电动装置的驱动和制动方法。【背景技术】
[0002]洗衣机是涉及千家万户的家用电器，节能减排意义重大，据估计我国至少有2亿台洗衣机，如果平均每台每月少用1度电，每年可节省24亿度电。目前我国市场的洗衣机主要有滚筒洗衣机和波轮洗衣机，两大类洗衣机各有其优缺点。
[0003]滚筒洗衣机发源于欧洲，洗衣方法是模仿棒锤击打衣物原理设计，利用电动机的机械做功使滚筒旋转，衣物在滚筒中不断地被提升摔下，再提升再摔下，做重复运动，加上洗衣粉和水的共同作用使衣物洗涤干净。波轮式洗衣机发源于日本，工作原理由电动机带动波轮转动，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。波轮式洗衣机有单桶、套桶、双桶多种形式，一般认为具有结构比较简单、洗净率高的优点，但对衣物磨损率大，用水多。
[0004]市场普遍认为滚筒洗衣机的优点在于衣物无缠绕、洗涤均匀、磨损率要比波轮洗衣机小10 %，可洗涤羊绒、羊毛、真丝等衣物，做到全面洗涤，也可以加热，使洗衣粉充分溶解，充分发挥出洗衣粉的去污效能；也可以在桶内形成高浓度洗衣液，在节水的情况下带来理想的洗衣效果。一些滚筒洗衣机较之波轮洗衣机，除了洗衣、脱水外，还有消毒除菌、烘干、上排水等功能，满足了不同地域和生活环境消费者的需求。滚筒式洗衣机最突出的优点是采用了控制水量大小的节水技术，一般滚筒式洗衣机洗涤5KG衣物的标准用水为50L，仅为波轮式洗衣机的1/3。
[0005]滚筒洗衣机具有耗时和耗电的缺点，耗时一般消费者可接受(洗衣过程一般超过一小时，波轮式洗衣机40分钟左右)，但耗电是明显缺陷，虽然采用变频技术可缓解其耗电的劣势，但滚筒洗衣机比其他类型洗衣机更消耗电量是不争的事实。滚筒洗衣机虽然号称一般正常洗涤的功耗在200-400瓦，因多次脱水时功耗数倍增加(与转速成正比)，如果水温加到60度，洗一次要100分钟以上，耗电1.5度左右(不计入烘干所耗电量)。相比之下，波轮洗衣机的耗电量小得多。
[0006]但是，无论是滚筒洗衣机还是波轮洗衣机，耗电量都是很可观的，其耗电主要在所配置的电动机上；近年以来，技术开发商普遍试图应用PWQ技术来控制电机转速，以图达到降低洗衣机耗电量的目的，但控制的基本思路通常建立在现有电动机的结构基础上，研发主流集中在电机内部旋转的相角位控制思想范畴。
【发明内容】

[0007]本发明的目的在于克服现有洗衣机配用单元结构电动机、对电动机供电方式局限于逆变电流方向和相角位控制的设计缺陷，提供一种通过电源调制器将外部电源改变为时序供电方式的设计方案，同时电动装置不再采用单元结构电动机的传统设计，结构简单，转矩大，工艺容易实现。
[0008]本发明提供的一种节能洗衣机的电动装置，所述电动装置包括电源调制器1、定子单元3a和转子单元3b ;所述洗衣机的转桶5上环绕转桶设置一个以上的转子单元组，且每个转子单元组至少包括两个间隔设置的转子单元3b ;所述转子单元的材料包括永磁体或导磁体，或两者组合设置；当转子单元组内含有多个永磁体转子单元3bl时，永磁体转子单元环绕转桶设置的磁极方向相同；所述定子单元3a至少安装一个在靠近转桶外缘的机架4上，其与转子单元3b所形成的周期性相对气隙3d不大于90mm ；
[0009]所述电源调制器I包括电源输入端la、逻辑信号输入端Id和时序电流输出端lb，其电源输入端电连接电源10，逻辑信号输入端电连接洗衣机的控制面板2，时序电流输出端电连接定子单元3a的内部绕组；所述电源调制器对定子单元3a内部绕组供电使定子单元形成电磁极的方向，设置为与永磁体转子单元3bl运动相向的极性相反；电源调制器对定子单元的内部绕组相应输出时序电流，实现所述电动装置的驱动/制动。
[0010]优选的，所述电源10包括常规交流电及其经整流的直流电，以及任意蓄电装置。
[0011]所述永磁体为常规磁钢、钕铁硼等一类带有固定磁极、并且磁极方向不因外磁场而改变的物质；所述导磁体为常规磁介质中一类自身不带磁性、但在外磁场作用下感应生磁并且磁极方向与外磁场方向相反的物质。
[0012]优选的，所述永磁体转子单元3bl若干个环绕转桶5同极向设置，包括N/S两极连线9与转桶同轴法线7重合/垂直的4种典型组合状态，以及在4种典型组合状态基础上N/S两极连线偏转不超过25度角。
[0013]优选的，所述转子单元3b (包括永磁体转子单元3b I和导磁体转子单元3b2)设置于转桶上的位置包括嵌合在转桶外缘、内缘或内部以及与转桶实行一体化设计制造；转子单元在不影响安装于转桶的前提下不限形状，多个组合优选均匀排布。
[0014]优选的，所述定子单元3a由至少一组良导线环绕磁芯而成，其内部线圈绕组可任意串联、并联连接，或通过不同绕组之间引出中间抽头组成多线外接回路；对外电连接的方式可以为两线或多线构成的回路；
[0015]优选的，所述定子单元3a内部绕组或若干定子单元组合通电形成的电磁极两极连线9与转桶5的法线7垂直或重合，包括偏转不超过25度角；
[0016]更优选的，若干个定子单元3a可在靠近转桶5的机架4部位任意组合排布，包括若干所述定子单元3a环绕转桶的机架相对部位对称安装；多个定子单元排布组合的电磁极方向设置，遵循与永磁体转子单元3bl运动相向磁极相反的原则。
[0017]优选的，所述电动装置还包括传感装置，所述传感装置包括若干能感应所述转子单元3b与定子单元3a相对位置的传感单元3c，其与所述电源调制器专设的传感信号输入端Ic电连接；所述电动装置至少在机架4内部设置一传感单元；
[0018]更优选的，所述传感装置还包括定子单元的内部绕组，所述内部绕组包括环绕定子单元磁芯的绕组以及若干定子单元绕组之间串联而成的多线外接回路。
[0019]本发明中，所述电源调制器I将外部的电源10转换为时序电流，使电动装置中的定子单元被限定在电源调制器设定的时域周期性地通电和断电。
[0020]本发明中，所述含有上述任一电动装置的洗衣机，所述洗衣机含有至少一套如权利要求1?4任一的电动装置，所述的转桶包括在洗衣机内部卧放的滚筒式、竖放的波轮式以及斜放的结构。所述洗衣机还包括转桶5、机架4、控制面板2、和电源10 ;所述的机架4 为任意固体成形材料制成的带密封活动窗的盒状，所述的密封活动窗设置在机架的上部或侧面；所述机架4的水平截面为正方形、矩形、三角形、圆形以及其他任意形状。[〇〇21] 优选的，所述洗衣机的控制面板2包括若干选择开关和内置控制程序的CPU逻辑系统组合，其逻辑功能独立设置，亦可将电源调制器的部分逻辑功能或全部逻辑功能集成于控制面板内。
[0022] 本发明还公开了一种前述洗衣机的电动装置驱动方法，该方法根据所述转子单元 3a和所述定子单元3b的位置关系，通过电源调制器输出时序电流控制转桶转动；
[0023] 所述时序根据转桶旋转方向而定义，所述时序电流根据定子单元电磁场在转桶上的有效作用区间结合转桶上的转子单元个数而设置若干个通断周期T，每个通断周期T包括供电时域和断电时域；所述供电时域位于30度< 0 <90度相应的时间段，所述0为转子单元在转桶上绕轴所受定子单元电磁场吸引力与其法向分力的方向所形成的动态夹角。 所述断电时域内电源调制器1不输出电流。
[0024] 所述转桶的转速根据电源调制器输出的时序电流强度结合时序频率/周期而定义；
[0025] 优选的，所述供电时域的电流不限波形、频率及占空比。
[0026] 优选的，所述电源调制器在供电时域内至少包括两段不同电流幅值不同的子时域，且顺时序呈幅度依次变小，供电时域或其子时域的幅值随时序呈线性递减关系；或呈2K 递减关系，所述的指数K取值0.5至0.9;或为如下关系:It/A= (I。一 Ig)Sin0，其中I。为通电起始的电流强度，1,为通电终止时刻的电流强度。
[0027] 优选的，所述方法还包括校正步骤；所述校正步骤为将定子单元与转子单元周期性隔气隙相对、处于同一法线的状态(9为〇)作为基准座标和基准时间，当转子单元每次前转至基准座标时，电源调制器进行一次时间归0校准并记录本次周期时间，通过与上次转子单元前转至基准座标的周期时间比较，从而获知电动装置的旋转周期时间和转速，并控制输出电流。
[0028] 本发明还公开了所述洗衣机的电动装置制动方法，该方法在所述转子单元趋近定子单元、转子单元和定子单元处同轴法线相对以及处于远离状态的至少一个时域中，通过电源调制器1设定的程序输出时序电流控制转桶5制动；
[0029] 所述时序根据转桶旋转方向而定义；所述转子单元趋近定子单元为0 < 0 < 30 度相应的时间段，所述0为转子单元在转桶上绕轴所受定子单元电磁场吸引力与其法向分力的方向所形成的动态夹角。
[0030] 优选的，所述方法还包括校正步骤，所述校正步骤将0为0作为基准座标和基准时间，通过传感装置获知转子单元趋近/相对/远离定子单元的位置状态。
[0031] 优选的，所述输出电流控制步骤包括当转桶的转速在预设时间未达到设定值时， 所述电源调制器自动加大所输出电流的强度；以及当转桶转速或通电频率达到设定的阈值时，所述的电源调制器自动减少所输出的电流强度或自动断电。
[0032] 本发明针对洗衣机的应用特点，对电源植入优化的数控编程技术，明确了电动装置的时序供电周期及工作逻辑构成，实现高效节电。本发明洗衣机的电动装置在机械结构上并不象传统电动机那样设计为单元结构形式，所述定子单元在机架上固连可类比于电动机的定子，所述转子单元与转桶组合可类比于电动机的转子；伴随转桶周期性旋转，转子单元与定子单元会形成周期性的磁相互作用，由于传感装置总是被周期性感应，电源调制器从其获得的信号可判知转子单元与定子单元的相对位置，从而相应发出具有规律性的时序电流实现洗衣机的工作逻辑。
[0033]本发明的优点在于:电动装置具有时序供电控制带来的明显节能效果，以此方案进行匹配设计的洗衣机结构简单，电动装置可在转桶多样化组合、成本低，有效适应高端节能洗衣机的设计要求。【附图说明】
[0034]图1是本发明电动装置的一种机械本体结构示意图。
[0035]图2a是永磁体转子单元在转桶的一种磁极设置示意图。
[0036]图2b是永磁体转子单元在转桶的另一种磁极设置示意图。
[0037]图2c是导磁体转子单元在转桶的一种设置示意图。
[0038]图3a是定子单元绕组两端连线设置为与转桶法线垂直的示意图。
[0039]图3b是定子单元绕组两端连线设置为与转桶法线重合的示意图。
[0040]图3c是定子单元凹型绕芯上部正对转桶内缘的结构示意图。
[0041]图4a是电动装置的基础结构及电磁力方向分解示意图。
[0042]图4b是转子单元与定子单元处于同一法线的状态示意图。
[0043]图5a是电源调制器的基本工作逻辑示意图。
[0044]图5b是一种实现电源调制器的数字技术逻辑的模块组合示意图。
[0045]图5c是电源调制器的另一种工作逻辑示意图。
[0046]图6a是电源调制器输出电流呈周期性通断的时序示意图。
[0047]图6b是一种两阶丨旦流呈递减关系的电流时序不意图。
[0048]图6c是一种首阶电流恒定、二阶电流呈曲线递减关系的时序示意图。
[0049]图6d是一种多阶电流呈连续递减关系的时序示意图。
[0050]图6e是一种幅值呈曲线递减关系的脉冲子集包络示意图。
[0051]图6f是一个定子单元组合两个转子单元的通电逻辑示意图。
[0052]图7a是一个定子单元组合8个转子单元的一种局部结构示意图。
[0053]图7b是转桶逆时针方向旋转对应的一种周期通断电时域示意图。
[0054]图7c是一个定子单元组合8个转子单元的一种通电逻辑示意图。
[0055]图7d是转桶顺时针方向旋转对应的一种周期通断电时域示意图。
[0056]图8是两个定子单元组合8个转子单元的一种局部结构示意图。
[0057]图9是4个定子单元组合12个转子单元的一种局部结构示意图。
[0058]图10a是转桶上设置一个转子单元组的结构示意图。
[0059]图10b是转桶上设置两个转子单元组的结构示意图。
[0060]附图标识:
[0061]1、电源调制器；la、直流电源输入端；lb、时序电流输出端；lc、感应信号输入端； Id、逻辑信号输入端；2、控制面板；3a、定子单元；3b、转子单元；3bl、永磁体转子单元；3b2、导磁体转子单元；3c、传感单元；3d、气隙；4、机架；5、转桶；6、转桶轴心；7、同轴法线；8、转桶切线；9、绕组两极连线；10、电源；Θ、转子单元所受电磁力与其法向分力的夹角。
【具体实施方式】
[0062]下面结合附图和实施例进一步对本发明进行详细说明。
[0063]本发明所述洗衣机的一种电动装置的本体机械结构如图1所示，该洗衣机没有单元结构电机，电动装置的基础结构包括定子单元3a和转子单元3b，定子单元由至少一组良导线环绕磁芯而成，良导线通常使用铜线或镀铜铝芯线，磁芯材料为本领域技术人员公知的一种在磁场作用下内部状态发生变化、并产生更强附加磁场的物质；定子单元绕组越多，磁芯的磁导率越高，对转子单元的电磁作用越强。
[0064]如图4a所示，当转桶5外缘设置一个转子单元3b，一个定子单元3a设置在靠近转桶外缘的机架上，两者运动相对的气隙3d足够小，则转子单元趋近通电的定子单元时，会受到其电磁力作用；在一个实施例中，永磁体转子单元3bl的S极面向转桶内设置，定子单元绕组通电的N极面向转桶内缘，两者磁作用为相吸而使转桶加速运动，如图2a所示；在另一个实施例中，永磁体转子单元3bl的S极运动相向定子单元，定子单元绕组通电的N极逆转桶旋转方向与其相对，两者磁作用同样为相吸，如图2b所示；如果转桶上设置的是导磁体转子单元3b2，因其载磁为被定子单元电磁场感应所至，无论定子单元绕组的通电方向如何设置，两者磁作用均为相吸，如图2c所示；该定子单元电磁极与转子单元相吸关系设置是本发明洗衣机的电动装置的基础模型，转桶上设置的转子单元的材料可以是导磁体，也可以是永磁体，优选两种不同基材组合设置；优选两种基材组合设置是因为永磁体和导磁体具有主动载磁和被动载磁的两种不同特性，可根据其不同特性多样化组合，以适应洗衣机驱动、制动多种实时状态的技术及控制要求。
[0065]上述转子单元所受电磁力F可分解为同轴法线7方向F1。与切线8方向F11,其中对转子单元绕轴6有贡献的是切向作用力Fn，F与F1。的方向形成了动态夹角Θ。转子单元所受电磁力与定子单元的电磁作用区间相关，单个柱状或工字形绕芯的定子单元电磁力线穿越气隙的最大值，对应于电磁极两极连线9与其在转桶所处的法线7垂直，如图3a所示；柱状或工字形绕芯的定子单元亦可设置为电磁极两极连线9与其在转桶所处的法线7重合，如图3b所示，该设置方式通常为多个定子单元组合排布时选用；对于凹型绕芯的定子单元，其电磁力对转子单元的有效作用区间，位于凹型绕芯上部两端正对转桶5内缘的两端范围内，如图3c所示。
[0066]转子单元绕轴趋近定子单元时，存在一个F与F11重合的状态，该特殊状态表现为F与转子单元绕轴切线8方向重合，以电磁力作用状态描述转子单元的有效受力区间，对应于转子单元与定子单元处于同轴法线7隔气隙相对为基准(Θ为O状态)、Θ为±90度的位置区间内(所述土根据转桶的旋转方向而定义)；当Θ为O时，F1。为最大值，F ^为0，该状态对转子单元绕轴无贡献，如图4b所示T1JP F i。为一对此消彼长的运动变量，其理论强弱变换以Θ为45度为分界点，在Θ > 45度的状态表现为以绕轴驱动力F11为主，在Θ< 45度的状态表现为以制动力F1。为主。
[0067]本发明洗衣机的电动装置的驱动技术方案为:电源调制器对应30度< Θ < 90度的时域通电，其余时域断电；在该通电时域，以节电为主的设计应选择在60度< Θ <90度甚至75度< θ < 90度的时域通电；需要充分利用转桶转动惯量的设计，可选择在45度(Θ <90度甚至30度< Θ <90度的时域通电；由于Θ在< 45度状态相伴有可观的F1。，在Θ < 30度状态通电已失去节电优化设计意义；该优选驱动的电流通断时域如图6a所示，其中T1为通电时间，TjP T。均为断电时间，(T !+T^T0)构成了时序驱动电流周期T。本发明洗衣机的电动装置的制动技术方案为:电源调制器对应TjPT。的部分时域或全部时域设置为通电，所述T2为转子单元绕轴趋近定子单元对应O度< Θ <30度的时域，所述T。为转子单元绕轴远离定子单元的相应时域；同理，由于Θ >30度状态存在可观的切向电磁力F11,对制动设计无益。
[0068]上述电源调制器对应根据Z Θ状态对通、断电的控制，可近似变换为相对时间控制，因电源调制器通过时序校准可判知Θ从90度到O度、S卩(?\+Τ2)的时间段，只要设定T1与T2的相对时间，即近似于对Θ相应状态的通、断电控制；例如控制Θ对应90度至45度的时域通电，可简要设定在(TAT2)的时间段起始1/2时域通电，之后1/2时域断电；同理，当控制Θ对应30度至O度的时域通电，可简要设定在(?\+Τ2)的时间段起始2/3时域断电，之后1/3时域通电；(?\+Τ2)时间段是一个与转桶转速相关的量，以周期时间确定Θ为90度的状态判定在转桶变速时会出现偏差，由于电源调制器对应Θ为O度状态设置有时间校准，需在下一周期及时校正。
[0069]Z Θ为一个关联定子单元及转桶转子单元设置方案的磁相互作用隐变量，当机架上定子单元设置(包括组合设置)方案确定后，对应Θ为90度的显态位置同时被确定；通常是运用Θ为90度以及Θ为O的显态位置作为传感装置判断电动装置内部相对位置的一种依据，并对电源调制器相应发出工作指令；Θ为90度的精确位置是一个与转桶弧度、气隙间距、定子单元绕芯形状及其排布等参数相关的值，有多种理论模型，具体设计时应经实验校准。电源调制器相应输出驱动或制动电流的工作逻辑，既可由常规开关控制线路实现，也可采用CPU编程结合功率模块组电路实现，或采用大规模集成电路技术制造的专用芯片实现。
[0070]电源调制器的工作逻辑变换指令信号通常是从固连在机架上的传感单元3c获得，如图5a简示，常见的传感单元为磁电感应绕组、霍尔元件或光电编码器等，当转子单元绕轴周期性运动时，传感单元可获得电流(电压)的变化率反馈给电源调制器，电源调制器依据该感应信号判知转子单元的相对位置而相应发出时序电流。根据传感单元的工作精度及可靠性要求，可在机架上设置一个或若干个传感单元，甚至变形为从上述定子单元多绕组反馈的方式、以及运用定子单元双线环绕磁芯的绕组反馈方式获得工作逻辑变换指令信号(如图5c简示)，此时电源调制器的感应信号输入端相应内置，其响应处理对电源调制器的工作程序逻辑提出了较高要求。
[0071]T1时域伴随有表现为制动力的F:。，存在一个驱动与制动、有用功与耗电/散热的优选问题，由于F1。对电动装置驱动是潜在积热来源，而在时序驱动电流中又无法将F i。彻底分离，一种削弱F1。对潜在积热影响的优选方案为:在T i时域内将通电强度/幅值设置为随时序递减，该优选方案包括设置m多2个通电强度随时序递减的子集，例如设置两段后阶强度比前阶小的恒定电流子集、5阶段强度依次递减的恒定电流，利用脉冲数字技术设置m为30、3K或30K幅值依次递减构成的子集等等。通电强度/幅值随时序递减的技术方案众多，例如设置为随时序线性递减，也可设置为由最大值按2Κ关系时序递减，K取值范围为0.5至0.9的正数，等等；图6b是一种两阶恒流随时序递减的设计方案，图6c是一种首阶电流恒定、二阶电流呈曲线递减的设计方案，图6d是一种多阶电流呈连续递减的设计方案，其多阶电流强度的幅值包络越接近It/A= (I。一 Ig)sin0的优选关系，节电效果越好；图6e是一种通电时序终止时刻的电流不为0、其间强度随时序递减的幅值包络趋势示意图。
[0072]对一个定子单元3a组合2个转子单元3b的简单分析例来说，在转桶一个旋转周期n中定子单元分别与2个转子单元发生磁作用，转子单元绕轴周期大部分时间不处于定子单元的电磁力作用有效区间，编程时应首先考虑电流时序周期T内的中断时间T。，进而优选断电时间T2和驱动通电时间T i，提高电能的利用率，图6f是本简单分析例的一种驱动通电的时序逻辑示意图。图7a是一个定子单元组合8个转子单元的结构示意简图，在转桶一个旋转周期中定子单元分别与8个转子单元发生磁作用，电源调制器的时序电流划分为8个(WT。)周期，图7b标示了一种设定T为JT /8时、与转桶逆时针旋转方向相对应的VTjP T。时序的示意区域，图7c为其中一个周期T的通电逻辑示意图。转子单元并非设置越多越好，其在转桶上的数目受限于所受定子单元电磁力有效作用区间相应的空间占位，否则电源调制器对应输出的时序电流周期会重叠。
[0073]电源调制器启动供电的时刻和所设定的电流时序直接定义了转桶的旋转方向，以图7b为述例，时序电流启动对应逆时针方向30度< 0 < 90度的区间设置，转桶相应逆时针方向旋转；当时序电流启动对应于9为一 90度至0为一 30度的区间而设置(所述土以9为〇而相对定义)，则转桶相应顺时针方向旋转，图7d标示了一种结构与图7a类同、 设定时序周期T同样为JT /8、与转桶顺时针旋转方向相对应的TpTjP T。时序的示意区域。
[0074]图8是两个定子单元组合8个转子单元的结构示意简图，两个定子单元在转桶一个旋转周期分别与8个转子单元发生电磁力作用。图9所示的是4个定子单元在机架上对应转桶上一个环形圈内12个转子单元的结构示意简图，在转桶旋转周期中，电源调制器要为4个定子单元分别提供12个周期为(Ti+TJT。)的时序电流，这种组合对电源调制器提出了更高的设计要求。进一步可选择8个定子单元在机架上分两组对应转桶上两个环形圈内各12个转子单元，等等。理论上当H个定子单元组合n个转子单元设计时，如果电源调制器对H个定子单元绕组分立供电，需对应设计n*H个(Ti+TJT。)电流时序，编程将十分复杂； 因此在多个定子单元的实用系统设计中，优选H个定子单元绕组电串联组合，或H个定子单元绕组分为若干组外接电源调制器，例如4个定子单元的内部绕组串联，串联绕组中间引出抽头共三根线对外电连接电源调制器，技术上还可利用该三根线两两比较的微分电位的不同，作为一种判别转子单元相对位置的信号源，替代独立设置的传感单元。
[0075]本发明中，转子单元优选永磁体和导磁体两种材料组合设置，其优点在于:如果转桶上仅设置永磁体转子单元3bl，因其磁极固定，在运动模型中无论磁极方向怎样排布，均不能以动态反极形式跟随定子单元的电磁力作用，对电动装置的驱动、制动控制效果不如采用导磁体转子单元好；如果转桶上仅设置导磁体转子单元3b2,因其磁极是感应生磁，当其刚好处于与定子单元隔气隙处于同一法线7、0为0时，容易出现堵转；两种材料组合设置可兼有两者的优点。当转桶上设置有永磁体转子单元3bl，电源调制器容易通过传感装置判知9为〇的内部位置状态，相应发出静态启动时序电流；所谓静态启动时序电流的一个简单例，是碰到上述堵转、电源调制器在设定时间最大值得不到传感装置反馈信号的情况下，实时发出与正常驱动电流方向相反的启动电流，使转桶上至少一个永磁体转子单元3bl受到同性磁极相斥作用而偏离与定子单元隔气隙处于同一法线的状态，避免启动不畅顺。
[0076]理论上也可以在转桶安装一个转子单元与机架上多个定子单元组合，但这种等效设计在技术上虽可实施，但因定子单元的造价相对较高，非优选方案。
[0077]电源调制器可用常规开关电路设计或脉冲数字技术实现，优选后者，后者基础功能模块一般包括电源变换电路、内存贮有工作程序的微处理器和信号输入输出电路，能通过传感装置反馈信号相应控制驱动模块输出的时序电流，对电动装置进行动态控制，图5b是一种实现所述基本功能的数字技术逻辑模块组合示意图。
[0078]综上，所述的电源调制器是一个逻辑电源开关系统，时序通电周期/频率反映了单位时间内定子单元3a对转子单元3b的通电作用次数，该时序频率间接定义了转桶的转速及定子单元所需要的电磁力(源于电源调制器对定子单元绕组通电)，通电幅值越大，单位时间内定子单元通电对转子单元的作用力越大、作用次数越多，其结果反映了转桶的转速越快。电源调制器所输出电流的时序频率，与转桶旋转周期隐含的(T^T2+!;)时序作用次数、通电平均强度以及转速是相互对应的诸物理量关系，当电源调制器的诸多设定条件进入逻辑工作状态后，控制了时序通电频率也就是控制了转桶的转速。该转速及工作程序控制是通过控制面板2电连接电源调制器的逻辑信号输入端Id来实现，电源调制器可安装在机架上任意位置。
[0079]所述洗衣机可以在转桶上设置一个转子单元组，如图1Oa所示；或设置两个转子单元组，如图1Ob所示；也可以在转桶上设置多个转子单元组；与转桶上环形设置的转子单元组相对应，机架4上对应一个转子单元组至少设置一个定子单元；所述洗衣机设置的多套电动装置，包括每套转子单元/定子单元对应设置一个电源调制器，也可以多套转子单元/定子单元共用一个电源调制器。
[0080]一般洗衣机的控制面板2包括外置的若干按按式开关和内置CPU系统的组合，这些外置开关与内置CPU系统程序的若干输入/设定接口一一对应，通过控制面板上若干开关的状态组合，可得出洗衣机工作逻辑的不同程序，例如浸渍时间、启动旋转时间、暂停时间、脱水时间等参数，也可以根据商用产品的惯例设置常规连续执行的标准程序；这类标准程序以及接口编程方式，现有洗衣机产品已设计得较为完善，对本发明洗衣机的应用而言，原则是根据电动装置的供电特征设定对应的工作逻辑，将控制面板的常规控制功能对接电源调制器系统实现，共用数据母线统一编程。控制面板也可设计为非机械式的电子感应开关控制方式，包括遥控。
[0081]定子单元在机架上的设置要点，是要使转子单元在周期性旋转中与其形成两者有效发生磁作用必须的相对气隙3d，该气隙是定子单元向转子单元传递电磁力作用的能量通道，气隙越小越有利于磁能量作用传递，但气隙过小易发生机械接触，设计时需综合把握材料的刚性和机械加工精度。
[0082]所述的优选例仅为推荐，若干技术方案可组合并用或部分使用，也可加入其他成熟技术。只要根据电动装置的磁流特点对电源调制器设计可精确控制的时序电流，即可实现本发明方案的基本技术目标。
[0083]对洗衣机以及电动机技术较深入了解的专业人士，都不难在本发明所述的方案基础上，举一反三地变形实施本
【发明内容】
。例如在现有市场洗衣机的电动机控制基础上，通过传感方式以及控制器电流程序变换来部分实施本发明。本发明所述洗衣机的电动装置基础结构、电源调制器的电流时序控制方法和通电时域的幅值递减设计方案及其衍生的技术变形实施，均应被列入本发明的保护范围。
[0084]实施例1、
[0085]—种节电型波轮式洗衣机，机架4水平截面为边长450mm的正方形，高度为550mm， 选用周长为1000mm、高度为400mm的转桶5,转桶底部凸起筋条与常规波轮式洗衣机的设计类同；电动装置设计为12个转子单元3b与4个定子单元3a的组合，其结构示意如图9简示；洗衣机外接家用220V交流电源，通过常规变压/整流装置改变为48V的直流电源，首先满足家用电器安全第一的设计要求。
[0086] 转子单元选用优质磁钢，加工成厚度2mm、长度和宽度均为28mm的小单元，并且将该12个永磁体转子单元加工为与转桶外缘相应的弧形，紧密安装在不锈钢合金材料制成的转桶的外缘，12个转子单元的S极均设置为逆时针方向，环绕转桶安装在所设计最高水位至底部的0.618黄金分割处，相间平均设置；定子单元3a的绕芯选择凹形铁磁体，绕芯下部外加一 V形配件，配件两边呈垂直，定子单元绕组由一根直径0.90mm的铜线环绕凹形磁芯68圈而成，4个绕组电串联，安装要点:外加紧固件将4个定子单元固定在正对转桶上转子单元的机架四个边角部位，绕芯上部两端正对转桶5的外缘(如图3c所示)，与转桶外缘的转子单元形成18mm的周期性相对气隙，绕芯两端对应转桶占位30度角。
[0087]该洗衣机4个定子单元在转桶一个旋转周期中，分别与转桶上8个转子单元发生磁作用，对应电源调制器输出的时序电流分8个(Ti+TJT。)周期，设定每周期的(T1:T2:T。) 时域比例为(3.25:8:11.25)，以此参数确定电源调制器在洗衣机各段工作程序输出的不同时序频率，并间接定义出相应的时序电流幅值。
[0088] 脱水程序对应的转桶最大转速设计为1200转/分即20转/s，其(Ti+TJT。)时序频率为160次/s，即时序周期时间为6.25ms ;转桶在漂洗、清洗程序的转速(包括转动方向)、 转动时间、静置时间等，均依据现有市场洗衣机的成熟经验参数而设定；电源调制器对应转桶最大转速时输出的电流强度在额定电压48V时为26A，该最大电流值是一个根据转桶满载水重量、额定洗涤重量结合电动装置设计并经实验校准的值，以实验值为准。
[0089]电源调制器的核心模块包括常规CPU和一个设计功率1500W的驱动模块(其逻辑结构如图5b所示)，脉冲变换调理电路主要完成将脉冲信号转换为阶梯波信号，脉冲信号发生器主要产生所需的脉冲信号，其次经微分电路输出尖峰脉冲，然后经过限幅电路将尖峰脉冲的负半周滤除，剩下正半轴尖峰脉冲，用集成运放组成的积分电路进行积分累加，加上电压比较器和控制电路组成了完整的阶梯脉冲信号，对电路的各个元件进行参数调整， 从而得到满足工作逻辑要求的阶梯波信号。电源调制器在通电时序内，通过控制芯片使驱动模块产生一系列幅值随时序递减的脉冲电流，脉冲频率30KHz，其电源输入端la电连接电源10的正负极，时序驱动电流输出端lb电连接定子单元3a的绕组(绕组通电方向对应4个定子单元的N极均为顺时针方向)，逻辑信号输入端Id电连接控制面板2,感应信号输入端lc电连接传感单元3c。传感单元由一个磁电感应绕组构成，通过外加螺丝将传感单元固连在靠近转桶5外缘、与其上转子单元运动相对的机架4部位。
[0090] 洗衣机控制面板2包括外置的若干按按式开关和内置CPU系统的组合，通过控制面板上若干开关的状态组合，可得出洗衣机的常规工作逻辑程序，其标准程序以及接口编程方式可专门设计，也可以采购数据接口方式共通的市场产品配套；通过工作逻辑程序的配套设计，可实时控制电源调制器输出的电流强度，从而控制洗衣机转桶在不同工作阶段的运行状态。洗衣机常规使用的配件均采用市购。
[0091]电源调制器的驱动逻辑为:以某定子单元与转子单元周期性隔气隙相对、处于同一法线7(0为0)的状态记为基准座标和基准时间，当控制面板2的内置CPU程序给出驱动信号，电源调制器依设定的1\时序(转子单元逆时针对应0为90度位置的时刻)输出 20A电流使转桶沿逆时针方向启动，执行(T1:T2:T。)为(3.25:8:11.25)的时序，并对应转桶每个旋转周期自动加大5%电流强度；当转子单元每次绕轴至基准座标时，电源调制器进行一次时间归〇校准并记录本次周期时间，通过与上次周期时间比较，获知本次周期时间的实时值，并对下一步工作逻辑进行判定:如果转桶已达到程序设定的转速，电源调制器自动降低5%电流强度；如果转桶未达到程序设定的转速，则电源调制器在下一周期对应转子单元逆时针绕轴至0为90度位置的时刻，执行对应转桶每个旋转周期自动加大10% 电流强度的程序，实时通电强度由电源调制器通过传感单元3c给出的信号数据判定并自动调整。当时序通电频率对应转桶转速连续4s高于某阶段程序的设定值，或电源调制器连续4s输出26A电流的状态时，电源调制器进入暂时休眠而达到节电设计目标。
[0092]转桶在洗衣机浸渍或工作程序变换的中间阶段，表现为静置，对应电源调制器休目民，不输出电流；转桶的顺时针方向旋转，对应电源调制器启动1\时序变换至0为一 90度位置的时刻(9为一值以转子单元逆时针方向相对定子单元的位置定义)，执行(T1:T 2:T。) 为(3.25:8:11.25)的时序，供电电流方向相反。
[0093]电源调制器设定的减速制动逻辑为:当洗衣机从转桶高速旋转状态变换下一工作程序时(如漂洗后完成脱水程序，变换为转桶静置、自动重新加水)，切断对应的时序电流，同时启动^时域通电，通电时域设定在传感单元3c感知转子单元3b绕轴7前转至9 为30度到0为0度位置的时间段；该制动通电时域可对应周期时序设定为:在(Ti+ig时序中，起始2/3时域断电，之后1/3时域通电。
[0094]电源调制器相应制动时序输出的电流强度为25A。
[0095]本实施例通过对控制面板2和电源调制器1的编程，可有效实现洗衣机完成对注水、浸渍、漂洗、清洗、脱水及其间设置静置的全自动控制过程。
[0096]实施例2、
[0097]在实施例1的基础上优化电源调制器的通电程序:将1\通电时域设置为5段通电时间相同但电流强度规律递减的电流，5段通电强度按的线性关系分级递减，递减系数K为0.8,即通电时域内设置的5段电流强度分别为26A、20.8A、16.64A、13.31A、 10.65A。转子单元3b的材料改用常规钕铁硼。
[0098]其余与实施例1类同，本实施例可降低电动装置积热，节电效果相对好。
[0099]实施例3、
[0100]将实施例2的脉冲子集幅值改设置为连续递减，即电源调制器对应启动电流为 26A时，通电时域的幅值包络趋势呈(26 — 10.65) Sin 0的规律递减，其中Z 0为转子单元所受电磁力F方向与其法向分力Fi。方向形成的动态夹角。
[0101]为提高位置信号传感的工作可靠性，本实施例将传感单元设置为两个。
[0102]本实施例因电源调制器1所输出的脉冲子集包络选择了更优化的时序递减关系， 洗衣机的节电效果比实施例2好。
[0103]实施例4、
[0104]将实施例1洗衣机的制动逻辑进一步优化为:电源调制器启动T2时域通电的同时，将T。部分时域的工作逻辑同步变换为通电，所述该T。部分时域的时间值与(T !+T2)相等，T。通电启动时刻以Z Θ为O开始计时；电源调制器在该T。部分时域所输出的制动电流强度同为25A。
[0105]本实施例对定子单元绕组的制动通电增加了转子单元和定子单元处同轴法线相对以及处于远离状态的时域；该制动通电时域可对应周期时序设定为:在(Ti+L+T。)时序中，起始1/3的1\时域断电，之后2/3的(T2+T。)时域通电。实施例1所述Θ为30度到Θ为O度位置的时间段也可以更改为15?O度位置的时间段。
[0106]实施例5、
[0107]将实施例1的定子单元3a绕芯改为圆柱形，每个绕芯的绕组匝数同为45圈，定子单元增加至16个，每4个为一组替代实施例1所述的I个凹形绕芯定子单元，安装时每个绕芯两端连线9与转桶5的同轴法线7重合，如图3a所示；每组4个定子单元绕组通电方向形成的电磁极相同，S极正对转桶5的轴6。12个永磁体转子单元3bl与转桶5实行一体化制造，S极均设置为逆时针方向，嵌合在与16个定子单元相对的转桶环型圈内，相间平均设置。
[0108]本实施例中，对转桶定子单元绕组的供电驱动时域定义为Θ从90度至70度相应的时间段，供电制动时域定义为Θ从20度至O度相应的时间段。机架上传感单元3c变形为:在周期面对传感单元的转桶外缘环形区域任意部位，专门设置一块永磁体，使传感单元的感应绕组伴随转桶5旋转而周期性感应，从而获得传感应信号。
[0109]实施例6、
[0110]在实施例1的基础上，将转桶5上的电动装置设置为两套。
[0111]12个一组的转子单元3b设置两组，共24个，两组转子单元的S极面向转桶的轴6，沿转桶分别环型安装在所设计最高水位至底部之间的1/3和2/3位置，相间平均设置，如图1Ob所示；转子单元与转桶实行一体化设计制造，转桶采用塑钢材料，转子单元在转桶的模压成形过程中嵌合在转桶的内部。4个一组的定子单元3a设置两组，共8个，每组电串联连接，分别安装在机架4上对应两个转子单元环型圈的4个边角，绕组通电的电磁极均设置为S极正对转桶5的轴6 ;电源调制器I相应设置为两路电流输出并分别电连接两组定子单元3a的绕组；转桶外缘的机架4内部设置4个传感单元3c，配件方式及其他设置方式与实施例1类同。
[0112]为防止在永磁体转子单元3bl与定子单元3a静态处于同轴6法线7时、转桶有可能出现启动不畅顺，本实施例对电源调制器专门设计有静态启动时序电流；当电源调制器在0.5S得不到传感装置反馈信号的情况下，实时发出与正常驱动电流方向相反的启动电流，使转桶上与定子单元相对的永磁体转子单元受到同性磁极相斥，使之偏离与定子单元隔气隙处于同一法线的状态，避免启动不畅顺。
[0113]本实施例中，对转桶定子单元绕组的供电驱动时域定义为Θ从90度至30度相应的时间段，供电制动时域定义为Θ从30度至O度相应的时间段。所述的转桶，在洗衣机中既可设计为竖放的波轮式，也可设计为横放的滚筒式，通过对控制面板2和电源调制器I编程，可实现洗衣机完成对注水、浸渍、漂洗、清洗、脱水及其间设置静置的全自动控制过程，有效降低洗衣机的耗电量。
[0114]实施例7、
[0115]在实施例6的基础上，将两组转子单元3b的材料改为使用永磁体和导磁体两种，每组12个转子单元中的材料分别为6个永磁体、6个导磁体，每组12个转子单元中永磁体和导磁体相间平均设置，其中6个永磁体转子单元的S极面向转桶的轴6 ;两组转子单元沿转桶分别环型安装在所设计最高水位至底部之间的3/5和1/4位置，转子单元3b与转桶5一体化设计制造，转桶采用塑钢材料。
[0116]本实施例因导磁体的磁极是感应生磁，在运动中能以动态反极形式跟随定子单元的电磁力作用，对电动装置的驱动、制动控制效果比转子单元材料单一采用永磁体好；本实施例所述的每组12个转子单元永磁体和导磁体相间平均设置，亦可改变为两个永磁体和两个导磁体两两相间平均设置，或三个永磁体和三个导磁体相间平均设置；甚至进一步改变为两组24个转子单元材料全部采用导磁体。
[0117]实施例8、
[0118]以上实施例的机架4水平截面均为四边形，定子单元3a设置在4个边角，本实施例的机架改为水平截面三角形，12个绕芯为工字形的定子单元分3组，每组4个定子单元设置在3个边角，即每个边角安装一组4个定子单元，每组定子单元绕芯组合的两端对应转桶占位105度角，与转桶形成15mm的相对气隙，每个定子单元的工字形绕芯两端连线9与转桶的法线7重合。
[0119]转桶内部平均间隔嵌合有12个长度28mm的转子单元，转子单元的S极全部逆时针方向环绕转桶设置；每个定子单元的绕组均由直径0.85mm的铜线环绕而成，匝数45圈，安装时每个绕芯两端连线9与转桶5的同轴法线7重合，如图3a所示；3组定子单元的绕组环形电串联，接口各引出一个抽头，绕组外接回路改变为3根线(类似于传统电机内部绕组的A接法)；电源调制器I对应设计为3线回路，其相应输出的时序脉冲电流在3线构成的各个回路中平均分配，使每组4个定子单元绕组串联组合后通电获得的电磁场的N极全部顺时针方向；本实施例可以利用定子单元3a绕组外接多个回路反馈的信号比较出微分电位差，作为转子单元伴随转桶5旋转相对位置判别的信号源，替代独立设置的传感单元。
[0120]本实施例对电动装置的驱动、制动和工作逻辑控制与实施例1类同。
[0121]实施例9、
[0122]将实施例1单线环绕磁芯的定子单元改变为双线环绕磁芯构成两个绕组回路，两个绕组由两根直径0.90mm的铜线环绕凹形磁芯68圈而成，其中一个绕组回路用于动力供电，电连接电源调制器I的时序电流输出端；另一个绕组回路用作替代独立设置的传感单元，作为转子单元伴随转桶5旋转相对位置的判别信号源。
[0123]本实施例还可将所述双线环绕磁芯的定子单元进一步优化为:动力供电绕组由一根直径0.90mm的铜线环绕凹形磁芯68圈而成，传感绕组由一根直径0.20mm的铜线环绕凹形磁芯18圈而成，可更节省铜材。
[0124]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种洗衣机的电动装置，其特征在于，所述电动装置包括电源调制器(1)、定子单元 (3a)和转子单元(3b);所述洗衣机的转桶(5)上环绕转桶设置一个以上的转子单元组，且 每个转子单元组至少包括两个间隔设置的转子单元(3b);所述转子单元的材料包括永磁 体或导磁体，或两者组合设置；当转子单元组内含有多个永磁体转子单元(3bl)时，永磁体 转子单元环绕转桶设置的磁极方向相同；所述定子单元(3a)至少安装一个在靠近转桶外 缘的机架(4)固定部位，其与转子单元所形成的周期性相对气隙(3d)不大于90mm;所述电源调制器(1)包括电源输入端(la)、逻辑信号输入端(Id)和时序电流输出端 (lb)，其电源输入端电连接电源(10)，逻辑信号输入端电连接洗衣机的控制面板(2)，时序 电流输出端电连接定子单元(3a)的内部绕组；电源调制器对定子单元(3a)内部绕组供电 使定子单元形成电磁极的方向，设置为与永磁体转子单元(3bl)运动相向的极性相反；电 源调制器对定子单元的内部绕组相应输出时序电流，实现所述电动装置的驱动/制动。2.根据权利要求1所述的电动装置，其特征在于，所述定子单元(3a)由至少一组良导 线环绕磁芯而成，其在机架(4)上组合排布得到的绕组之间通过串联或并联连接，或通过 不同绕组之间引出中间抽头组成多线外接回路。3.根据权利要求1所述的电动装置，其特征在于，所述电动装置还包括传感装置，所述 传感装置包括若干能感应所述转子单元(3b)与定子单元(3a)相对位置的传感单元(3c)， 其与所述电源调制器的传感信号输入端(lc)电连接；所述电动装置至少在机架(4)内部设 置一传感单元。4.根据权利要求3所述的电动装置，其特征在于，所述电动装置的传感装置还包括定 子单元(3a)的内部绕组，所述内部绕组包括环绕定子单元磁芯的绕组以及若干定子单元 绕组之间串联而成的多线外接回路。5.—种洗衣机，其特征在于，所述洗衣机含有至少一套如权利要求1?4任一的电动装 置，所述的转桶包括在洗衣机内部卧放的滚筒式、竖放的波轮式以及斜放的结构。6.根据权利要求5所述的洗衣机，其特征在于，所述的控制面板(2)包括若干选择开关 和内置控制程序的CPU逻辑系统组合，其逻辑功能独立设置，亦可将电源调制器的部分逻 辑功能或全部逻辑功能集成于控制面板内。7.基于权利要求1?4任一洗衣机的电动装置驱动方法，该方法根据所述转子单元 (3a)和所述定子单元(3b)的位置关系，通过电源调制器(1)输出时序电流控制洗衣机的转 桶(5)转动；所述时序根据转桶旋转方向而定义，所述时序电流包括若干个通断周期，每个通断周 期包括供电时域和断电时域；所述供电时域位于30度< 0 <90度相应的时间段，所述0 为转子单元绕轴趋向定子单元所受电磁力与其法向分力的方向所形成的动态夹角；所述断 电时域内电源调制器(1)不输出电流。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的电源调制器在供电时域内至少包 括两段不同电流幅值，且按时序呈幅值依次变小，供电时域或其子时域的幅值随时序呈线 性递减关系；或呈2K递减关系，所述的指数K取值0.5至0.9 ;或为如下关系:It/A = (I。一 Ig)Sin 0，其中I。为通电起始的电流强度，I g为通电终止 时刻的电流强度。9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括校正步骤；所述校正步骤为将转子单元和定子单元处同轴法线相对、Θ为O的状态作为基准座标和基准时间，当转子单元每次转至基准座标时，电源调制器(I)进行一次时间归O校准并记录本次周期时间，通过与上次转子单元转至基准座标的周期时间比较，从而获知转桶(5)旋转周期时间和转速。10.基于权利要求1?4任一洗衣机的电动装置制动方法，该方法在所述转子单元趋近定子单元、转子单元和定子单元处同轴法线相对以及处于远离状态的至少一个时域中，通过电源调制器(I)设定的程序输出时序电流控制转桶(5)制动； 所述转子单元趋近定子单元为O < Θ <30度相应的时间段，所述Θ为转子单元绕轴所受定子单元电磁力与其法向分力的方向所形成的动态夹角。
【文档编号】D06F39/00GK105986412SQ201510044695
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月28日
【发明人】刘粤荣, 姚飞
【申请人】杭州磁控科技有限公司, 刘粤荣