滚筒洗衣机用直驱式无刷直流电机性价比分析

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1、滚筒洗衣机用直驱式无刷直流电机性价比分析摘要：随着生活水平的提高，低噪音的无刷直流电机直接驱动系统在高档家电中的应用越来越多。文章基于无刷直流电机本身的特点，分析了在高档滚筒洗衣机中应用的无刷直流电机直接驱动系统的特点和要求。针对不同的结构进行了磁场设计和性价比分析，最后给出了最优方案。关键词：无刷直流电机；IPM；直接驱动；滚筒洗衣机０引言随着我国经济社会的发展和人民生活水平的提高，以洗衣机、电冰箱等为主的家电已经成为各家庭的基本生活用品。现在，人们对家电的节能和环保化趋势的要求也越来越迫切，性能优异、节能环保的绿色家电越来越受青睐。作为绿色家电驱动系统的主力，无刷直流电机直接驱

2、动系统的正朝着多功能、高效节能和环保化等方面发展。直接驱动洗衣机，即DD洗衣机（DirectDriving）在运行过程不仅能够实现低速大力矩驱动和高速轻载驱动，还能自动完成洗涤与脱水状态的切换。结构相对简单的直接驱动式滚筒洗衣机，因为它在洗涤和脱水的时候滚筒都在旋转，因而不存在采用离合器的问题。但这种洗衣机主要是偏置负载，对驱动电机的要求较高。与传统洗衣机用电机相比，无刷直流电机采用永磁体建立励磁磁场，具有结构简单、调速性能好，低噪音，效率高、可靠性高等优点。近年来，随着永磁材料性能的提高和价格的降低，使得采用无刷直流电机作为滚筒洗衣机的驱动电机具有广泛的发展前景。本文根据同一设计

3、指标，设计了五种类型的无刷直流电动机。使用ANSOFT软件研究五种电机的磁场分布规律，通过对它们的磁场特性、主要参数、材料、成本、性价比进行了对比分析，最后得出了一个最优方案，即采用内转子ＩＰＭ切向式铁氧体磁钢方案的电机具有最优的性能价格比，这种设计它在高档全自动滚筒洗衣机设计中应该具有广泛的应用前景。１滚筒洗衣机对直接驱动系统的要求按照结构，洗衣机可以分为波轮式、搅拌式和滚筒式三大类。过去几十年中，在国内，波轮洗衣机占的份额最多，也最符合国人的使用习惯，但在欧美等发达国家，滚筒式由于对衣物的损伤最小，是最受欢迎的。近年来，国外陆续推出了很多规格的高档全自动滚筒洗衣机，采用低噪音无

4、刷直流电机直接驱动，最好的价格在人民币１万元以上，不但可以设定各种工作模式，还可以自动实现衣物的干燥和熨平，对使用者确实极为便利。滚筒洗衣机由于其结构和运行的特殊性，对直驱系统的要求和波轮系统也有所不同，主要体现在：（１）滚筒洗衣机没有波轮洗衣机中的减速离合器，所以更适合于采用直接驱动方式。（２）对驱动系统的调速性能要求更高，调速比更大。波轮洗衣机的洗涤／脱水典型速度是160/800r/min，而滚筒洗衣机对应的是50/1100r/min，带有干衣功能的则会更高，在1200r/min以上。（３）低速时的转矩裕度要大。由于滚筒是水平放置的，洗涤时含水的衣服会随着滚筒的滚动形成偏载，衣

5、物还会从滚筒顶部摔下形成冲击负载，这就要求驱动系统要有足够的转矩。（４）驱动电机装配形式比较灵活。由于滚筒本身有比较稳定的轴系，所以电机采用内转子、外转子、组装式、分装式都可以，不像波轮洗衣机，只有分装式比较适合。（５）驱动系统价格稍高些对整机影响不大，因为与波轮式洗衣机相比，滚筒洗衣机本身就是高端消费品。由上述分析可见，在滚筒洗衣机中采用低噪音高性能的无刷直流电机直接驱动系统是撮适台的。目前国外已经有多款成熟产品，日率韩国公司的最多，如夏普、东芝、ＬＧ等。几种应用于洗衣机直接驱动的无刷直流电机如图１—３所示。图1哈工人研制的用于波轮直驱的外转了无刷直流电机图2哈上大研制的用于滚筒

6、直驱的外转了无刷直流电机图3国外研制的应用于滚筒直驱的内转子无刷直流电机２直驱式无刷直流电机的磁场特点按照绕组中的电流波形，无刷直流电机可以分为方波电流驱动方式和正弦波电流驱动方式，后者又叫做交流水磁同步电机。采用正弦波驱动时，绕组的反电势波形一定是正弦的，因此电机的定位力矩会较小。采用正弦波驱动后，电机的力矩波动也会很小，电机系统运行平稳，噪音低。因此正弦渡驱动方式的交流永磁同步电机更适宜于在高档白色家电中使用。按照转子结构，无刷直流电机分为内转子和外转子两种。如粜转速较低转矩较大，那么外转子方式比较适合。对于高档滚筒洗衣机来说．最高转速可能会在1200r/min以上，而且滚筒的

7、驱动是靠外轴伸，因此采用内转予结构更有利一些。从磁场的分布来看，无刷直流电机有表面式磁钢SPM和嵌入式磁钢IPM两种。SPM结构相对来说比较简单，电机的特性上要依赖于磁钢的特性，但磁极数太少时漏磁较大。当磁钢厚度达到定程度后，还可以采用种特殊的Halbach结构，使气隙磁密幅值提高。波形正弦化。普通IPM结构一般粟用径向碰钢方案，当转于磁极数很多时磁路也存在问题。但ＩＰＭ结构的无刷直流电机定子绕组电感较大，更适宜于弱磁控制以提高转速范围。近年来还出现了切向磁制结构的I