滚筒洗衣机用直驱式无刷直流电机性价比分析

    李勇，陈影，史庆夫，刘彦彬，陆永平

    (哈尔滨工业人学，黑龙江哈尔滨150001)

    摘要：  随着生活水平的提高，低噪音的无刷直流电机直接驱动系统在高档家电中的应用越来越多。文章基于无刷直流电机本身的特点，分析了在高档滚筒洗衣机中应用的无刷直流电机直接驱动系统的特点和要求。针对不同的结构进行了磁场设计和性价比分析，最后给出了****方案。

    关键词：无刷直流电机；IPM；直接驱动：滚筒洗衣机

  0引言

    随着我国经济社会的发展和人民生活水平的提高，以洗衣机、电冰箱等为主的家电已经成为各家庭的基本生活用品。现在，人们对家电的节能和环保化趋势的要求也越来越迫切，性能优异、节能环保的绿色家电越来越受青睐。作为绿色家电驱动系统的主力，无刷直流电机直接驱动系统的正朝着多功能、高效节能和环保化等方面发展。

    直接驱动洗衣机，即DD洗衣机(Direct Driving)在运行过程不仅能够实现低速大力矩驱动和高速轻载驱动，还能自动完成洗涤与脱水状态的切换。结构相对简单的直接驱动式滚筒洗衣机，因为它在洗涤和脱水的时候滚筒都在旋转，因而不存在采用离合器的问题。但这种洗衣机主要是偏置负载，对驱动电机的要求较高。与传统洗农机用电机相比，无刷直流电机采用永磁体建立励磁磁场，具有结构简单、调速性能好，低噪音，效率高、可靠性高等优点。近年来，随着永磁材料性能的提高和价格的降低，使得采用无刷直流电机作为滚筒洗衣机的驱动电机具有广泛的发展前景。

    本文根据同一设计指标，设计了五种类型的无刷直流电动机。使用ANSOFT软件研究五种电机的磁场分布规律，通过对它们的磁场特性、主要参数、材料、成本、性价比进行了对比分析，最后得出了个****方案，即采用内转子IPM切向式铁氧体磁钢方案的电机具有****的性能价格比，这种设计它在高档全自动滚筒洗衣机设计中应该具有广泛的应用前景。

  1滚筒洗衣机对直接驱动系统的要求

    按照结构，洗衣机可以分为波轮式、搅拌式和滚筒式三大类。过去几十年中，在国内，波轮洗衣机占的份额最多，也******国人的使用习惯，但在欧美等发达国家，滚筒式由于对衣物的损伤最小，是********的。近年来，国外陆续推出了很多规格的高档全自动滚筒洗衣机，采用低噪音无刷直流电机直接驱动，****的价格在人民币1万元以上，不但可以设定各种工作模式，还可以自动实现衣物的干燥和熨平，对使用者确实极为便利。

  滚筒洗衣机由于其结构和运行的特殊性，对直驱系统的要求和波轮系统也有所不同，主要体现在：

    (1)滚筒洗衣机没有波轮洗衣机中的减速离合器，所以更适合于采用直接驱动方式。

(2)对驱动系统的调速性能要求更高，调速比更大。波轮洗农机的洗涤／脱水典型速度是160／800 r／min,而滚筒洗衣机对应的是50／1100 r／min，带有干衣功能的则会更高，在1200r／min以上。

    (3)低速时的转矩裕度要大。由于滚筒是水平放置的，洗涤时含水的衣服会随着滚筒的滚动形成偏载，衣物还会从滚筒顶部摔下形成冲击负载，这就要求驱动系统要有足够的转矩。

    (4)驱动电机装配形式比较灵活。由于滚筒本身有比较稳定的轴系，所以电机采用内转子、外转子、组装式、分装式都可以，不像波轮洗衣机，只有分装式比较适合。

    (5)驱动系统价格稍高些对整机影响不大，冈为与波轮式洗农机相比，滚筒洗衣机本身就是高端消费品。

由上述分析可见，在滚筒洗衣机中采用低噪音高性能的无刷直流电机直接驱动系统是最适合的。目前国外已经有多款成熟产品，日本韩国公司的最多，如夏普、东芝、LG等。几种应用于洗衣机直接驱动的无刷直流电机如图l～3所示。

 

 

2直驱式无刷直流电机的磁场特点

    按照绕组中的电流波形，无刷直流电机可以分为方波电流驱动方式和正弦波电流驱动方式，后者又叫做交流永磁同步电机。采用正弦波驱动时，绕组的反电势波形一定是正弦的，因此电机的定位力矩会较小。采用正弦波驱动后，电机的力矩波动电会很小，电机系统运行平稳，噪音低。因此正弦波驱动方式的交流永磁同步电机更适宜于在高档白色家电中使用。

按照转子结构，无刷直流电机分为内转子和外转子两种。如果转速较低转矩较大，那么外转子方式比较适合。对于高