一種基于電機轉向可控的洗衣機用循環排水一體泵

摘要：針對現有市場上洗衣機排水循環系統存在的一些問題，介紹了一種轉向可控的單相交流永磁同步電機控制方法，以及一種新設計的一體化泵腔結構，從而提供了一種雙出水管道互不干擾的洗衣機用循環排水一體泵。

關鍵詞：轉向可控;單相交流永磁同步電機;一體化泵腔結構

引言

隨著人民生活水平的不斷提高，洗衣機已經成為人們生活中不可或缺的家用電器，人們在享受洗衣機帶來的解放雙手便利的同時，也對洗衣機的性能提出了更多的要求，而滾筒洗衣機以其低磨損和智能化的高端形象，受到廣大消費者的青睞[1]。本文首先針對現有的滾筒洗衣機排水循環系統存在的一些問題作出一些闡述，然后提出了一個系統性的優化方案，即通過采用一種轉向可控的單相永磁同步電機[2]以及一種新設計的一體化泵腔結構[3]，從而實現了雙出水管道互不干擾的滾筒洗衣機用循環排水一體泵，有效地解決了現有滾筒洗衣機排水循環系統存在的一些問題。

1 現有問題

現有的滾筒洗衣機循環排水系統通常采用排水泵和循環泵分別單獨設置的方法，排水泵主要用于將洗滌后的污水排出到洗衣機外部的下水管道內，而循環泵主要用于將滾筒內的洗滌水通過循環泵產生一個“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，達到提高洗凈率和洗凈均勻度的目的，有文獻表明[4]，有循環噴淋的洗凈率比無循環噴淋的洗凈率提升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）、排水泵和循環泵通常使用同一個水泵殼，如圖1所示，這種構造導致了水泵殼整體結構較大，增加了制作成本，與此同時，這種構造對滾筒洗衣機內部安裝空間要求較大，無形中增加了滾筒內部管路鋪設的復雜程度;

2）、此外，分別采用排水泵和循環泵的設置方法，也增加了材料成本的投入，以及滾筒洗衣機的電能損耗，不符合國家對于家用電器低碳環保以及可持續發展的要求。

基于上述問題，需要行業技術人員開發出一款全新的滾筒洗衣機循環排水系統。

2 一種全新的循環排水一體泵方案

通過多年的技術開發努力，本文作者及所在公司的研發團隊成功開發出一款基于電機轉向可控的洗衣機用循環排水一體泵，即通過采用一種轉向可控的單相永磁同步電機以及一種新設計的一體化泵腔結構，從而實現了雙出水管道互不干擾的滾筒洗衣機用循環排水一體泵，如圖2所示。下面將對一種轉向可控的單相永磁同步電機和一種新設計的一體化泵腔結構分別進行詳細介紹。

2.1 一種轉向可控的單相永磁同步電機

一直以來，滾筒洗衣機用的排水泵和循環泵通常采用單相永磁同步電機作為驅動電機，如文獻所述[5]，電機部分包括定子和轉子兩部分（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、右兩個鐵芯軛部上，轉子為一對極鐵氧體，該電機結構通過將鐵芯每極極弧設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階梯形式的氣隙磁場，解決了單相永磁同步電機通電后無法自啟動的問題，具有結構簡單，操作方便，使用壽命長等優點，但是該電機結構也具有一個顯著的缺陷，就是電機轉向不可控，無法滿足循環排水一體泵對于電機轉向可控的需求，為了解決這個問題，本文按照電機轉速是否可以調速進行區分，采用兩種控制策略來解決電機轉向不可控的問題。

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、H橋驅動模塊、開關霍爾等4部分組成，此外，電機繞組由兩組串聯且繞線方向相反的集中繞組組成為單繞組結構，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換為高壓直流電壓，這一轉換很重要，通過交流—直流的電壓轉換，為后續通過PWM調整直流電壓的占空比，從而實現電機調速建立了物理基礎。其次，開關霍爾信號用來檢測轉子的磁極信號，一般可以設定為當檢測到磁極為N極時，開關霍爾信號輸出高電平，當檢測到磁極為S極時，開關霍爾信號輸出低電平。單片機通過開關霍爾信號反饋回來的電平信號，經過邏輯運算后控制高壓直流電壓在H橋驅動模塊中4個MOS管的導通順序，從而實現電機按照特定的轉向進行旋轉，典型的工作方式為：當外部開關信號為導通時，此時需要電機按照順時針旋轉，在電機的一個換相周期內，當開關霍爾信號檢測到磁極信號為N極時，輸出高電平至單片機，單片機通過邏輯運算后在電機的前半個換相周期內，控制H橋驅動電路中的Q1、Q4兩個MOS管導通，另外兩個Q2、Q3 MOS管閉合，在電機的后半個換相周期內，控制H橋驅動電路中的Q2、Q3兩個MOS管導通，另外兩個Q1、Q4 MOS管閉合，高壓直流電壓按照上述的導通順序，輸入到單繞組線圈內，從而推動轉子按照順時針的方向旋轉。上述的工作方式只是其中一個工作狀態，具體的電機轉向控制邏輯如表1：

按照表1的電機轉向控制邏輯，可以控制電機按照特定的轉向進行運行，此外，通過調整PWM信號占空比來調整加到電機繞組上的直流電壓大小，可以實現電機轉速的調整，為后續根據不同的需求來調整循環排水一體泵的流量和揚程特性打下基礎，目前轉速范圍一般設置為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、雙向可控硅驅動、線性霍爾、同步信號檢測等5部分組成，此外，電機繞組由兩組串聯且繞線方向相反的集中繞組組成為單繞組結構。

首先，由一組串聯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）轉換為低壓直流電壓，用于給單片機和線性霍爾供電，而低壓直流電壓值的大小取決于單片機和線性霍爾工作時所需的供電電壓，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計為5Vdc，但是考慮到電機本身的低壓特性需求以及元器件本身內阻所引起的壓降，實際工作時的輸出電壓值會低于5Vdc，這一點在設計時需充分考慮，避免直流供電電壓過低，導致線性霍爾的靈敏度過低，電機無法正常啟動。其次，線性霍爾通過霍爾輸出信號電壓值與本身偏置電壓值進行比較，從而判斷磁極位置，具體判斷邏輯如表2：

而同步信號檢測模塊用于檢測交流電壓的極性，當同步信號和霍爾信號的狀態能一一對應時，單片機輸出高電平的開關信號以控制雙向可控硅導通，則交流電壓的正半波或負半波輸入到電機的單繞組線圈內，從而推動轉子按照順時針或者逆時針方向進行旋轉，否則單片機輸出低電平的開關信號以控制雙向可控硅截止。具體的電機轉向控制邏輯如表3：

按照表3的電機轉向控制邏輯，可以控制電機按照特定的轉向進行運行，但是由于電機的輸入電壓仍為交流電壓，電機本身無法實現調速，而是與輸入的交流電壓頻率相關，例如：輸入的市電電壓頻率是50Hz，轉子磁極極對數是1對極，按照同步電機轉速計算公式：n=60*f/p（f：電壓頻率，p：轉子極對數），則電機轉速為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轉向不可控的問題，為結合一種新設計的一體化泵腔結構，從而實現了雙出水管道互不干擾的滾筒洗衣機用循環排水一體泵創造了條件。

2.2 一種新設計的一體化泵腔結構

現有的洗衣機循環排水系統雖然通常采用一個水泵殼，但是排水泵和循環泵分別設置在相對獨立的工作泵腔，如圖1所示，結構較為復雜，制造成本高。新設計的方案仍采用一個水泵殼，但是將排水泵和循環泵的工作泵腔集成為一個工作泵腔，如圖6所示。首先，一體化泵腔結構在其外部設置有兩路平行的分別用于排水和循環的管路，兩路管路平行設計很關鍵，有利于避免排水管路和循環管路分別工作時對另一管路的干擾。其次，一體化泵腔結構的內部采用蝸殼設計，一般將流量較大的排水管路與蝸殼漸開線放大的方向進行耦合，而蝸殼采用8點均分法來進行設計，具體公式如下：

其中D8為蝸殼上每個起始點到蝸殼中心的距離，Q為排水管路典型工作點的流量（m3/s），H為排水管路典型工作點的揚程（m），R為基圓半徑（即第一個起始點至蝸殼中心的半徑），K3為水流速度系數，a值為一體化泵腔深度。通過上述公式可以較為準確地計算出不同流量和揚程需求下的一體化泵腔結構。此外，在蝸殼內介于排水管路與出水管路之間設置有弧形擋塊，弧形擋塊的圓心與蝸殼中心為同一點，通過調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管路分別工作時，對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的電機轉向控制方法，當電機沿順時針旋轉時，帶動葉輪將蝸殼內的水由排水管路排到洗衣機外部的下水管路中，當電機沿逆時針旋轉時，帶動葉輪將蝸殼內的水由循環管路“加壓”至洗衣機內部，此外，按照上述工作方式工作時，不處于工作的管路均可保證在一定的揚程下不會發生“泄露”，具體的設計指標如表4：

從表格中的設計指標來看，完全可以滿足洗衣機對于循環排水系統的要求，從而實現了雙出水管道互不干擾的滾筒洗衣機用循環排水一體泵。

3 結語

本文首先對于現有的滾筒洗衣機循環排水系統存在的一些問題進行闡述，然后分別介紹了單相永磁同步電機轉向可控的兩種控制方案，以及一種新設計的一體化泵腔結構，從而實現了雙出水管道互不干擾的滾筒洗衣機用循環排水一體泵。

參考文獻

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[2]王明仁，劉猛，王勝，等.無刷電機的基于轉子位置檢測的啟動方法[P].中國.發明專利.201510537071.X.2015.8.27

[3]盧鵬程，王勝，朱中存，等.泵以及具有所述泵的排水循環系統和家用電器[P].中國.發明.201710022751.7.2017.1.12

[4]林一斌，陳英，樓武雷，等.滾筒洗衣機高洗凈性能的開發[J].家電科技，2018，09（013）：46-51.

[5]付敏，于長勝，白宏哲，等.階梯氣隙結構對U型單相永磁電機自起動性能的影響[J].電機與控制學報，2010，06（14）：39-44.

作者簡介：王 勝，男，1982年生，研究生，電機設計開發工程師，專注于家用電器交流同步電機、無刷電機的研究與應用。