摘要：針對(duì)現(xiàn)有市場上洗衣機(jī)排水循環(huán)系統(tǒng)存在的一些問題，介紹了一種轉(zhuǎn)向可控的單相交流永磁同步電機(jī)控制方法，以及一種新設(shè)計(jì)的一體化泵腔結(jié)構(gòu)，從而提供了一種雙出水管道互不干擾的洗衣機(jī)用循環(huán)排水一體泵。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向可控;單相交流永磁同步電機(jī);一體化泵腔結(jié)構(gòu)

引言

隨著人民生活水平的不斷提高，洗衣機(jī)已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的家用電器，人們?cè)谙硎芟匆聶C(jī)帶來的解放雙手便利的同時(shí)，也對(duì)洗衣機(jī)的性能提出了更多的要求，而滾筒洗衣機(jī)以其低磨損和智能化的高端形象，受到廣大消費(fèi)者的青睞[1]。本文首先針對(duì)現(xiàn)有的滾筒洗衣機(jī)排水循環(huán)系統(tǒng)存在的一些問題作出一些闡述，然后提出了一個(gè)系統(tǒng)性的優(yōu)化方案，即通過采用一種轉(zhuǎn)向可控的單相永磁同步電機(jī)[2]以及一種新設(shè)計(jì)的一體化泵腔結(jié)構(gòu)[3]，從而實(shí)現(xiàn)了雙出水管道互不干擾的滾筒洗衣機(jī)用循環(huán)排水一體泵，有效地解決了現(xiàn)有滾筒洗衣機(jī)排水循環(huán)系統(tǒng)存在的一些問題。

1 現(xiàn)有問題

現(xiàn)有的滾筒洗衣機(jī)循環(huán)排水系統(tǒng)通常采用排水泵和循環(huán)泵分別單獨(dú)設(shè)置的方法，排水泵主要用于將洗滌后的污水排出到洗衣機(jī)外部的下水管道內(nèi)，而循環(huán)泵主要用于將滾筒內(nèi)的洗滌水通過循環(huán)泵產(chǎn)生一個(gè)“加壓”的作用，從而使洗滌水在洗滌過程中較為均勻地噴淋在衣物上，達(dá)到提高洗凈率和洗凈均勻度的目的，有文獻(xiàn)表明[4]，有循環(huán)噴淋的洗凈率比無循環(huán)噴淋的洗凈率提升8.6%，洗凈均勻度提升3%。

雖然上述方案起到了提高洗凈率和洗凈均勻度的有益效果，但也存在如下問題：

1）、排水泵和循環(huán)泵通常使用同一個(gè)水泵殼，如圖1所示，這種構(gòu)造導(dǎo)致了水泵殼整體結(jié)構(gòu)較大，增加了制作成本，與此同時(shí)，這種構(gòu)造對(duì)滾筒洗衣機(jī)內(nèi)部安裝空間要求較大，無形中增加了滾筒內(nèi)部管路鋪設(shè)的復(fù)雜程度;

2）、此外，分別采用排水泵和循環(huán)泵的設(shè)置方法，也增加了材料成本的投入，以及滾筒洗衣機(jī)的電能損耗，不符合國家對(duì)于家用電器低碳環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展的要求。

基于上述問題，需要行業(yè)技術(shù)人員開發(fā)出一款全新的滾筒洗衣機(jī)循環(huán)排水系統(tǒng)。

2 一種全新的循環(huán)排水一體泵方案

通過多年的技術(shù)開發(fā)努力，本文作者及所在公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一款基于電機(jī)轉(zhuǎn)向可控的洗衣機(jī)用循環(huán)排水一體泵，即通過采用一種轉(zhuǎn)向可控的單相永磁同步電機(jī)以及一種新設(shè)計(jì)的一體化泵腔結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了雙出水管道互不干擾的滾筒洗衣機(jī)用循環(huán)排水一體泵，如圖2所示。下面將對(duì)一種轉(zhuǎn)向可控的單相永磁同步電機(jī)和一種新設(shè)計(jì)的一體化泵腔結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 一種轉(zhuǎn)向可控的單相永磁同步電機(jī)

一直以來，滾筒洗衣機(jī)用的排水泵和循環(huán)泵通常采用單相永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如文獻(xiàn)所述[5]，電機(jī)部分包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分（如圖3所示），其中定子鐵芯為U型鐵芯，U型鐵芯開口的一端用來將兩組串聯(lián)且繞線方向相反的集中繞組分別安裝在U型鐵芯的左、右兩個(gè)鐵芯軛部上，轉(zhuǎn)子為一對(duì)極鐵氧體，該電機(jī)結(jié)構(gòu)通過將鐵芯每極極弧設(shè)置為兩段不同半徑的同心圓弧連接而成，從而在氣隙磁場形成一個(gè)階梯形式的氣隙磁場，解決了單相永磁同步電機(jī)通電后無法自啟動(dòng)的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但是該電機(jī)結(jié)構(gòu)也具有一個(gè)顯著的缺陷，就是電機(jī)轉(zhuǎn)向不可控，無法滿足循環(huán)排水一體泵對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)向可控的需求，為了解決這個(gè)問題，本文按照電機(jī)轉(zhuǎn)速是否可以調(diào)速進(jìn)行區(qū)分，采用兩種控制策略來解決電機(jī)轉(zhuǎn)向不可控的問題。

2.1.1 H橋式單繞組控制策略

如圖4所示，H橋式單繞組控制方案主要由電源模塊、單片機(jī)、H橋驅(qū)動(dòng)模塊、開關(guān)霍爾等4部分組成，此外，電機(jī)繞組由兩組串聯(lián)且繞線方向相反的集中繞組組成為單繞組結(jié)構(gòu)，可以提高繞組利用率。

首先，電源模塊將外部輸入的交流電壓（一般就是市電電壓）通過全橋整流及濾波電容電路轉(zhuǎn)換為高壓直流電壓，這一轉(zhuǎn)換很重要，通過交流—直流的電壓轉(zhuǎn)換，為后續(xù)通過PWM調(diào)整直流電壓的占空比，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速建立了物理基礎(chǔ)。其次，開關(guān)霍爾信號(hào)用來檢測轉(zhuǎn)子的磁極信號(hào)，一般可以設(shè)定為當(dāng)檢測到磁極為N極時(shí)，開關(guān)霍爾信號(hào)輸出高電平，當(dāng)檢測到磁極為S極時(shí)，開關(guān)霍爾信號(hào)輸出低電平。單片機(jī)通過開關(guān)霍爾信號(hào)反饋回來的電平信號(hào)，經(jīng)過邏輯運(yùn)算后控制高壓直流電壓在H橋驅(qū)動(dòng)模塊中4個(gè)MOS管的導(dǎo)通順序，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)按照特定的轉(zhuǎn)向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，典型的工作方式為：當(dāng)外部開關(guān)信號(hào)為導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)需要電機(jī)按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在電機(jī)的一個(gè)換相周期內(nèi)，當(dāng)開關(guān)霍爾信號(hào)檢測到磁極信號(hào)為N極時(shí)，輸出高電平至單片機(jī)，單片機(jī)通過邏輯運(yùn)算后在電機(jī)的前半個(gè)換相周期內(nèi)，控制H橋驅(qū)動(dòng)電路中的Q1、Q4兩個(gè)MOS管導(dǎo)通，另外兩個(gè)Q2、Q3 MOS管閉合，在電機(jī)的后半個(gè)換相周期內(nèi)，控制H橋驅(qū)動(dòng)電路中的Q2、Q3兩個(gè)MOS管導(dǎo)通，另外兩個(gè)Q1、Q4 MOS管閉合，高壓直流電壓按照上述的導(dǎo)通順序，輸入到單繞組線圈內(nèi)，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子按照順時(shí)針的方向旋轉(zhuǎn)。上述的工作方式只是其中一個(gè)工作狀態(tài)，具體的電機(jī)轉(zhuǎn)向控制邏輯如表1：

按照表1的電機(jī)轉(zhuǎn)向控制邏輯，可以控制電機(jī)按照特定的轉(zhuǎn)向進(jìn)行運(yùn)行，此外，通過調(diào)整PWM信號(hào)占空比來調(diào)整加到電機(jī)繞組上的直流電壓大小，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，為后續(xù)根據(jù)不同的需求來調(diào)整循環(huán)排水一體泵的流量和揚(yáng)程特性打下基礎(chǔ)，目前轉(zhuǎn)速范圍一般設(shè)置為2000-4000r/min。

2.1.2 交流矢量定向單繞組控制策略

如圖5所示，交流矢量定向單繞組控制方案主要由低壓供電模塊、單片機(jī)、雙向可控硅驅(qū)動(dòng)、線性霍爾、同步信號(hào)檢測等5部分組成，此外，電機(jī)繞組由兩組串聯(lián)且繞線方向相反的集中繞組組成為單繞組結(jié)構(gòu)。

首先，由一組串聯(lián)的降壓電阻組成的低壓直流供電模塊，將外部輸入的交流電壓（一般就是市電電壓）轉(zhuǎn)換為低壓直流電壓，用于給單片機(jī)和線性霍爾供電，而低壓直流電壓值的大小取決于單片機(jī)和線性霍爾工作時(shí)所需的供電電壓，以本方案所用的線性霍爾為例，采用的是霍尼韋爾的SS39ET，其工作時(shí)供電電壓范圍為2.7—6.5Vdc，典型的供電電壓值為5Vdc，所以理論上低壓直流供電模塊的輸出電壓值需設(shè)計(jì)為5Vdc，但是考慮到電機(jī)本身的低壓特性需求以及元器件本身內(nèi)阻所引起的壓降，實(shí)際工作時(shí)的輸出電壓值會(huì)低于5Vdc，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮，避免直流供電電壓過低，導(dǎo)致線性霍爾的靈敏度過低，電機(jī)無法正常啟動(dòng)。其次，線性霍爾通過霍爾輸出信號(hào)電壓值與本身偏置電壓值進(jìn)行比較，從而判斷磁極位置，具體判斷邏輯如表2：

而同步信號(hào)檢測模塊用于檢測交流電壓的極性，當(dāng)同步信號(hào)和霍爾信號(hào)的狀態(tài)能一一對(duì)應(yīng)時(shí)，單片機(jī)輸出高電平的開關(guān)信號(hào)以控制雙向可控硅導(dǎo)通，則交流電壓的正半波或負(fù)半波輸入到電機(jī)的單繞組線圈內(nèi)，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子按照順時(shí)針或者逆時(shí)針方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，否則單片機(jī)輸出低電平的開關(guān)信號(hào)以控制雙向可控硅截止。具體的電機(jī)轉(zhuǎn)向控制邏輯如表3：

按照表3的電機(jī)轉(zhuǎn)向控制邏輯，可以控制電機(jī)按照特定的轉(zhuǎn)向進(jìn)行運(yùn)行，但是由于電機(jī)的輸入電壓仍為交流電壓，電機(jī)本身無法實(shí)現(xiàn)調(diào)速，而是與輸入的交流電壓頻率相關(guān)，例如：輸入的市電電壓頻率是50Hz，轉(zhuǎn)子磁極極對(duì)數(shù)是1對(duì)極，按照同步電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：n=60*f/p（f：電壓頻率，p：轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)），則電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 r/min。

上述兩種控制方案成功地解決了單相永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)向不可控的問題，為結(jié)合一種新設(shè)計(jì)的一體化泵腔結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了雙出水管道互不干擾的滾筒洗衣機(jī)用循環(huán)排水一體泵創(chuàng)造了條件。

2.2 一種新設(shè)計(jì)的一體化泵腔結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的洗衣機(jī)循環(huán)排水系統(tǒng)雖然通常采用一個(gè)水泵殼，但是排水泵和循環(huán)泵分別設(shè)置在相對(duì)獨(dú)立的工作泵腔，如圖1所示，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造成本高。新設(shè)計(jì)的方案仍采用一個(gè)水泵殼，但是將排水泵和循環(huán)泵的工作泵腔集成為一個(gè)工作泵腔，如圖6所示。首先，一體化泵腔結(jié)構(gòu)在其外部設(shè)置有兩路平行的分別用于排水和循環(huán)的管路，兩路管路平行設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，有利于避免排水管路和循環(huán)管路分別工作時(shí)對(duì)另一管路的干擾。其次，一體化泵腔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部采用蝸殼設(shè)計(jì)，一般將流量較大的排水管路與蝸殼漸開線放大的方向進(jìn)行耦合，而蝸殼采用8點(diǎn)均分法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體公式如下：

其中D8為蝸殼上每個(gè)起始點(diǎn)到蝸殼中心的距離，Q為排水管路典型工作點(diǎn)的流量（m3/s），H為排水管路典型工作點(diǎn)的揚(yáng)程（m），R為基圓半徑（即第一個(gè)起始點(diǎn)至蝸殼中心的半徑），K3為水流速度系數(shù)，a值為一體化泵腔深度。通過上述公式可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出不同流量和揚(yáng)程需求下的一體化泵腔結(jié)構(gòu)。此外，在蝸殼內(nèi)介于排水管路與出水管路之間設(shè)置有弧形擋塊，弧形擋塊的圓心與蝸殼中心為同一點(diǎn)，通過調(diào)整弧形擋塊與葉輪配合的間隙量（一般間隙量控制在葉輪半徑的1%-2%之間），可以從根本上保證排水管路或循環(huán)管路分別工作時(shí)，對(duì)另一管路不造成影響。典型的工作方式為：通過采用如前述2.1.1或2.1.2的電機(jī)轉(zhuǎn)向控制方法，當(dāng)電機(jī)沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)葉輪將蝸殼內(nèi)的水由排水管路排到洗衣機(jī)外部的下水管路中，當(dāng)電機(jī)沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)葉輪將蝸殼內(nèi)的水由循環(huán)管路“加壓”至洗衣機(jī)內(nèi)部，此外，按照上述工作方式工作時(shí)，不處于工作的管路均可保證在一定的揚(yáng)程下不會(huì)發(fā)生“泄露”，具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表4：

從表格中的設(shè)計(jì)指標(biāo)來看，完全可以滿足洗衣機(jī)對(duì)于循環(huán)排水系統(tǒng)的要求，從而實(shí)現(xiàn)了雙出水管道互不干擾的滾筒洗衣機(jī)用循環(huán)排水一體泵。

3 結(jié)語

本文首先對(duì)于現(xiàn)有的滾筒洗衣機(jī)循環(huán)排水系統(tǒng)存在的一些問題進(jìn)行闡述，然后分別介紹了單相永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)向可控的兩種控制方案，以及一種新設(shè)計(jì)的一體化泵腔結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了雙出水管道互不干擾的滾筒洗衣機(jī)用循環(huán)排水一體泵。

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作者簡介：王 勝，男，1982年生，研究生，電機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)工程師，專注于家用電器交流同步電機(jī)、無刷電機(jī)的研究與應(yīng)用。