永磁电机应用于电动滚筒洗衣机的技术研究

王俊琦

（1.唐山职业技术学院机电系 2.唐山市永磁电机应用技术创新中心）

0 引言

家用洗衣机的普及， 解放了人类的双手， 大大减少了人们做家务的时间， 进而提升了人们的生活品质和生活幸福感， 成为每个家庭不可或缺的主要电器设备， 在国内外均有较大的市场需求， 关于家用洗衣机产品的迭代研发及创新应用成为家用电器研发领域中的主要篇章。同时， 随着近年来电机控制理论、 控制算法、 控制技术日益成熟， 电力电子技术与电子器件的迭代更新， 以及钕铁硼材料性能的不断突破， 调速永磁同步电机 （Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM） 的应用前景一片光明， 逐步应用于航空航天、 冶金采矿、 轨道交通、 电动汽车、 家用电器等各个领域。因此， 永磁电机应用于电动滚筒洗衣机的技术研究成为了该领域的主要方向。

1 研究背景分析

目前市场上售卖流通的家用洗衣机按其结构不同主要可以分为三种类型[1］。第一类是美国研发的搅拌式洗衣机， 其结构如图1 所示， 该类洗衣机是世界上最早出现的一类洗衣产品， 其工作原理是在洗涤桶离心轴底部装上搅拌翼， 通过电机控制搅拌翼反复进行正向旋转与反向旋转， 从而充分搅拌桶内的水流与待洗衣物， 达到清洁衣物的效果。此类洗衣机对衣物损坏程度最小， 但其结构相对复杂、 使用寿命较短、 洗涤效率较低， 在我国量产销售量较少。

图1 搅拌式洗衣机结构图

第二类是德国研发的滚筒式洗衣机， 结构如图2所示， 其工作原理是将洗衣桶横卧放置， 通过电机控制洗衣桶横向正反旋转， 衣物随洗衣桶的旋转提升后摔落， 反复进行数次， 最终达到清洁衣物的效果。滚筒式洗衣机对衣物的损坏程度适中、 用水量最少、 清洁效率较高、 皮实耐用省心可靠， 深受国内用户喜爱。

图2 滚筒式洗衣机结构图

第三类是日本研发的波轮式洗衣机， 结构如图3所示， 其工作原理是将波轮装在洗衣桶底部， 由电机控制波轮进行周期性正反转， 桶内衣物和水流跟随波轮翻滚旋转， 最终达到清洁衣物的效果。波轮式洗衣机的污渍清洁度最好， 但其耗水量较大、 对衣物损坏程度最高、 衣物易褶皱， 正是基于以上特点， 近些年波轮式洗衣机正向着小型化杀菌妇婴专用洗衣机方向发展， 妇婴专用洗衣机逐渐被更多国内家庭所接受。综上所述， 滚筒式洗衣机的各项性能较为均衡， 随着科技的发展后期可增加高温煮洗、 臭氧紫外杀菌、 洗后烘干等功能。

图3 波轮式洗衣机结构图

从目前我国家用洗衣机市场销量分析可知， 滚筒式洗衣机深受国内消费者青睐， 具有较大的研究价值和发展前景。通过市场调研， 我们可以得知滚筒洗衣机主要应用单相串激电机、 开关磁阻电机、 感应电机或永磁同步电机组成的驱动系统。经对比永磁同步电机作为广泛应用的机电一体化设备， 具有以下优势：1） 永磁电机构造简单， 体积相对较小， 消除了机械摩擦， 降低了电机运行的噪声， 产品使用寿命长， 工作可靠性较高。2） 永磁电机响应速度较快， 动态性能相对较好， 转动惯量较大， 功率密度高， 工作高效节能环保。3） 永磁电机可以将新兴的智能算法应用于高效控制之中。

综上所述， 本文将滚筒洗衣机的驱动电机定为永磁同步电机， 并研发设计一种用永磁同步电机控制的滚筒洗衣工作运行方案， 进一步推动永磁电机在家用电器领域的发展， 能够创造较大的经济效益， 对社会发展具有深远意义。

2 关键技术研究

电动滚筒洗衣机在进行洗涤工作时， 浸湿的衣物随转动的滚筒提升卷起， 随后受重力作用自由掉落至滚筒桶底部， 经过数次提升掉落反复拍打， 从而实现类似于古时手动拍打清洗衣服， 清除油渍污渍的目的。由于在洗涤时电机运转负载大， 电机运行过程中负载实时发生变化， 因此对电机带载能力， 额定负载的要求较为苛刻， 额定转速不得过高， 整套自动控制系统中电机的控制器需要很强的鲁棒性和动态跟踪能力。当洗衣机进行脱水甩干作业时， 由于惯性， 滚筒内衣服紧贴桶壁跟随洗衣桶快速旋转分离衣物所含水分，在此过程中， 随着水分的脱离， 电机负载逐渐减轻， 这就要求电机系统具有弱磁扩速的能力， 能够实现宽速度范围运行[2］。同时， 在进行脱水甩干作业的过程中， 由于所洗衣服在滚桶壁上的分布可能不均匀， 导致负载不平衡， 这将引起强裂的噪声和振动， 严重时可使洗衣桶撞击内壁， 因此滚筒洗衣机应具备优良的减振能力， 能够减弱或抑制此类噪声和振动[3］。综上所述， 采用永磁电机控制的电动滚筒洗衣机主要通过两个关键技术来保驾护航： 1 弱磁扩速2 振动与噪声抑制。

2.1 弱磁扩速

滚筒洗衣机的工作需求对永磁电机转速运行范围有着更加严格的要求。家用洗衣机在洗涤模式运行时， 内筒滚动缓慢， 同时滚动方向随时间发生周期性改变， 筒内衣物被含有洗衣液的水分浸湿， 在被提升抬高后自由摔落至筒底， 如此反复以模拟人工敲打衣物的清洗方式直至洗涤模式结束。由于每种衣物材料含水量不同， 导致电机负载转矩增大的同时还具有不确定性， 且所以设定电机额定转速时不能过高， 但洗衣机进行脱水甩干作业时， 需要内筒进行高速旋转以将水分从衣物中脱离。因此需要采用弱磁扩速策略来扩宽永磁电机的运行速度范围， 满足滚筒洗衣机在不同模式运行时的工作要求。

弱磁理论最早可以追溯到十九世纪八十年代，Brigette团队在电机d-q坐标系模型的基础上首次进行了弱磁领域的探索[4］。二十世纪九十年代以S.Morimoto为代表的科学家们开始分析和优化永磁电机的弱磁轨迹， 这一举措为弱磁控制的研究奠定了理论基础[5］。在此之后， W.L.Soong 团队开始研究磁链和凸极率对弱磁的影响， 创造性的带来了将永磁电机所有的参数变化全部关联到凸极率和永磁体磁链两个参数的新设想， 为弱磁理论的进一步完善和发展指明了方向。目前弱磁扩速策略大致上分为两种： 分别是双电流控制和单电流控制。双电流控制弱磁策略有查表法、 梯度下降法、 理论计算法和电压反馈法等等。

经过查阅资料， 针对不同场景下弱磁扩速的设计需求， 国内外科学家工程师们给出了许多有效解决方案。深入分析电动滚筒洗衣机应用场景， 在洗涤模式下， 选择控制算法应着眼于增加永磁电机的负载能力， 大多采用最大转矩电流比控制 （Maximum Torque Per AmpereMTPA） 。但是对于滚筒洗衣机这类凸极率较小的电机， 采用MTPA控制与id=0控制二者效果不相伯仲， 经过对比id=0 控制算法计算量相对较小， 所以在洗涤模式运行时采用id=0控制。脱水模式下， 洗衣机进行脱水作业， 永磁电机转速较高， 最高时可达上万转， 通过高转速高离心力将水分从衣物中分离，与此同时洗衣机的负载随水分分离排出而减少。此时永磁电机工作在轻载弱磁状态， 应选用合适的弱磁控制策略以扩展电机转速。同时， 脱水模式下， 衣物在滚筒内分布不均导致负载分布不平衡， 应当通过弱磁控制减小电流耦合的冲击， 令系统平稳工作于深度弱磁区域， 提高系统的自适应能力、 抗干扰性以及鲁棒性， 经深度研究弱磁控制理论， 通过对比分析， 本系统选用单电流 （Single Current Regulation， SCR） 弱磁控制方法， 应用该控制算法控制滚筒洗衣机高速脱水时计算数据较少， 控制效果好， 能够使电机在深度弱磁区保证系统稳定运行[4］。

2.2 振动与噪声抑制

家用滚筒洗衣机是一个内部结构复杂的机电一体化设备， 洗衣机内筒在脱水工况下高速旋转， 极端情况下需要每分钟旋转一万转以上， 而且负载存在不平衡现象， 负载情况复杂多变， 导致振动及噪音问题较为严重， 成为影响用户体验的主要因素之一。滚筒洗衣机正常工作时的剧烈振动还会造成内部结构及内部连接件的磨损， 大大缩减其使用寿命。探索研发洗衣机的振动抑制方法与措施， 能够在消减洗衣机工作时产生振动的同时， 还可以减小噪声， 减小能耗、 延长洗衣机工作寿命。除此之外， 经实验数据分析， 降低滚筒洗衣机振动， 还可以提高电机转速的上限， 进而提升产品性能， 使脱水效果更好， 效率更高。综上所述， 减小和抑制滚筒洗衣机的振动对延长产品部件寿命、 优化工作性能有着举足轻重的作用， 对洗衣机振动抑制的控制与研究成为了专家和工程师们的焦点[5］。

首先我们对滚筒洗衣机的振动来源进行了分析，认为有三类主要原因致使洗衣机产生振动： 1） 齿轮箱、 皮带轮、 进水阀、 排水电磁铁、 排水牵引器等部件在工作时产生的激振力引起整机振动。2） 洗衣机在甩干模式下运行时， 衣物在筒内分布不均匀， 同时滚筒结构质量不平衡共同致使内筒在转动时导致负载偏心，进而引起系统产生高频振动。3） 电机在正常运行时产生的电磁振动传递给机身。由于洗涤桶的结构为横向卧式设置， 这使得洗衣机在正常工作时的振动越发明显。

以上分析的振动来源中， 脱水时负载不平衡导致的振动与噪声最明显。洗衣机正常工作时， 滚筒围绕中心轴进行旋转， 因为筒内所洗衣物分布不均匀， 滚筒与衣物构成了一个偏心旋转系统。当机器工作在脱水模式时， 滚筒进行高速旋转， 衣物受离心力作用， 同时， 滚筒受到变负荷变方向的偏心力作用， 导致洗衣机整体剧烈振动和噪声， 振动过大时还可能使机箱产生位移。

综上所述， 滚筒洗衣机振动与噪声的抑制主要分为机械结构和电机系统两个方面。机械结构方面， 在设计洗衣机结构时可以在外桶上加装配重块， 令外筒的重心向轴心靠近， 增强洗衣机脱水的的稳定性， 减少振动和噪音。同时， 在关键部位加装减振器件， 比如选取阻尼减振密封圈来减小轴上的振动、 选取阻尼吊杆隔振系统来削减系统振动、 选取阻尼软垫来减弱箱体振动等等。电机系统方面， 得益于自动控制理论及电力电子技术的发展与完善， 目前市场上售卖的洗衣机大多为单片机控制， 我们从驱动电机系统作为突破口，综合运用机械、 电机、 电子、 自动控制等方面的理论与技术， 提升振动与噪声控制成效。洗衣机在脱水模式下工作时， 最主要的振动和噪声来源于偏心负载， 所以在电机系统方面的减振措施大多是针对偏心负载提出的。我们用滚筒的径向位移加速度表征洗衣机振动的剧烈程度， 推导得到偏心负载质量表达式m=式中，k为修正系数，aYM为振动加速度的最大值，n为电机转速，β为洗衣机滚筒与水平面的夹角， g为重力加速度。采用三相负序电压产生的附加脉动转矩来抵消偏心负载造成的不平衡转矩， 以此来减小整个洗衣机的振动与噪声。经验证， 此方案能够大致减小脱水模式下10%的振动， 从而延长洗衣机和机械部件的使用寿命， 改善用户体验感和幸福感， 是一种减振效果较好且成本较低的减振降噪方案。

3 结束语

本文针对永磁电机应用于电动滚筒洗衣机的关键技术进行研究， 在充分了解该领域当前研究背景的基础上， 深入分析了弱磁扩速及振动与噪声抑制两大关键技术难点， 并提出了有效的解决方案， 为家用洗衣机领域的产品升级与技术革新提供了新思路、 新方向、 新方法。