专利名称：一种具有换向器的直流电动机及其驱动的洗衣机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有换向器的直流电动机及其驱动的洗衣机，在国际专利分类表中，分类属于H02K13/10和D06F33/02。
背景技术：
众所周知，直流电动机具有优异的调速性能和简单的调速控制电路。传统的具有换向器的直流电动机的结构包括位于转子的换向器和电枢各相绕组，位于定子的电刷和磁极以及电源装置。在该电动机的换向过程中，往往由于电刷和换向片接触欠平稳或换相电流的突变产生过电压，存在严重损害换向器寿命的火花和电磁干扰，因而限制了该电动机的使用范围，包括在洗衣机中的应用。现有技术洗衣机使用了结构较复杂和成本较高的电子逆变电路驱动直流无刷电动机或交流电动机变频系统，以满足对调速性能的要求。
该电动机传统地附加换向极和换向绕组的措施，只能减轻而不能完全避免过电压，换向过程的火花和电磁干扰依然一定程度地存在，且结构比较庞大，影响运行效率和成本。近年来，现有技术披露在现有主电刷运动的后方增加副电刷，在每一换向片与主电刷分离时，由后续的副电刷为刚脱离主电刷的换向片对电枢中滞后的电感电流提供续流回路，可见于中国发明专利申请公开说明书CN1066156A《改善电机换向的方案及电刷》和CN1377120A《直流电机及无电弧换向器》。但是，副电刷的工作弧长因受体积限制，往往不能满足续流时间的要求，难以避免过电压；电刷的机械和电路结构复杂化也产生了新的可靠性和成本问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种具有换向器的直流电动机及其驱动的洗衣机，其与现有技术相比，可以充分满足换向电流的续流要求，避免过电压，因而更有效地消除火花和电磁干扰，提高寿命，而机械和电路结构更简单可靠。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，一种具有换向器的直流电动机，包括电刷、换向器、位于转子的电枢、位于定子的磁极和电源装置，其特征在于
——电刷位于转子，与电枢绕组具有相等的相数，沿关于转轴的回转面均布，与电枢绕组逐相连接；——换向器位于定子，其换向片由正极换向片、负极换向片和续流换向片组成；正极换向片和负极换向片以续流换向片隔开，沿关于转轴的回转面交替均布；——正极换向片和负极换向片分别接往电源装置的一极；——导通方向与电源装置极性相反的二个半导体二极管或阀器件串联后跨接于电源装置二极，所述串联点接往续流换向片。
本发明技术方案由跨接于电源装置二极的二个半导体二极管或阀器件之一，经续流换向片，为刚脱离正极或负极换向片的电刷对电枢中一相滞后的电感电流提供流经电枢其它相和电源的续流回路。其对传统的定转子上的电刷和换向器位置巧妙地调反的结果是为提供续流回路而设的续流换向片位于定子，其数量相应于磁极对数比较少，故工作弧长可足够地大，以满足续流时间要求，避免过电压，因而更有效地消除火花和电磁干扰，提高寿命；其机械和电路结构比现有技术副电刷明显牢固简单，因而提高可靠性和降低成本。
本发明解决所述技术问题的技术方案的进一步设计是，所述正极换向片和负极换向片经一切换装置与电源装置二极同极性联接或反极性联接。该设计可满足可逆运转的要求，尤其适用于永磁电动机。
本发明洗衣机的技术方案是，一种使用如上述直流电动机驱动的洗衣机，包括交流电源和该电动机驱动的洗衣机械系统，其特征在于该洗衣机还包括整流电路，所述交流电源为该整流电路的输入，所述电源装置二极为该整流电路的输出。
该洗衣机由于其直流电动机明显消除火花和电磁干扰，提高寿命，可以简单的调速电路，获得优异的调速特性，综合性能、可靠性和成本，优于现有技术使用的电子逆变电路驱动直流无刷电动机或交流电动机变频系统。
该洗衣机电动机电路一典型设计是，所述交流电源为单相电源；可控硅VT1的阳极和VT2的阴极接往接单相电源的一极，可控硅VT1的阴极和VT2的阳极接往正极换向片，负极换向片接往单相电源的另一极；可控硅VT3的阴极和VT5的阳极接往正极换向片，可控硅VT4的阳极和VT6的阴极接往负极换向片，可控硅VT3的阳极、VT4的阴极、VT5的阴极和VT6的阳极接往续流换向片；可控硅VT1～VT6的控制极接往同时触发VT1、VT3和VT4或者同时触发VT2、VT5和VT6的控制器的输出端。这是一个十分简单有效的半波整流可逆运转控制电路。
在洗衣机中，设计所述控制器向可控硅的输出为控制角可移信号，是进行调速控制比较简单有效的方法。
以下附图用于说明本发明的具体实施方式
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图1是本发明实施例直流电动机机械结构示意图；图2是本发明实施例直流电动机电路图；图3是本发明实施例直流电动机电刷2a电位波形图；图4是本发明实施例洗衣机机械结构示意图；图5是本发明实施例洗衣机直流电动机电路图。
具体实施例方式
本发明实施例直流电动机机械结构如图1所示，电路联接如图2所示。它是在现有技术的一种二极三相永磁电动机的结构的基础上改进而成。
其沿用现有技术的结构包括——分布有二极永磁体的圆筒形定子5和固定于定子的电源装置；——位于转子4于三槽式铁心形成a、b、c三相绕组的电枢和转轴6。
其相对于现有技术的结构和电路联接主要变动在于——现有技术固定于转子连接电枢三相绕组的三个换向片组成的换向器改为本发明实施例三个电刷2a、2b和2c组成的电刷盘3，且三个电刷在电刷盘3关于转轴6的圆环平面上两两间距圆周角2π/3分布。
——现有技术固定于定子连接电源装置的二个电刷组成的电刷装置改为本发明实施例以续流换向片12、14隔开的正极换向片11和负极换向片13组成的换向器1；在迎着电刷关于转轴6的圆环平面上，正极换向片11和负极换向片13均为圆周角2π/3的扇环，续流换向片12、14均为圆周角π/3的扇环。
——正极换向片11联接电源装置电位为+V的正极L1，负极换向片13联接电源装置电位为-V的负极L2；——导通方向与电源装置极性相反的半导体二极管VD1和VD2串联后跨接于电源装置正极L1和负极L2，它们的串联点接往续流换向片12和14。
实施例中的电动机为永磁电动机，当然，也可以是非永磁的电动机。例如按照现有技术，设置并联于电源装置的并激绕组的并激电动机，或设置与电枢电路串联的串激绕组的串激电动机，可通过改变并激绕组或串激绕组在电路中的联接极性，实现可逆运转控制。
实施例中的电枢为三槽式铁心三相绕组，当然，也可以是现有技术的更多槽铁心m相绕组的电枢，此时应设计m个电刷的电刷盘，各电刷在电刷盘的圆环平面上以两两间距角度2π/m分布。
实施例中的电枢a、b、c三相绕组为星形连接，三相端子依次连接电刷2a、2b和2c。当然，也可以是现有技术的三角形连接此时应设计连接三角形三线端子依次连接电刷2a、2b和2c。
实施例中的换向器1与电刷盘3为轴向端面相迎的结构，当然，也可以是现有技术外圆柱面与内圆筒面相迎的结构，此时电刷与换向片分别在外圆柱面与内圆筒面均布。
实施例中的磁极为1对极，当然，也可以按现有技术为P对极，此时应如传统直流电动机的电刷对数通常等于磁极对数那样，设计为逐一以续流换向片隔开的P块正极换向片和P块负极换向片组成的换向器，每一极换向片与随后的续流换向片共占据圆周角π/P，前后者圆周角之比为2。
实施例中的各续流换向片可以设计为分别与m相电刷接触的相互隔离的m相区，同时设计m条跨接于电源装置的半导体二极管串联支路，一串联点接一相区。当相数较多时，不同相电刷容易同时接触续流换向片，该设计可防止因此导致的电枢绕组短路。
实施例直流电动机的工作过程可参照图3所示电刷2a电位U2a的波形转子带动电刷盘3顺时针旋转，电刷2a首先接触正极换向片11，U2a为电源装置正极L1的电位+V；在t＝t1时刻，其旋转至接触续流换向片12，维持原有电流方向的感应电动势使半导体二极管VD2导通，U2a改变为电源装置负极L2的电位-V，直至续流完毕为0；其继续旋转至接触负极换向片13，U2a为电源装置负极L2的电位-V；又在t＝t2时刻，其旋转至接触续流换向片14，感应电动势使半导体二极管VD1导通，U2a从-V重新变为+V。图3可见，续流换向片的工作弧长，足以让续流在电刷离开续流换向片前彻底完成。电刷2b和2c的电位波形与图3类似，电枢三相绕组获得有效续流。
本发明实施例洗衣机是在现有技术的一单相电容运转电动机驱动的波轮式全自动洗衣机的基础上改进而成，其机械结构如图4所示，涉及电动机的电路联接如图5所示。
其沿用现有技术的结构包括盛水桶21旋转自如地设有在内底部旋转自如地设有波轮22的洗涤桶兼脱水桶23，靠悬挂件24吊挂在洗衣机箱体中；减速离合器26设在盛水桶21的底部，把动力传递到波轮22和洗涤桶兼脱水桶23；减速离合器26的输入轴偶合于电动机27的输出；电磁进水阀28向洗涤桶兼脱水桶23内供水，电动排水阀系统29把洗涤兼脱水桶23内的洗涤水排出；在电脑控制板20，按照单片机(参考型号P87LPC764)内设程序，接口电路201各光电隔离输出分别触发可控硅或双向可控硅等电力电子元件，对联接于这些元件输出端的上述电气部件进行控制。端子L和N给出以上工作的单相电源。
其相对于现有技术的结构和电路联接主要变动在于——电动机从原有的单相电容运转电动机更换为本发明实施例直流电动机27；直流电动机27机械结构按照图1，电路联接按照图2，除把其中半导体二极管VD1和VD2的串联电路改为可控硅VT3和VT4的串联电路与VT5和VT6串联电路外，其余相同；——在电脑控制板20中，原控制单相电容运转电动机的双向可控硅及其触发电路改变为图5所示控制直流电动机27的可控硅VT1～VT6主电路，以及接口电路201连接VT1～VT6的控制极的光电隔离输出G1～G6端；并且在单片机的内设程序中，把原控制单相电容运转电动机可逆运转的程序段，按照现有技术，修改为在需要直流电动机27某方向旋转时G1、G3和G4端同时输出与另一方向旋转时G2、G5和G6端同时输出的程序段。
以上变动后的电路如图5所示在电脑控制板20中，可控硅VT1的阳极和VT2的阴极接往单相电源端子L，可控硅VT1的阴极、VT2的阳极、VT3的阴极和VT5的阳极接往输出端子+H，可控硅VT 4的阳极和VT6的阴极与单相电源端子N接往输出端子-H，可控硅VT3的阳极、VT4的阴极、VT5的阴极和VT6的阳极接往输出端子X；电动机27联接电脑控制板20的输出端子正极换向片联接+H，负极换向片联接-H，续流换向片联接X。接口电路201的G1～G6端分别连接VT1～VT6的控制极。
按照所述修改的程序段，在需要直流电动机27某方向旋转时，接口电路201的G1、G3和G4端同时向VT1、VT3和VT4的控制极输出触发信号，VT1对来自端子L和N的单相电源正半波整流，经输出端子+H和-H，在直流电动机27的正极换向片和负极换向片上形成同极性直流电源，VT3和VT4此时以与该直流电源极性相反的方向导通，因而构成与图2等效的电路和工作；在需要直流电动机27另一方向旋转时，接口电路201的G2、G5和G6端同时向VT2、VT5和VT6的控制极输出触发触发信号，VT2对来自端子L和N的单相电源负半波整流，经输出端子+H和-H，在直流电动机27的正极换向片和负极换向片形成反极性直流电源，VT5和VT6此时以与该直流电源极性相反的方向导通，也构成与图2类似的电路和工作，只是经正极换向片和负极换向片在电枢施加的是反极性的直流电源，故电动机反转。可见，可控硅VT1和VT2反并联形成了兼有整流和极性切换功能的电路，VT3和VT4为正极换向片和负极换向片联接同极性直流电源时的续流电路，VT5和VT6形成正极换向片和负极换向片联接反极性直流电源的续流电路。
在所述修改的程序段，按照现有技术，在需要调速时，让G1和G2端输出与单相电源同步的移相信号，使可控硅VT1或VT2输出可调电压。
实施例中的可控硅VT1和VT2反并联电路，也可以双向可控硅代替，G1和G2端经或门电路联接双向可控硅的控制极，又参照现有技术增加交流电源极性的检测，在程序中使G1和G2除按照前述要求外，还按照极性分别在交流电源正半波和负半波时输出。
实施例中的整流电路为兼有极性切换功能的单相半波整流电路，也可参照现有技术，以一单相或三相桥式可控整流电路后续由4个可控硅组成的桥式极性转换电路代替，可改善整流效率和波纹。
实施例中的洗衣机为波轮式全自动洗衣机，当然也可以是类似的搅拌式洗衣机，甚至滚筒式洗衣机。
权利要求
1.一种具有换向器的直流电动机，包括电刷、换向器、位于转子的电枢、位于定子的磁极和电源装置，其特征在于——电刷位于转子，与电枢绕组具有相同的相数，沿关于转轴的回转面均布，与电枢绕组逐相连接；——换向器位于定子，其换向片由正极换向片、负极换向片和续流换向片组成；正极换向片和负极换向片以续流换向片隔开，沿关于转轴的回转面交替均布；——正极换向片和负极换向片分别接往电源装置的一极；——导通方向与电源装置极性相反的二个半导体二极管或阀器件串联后跨接于电源装置二极，所述串联点接往续流换向片。
2.按照权利要求1所述直流电动机，其特征在于所述正极换向片和负极换向片经一切换装置与电源装置的二极同极性联接或反极性联接。
3.一种如权利要求1或权利要求2所述直流电动机驱动的洗衣机，包括交流电源和该电动机驱动的洗衣机械系统，其特征在于该洗衣机还包括整流电路，所述交流电源为该整流电路的输入，所述电源装置二极为该整流电路的输出。
4.按照权利要求3所述的洗衣机，其特征在于所述交流电源为单相电源；可控硅VT1的阳极和VT2的阴极接往单相电源的一极，可控硅VT1的阴极和VT2的阳极接往正极换向片，负极换向片接往单相电源的另一极；可控硅VT3的阴极和VT5的阳极接往正极换向片，可控硅VT 4的阳极和VT6的阴极接往负极换向片，可控硅VT3的阳极、VT4的阴极、VT5的阴极和VT6的阳极接往续流换向片；可控硅VT1～VT6的控制极接往同时触发VT1、VT3和VT4或者同时触发VT2、VT5和VT6的控制器的输出端。
5.按照权利要求4所述的洗衣机，其特征在于所述控制器向可控硅的输出为控制角可移信号。
全文摘要
一种具有换向器的直流电动机及其驱动的洗衣机。电动机的电刷位于转子，与电枢各相绕组逐相连接；换向器位于定子，其正极换向片和负极换向片以续流换向片隔开，沿关于转轴的回转面交替分布；正极换向片和负极换向片分别接往电源装置的一极；导通方向与电源装置极性相反的二个半导体二极管或阀器件串联后跨接于电源装置二极，该串联点接往续流换向片。洗衣机包括交流电源、整流电路和机械系统，交流电源为整流电路的输入，所述电源装置二极为该整流电路的输出。该设计可充分满足电动机换向电流的续流要求，因而改善换向火花和电磁干扰，结构比较简单可靠；洗衣机可以简单的调压调速电路，获得优异的调速特性。
文档编号D06F33/02GK1649242SQ200410015220
公开日2005年8月3日 申请日期2004年1月19日 优先权日2004年1月19日
发明者区长钊 申请人:金羚电器有限公司