對于洗衣機動能回收裝置的研究

王增萍 解直偉 孫璇

摘要：洗衣機作為日常生活中的重要電器產品，對減少日常勞動強度，提升生活質量，具有重要的意義。隨著科技水平的發展，各種新型、多功能洗衣機層出不窮，功能上已經滿足人們生活需要，隨著人們對于環境保護和節能減排的進一步嚴格要求，洗衣機噪聲、振動和能耗問題受到廠家和消費者越來越多的重視。本文從能耗的角度出發，針對洗衣機內筒旋轉、停止、反轉的特殊工況，以提高洗衣機效率，節能減排為目的，設計了機械形式和電氣形式的動能回收裝置，對洗衣機制動時的能量進行回收再利用，為提高洗衣機的能耗水平提出了解決方案。

關鍵詞：動能回收;機械形式;電氣形式

1、現狀與研究意義

目前市場上主流洗衣機分為波輪洗衣機和滾筒洗衣機兩大類型。這兩種類型洗衣機普遍采用的傳動方式分兩種，第一種是無刷變頻電機（BLDC）通過皮帶傳動，電機減速后驅動洗衣機內筒;另一種是直驅變頻電機（DD）通過傳動軸直接驅動洗衣機內筒。

洗衣機運行模式主要分為洗滌模式及脫水模式，波輪洗衣機一個標準洗衣周期時間在一個小時左右，脫水時間占10分鐘。洗滌能耗占整個能耗90%左右。滾筒洗衣機一個完整的洗衣周期時間為一個小時至兩個小時左右。其中，電機工作在基速以下的時間（包括洗滌時間、漂洗時間和部分脫水時間）占90%左右，電機工作在基速以上的時間占10%左右。滾筒洗衣機電機的能耗主要是在電機工作在基速以下時消耗的，約占總能耗的85%左右。

洗滌模式下，波輪洗衣機電機通過波輪來攪動衣物進行洗滌。負載模型表現為由布置影響的摩擦性負載和阻力負載，同時疊加較大幅度的隨機擾動。因衣物攪動的隨機性較大，過程較復雜，所以波輪洗衣機的負載模型無法準確建立。滾筒洗衣機通過旋轉筒摔打衣物進行洗滌。負載模型表現為摩擦性負載疊加因衣物摔打產生的低頻負載波動。負載波動頻率受布量和水量影響，但一般頻率大于桶旋轉的機械頻率。

脫水模式下，洗衣機負載等效于慣量變化較大的摩擦負載。布量和水量直接影響慣量，在脫水過程中，慣量隨脫水緩慢減小。

洗衣機洗滌模式下的轉速曲線示意圖如下圖一所示，循環運行步驟分為啟動、穩定運行、制動、停轉、反向啟動、反向穩定運行、反向制動、停轉并開始一個新循環。洗滌模式下，為縮短洗衣機洗衣時間，提升洗衣機洗凈率，洗衣機需要較高的加速度來縮短啟動時間，并有較高的減速度來縮短制動時間。波輪洗衣機電機的典型運行狀態為：滿載轉動1.6s，停轉1.6s，啟停次數約為900次;輕載轉動0.6s，停轉0.6s;滾筒洗衣電機典型運行狀態為：旋轉15s，停轉5s，啟停次數約為150次。

洗衣機脫水過程時，電機運行狀態為緩慢勻加速，并在高轉速下穩定運行一段時間，制動后反向重新開始加速流程。相對于洗滌模式，啟停次數較少，在10次以下。

洗衣機傳統制動方式是依靠衣物、水流及內筒與電機軸的摩擦力提供制動力來制動，衣物、水流及內筒的動能經摩擦損耗轉化為內能散發出去，本文擬采用機械或電氣的方式回收這部分的動能。

2、機械形式動能回收裝置

通過游絲彈簧回收洗衣機內筒停轉時的動能，并在洗衣機內筒反轉時提供轉矩。啟動時，彈簧與電機轉矩共同驅動洗衣機內筒，提高了啟動加速度;制動時，彈簧作為負載與洗衣機負載共同提供制動力，縮短了制動時間。

彈簧儲能機械結構：可采用扭簧或渦卷彈簧，將彈簧一端與電機軸固定，另一端與機殼固定，并在機殼處設置限位開關，可由驅動器控制將彈簧卡死。

如下圖3為加裝彈簧儲能裝置后洗衣機轉速曲線，虛線為原轉速曲線，對比可看出加裝儲能裝置后的轉速曲線類似于正弦曲線，不能長時間保持在高速旋轉狀態。

彈簧動能回收裝置工作流程：

1.洗衣機啟動時，電機正向旋轉某一圈數后（假定為N圈），彈簧充能達到極限值，限位開關彈出將彈簧卡死。

2.電機驅動內筒及衣物、水流反向轉動，此時，限位開關收回，儲能彈簧與電機共同提供驅動轉矩，提高了啟動加速度，減少了電機的啟動時間。

3.電機在反向旋轉N圈后，轉速達到極值點，彈簧儲存的N圈能量完全釋放，彈簧由驅動部件轉變為儲能部件。

4.考慮到能量損耗，電機在轉速達到極值點之后某處停止，洗衣機內筒及衣物、水流的動能由彈簧回收，彈簧反向充能N圈后完全停止，限位開關彈出將彈簧卡死，該階段的彈簧作為負載為洗衣機提供制動力，減少了洗衣機的制動時間。

5.電機驅動內筒正向旋轉，除旋轉方向改變外，重復步驟2、3、4，完成彈簧的正向驅動、制動過程。

6.重復步驟2～5，完成洗衣機的洗滌過程。

由以上工作原理及流程可知，機械形式動能回收裝置僅適用于內筒每次旋轉時間短的工況。彈簧動能回收裝置本身并不節能，它在洗衣機正反旋轉的特殊工況下，為電機提供助力，減小電機啟動時間，縮短了電機在高能耗工作區域的時間，由此達到一定的節能效果;在洗衣機進入脫水模式時不能夠使用，需將儲能彈簧與電機軸斷開;另外，彈簧動能回收裝置縮短了洗衣機電機啟動及制動時間，可將整個洗衣流程縮短一定時間。

3、電氣形式動能回收裝置

電氣形式動能回收多用于電動汽車、電動自行車等制動能量回收系統中，以常見的異步電機為例，簡要介紹電氣形式的動能回收裝置。如下圖4為洗衣機動能回收電氣原理圖，動能回收系統主要由整流器、蓄電池組及逆變器構成，其中，整流器交流端與電機相連，直流端與蓄電池相連，蓄電池可為洗衣機燈、加熱器、揚聲器、主控電路板等小功率直流元器件直接提供能源，也可通過逆變器將直流電重新轉化為交流電來驅動電機。

如下圖5為加裝電氣動能回收裝置后洗衣機轉速曲線，其中，啟動曲線、穩定運行曲線與未加裝時相同，僅制動曲線與未安裝動能回收裝置時不同。如圖中粗虛線所示，加裝動能回收裝置后，制動階段時，由電機與負載一同提供制動力，制動曲線斜率更高，制動時間縮短，回收了如圖所示綠色填充區域的能量。

加裝電氣式動能回收裝置的洗衣機工作流程：

（1）啟動、穩定運行階段與常規流程相同。

（2）制動階段，將交流電源與電機斷開，并將電機與整流器相連，此時衣物、水流的動能將繼續驅動電機旋轉，電機處于發電機狀態，通過整流器將交流電轉變為直流電儲存于電池組中。

（3）當電池組電能儲存至一定百分比時，可利用電池組為洗衣機小功率直流元器件提供能源。若電池組容量足夠大，也可通過逆變器將直流電轉變為交流電，直接為電機提供能源。

由以上工作原理及流程可知，電氣式動能回收裝置在洗衣機頻繁啟停時，具有一定的能量回收效率;洗衣機在脫水模式時，電機長時間連續運轉，僅能回收微量的電能;從整體上看，洗衣機轉速曲線中綠色填充區域的面積相對于轉速曲線與X軸圍成的面積較小，能量回收效率有限。

4.產品使用介紹

如上圖6所示，洗衣機動能回收系統具體實施方案以志高小型洗衣機為基礎，以STC89C52單片機多功能開發版為控制核心，通過兩個繼電器將洗衣機的電機與電源、變壓器分別連接，其中，繼電器初始狀態時，電機接線兩端與變壓器相連，電機不運行;220V交流電源分別與兩個繼電器另一側端子相連，當繼電器接收到高電平信號后，電機接線端與變壓器切斷并轉而連通至電源側，電機正常運行。變壓器輸出端與整流器交流輸入端相連，可將交流電機制動時產生的感應電流轉化為直流電并輸入至蓄電池中，通過繼電器3控制電池的充電，并通過電流表與電壓表監測電池的充電過程。單片機控制端采用4個獨立按鍵，其中3個按鍵分別控制3個繼電器的開啟和關閉，按鍵4可切換所有繼電器狀態，繼而切換電機運行/電磁制動狀態。

具體使用流程：

1.基于電氣原理圖，按照接線圖將繼電器所在電路板上的白色、黑色兩根5V低壓電源線與與單片機上標注有VCC和GND的接口相連，將黃色、橙色、紅色3根信號線與單片機上標注有P2^7、P2^6、P2^5相連，相關接口應嚴格按照標注對接。

2.打開洗衣機下側背板，將其中的按壓接插件與繼電器所在電路板上端黑色外皮的電源線（標有M）相接。

3.將單片機開發板電源與洗衣機供電電源接通。

4.打開單邊機開發板開關，由于該開發板具有多個功能，與洗衣機動能回收相關的僅有左下方4個按鍵，LED數顯管和LED燈只用作檢測用途。

5.K1、K2功能都為同時切換繼電器1、2的狀態，K3功能為切換繼電器3的狀態，K4功能為切換所有繼電器狀態。按下K1或K2按鍵可以實現電機的啟動與關閉，按下K3按鍵實現電池的充電與斷開充電。

6.初始狀態時，電機未接通，充電側繼電器閉合，電壓表數值為3.8V左右，電流表數值為0。

7.打開單片機開發版開關后，僅按下K4按鍵，電機啟動，充電側繼電器斷開，電壓電流表無數值;再次按下K4按鍵，充電側繼電器閉合，電機迅速停轉，在這瞬間，電流表顯示0.02左右的電流，電壓表顯示3.8V以上的電壓，上述現象表示在此時，電機制動為鋰電池充電;隨后，電機完全停轉，電流表歸為零，電壓表穩定至鋰電池電壓（約3.8V），表示電機制動完成并完成了短暫的動能回收過程。

5.未來研究方向

通過游絲彈簧回收洗衣機內筒停轉時的動能，并在洗衣機內筒反轉時提供轉矩。啟動時，彈簧與電機轉矩共同驅動洗衣機內筒，提高了啟動加速度;制動時，彈簧作為負載與洗衣機負載共同提供制動力，縮短了制動時間

制動階段，將交流電源與電機斷開，并將電機與整流器相連，此時衣物、水流的動能將繼續驅動電機旋轉，電機處于發電機狀態，通過整流器將交流電轉變為直流電儲存于電池組中。

當電池組電能儲存至一定百分比時，可利用電池組為洗衣機小功率直流元器件提供能源。若電池組容量足夠大，也可通過逆變器將直流電轉變為交流電，直接為電機提供能源。

1、上述原理性實驗為洗衣機動能回收系統提供了理論基礎，但是電路板及單片機電路所占提及大，連線不規范。下一步應將單片機與繼電器集成作為單個電路板，節省空間并增加穩定性。

2、上述原理性實驗僅在演示過程中通過按鍵來切換電機運行狀態，實現動能回收。下一步應結合洗衣機具體洗滌程序，通過計算機編程，將動能回收集成到洗衣機自身程序中去，實現洗衣機自動化動能回收。

3、洗衣機動能回收的能量較少，且通過鋰電池儲存，當前階段可將這部分回收的電能可用于低壓電路板、指示燈、蜂鳴器等的供電;由于鋰電池功率較小，不能將這部分能量直接驅動電機進行洗衣作業，若經濟性滿足要求，下一步可通過加裝大容量蓄電池來儲存回收的能量，并加裝逆變器用于直接驅動交流電機。

參考文獻

[1]韋宇聰. DD滾筒洗衣機用無刷直流電機系統及控制策略研究[D].哈爾濱工業大學，2006.

[2]袁定坤，劉明杰.洗衣機負載特性實驗——兼論洗衣機電機轉矩指標的確定[J].微特電機，1982（03）：18-26.

[3]王金星，劉利強，皇凡輝.汽車慣性動能回收再利用裝置的設計仿真[J].電子設計工程，2015，23（07）：130-133.

[4]林其平.變頻技術在洗衣機上的應用[J].電子制作，2015（06）：49.

作者簡介：王增萍，女，漢族，2003 -1，山東日照人，任職單位：青海大學，職稱：學生，學歷：本科在讀，研究方向：過程裝備與控制工程。