对于洗衣机动能回收装置的研究

王增萍 解直伟 孙璇

摘要：洗衣机作为日常生活中的重要电器产品，对减少日常劳动强度，提升生活质量，具有重要的意义。随着科技水平的发展，各种新型、多功能洗衣机层出不穷，功能上已经满足人们生活需要，随着人们对于环境保护和节能减排的进一步严格要求，洗衣机噪声、振动和能耗问题受到厂家和消费者越来越多的重视。本文从能耗的角度出发，针对洗衣机内筒旋转、停止、反转的特殊工况，以提高洗衣机效率，节能减排为目的，设计了机械形式和电气形式的动能回收装置，对洗衣机制动时的能量进行回收再利用，为提高洗衣机的能耗水平提出了解决方案。

关键词：动能回收;机械形式;电气形式

1、现状与研究意义

目前市场上主流洗衣机分为波轮洗衣机和滚筒洗衣机两大类型。这两种类型洗衣机普遍采用的传动方式分两种，第一种是无刷变频电机（BLDC）通过皮带传动，电机减速后驱动洗衣机内筒;另一种是直驱变频电机（DD）通过传动轴直接驱动洗衣机内筒。

洗衣机运行模式主要分为洗涤模式及脱水模式，波轮洗衣机一个标准洗衣周期时间在一个小时左右，脱水时间占10分钟。洗涤能耗占整个能耗90%左右。滚筒洗衣机一个完整的洗衣周期时间为一个小时至两个小时左右。其中，电机工作在基速以下的时间（包括洗涤时间、漂洗时间和部分脱水时间）占90%左右，电机工作在基速以上的时间占10%左右。滚筒洗衣机电机的能耗主要是在电机工作在基速以下时消耗的，约占总能耗的85%左右。

洗涤模式下，波轮洗衣机电机通过波轮来搅动衣物进行洗涤。负载模型表现为由布置影响的摩擦性负载和阻力负载，同时叠加较大幅度的随机扰动。因衣物搅动的随机性较大，过程较复杂，所以波轮洗衣机的负载模型无法准确建立。滚筒洗衣机通过旋转筒摔打衣物进行洗涤。负载模型表现为摩擦性负载叠加因衣物摔打产生的低频负载波动。负载波动频率受布量和水量影响，但一般频率大于桶旋转的机械频率。

脱水模式下，洗衣机负载等效于惯量变化较大的摩擦负载。布量和水量直接影响惯量，在脱水过程中，惯量随脱水缓慢减小。

洗衣机洗涤模式下的转速曲线示意图如下图一所示，循环运行步骤分为启动、稳定运行、制动、停转、反向启动、反向稳定运行、反向制动、停转并开始一个新循环。洗涤模式下，为缩短洗衣机洗衣时间，提升洗衣机洗净率，洗衣机需要较高的加速度来缩短启动时间，并有较高的减速度来缩短制动时间。波轮洗衣机电机的典型运行状态为：满载转动1.6s，停转1.6s，启停次数约为900次;轻载转动0.6s，停转0.6s;滚筒洗衣电机典型运行状态为：旋转15s，停转5s，启停次数约为150次。

洗衣机脱水过程时，电机运行状态为缓慢匀加速，并在高转速下稳定运行一段时间，制动后反向重新开始加速流程。相对于洗涤模式，启停次数较少，在10次以下。

洗衣机传统制动方式是依靠衣物、水流及内筒与电机轴的摩擦力提供制动力来制动，衣物、水流及内筒的动能经摩擦损耗转化为内能散发出去，本文拟采用机械或电气的方式回收这部分的动能。

2、机械形式动能回收装置

通过游丝弹簧回收洗衣机内筒停转时的动能，并在洗衣机内筒反转时提供转矩。启动时，弹簧与电机转矩共同驱动洗衣机内筒，提高了启动加速度;制动時，弹簧作为负载与洗衣机负载共同提供制动力，缩短了制动时间。

弹簧储能机械结构：可采用扭簧或涡卷弹簧，将弹簧一端与电机轴固定，另一端与机壳固定，并在机壳处设置限位开关，可由驱动器控制将弹簧卡死。

如下图3为加装弹簧储能装置后洗衣机转速曲线，虚线为原转速曲线，对比可看出加装储能装置后的转速曲线类似于正弦曲线，不能长时间保持在高速旋转状态。

弹簧动能回收装置工作流程：

1.洗衣机启动时，电机正向旋转某一圈数后（假定为N圈），弹簧充能达到极限值，限位开关弹出将弹簧卡死。

2.电机驱动内筒及衣物、水流反向转动，此时，限位开关收回，储能弹簧与电机共同提供驱动转矩，提高了启动加速度，减少了电机的启动时间。

3.电机在反向旋转N圈后，转速达到极值点，弹簧储存的N圈能量完全释放，弹簧由驱动部件转变为储能部件。

4.考虑到能量损耗，电机在转速达到极值点之后某处停止，洗衣机内筒及衣物、水流的动能由弹簧回收，弹簧反向充能N圈后完全停止，限位开关弹出将弹簧卡死，该阶段的弹簧作为负载为洗衣机提供制动力，减少了洗衣机的制动时间。

5.电机驱动内筒正向旋转，除旋转方向改变外，重复步骤2、3、4，完成弹簧的正向驱动、制动过程。

6.重复步骤2～5，完成洗衣机的洗涤过程。

由以上工作原理及流程可知，机械形式动能回收装置仅适用于内筒每次旋转时间短的工况。弹簧动能回收装置本身并不节能，它在洗衣机正反旋转的特殊工况下，为电机提供助力，减小电机启动时间，缩短了电机在高能耗工作区域的时间，由此达到一定的节能效果;在洗衣机进入脱水模式时不能够使用，需将储能弹簧与电机轴断开;另外，弹簧动能回收装置缩短了洗衣机电机启动及制动时间，可将整个洗衣流程缩短一定时间。

3、电气形式动能回收装置

电气形式动能回收多用于电动汽车、电动自行车等制动能量回收系统中，以常见的异步电机为例，简要介绍电气形式的动能回收装置。如下图4为洗衣机动能回收电气原理图，动能回收系统主要由整流器、蓄电池组及逆变器构成，其中，整流器交流端与电机相连，直流端与蓄电池相连，蓄电池可为洗衣机灯、加热器、扬声器、主控电路板等小功率直流元器件直接提供能源，也可通过逆变器将直流电重新转化为交流电来驱动电机。

如下图5为加装电气动能回收装置后洗衣机转速曲线，其中，启动曲线、稳定运行曲线与未加装时相同，仅制动曲线与未安装动能回收装置时不同。如图中粗虚线所示，加装动能回收装置后，制动阶段时，由电机与负载一同提供制动力，制动曲线斜率更高，制动时间缩短，回收了如图所示绿色填充区域的能量。

加装电气式动能回收装置的洗衣机工作流程：

（1）启动、稳定运行阶段与常规流程相同。

（2）制动阶段，将交流电源与电机断开，并将电机与整流器相连，此时衣物、水流的动能将继续驱动电机旋转，电机处于发电机状态，通过整流器将交流电转变为直流电储存于电池组中。

（3）当电池组电能储存至一定百分比时，可利用电池组为洗衣机小功率直流元器件提供能源。若电池组容量足够大，也可通过逆变器将直流电转变为交流电，直接为电机提供能源。

由以上工作原理及流程可知，电气式动能回收装置在洗衣机频繁启停时，具有一定的能量回收效率;洗衣机在脱水模式时，电机长时间连续运转，仅能回收微量的电能;从整体上看，洗衣机转速曲线中绿色填充区域的面积相对于转速曲线与X轴围成的面积较小，能量回收效率有限。

4.产品使用介绍

如上图6所示，洗衣机动能回收系统具体实施方案以志高小型洗衣机为基础，以STC89C52单片机多功能开发版为控制核心，通过两个继电器将洗衣机的电机与电源、变压器分别连接，其中，继电器初始状态时，电机接线两端与变压器相连，电机不运行;220V交流电源分别与两个继电器另一侧端子相连，当继电器接收到高电平信号后，电机接线端与变压器切断并转而连通至电源侧，电机正常运行。变压器输出端与整流器交流输入端相连，可将交流电机制动时产生的感应电流转化为直流电并输入至蓄电池中，通过继电器3控制电池的充电，并通过电流表与电压表监测电池的充电过程。单片机控制端采用4个独立按键，其中3个按键分别控制3个继电器的开启和关闭，按键4可切换所有继电器状态，继而切换电机运行/电磁制动状态。

具体使用流程：

1.基于电气原理图，按照接线图将继电器所在电路板上的白色、黑色两根5V低压电源线与与单片机上标注有VCC和GND的接口相连，将黄色、橙色、红色3根信号线与单片机上标注有P2^7、P2^6、P2^5相连，相关接口应严格按照标注对接。

2.打开洗衣机下侧背板，将其中的按压接插件与繼电器所在电路板上端黑色外皮的电源线（标有M）相接。

3.将单片机开发板电源与洗衣机供电电源接通。

4.打开单边机开发板开关，由于该开发板具有多个功能，与洗衣机动能回收相关的仅有左下方4个按键，LED数显管和LED灯只用作检测用途。

5.K1、K2功能都为同时切换继电器1、2的状态，K3功能为切换继电器3的状态，K4功能为切换所有继电器状态。按下K1或K2按键可以实现电机的启动与关闭，按下K3按键实现电池的充电与断开充电。

6.初始状态时，电机未接通，充电侧继电器闭合，电压表数值为3.8V左右，电流表数值为0。

7.打开单片机开发版开关后，仅按下K4按键，电机启动，充电侧继电器断开，电压电流表无数值;再次按下K4按键，充电侧继电器闭合，电机迅速停转，在这瞬间，电流表显示0.02左右的电流，电压表显示3.8V以上的电压，上述现象表示在此时，电机制动为锂电池充电;随后，电机完全停转，电流表归为零，电压表稳定至锂电池电压（约3.8V），表示电机制动完成并完成了短暂的动能回收过程。

5.未来研究方向

通过游丝弹簧回收洗衣机内筒停转时的动能，并在洗衣机内筒反转时提供转矩。启动时，弹簧与电机转矩共同驱动洗衣机内筒，提高了启动加速度;制动时，弹簧作为负载与洗衣机负载共同提供制动力，缩短了制动时间

制动阶段，将交流电源与电机断开，并将电机与整流器相连，此时衣物、水流的动能将继续驱动电机旋转，电机处于发电机状态，通过整流器将交流电转变为直流电储存于电池组中。

当电池组电能储存至一定百分比时，可利用电池组为洗衣机小功率直流元器件提供能源。若电池组容量足够大，也可通过逆变器将直流电转变为交流电，直接为电机提供能源。

1、上述原理性实验为洗衣机动能回收系统提供了理论基础，但是电路板及单片机电路所占提及大，连线不规范。下一步应将单片机与继电器集成作为单个电路板，节省空间并增加稳定性。

2、上述原理性实验仅在演示过程中通过按键来切换电机运行状态，实现动能回收。下一步应结合洗衣机具体洗涤程序，通过计算机编程，将动能回收集成到洗衣机自身程序中去，实现洗衣机自动化动能回收。

3、洗衣机动能回收的能量较少，且通过锂电池储存，当前阶段可将这部分回收的电能可用于低压电路板、指示灯、蜂鸣器等的供电;由于锂电池功率较小，不能将这部分能量直接驱动电机进行洗衣作业，若经济性满足要求，下一步可通过加装大容量蓄电池来储存回收的能量，并加装逆变器用于直接驱动交流电机。

参考文献

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作者简介：王增萍，女，汉族，2003 -1，山东日照人，任职单位：青海大学，职称：学生，学历：本科在读，研究方向：过程装备与控制工程。