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直接驱动无刷直流电动机的研究
2016年12月21日

直接驱动无刷直流电动机的研究

  摘要:跟踪国际洗衣机技术发展趋势,叙述新一代变频洗衣机驱动控制技术进展,介绍家用变频洗衣机直接驱动无刷直流电动机研究开发项目的研究结果。
    采用变频调速技术的新一代洗衣机,将新型变频电动机及PWM变速调节机电一体化技术应用到家用洗衣机上,取代传统家用(波轮式或搅拌式)洗衣机的单相异步电动机一皮带轮一变速离合器传动系统,代之以三相异步电动机(IM)、或永磁无刷直流电动机(BLDC)、或开关磁阻电动机(SRM)驱动洗衣机,与它们的电子驱动控制器联合作用实现可变速调节,方便地实现全新的控制功能。目前,以采用永磁无刷直流电动机驱动为多见。
    全世界家用洗衣机基本上分为三大类:即以日本为代表亚洲市场为主使用的波轮式洗衣机,以北美市场为主使用的搅拌式洗衣机,以欧洲市场为主的滚筒式洗衣机。如果以洗衣轴轴向来分,前两种是垂直轴,结构上共同点较多。而滚桶式为水平轴。在我国洗衣机市场中,大多数厂家生产波轮式,滚筒式近年来有所发展,而搅拌式则较为少见。
    我国家用波轮洗衣机技术来源于日本。这种洗衣机运动方式主要是洗涤和脱水两种基本方式。通常波轮的最大转速160~180r/min左右。脱水时,波轮和洗衣筒同时旋转,例如升速到600~800r/min,使衣物脱水。而搅拌式洗衣机,从运动方式来说与波轮式不同点仅是洗涤时相当于波轮部分的搅拌轴是作小于360°的摆动。
    传统波轮洗衣机的动力传动是:单相电容分相异步电动机一皮带轮减速一减速离合器一波轮或洗衣筒。按洗衣机容量不同,单相电动机额定功率120~180W,通常额定转速1370r/min左右,皮带轮减速约为1.75左右。当离合器在脱水位置时,脱水速度约为600~800r/min。当离合器在洗涤位置时,由行星齿轮减速器作用,第二次减速,减速比一般为5左右,即波轮转速约为160~180r/min。
1三种变频洗衣机驱动方案
    采用无刷直流电动机新驱动变速系统可有三种驱动方案供选择:
    (1)保留皮带轮、减速离合器等传动结构的间接驱动方案
    保留传统洗衣机原有皮带轮、减速离合器等传动结构,只是用永磁无刷直流电动机代替原来的单相交流电动机,利用无刷电动机和电子驱动器实现可变速控制。
    (2)保留减速离合器等传动结构的间接驱动方案
    传统结构洗衣机的皮带容易磨损,是洗衣机可靠性变坏的主要因素之一。当采用模糊控制时,它也是衣量判断失误的主要原因。取消皮带传动,电动机与减速离合器在同一轴线上,也有利于系统的平衡,省去传统洗衣机的平衡块。
    1998年日本松下公司在我国申请了这样一个洗衣机专利:由一个无刷直流电动机与减速离合器同轴组成一个紧凑的结构。
    这种方案可看成是前一个间接驱动方案和后述直接驱动方案的过渡和折中,它在成本和技术方面都具有一定的优势。
  (3)直接驱动方案
  直接驱动方案是完全取消了传统洗衣机的机械减速传动部分,电动机轴与洗衣机轴线重合,甚至是共用一根机械轴。籍电子驱动控制技术来实现洗衣机的宽范围变速(例如:100:1)调节、正反转、制动、保护。
    在国外,新西兰的Fisher&Paykel公司在80年代末推出世界上第一代采用永磁无刷直流电动机直接驱动的搅拌式洗衣机,1992年推出经改进完善的产品,名为Smart drive的洗衣机。F&P公司为此种洗衣机在新西兰、澳大利亚、欧洲、美国申请了多项专利。
    90年代初日本三菱公司推出8kg直接驱动洗衣机。近年日本东芝、夏普、松下等公司都先后研制出类似的直接驱动洗衣机面市。日本东芝此种新型洗衣机在中国申请了多项专利,对其专有技术进行保护。韩国的三星、LG电子公司也推出直接驱动变频洗衣机。
    这种发展趋势,引起国内洗衣机企业的关注,先后进行了研究开发。1998年12月安徽荣事达公司率先在国内推出称为仿生手搓式洗衣机的直接驱动洗衣机,此机型基本上参考新西兰F&P公司上述搅拌式产品进行设计的。
2直接驱动系统及其所带来的好处
    我们的开发项目采用直接驱动方案,而且电动机是一种盘式永磁无刷直流电动机(BLDCM)。此电动机只有定子部件和转子部件两个部分,没有机壳、端盖、轴和轴承等一般电机应有的部件。转子直接安装到洗衣机中心轴上,定子安装到洗衣机盛水筒底部,结构十分简洁。
    无刷直流电动机是伴随着电力电子技术发展,新型功率器件商品化后出现的机电一体化电动机。它由电机部分和电子驱动电路两部分组成。电机部分的定子铁心上嵌有多相交流绕组(本项目为三相),转子有永磁铁,在电机气隙中产生多极磁场。电机有转子位置传感器,其作用是当电机旋转时,由此传感器产生信号控制电子驱动器,对三相绕组的供电进行换相。本项目采用铁氧体永磁,霍尔集成电路作为位置传感器,以降低成本。
    直接驱动方案和上述间接驱动方案相比,电动机的尺寸和结构有很大变化。洗涤时间接驱动电动机转速1 400r/min左右,而直接驱动时电动机转速为160r/min的话,速比为8.5。当要求输出功率相同情况下,直接驱动电动机的输出转矩必需比间接驱动电动机的放大8.5倍。
    众所周知,电动机体积不是决定于输出功率,而是转矩。因此,直接驱动电机有效体积(D2L)就要大致放大这个倍数。实际上,电动机变成一种大直径盘式的外形,结构上与普通的洗衣机电动机有很大区别。从而使直接驱动电动机成本有较大幅度的提高。
    电子驱动器部分由EMI滤波器、三相逆变桥、栅极驱动、切换开关、电流采样、辅助电源、控制单元等部分组成。
    采用永磁无刷直流电动机直接驱动洗衣机带来如下好处:
    (1)直接驱动简化了洗衣机传动结构
    对于波轮式洗衣机,直接驱动方式取消了皮带轮和行星齿轮等传动机构。特别是对于搅拌式洗衣机更为明显改进。原本需要将电动机旋转运动经复杂的传动机构转换成摆动运动方式,采用DD方式后,由电子控制可方便地实现电机的摆动方式运动控制。
    (2)改善洗衣机机构平衡
    原有洗衣机传动结构的电动机轴线和洗衣机主轴轴线不重合,电机偏在一边,重心不平衡。为此,一些洗衣机需要再安装平衡重块,或在悬挂系统上设法使洗衣机平衡。现在直接驱动方式就不必这样做,电动机重心在洗衣机中心轴轴线上,大大有利于洗衣机的平衡,运行平稳、安静。
    (3)节能
    使用单相交流电动机,以起停控制调节洗衣机运行参数,在起停和正反转时,都引起很大的启动电流冲击,可达正常工作电流数倍,使运行效率变坏,总电能消耗较大。而且一般洗衣机单相电动机本身效率较低,通常小于50%。改用永磁无刷电动机,它的固有效率比单相电机要高10%~200%,起停控制时电子驱动器有限流环节,可实现软启动,启动电流较小。再加上免除了机械减速器的机械损耗,使洗衣机总体效率大为提高,达到节能效果。
    (4)用电气制动代替机械制动
    传统洗衣机为保障人身安全设置了机械刹车,脱水时,当人把洗衣机上盖掀开,刹车功能使洗衣机在数秒内快速停转。机械刹车是减速离合器的一个部分。采用直接驱动无刷直流电动机后,这个功能由电气制动代替,简化了机械结构。
    (5)良好可控性,改善家电性能,增加功能
    由过去的单速度到可变速控制,洗衣机可根据被洗涤的衣物质地,洗涤时水流转速可从30~180r/min选择最佳洗涤速度,同时也可选择不同脱水速度进行脱水,在保证洗净度下减少了磨损率。利用无刷电机和驱动器可控性良好,可方便地构想新型洗衣机运动方式、新型水流、新洗涤方法,从而大大增加新型洗衣机功能的发展空间,实现多功能、节能、节水、低噪声
等目标。
    (6)为真正的模糊逻辑控制、神经网络控制提供前提条件
    传统洗衣机传动方式可控性差,智能控制优点难以发挥。采用全新驱动系统后,真正智能控制才有可能实现。
    (7)降低噪声
    以东芝新型洗衣机为例,洗涤时噪声可比普通洗衣机降低5~l0dB,在脱水时,采用分段升速控制方法,噪声可降低到50dB左右,是当前最高水平。
3研究特点
    如前所述,国内外已推出直接驱动洗衣机的公司都同时申请了多项专利,对其产品技术进行保护。这说明此技术本身有一定难度,较多新颖性,先进性,从而也使这项研究必需回避这些专利,遇到较多困难。
    表1列出了变频洗衣机直接驱动无刷直流电动机研究项目与国内外同类技术的比较。表中除第4列数据为研究项目外,还列出三种有代表性的国内外同类产品。荣事达公司是目前国内较早将直接驱动洗衣机推向市场的中国公司,电机与驱动部分由上海某研究所设计;新西兰和东芝的直接驱动洗衣机是业内公认的典型产品。作为直接驱动洗衣机基本功能,这四种都差不多,没有多大差别。表中主要列出实现方案方面的区别。
 
      表1与国内外同类技术比较表
 
    本项目技术方案有下列几个特点:
 (1)多极无刷电动机分数槽绕组参数的优化选择直接驱动无刷电动机在洗衣机应用,由于低速大力矩的要求及空间的限制,采用盘式结构是合理的。由于直径大、轴向短(定子铁心长L《D),宜采用多极分数槽绕组。
    如表1所示,四种对比产品均采用多极分数槽绕组。分数槽绕组主要参数是定子槽数z,转子极对数po它的z和P取最大公约数为t时,zo:z/t,po=p/t,zo和po组成“单元电机”,即z/p电机由t个单元电机组成。由表1可得到四种产品的单元电机zo/po如下:
 
 
    表2单元电机参数表
 
 
 
 从表2可见,F&P和荣事达的方案是相同的,单元电机是两对极下有三个槽,东芝的方案单元电机是一对极下有三个槽,相绕组元件分别是长(240°)和短距(120°),相绕组系数只有0.866。主要缺点是它们的齿槽转矩大。齿槽转矩是指绕组不通电时由于定子槽与转子永磁磁极之间作用产生的一种妨碍电机转动的附加波动力矩。它是一种对电机运行噪声和振动不良的因素。在F&P和荣事达的洗衣机,此齿槽力矩很大。而东芝为了解决此问题,特别设计了大小齿结构,且大小齿下有不同气隙长度,并采用特殊形状体等专利措施,取得较好的效果,但使工艺复杂化。
    我们在系统研究了各种可能的多极分数槽绕组参数组合基础上,选择了zo/po=12/5组合,其相绕组系数为0.933,实测齿槽转矩/额定转矩=2%,取得满意结果。
    (2)电机有效体积较小,降低材料消耗
    对于电机技术来说,与电机设计性能相关的尺寸,通常以有效体积D²L作为标志。这里D为内定子外径,L为内定子铁芯长。另外,大家还关心“功率密度”,即平均单位体积的输出功率。它是输出功率与D²L之比值。
    参照表1数据,如果以东芝的方案为参考基准(设为1),可以得到较清楚表示对比结果,见表3。
 
 
表3  四种直接驱动洗衣机电机有效体积和功率密度的相对比较
 
 
 
    从表3可见,研究项目的电动机已达到与日本东芝同类产品相同的功率密度,大大优于其它两种产品。
(3)提出多档分段变速控制方法,在宽速度范围内兼顾高低速段性能,系统效率较高,克服常规PWM的缺陷
    直接驱动洗衣机电机要求在宽速度范围(30—1 0001-/min)调速。常规的方法是采用PWM调节,新西兰F&P和荣事达直接驱动洗衣机就采用这种方式。在洗衣机工作时基本上是恒功率调速,即洗涤为低速大力矩,而脱水为高速小力矩。PWM调节可实现宽范围调速,但不足之处在于低速工作时相电流比高速时大许多,效率明显降低,随之电子驱动器开关管功耗加大。功率开关管的电流值选择决定于最大电流,因而必须选用较大电流值的功率管。因此,这两个公司的驱动器散热器不得不采用水冷方式。对荣事达的直接驱动洗衣机实验表明,当进水水温超过36%时,驱动器会自动保护。
   东芝直接驱动洗衣机采用了专利控制方案,在高速区,电机电流向量比反电势向量超前,实现弱磁控制。按照东芝株式会社在中国申请发明专利CNll70791A提供图表数据,高速区效率≤50%。
    本项目研究分析了洗衣机工作特点,实际上存在低速区和高速区两个工作区的情况,提出了多档分段控制方案。按照这个方案,我们将电机相绕组分裂成两个分段绕组,用切换开关进行绕组切换,在高速区和低速区分别部分或全部绕组进入有效工作。并且结合采用分段槽绕组的特点,提出了具体构成分段绕组方法。
   这种方法与东芝、新西兰F&P和荣事达控制方案相比有如下好处:
a.高低速区工作下都有较高效率;
b.高低速区工作下相电流区别较小,因此,在开关管选择上有利于降低成本。同时控制电路过流和限流保护简化,可设置同一个限流值即可。
    实际结果,可调速度范围为20~1 000 r/min。分为两个速度段:高速段是200~1 000r/min,用作脱水或抖开衣物工作;低速段是60~180r/min,用于洗涤工作,20~40r/min是喷淋工作。
     在洗涤和脱水额定工作状态,按200W输出功率点考核时,均有较高效率:低速额定点67.6%;高速额定点80.7%。
     且在高低额定点的绕组电流(也是功率开关管电流)平均值均在1A左右,差别很小。这样一来,两段转速下可使用同一个限流值,给控制器设计带来方便。
 
 
表4 两种直接驱动电动机效率比较
 
 
 
(4)采用市售ASIC芯片实现驱动控制功能要实现BLDCM的变频控制,有几种技术方案可供选择,主要是:DSP芯片方案;MCU(单片机)方案;专用ASIC芯片方案。DSP芯片的最大优点在于计算能力和数据处理能力强大,有些DSP芯片还是专门设计用于BLDCM变频控制的,硬件方案亦较简单,但其价格比较高,技术支持方面相对不足;采用MCU方案,芯片的价格比较适中,但其硬件方案复杂,软件设计也比较复杂,最终设计的产品的可靠性会受到挑战;采用专用ASIC芯片用于BLDCM的变频控制是一种比较合适的方案。首先,专用ASIC芯片的价格比较合适,功能完善,而且芯片生产厂家针对BLDCM变频控制的特点,进行了具有针对性的硬件设计,保证了芯片本身较完善的控制功能和可靠性;其次,采用专用.ASIC芯片设计的BLDCM变频控制器外围硬件方案比较简单。
 
    我们选用美国UNITRODE公司UC3625三相无刷直流电动机控制器集成电路作为主控制单元。其特点:适用于三相无刷直流电动机闭环速度控制;末级驱动适用于GTR、MOSFET、IGBT三相逆变桥需要;安全正反转控制、限流控制、制动控制;可两象限或四象限运行;有测速信号输出;有过电压、欠电压、过电流保护和防止上下桥臂直通的保护功能;可实现软启动控制。采用该专用芯片设计的变频控制器能够经受住依据国家标准要求的各项EMC实验而不会出现任何故障现象,运行可靠,装有该控制器的洗衣机正反转洗衣、脱水、电子制动等均不会出现任何差错。
 
4结束语
    采用直接驱动变频技术同时也给洗衣机整机的设计、工艺、装配带来新的问题,还有成本的增加。目前,直接驱动变频洗衣机价格偏高,市场未打开。它有待国内洗衣机市场走出压价竞争低谷,特别是我国进入WT0,国外直接驱动变频洗衣机打入中国市场形成竞争压力之后,这种新型洗衣机的优越性终将得到国内市场的认可。
 
   
 
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