电机在普波轮洗衣机中的应用

西安工业大学继续教育学院毕业（）论文 西安工业大学继续教育学院毕业（设计）论文 电机在普波轮洗衣机中的应用 摘 要 本论文主要阐述了电机的家用电器中的作用和电机的发展趋势，家用 洗衣机电机类型的选择和单相异步电机的工作原理，并对家用洗衣机 电机系统进行基本的设计，从而完成洗衣机的洗涤工作。 关键词:家电电动机、电机发展趋势、单相异步电机、电机工作原理、电机控制系统 目 录 摘 要 （1） 1绪论 （3） 2 家电电机的应用现状及发展趋势 （4） 2.1家电电机类型 （4） 2.2现有各种家电电机及其特点 （4） 2.3电机发展趋势 （5） 3 电机的选型 （7） 3.1 普通型波轮洗衣机 （7） 3.2洗衣机电机选择 （7） 4 单相异步电动机的工作原理 （8） 4.1 单相异步电动机的定义 （8） 4.2 工作原理 （8） 5 电机系统设计 （10） 5.1控制系统的选择 （10） 5.2控制系统的设计 （10） 总 结 （13） 致 谢 （14） 参 考 文 献 （15） 1绪论 电动机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。常见的电动机可分为交流电动机和直流电动机。电动机是随着生产力的发展而发展的，反过来，电动机的发展也促进了社会生产力的不断提高。从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来，虽然电动机的基本结构变化不大，但是电动机的类型增加了许多，在运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机，控制电动机具有高可靠性﹑好精确度﹑快速响应的特点，已成为电动机学科的一个独立分支。 在自然界各种能源中，电机具有大规模集中生产、远距离经济传输、智能化自动控制的突出特点，它成为人类生产和生活的主要能源，而且对近代人类文明的产生和发展起到了重要的推动作用。在现代生活中，电机在家电中扮演了重要的角色，  家用电器用电机家用电器用电机主要是小功率电机，凡家庭中有转动件的，都是由电机来驱动的，而且绝大部分为中小功率电机，如空调用的室内机风扇电机、室外机的风扇电机、压缩机、室内机转叶电机，洗衣机的转动电机等。 2 家电电机的应用现状及发展趋势 2.1家电电机类型 电机及其控制技术的发展对家电产品的升级换代起至关重要的作用。家电电机一般采用B级或F级绝缘，应用场合十分广泛。B级绝缘电机的最高温度为130℃。F级绝缘的最高温度为155℃。对电机的性能要求往往包括在相应的家电电器中，例如，洗衣机的能耗标准就包括了对电机的效率要求。用于各种家用电器的电机，一般均为单相电机，属分马力电机的范畴。 家用电器用电机家用电器用电机主要是小功率电机，凡家庭中有转动件的，都是由电机来驱动的，而且绝大部分为中小功率电机，如空调用的室内机风扇电机、室外机的风扇电机、压缩机、室内机转叶电机等。家用电器性能与所匹配的小功率电机有着直接的关系，电机的效率、功率因数、调速范围及噪声直接与家用电器的节能环保有着密切的关系。目前中国家用电器行业增长显著，预计2005年家用电器行业年产量都有不同程度的增长，以空调为例：空调增幅达到10％。如按一台空调4台电机来计算的话，除去部分压缩机不属于小功率电机外，其电机的需求量增幅也超过30%。这种良好的发展态势，将为家用电器用电机提供广阔的市场。 2.2现有各种家电电机及其特点 （1）单相感应电机尽管各种新型电机层出不穷，目前家电产品中使用最多的仍是单相感应电机，约占市场容量的80%以上。单相感应电机的结构简单、节能、容易生产成本低、技术成熟、没有电刷、运转噪音不大、寿命长。单相感应电机有自启动能力，但启动时冲击电流，速度与负载大小有关，效率一般，通常在50%～60%。罩极电机效率一般低于30%。 （2）单相变极感应电机在家电电机中， 变极电机有一定应用，例如，在北美市场上的搅拌式洗衣机就采用了4/6极双速或4/6/8极三速电容起动电机。在中国国内的波轮式洗衣机则大部分采用4极单速电容运转电机。近年来，才开始出现由艾默生公司提供的4/6极共享绕组双速电容运转电机。长期以来，滚筒洗衣机大都采用2/16极或2/12极独立绕组电容运转电机。目前，单相变极感应电机正在逐渐被串激电机或三相变频感应电机所替代。 （3）无刷直流永磁电机（BLDC）无刷直流永磁电机（BLDC）近年来在家电电机中得到越来越多的应用，如洗衣机、空调、洗碗机等。其优点是高效率与低噪声。与电子控制器相配合可以进行无级调速。日本在采用无刷直流电机上处于领先地位，其空调及洗衣机广泛地使用BLDC。但由于其没有自启动能力，通常不能脱离电子控制器而单独运行。与同样必须带电子控制的开关磁阻电机、三相感应调频电机相比，控制器的价格相差不大。由于这种电机在高速运转时需要进行弱磁控制，因而其应用受到限制。 （4）三相感应调频电机由于三相感应调频电机的生产比较成熟，其运行可靠性高。但是在需要兼顾较大范围速度调节时，其高速时的力矩及低速时的效率会受到限制。 （5）开头磁阻电机开头磁阻电机的特点是转子结构简单，既没有绕组、磁钢，也没有电刷，因此特别适宜于高速及超高速运行，其效率及力矩在大范围调速中可保持较小的变化。缺点是较难控制其噪音，其电子控制器需要特殊的设计。 （6）永磁同步水泵电机永磁同步水泵电机的特点是泵与电机结合成一体，电机转子为两极环形永磁体，没有电子控制器，靠振动启动，旋转方向不定，效率达60%～70%。比传统罩极电机效率提高一倍多，代了无电子控制器的永磁电机的发展方向。 电机的发展趋势及研究方向家电电机产品正在向高性能、轻薄短小化、永磁化、无刷化、机电一体化、智能化和组合化发展。 2.3电机发展趋势 （1）电机高性能和轻薄短小化主要是指传统电机产品性能的提高和产品尺寸的缩小。如果电机产品采用永磁激磁，特别是采用高性能稀土永磁材料，可大大提高电动机效率，缩小电机体积。 （2）无刷化主要指发展无刷直流电机，以提高产品的可靠性和寿命。无刷电机已经广泛应用于家用电器，例如在变频空调器中采用无刷直流电机替代异步电动机，效率可明显提高。 （3）组合化主要是为了适应市场对小型化要求，将角度传感器、速度传感器、电动机、减速器和制动器等根据不同用途组合成一体，发展单元产品，作为整机的一个独立的功能组件或部件，或者发展直接驱动和直线驱动产品。例如整机采用电机转子直接作为驱动元件，省掉了中间的传动机构，不但使其结构简化，又可以提高系统精度。 （4）电机生产技术向集约化、柔性化、自动化、专业化以及生产协作配套网络化发展。 “柔性”可以克服以多品种小批量为特点的微电机生产组织上的困难，生产方式集约化、生产自动化和专业化、生产协作配套网络化则可以使以大批量生产为特点的微电机实现规模化经济。此外，电机的设计会有效地利用系统软件把设计分析、设计综合、优化紧密地联系起来，还将信息管理、图形显示、专家系统等有机地联系起来，构成一个新的集成软件体系，计算越来越精确。 （5）交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面。 （6）为了尽可能提高效率，电机永磁体采用烧结钕铁硼，电枢冲片采用拼块式或铰链式，多极集中绕组，根据用户使用要求电机可做成外转子或内转子结构。空调器、洗衣机、电冰箱等为主的家电领域将越来越多地采用永磁无刷电机。 （7）变频电机与控制密不可分，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小。驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。笔者认为，由于永磁电机提供多种速度，提高效率，节约材料和能源，改善起动和刹车特性，将会是未来的主导产品，尤其是直驱变频系统，其效率最高可达到90%以上。电动机驱动用电约占全球用电量的60%。电机效率的提高对家电产品用能的减少有决定性作用，因此，在中国“十一五”提出单位国内总产值能源消耗降低20%左右的目标的大背景下，如何使电机效率更高更节能，已经成为电机发展最重要的方向。国家发展和改革委员会编制的中期能源节约规划中已经将永磁电机视为节能推广产品。  3 电机的选型 3.1 普通型波轮洗衣机 结构：由洗衣桶、电动机、定时器、传动部件、箱体、箱盖及控制面板等组成。 工作原理：依靠装在洗衣桶底部的波轮正、反旋转，带动衣物上、下、左、右不停地翻转，使衣物之间、衣物与桶壁之间，在水中进行柔和地摩擦，在洗涤剂的作用下实现去污清洗。 3.2洗衣机电机选择 我们根据洗衣的工作原理得知其电机主要是控制波轮的启动、停止和正反转。由此，我们可以选择单相异步电机作为普通波轮洗衣机的电机，从而实现洗衣机的正常工作。 单相交流异步电机，是目前洗衣机普遍采用的电机，原因很筒单，因为它的原理、构造大家已经非常了解，制作工艺已很成熟，而且，应用在洗衣机上已有几十年历史了。但由于这种电机是恒速运转，工作时通过皮带传动及减速离合器完成速度、力矩的转换，再分别完成洗衣机的洗涤、脱水动作。 普通波轮洗衣机的电机的功率一般在300瓦左右，同时根据节能和环保的理念，我们可以选择具有噪音低、升温低、功率大以及维护方便的优点的YC系列单值电容起动单相异步电动机。同时该电机具有产品结构简单，运行可靠，具有起动转矩大、过载能力强的特点。因此，YC系列的单相异步电机非常适合我们家用电器电机的设计理念。 我们选择YC801-2型号的电机，该电机的功率为0.37kwh，转速为2800r/min，电流3.4A,电压220v，频率为50Hz。 4 单相异步电动机的工作原理 4.1 单相异步电动机的定义 　　单相异步电动机(single-phase asynchronous motor)是靠220V单相交流电源供电的一类电动机，它适用于只有单相电源(single-phase power)的小型工业设备和家用电器中。 4.2 工作原理 　　在交流电机中，当定子绕组通过交流电流时，建立了电枢磁动势，它对电机能量转换和运行性能都有很大影响。所以单相交流绕组通入单相交流产生脉振磁动势，该磁动势可分解为两个幅值相等、转速相反的旋转磁动势和，从而在气隙中建立正传和反转磁场和。这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流 。 　　该电流与磁场相互作用产生正、反电磁转矩。正向电磁转矩企图使转子正转；反向电磁转矩企图使转子反转。这两个转矩叠加起来就是推动电动机转动的合成转矩。 　　他们的大小与转差率的关系和三相异步电动机的情况是一样的。若电动机的转速是n， 　　则对正转磁场而言，转差率为：s=(n0-n)/n0 对反转磁场而言，转差率为：s=(n0-n)/n0 单相异步电动机的T-s曲线 图4-1 单项异步电机T-S曲线图 　　由图可知单相异步电动机的主要特点有： 　　（1）n=0,s=1,T=T++ T- =0，说明单相异步电动机无启动转矩，如不采取其他措施，电动机不能启动。 　　（2）当s≠1时， T≠0，T无固定方向，它取决于s的正、负。 　　（3）由于反向转矩存在，使合成转矩也随之减小，故单相异步电动机的过载能力较低。 　　电容分相式起动工作原理 　　启动时开关K闭合，使两绕组电流I1,I2相位差约为90°，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断。 　　罩极式单相电机的工作原理 电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。 上图中电机的转动方向：瞬时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。 5 电机系统设计 5.1控制系统的选择 由于洗衣机的工作原理可知，洗衣机主要是通过波轮的正反转来洗涤衣服，以此我们就要设计一个控制电机正反转来带动波轮正反转的电机系统。在这里，我们选择用PLC来控制电机的正反转，已达到我们的设计要求。由于洗衣机的控制系统不是很复杂，我们就选择一个小型的PLC来控制洗衣机电机的运行。 5.2控制系统的设计 洗衣机波轮正反转洗涤衣物的同时电机就在进行正反转，设定洗衣机在按下启动按钮时计时需要40分钟的时间对衣物的浸泡，以便能够更好的洗涤衣物。洗衣机在洗涤衣物时，波轮正转20秒后在反转20秒，并重复此种状态直至波轮转动15分钟对衣物进行充分的洗涤时停止。 由于单相异步电机直接启动时的电流较大，将使线路的电压下降，影响负载的正常工作。所以，我们选择降压启动，以减小线路中电流过大的现象。如5-1图所示，采用串电阻启动。 图5-1 波轮电机正反转接线图 根据电机的运行要求和接线图，我们设计出PLC控制电机的I/O接线图(如图5-2)和梯形图（如图5-3）所示： 图5-2 I/O接线图 图5-3 梯形图 根据的PLC梯形图，写出需要植入PLC中的控制程序（语句表），如表5-4所示，来使PLC能够对洗衣机电机工作进行正确的控制。 LD XO ANI Y1 ANI Y2 OUT T200 K2400 LD T200 OUT CO K100 LD C0 ORI Y1 ORI Y2 ANI T211 OUT T210 K250 OUT T201 K50 LD T210 OUT T211 K250 OUT T201 K50 LD T201 OUT C3 K4 LD C0 OR C3 OUT Y0 LDI C1 AND C0 ANI T202 ORI T203 ORB ANB OUT Y1 OUT T202 K200 LDI C1 AND T202 ANI T203 OUT Y1 OUT T203 K200 LD T202 OUT C1 K45 表5-4 语句表 总 结 随着科学技术的快速发展，电动机作为动力之源被广泛应用于各行各业中，无论是工厂、建筑、军事、医疗、还是家用电器都少不了电动机的存在。电机在现代生活中发挥了巨大的作用。可以说，如果没有电机的存在就没有我们的现代文明。电动机的种类繁多，各种电动机的应用场合也各不相同，有大型的工业应用电机，也有小到家用电器中的中小型电机，甚至一些特殊场合应用的微型电机。特别，是近几年来，随着数字技术的发展，电机应用在各种智能控制系统中，使电机的地位又得到了跨越式的发展。 本次毕业设计主要阐述了电动机在家电中的应用范围，以及怎么选择家用洗衣机的电机，并阐述了电机在洗衣机中的作用原理，对家用洗衣机的电机系统进行了简单的设计。电机的系统的电路并不复杂，通过给PLC植入程序后就能够实现洗衣机电机的启动、正反转和停止功能，基本实现洗衣机的洗涤功能。虽然不能与电器市场上的洗衣机电机系统媲美，但也具有一定的实用性。 通过毕业设计，我巩固了大量的电器控制，电机方面的学科知识，对我三年的所学知识有了一个清晰的总体概括。也使自己多年来所学的理论知识与实践有了一次充分结合的绝佳机会，进一步巩固了自己所学的专业知识。并且加深了对办公软件和CAD制图的应用。同时，也发现了自身知识的一些不足之处。例如，所学的专业知识不够全面和平衡，有的相当熟练，有的略显生疏。这就给本次设计带来了一定的难度，以致初稿反复好几遍。 当今科技发达日新月异的社会，电气行业的跟新脚步飞快，作为一名电气行业的毕业生，我一定会保持时刻警惕，保持不断积极“充电”的心态，毫不松懈，以迎接新的挑战。 因为时间仓促，笔者水平有限，以致论文中所述内容不够详细、明确的地方还请老师领导批评指正，笔者再次表示虚心接受和聆听教诲，诚谢！ 致 谢 感谢我的大学老师，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。　　 感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间姐妹般的感情，维系着寝室那份家的融洽。三年了，仿佛就在昨天。三年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。但愿远赴各地工作的同学们平平安安，留在学校继续学习深造同学们快快乐乐，愿那些还在找工作的同学们顺顺利利，也愿离开我们寝室的开开心心。我们在一起的日子，我会记一辈子的。　　 感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。 在这份毕业论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！ 参 考 文 献 [1] 秦曾煌.电工学(第六版),北京：高等教育出版社，2003:200-236. 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