專(zhuān)利名稱(chēng)：用于自動(dòng)洗衣機(jī)的永久分相式電容電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于自動(dòng)洗衣機(jī)的、包括交替反向驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，特別是永久分相電容器(permanent split capacitor)的攪拌器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
在美國(guó)專(zhuān)利No.4779431中，揭示了一種用于自動(dòng)洗衣機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它具有連結(jié)到用于驅(qū)動(dòng)能量吸收攪拌器的驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)的高滑差電動(dòng)機(jī)(high slip motor)。該高滑差電動(dòng)機(jī)由間隔交變的脈沖驅(qū)動(dòng)，使得攪拌裝置在一個(gè)方向加速，然后在該脈沖結(jié)束后減速，接著在另一方向加速然后減速，因而通過(guò)向電動(dòng)機(jī)輸入脈沖產(chǎn)生正弦式的攪拌。發(fā)現(xiàn)在洗衣機(jī)中產(chǎn)生的正弦運(yùn)動(dòng)用減少織物損傷改善了洗滌特性。以前這種攪拌運(yùn)動(dòng)只有使用相對(duì)大、復(fù)雜且昂貴的可逆?zhèn)鬏敳拍艿玫健?br> 在美國(guó)專(zhuān)利No.4542633中，揭示了一種攪拌驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)，它具有借助于滑輪裝置被聯(lián)至可逆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的攪拌輪。該攪拌輪具有短而厚的多個(gè)葉片。一個(gè)旋轉(zhuǎn)角探測(cè)器連接到控制器，它使具有剛性的電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)攪拌輪一個(gè)預(yù)定的角度。一旦到達(dá)預(yù)定角度，電動(dòng)機(jī)不再供電直至攪拌輪停止，此時(shí)，該電動(dòng)機(jī)相反方向動(dòng)作再次使攪拌輪大致旋轉(zhuǎn)一個(gè)預(yù)定角度。
由美國(guó)專(zhuān)利No.4542633的受讓人制造的，且包含該專(zhuān)利技術(shù)的自動(dòng)洗衣機(jī)被觀察到在每分鐘70個(gè)沖程速率時(shí)，每個(gè)沖程具有大約360°的攪拌沖程角。一個(gè)高剛性電動(dòng)機(jī)在每個(gè)旋轉(zhuǎn)方向隨著短、快速的加速后產(chǎn)生一個(gè)近乎恒定的攪拌速度，隨后是慣性滑行使之停止。
這樣，具有為產(chǎn)生一般方波攪拌曲線(xiàn)的可逆電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)洗衣機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是公知的。這里攪拌曲線(xiàn)由攪拌器轉(zhuǎn)速相對(duì)于時(shí)間所定義。這樣，方波攪拌曲線(xiàn)是在一個(gè)方向上有恒定速度，隨后在一個(gè)相反旋轉(zhuǎn)方向上有一個(gè)恒定速度。相應(yīng)地，正弦攪拌曲線(xiàn)可以由攪拌器在每個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上的逐漸加速和繼之立即逐漸減速所引起。
在美國(guó)專(zhuān)利No.3，315，500(布倫戴奇(Brundage)等人)中，提供一種機(jī)構(gòu)用作攪拌器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它采用一個(gè)在一個(gè)方向上作恒速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)去驅(qū)動(dòng)一個(gè)液壓傳動(dòng)裝置，該傳動(dòng)裝置經(jīng)一個(gè)反向閥給攪拌器提供很快的倒轉(zhuǎn)，因而這是一種方波型式的攪拌電動(dòng)機(jī)。在攪拌器和攪拌器驅(qū)動(dòng)軸間采用彈性耦聯(lián)以減少?zèng)_擊，否則它會(huì)在每次反轉(zhuǎn)時(shí)傳遞給攪拌器。
在美國(guó)專(zhuān)利No.4232536中揭示了一種具有軸向氣隙(axial air gap)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)洗衣機(jī)。該電動(dòng)機(jī)重復(fù)反轉(zhuǎn)經(jīng)行星式驅(qū)動(dòng)裝置去振動(dòng)一垂直軸向攪拌器，行星式驅(qū)動(dòng)裝置耦聯(lián)于電動(dòng)機(jī)和攪拌器之間，電動(dòng)機(jī)作高速動(dòng)作。在每次反轉(zhuǎn)時(shí)提供攪拌器的軟啟動(dòng)動(dòng)作是大家所期望的，這種軟啟動(dòng)動(dòng)作是通過(guò)與行星式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相聯(lián)的齒隙游移(backlash)來(lái)提供的。
上述所引參考文獻(xiàn)中揭示的裝置說(shuō)明了所采用的電動(dòng)機(jī)類(lèi)型的重要性。采用的電動(dòng)機(jī)顯著地影響這些裝置的質(zhì)量。
一種適當(dāng)設(shè)計(jì)的永久分相式電容(permanent split capacitor)(P SC)電動(dòng)機(jī)具有許多特性，使它對(duì)于連續(xù)可逆的應(yīng)用場(chǎng)合，例如在自動(dòng)洗衣機(jī)中是理想的，它不需要啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，滿(mǎn)負(fù)載效率是70%，啟動(dòng)與失落(breakdown)的轉(zhuǎn)矩比是約0.6，電子技術(shù)能施加于它來(lái)擴(kuò)展其性能，且它軸向長(zhǎng)度固有地短于其它類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)。它的可靠性和多年的使用證明對(duì)這種應(yīng)用是風(fēng)險(xiǎn)很低的電動(dòng)機(jī)。
永久分相式電容電動(dòng)機(jī)及其設(shè)計(jì)是熟知的現(xiàn)有技術(shù)。典型的，運(yùn)行和輔助繞組被繞制成空間磁極正交，即相互差90度電角度;前者通常先繞，然后后者以不同的圈數(shù)和線(xiàn)徑繞在其上面。轉(zhuǎn)子通常是鼠籠式結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)有技術(shù)的永久分相式電容電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)已被恰當(dāng)?shù)卮_定，任何一個(gè)顯著偏離這些參數(shù)可預(yù)計(jì)引起電動(dòng)機(jī)某一功能變差。例如，定子內(nèi)徑D1與定子外徑的比值對(duì)于四極電動(dòng)機(jī)而言，大約是0.6。對(duì)于這個(gè)比值，為確定一個(gè)值的熟知的經(jīng)驗(yàn)公式是(式中P是極數(shù));
D1=D-0.6471.175+1.03P]]>還有，在負(fù)載點(diǎn)為了獲得最大效率，電動(dòng)機(jī)應(yīng)有范圍在1.5至2.5間的匝數(shù)比。
圖7A表示現(xiàn)有技術(shù)的可逆電動(dòng)機(jī)的速度一轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)，其中曲線(xiàn)201是相應(yīng)于一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向，而曲線(xiàn)203是相應(yīng)于相反旋轉(zhuǎn)方向。如圖所示，負(fù)載線(xiàn)205與兩曲線(xiàn)201和203均相交。如果電動(dòng)機(jī)繞組在點(diǎn)207反轉(zhuǎn)連接，系統(tǒng)將沿線(xiàn)205到穩(wěn)定而不是反轉(zhuǎn)的點(diǎn)209。本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的這種缺陷。代之以，曲線(xiàn)201和203是繞組匝數(shù)比的函數(shù)。
可以在西里爾G魏諾特(Cyril G.Veinott)所著、由MCGraw Hill圖書(shū)公司(MCGraw Hill Book Company)于1959年出版的“小型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的理論和設(shè)計(jì)”中，找到現(xiàn)有技術(shù)的永久分相式電容電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和工作參數(shù)的極好概述。
永久分相式電容電動(dòng)機(jī)在連續(xù)反轉(zhuǎn)應(yīng)用中，必須大大增加電動(dòng)機(jī)的尺寸以在負(fù)載下達(dá)到快速加速。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際電動(dòng)機(jī)尺寸的大量增加僅使電動(dòng)機(jī)性能稍有提高。這是因?yàn)樵黾拥霓D(zhuǎn)矩大部分用于轉(zhuǎn)動(dòng)已增加慣性的轉(zhuǎn)子。本發(fā)明再次克服現(xiàn)有技術(shù)中的這一缺陷。
一個(gè)用于自動(dòng)洗衣機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括用于在該自動(dòng)洗衣機(jī)中轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌器的永久分相式電容電動(dòng)機(jī)。一個(gè)控制電路以第一方向和第二方向操作該電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)具有兩個(gè)匝數(shù)比約為1.0的定子繞組和一個(gè)低慣性轉(zhuǎn)子。電動(dòng)機(jī)內(nèi)徑與外徑比值約為0.43。
電動(dòng)機(jī)按速度轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)，沿對(duì)于第一旋轉(zhuǎn)方向的第一曲線(xiàn)T1運(yùn)行至與負(fù)載線(xiàn)T3的交點(diǎn)，且按對(duì)于第二旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)T2運(yùn)行。對(duì)所有第一象限的速度值，T3減T2大于零。對(duì)第二象限，T2小于零，對(duì)所有T3的正值，T3減T2大于零。
本發(fā)明相信具有新穎的特點(diǎn)詳細(xì)敘述于所附權(quán)利要求中。本發(fā)明及其進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)參照結(jié)合附圖所作的下述說(shuō)明將更易于理解，在圖中，相同的參照號(hào)表示相同的元部件。


圖1 是描述利用本發(fā)明的一個(gè)自動(dòng)洗衣機(jī)，部分切開(kāi)的透視圖。
圖2 是圖1的自動(dòng)洗衣機(jī)部分剖視圖。
圖3 是在圖1的洗衣機(jī)中使用的永久分相式電容電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)矩對(duì)速度的一般曲線(xiàn)圖。
圖4 是用于永久分相式電容電動(dòng)機(jī)的控制電路的總框圖。
圖5 是控制電路和永久分相式電容電動(dòng)機(jī)的框圖。
圖6 是永久分相式電容電動(dòng)機(jī)的示意圖。
圖7 A是現(xiàn)有技術(shù)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩/速度曲線(xiàn)。
圖7 B是按照本發(fā)明構(gòu)造的P SC電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩/速度曲線(xiàn)。
圖8 A是描述在可逆的現(xiàn)有技術(shù)電動(dòng)機(jī)中加速度的圖。
圖8 B是描述按本發(fā)明構(gòu)造的P SC電動(dòng)機(jī)中加速度的曲線(xiàn)圖。
圖9 和圖10是描述圖1的自動(dòng)洗衣機(jī)的動(dòng)態(tài)的圖。
本發(fā)明的新型P SC電動(dòng)機(jī)具有普遍的通用性，且可用于多種應(yīng)用。應(yīng)用之一是用于操作自動(dòng)洗衣機(jī)。
在圖1中，參照號(hào)10總體表示垂直軸攪拌器型洗衣機(jī)，該洗衣機(jī)具有可預(yù)置的控制器，它通過(guò)洗滌、漂清和甩干(Spin)等一系列編程自動(dòng)操作該洗衣機(jī)。洗衣機(jī)包括底座(frame)12，形成機(jī)殼16的側(cè)面、頂面、前面和后面的面板14。鉸接的蓋18通常以作為洗衣機(jī)10內(nèi)部出入口的方式設(shè)置。洗衣機(jī)10具有后控制臺(tái)20，其中設(shè)置人工設(shè)定控制裝置包括定時(shí)度盤(pán)22和溫度選擇器24。
在洗衣機(jī)10內(nèi)，設(shè)置一無(wú)孔的液體容納桶26，在其內(nèi)部安裝一個(gè)圍繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的穿孔的滾筒(basket)28。一垂直設(shè)置的攪拌器30經(jīng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)34聯(lián)結(jié)到電動(dòng)機(jī)32，以便動(dòng)作。
參見(jiàn)圖2，攪拌器30通過(guò)軸36聯(lián)結(jié)到減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)34，它依次通過(guò)滑輪裝置38由電動(dòng)機(jī)30驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)32是高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)，最好是永久分相式電容(P SC)電動(dòng)機(jī)，它相對(duì)于失落轉(zhuǎn)矩(breakdown torque)具有低啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩以提供攪拌器軟啟動(dòng)。P SC電動(dòng)機(jī)32還在失落點(diǎn)附近具有相對(duì)平緩的負(fù)荷曲線(xiàn)，使穩(wěn)態(tài)速度將不會(huì)隨負(fù)荷而變化很大。電動(dòng)機(jī)32安裝在聯(lián)到洗衣機(jī)10底座12的托架裝置40和42中。
電動(dòng)機(jī)32通過(guò)滑輪裝置38聯(lián)結(jié)到減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)34。該滑輪裝置包括由皮帶48聯(lián)結(jié)的主動(dòng)輪44和從動(dòng)輪46。在一個(gè)實(shí)施例中，減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)34是行星齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它包括彈性離合器50和安裝在聯(lián)到洗衣機(jī)10的底座12的減速驅(qū)動(dòng)器框架54中的行星罩52。雖然在這里設(shè)置行星減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于本發(fā)明，但也可設(shè)想使用其它各種該技術(shù)領(lǐng)域中熟知的減速驅(qū)動(dòng)裝置。也可以設(shè)想除去減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)而把攪拌器直接聯(lián)結(jié)到適當(dāng)選擇的電動(dòng)機(jī)。
軸36從減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)34通過(guò)桶26和穿孔的滾筒28向上延伸，并聯(lián)結(jié)到攪拌器30。桶環(huán)55在桶26的頂部四周伸展。攪拌器30是復(fù)式作用攪拌器，它具有帶有螺旋狀葉片58的上圓筒56和下攪拌器部分60，多個(gè)韌性的葉片62從該部分伸展。韌性的葉片62使攪拌器30在轉(zhuǎn)動(dòng)方向反轉(zhuǎn)時(shí)吸收能量，而仍把攪拌器30耦聯(lián)到由桶26中的水以及織物中的任何顆粒提供的負(fù)荷。攪拌器和織物及水之間的耦連加載于電動(dòng)機(jī)，致使速度緩慢增加。韌性葉片在行程的轉(zhuǎn)角范圍和織物尺寸范圍上提供更均勻的負(fù)荷耦合和轉(zhuǎn)矩。葉片62的韌性也防止沖程開(kāi)始時(shí)的沖擊負(fù)荷超過(guò)電動(dòng)機(jī)32的制動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。
P SC電動(dòng)機(jī)32的一般轉(zhuǎn)矩/速度特性示于圖3。轉(zhuǎn)矩/速度曲線(xiàn)70相應(yīng)于動(dòng)作的第一方向，曲線(xiàn)72表示一相反方向的轉(zhuǎn)矩/速度特性。如上面所討論的，電動(dòng)機(jī)32在慢速時(shí)有低的轉(zhuǎn)矩，且電動(dòng)機(jī)在有最高轉(zhuǎn)矩值的曲線(xiàn)最右部分所指示的轉(zhuǎn)折點(diǎn)或失落點(diǎn)74附近有相對(duì)平緩的曲線(xiàn)。由此可見(jiàn)，P SC電動(dòng)機(jī)32主要工作在轉(zhuǎn)矩/速度曲線(xiàn)的啟動(dòng)部分。
參見(jiàn)圖4，其中說(shuō)明永久分相式電容電動(dòng)機(jī)32的控制電路。電動(dòng)機(jī)32被連接到交流電源102，它提供適當(dāng)頻率和幅度的交流電壓和電流去操作電動(dòng)機(jī)32。電動(dòng)機(jī)32包括一對(duì)繞組104和106。這時(shí)繞組104和106連接成一個(gè)繞組是運(yùn)行繞組而另一個(gè)是輔助繞組。一對(duì)開(kāi)關(guān)106和108確定繞組104和106中哪個(gè)將是運(yùn)行繞組和輔動(dòng)繞組。例如，開(kāi)關(guān)106和108可以如圖4所示是具有控制電極110和112的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)。
其它形式的雙向開(kāi)關(guān)裝置例如機(jī)械開(kāi)關(guān)或繼電器可用來(lái)代替三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)106和108。但是，使用三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)允許在繞組供電點(diǎn)上得到相對(duì)精確的控制。
使用圖4的電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)裝置，通過(guò)向繞組104和106供電可以有效地使電動(dòng)機(jī)32快速反轉(zhuǎn)。但是，通過(guò)按照速度分布向P SC電動(dòng)機(jī)32供電可以獲得自動(dòng)洗衣機(jī)的優(yōu)良性能。例如，加速電動(dòng)機(jī)一預(yù)定時(shí)間，以恒速運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，最后減速電動(dòng)機(jī)直至它達(dá)到大約零速度，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)32通過(guò)改變開(kāi)關(guān)106和108而反轉(zhuǎn)。作為提供給每個(gè)繞組104和106、用于在每個(gè)方向操作電動(dòng)機(jī)的速度分布可以根據(jù)應(yīng)用取任何變化的形式。
如圖4所示，電動(dòng)機(jī)32的軸114連到轉(zhuǎn)速計(jì)116，它輸出一個(gè)指示電動(dòng)機(jī)32速度的信號(hào)。一個(gè)脈沖一直流轉(zhuǎn)換電路118把該信號(hào)轉(zhuǎn)換成供給加法接點(diǎn)(summing junction)120的直流電平。來(lái)自速度分布產(chǎn)生器122的速度分布信號(hào)也提供給加法接點(diǎn)120。速度分布產(chǎn)生器122也提供一個(gè)為脈沖位置變換器124所利用的方向信號(hào)。脈沖位置變換器124還接收來(lái)自加法接點(diǎn)120的誤差信號(hào)，并然后根據(jù)這個(gè)信息在來(lái)自交流電源102的交流電流的一定相角期間把一脈沖信號(hào)提供給適當(dāng)?shù)娜穗p向可控硅開(kāi)關(guān)，以確定提供給電動(dòng)機(jī)32的功率數(shù)量。如所周知，三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)在開(kāi)啟后將維持導(dǎo)通直到通過(guò)電動(dòng)機(jī)32的交流電流的下一過(guò)零點(diǎn)為止。易于理解，其它形式的控制電路也能用于本發(fā)明的新穎的P SC電動(dòng)機(jī)。圖4的電路僅是個(gè)例子。
圖5表示本發(fā)明的總框圖。P SC電動(dòng)機(jī)32由交流電源102供電?？赡娴娜穗p向可控硅驅(qū)動(dòng)裝置126根據(jù)P SC電動(dòng)機(jī)32選擇的旋轉(zhuǎn)方向把交流電源線(xiàn)128連到線(xiàn)130或者連到線(xiàn)132。
示于圖5的P SC電動(dòng)機(jī)32具有許多特性，這使它對(duì)于連續(xù)反轉(zhuǎn)的應(yīng)用例如用于驅(qū)動(dòng)自動(dòng)洗衣機(jī)的攪拌器十分理想。例如，它不需要啟動(dòng)開(kāi)關(guān)且滿(mǎn)負(fù)載效率約70-80%。啟動(dòng)與失落轉(zhuǎn)矩比約是0.6。P SC電動(dòng)機(jī)特有的軸向長(zhǎng)度短于其它類(lèi)型電動(dòng)機(jī)這一事實(shí)也是重要的。
為了在P SC感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中從P SC電動(dòng)機(jī)靜止位置產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)必須有兩個(gè)要求。輔助繞組必須實(shí)際上相對(duì)主繞組位移大約360°/2P(P是極數(shù))。例如，在一個(gè)四極電動(dòng)機(jī)中，最好相對(duì)主繞組位移45度。而且，輔助繞組必須相對(duì)于主繞組具有約360°/P的電氣相移(例如對(duì)四極電動(dòng)機(jī)最好是90度)。這樣的四極P SC電動(dòng)機(jī)示于圖6，其中，輔助繞組140相對(duì)主繞組142位移45度機(jī)械角，且電容器144當(dāng)開(kāi)關(guān)146在所示位置1時(shí)用于在輔助繞組中移動(dòng)相電壓。由定子148的定子繞組產(chǎn)生的合成旋轉(zhuǎn)磁通量和轉(zhuǎn)子籠150中感應(yīng)的電流的矢量積產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。
如上所述，在已有技術(shù)P SC電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，要求為了在負(fù)載點(diǎn)有最大的效率，典型的匝數(shù)比是在1.5至2.5范圍中，且容抗選擇成等于主繞組開(kāi)路電抗乘匝數(shù)比的平方。但是，這種形式的P SC電動(dòng)機(jī)在操作一個(gè)自動(dòng)洗衣機(jī)中能引起某些問(wèn)題。這些確立的關(guān)系不適合自動(dòng)洗衣機(jī)的要求，因?yàn)樗鼈冊(cè)诿總€(gè)旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生不同速度轉(zhuǎn)矩特性、不平衡的攪拌器運(yùn)動(dòng)和織物纏結(jié)。例如，速度轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)的第一象限中的轉(zhuǎn)矩使得在反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)子在同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
按照本發(fā)明的新穎的P SC電動(dòng)機(jī)通過(guò)使匝數(shù)比大約為1.0和容抗等于1.5倍主繞組開(kāi)路電抗而克服了已有技術(shù)中的這個(gè)問(wèn)題。容抗應(yīng)在主繞組開(kāi)路阻抗1.25至1.75倍范圍中。在較佳實(shí)施例中，P SC電動(dòng)機(jī)的槽電抗(slot reactance)可借助在1.0到1.04范圍內(nèi)改變電動(dòng)機(jī)繞組的匝數(shù)比來(lái)加以考慮。
一個(gè)典型的已有技術(shù)速度曲線(xiàn)示于圖7A。已知在已有技術(shù)中，單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)該與相等額定值、用于相反旋轉(zhuǎn)方向機(jī)械耦合和連接的兩個(gè)多相電動(dòng)機(jī)有相同的總轉(zhuǎn)矩特性。這產(chǎn)生圖7A的曲線(xiàn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)以一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，它按201所示的第一曲線(xiàn)T1運(yùn)行。當(dāng)電動(dòng)機(jī)以相反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，它按203所示的第二曲線(xiàn)T2運(yùn)行。如所周知，在運(yùn)行過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)加速到由產(chǎn)品負(fù)載線(xiàn)(product load line)T3(示于205)和曲線(xiàn)T1和T2交點(diǎn)所確定的穩(wěn)定狀態(tài)速度。示于205的產(chǎn)品負(fù)載線(xiàn)T3是一個(gè)例子，其中，在點(diǎn)207上使電動(dòng)機(jī)繞組反轉(zhuǎn)連接，這將導(dǎo)致在209點(diǎn)上電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定而不反轉(zhuǎn)的運(yùn)行。
已經(jīng)確定，如果在產(chǎn)品負(fù)載線(xiàn)T3上的轉(zhuǎn)矩值減去電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)T2上的轉(zhuǎn)矩值在第一象限內(nèi)(即，曲線(xiàn)T3和T2不相交)對(duì)所有的速度值都大于零，則電動(dòng)機(jī)將發(fā)生成功的反轉(zhuǎn)。通過(guò)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)使對(duì)所有T3的正值、T2均小于零時(shí)，這個(gè)條件能夠滿(mǎn)足。即，電動(dòng)機(jī)最好設(shè)計(jì)成使得反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)T2只位于第二象限，如圖7B所示。
本發(fā)明的新穎的單相P SC電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生分別示于圖7B中211和213的新穎速度曲線(xiàn)T1和T2。因?yàn)槿鐖D所示213的曲線(xiàn)T2始終位于第二象限，P SC電動(dòng)機(jī)從示于221的負(fù)載線(xiàn)T3上的點(diǎn)215反轉(zhuǎn)后，將加速到處平衡狀態(tài)的點(diǎn)217。注意到這點(diǎn)是重要的，即如果P SC電動(dòng)機(jī)的匝數(shù)比是1.0，則曲線(xiàn)211和213將不是精確對(duì)稱(chēng)的。這是因?yàn)橐粋€(gè)繞組必須繞在電動(dòng)機(jī)槽中另一繞組的上面。因而，發(fā)現(xiàn)繞組匝數(shù)比1.04能提供曲線(xiàn)211和213的適當(dāng)?shù)膶?duì)稱(chēng)。
攪拌器加速度在產(chǎn)生合適的洗滌負(fù)載翻轉(zhuǎn)和洗滌動(dòng)作中是重要的參數(shù)。因而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩必須足夠提供需要的攪拌器加速度。在現(xiàn)有技術(shù)中已知為了增加輸出轉(zhuǎn)矩，P SC電動(dòng)機(jī)的尺寸即它的直徑和長(zhǎng)度都將增加。但是，本發(fā)明的P SC電動(dòng)機(jī)不使用現(xiàn)有技術(shù)的處理來(lái)達(dá)到輸出轉(zhuǎn)矩的增加。電動(dòng)機(jī)/機(jī)器動(dòng)態(tài)分析顯示多于75%的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩消耗于加速轉(zhuǎn)子質(zhì)量。這個(gè)分析也顯示，當(dāng)增加電動(dòng)機(jī)的尺寸以增加更多轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)子慣性也足夠大地增加以致大大地抵消附加的轉(zhuǎn)矩。如下面將詳細(xì)說(shuō)明的那樣，轉(zhuǎn)子慣量是直徑四次冪的函數(shù)，因而，確定必須主要從設(shè)計(jì)定子內(nèi)徑對(duì)外徑比的現(xiàn)有技術(shù)作出改變。通過(guò)把內(nèi)徑對(duì)外徑的比從0.6減為0.43(如上所述0.6是現(xiàn)有技術(shù))，并增加附加長(zhǎng)度以維持轉(zhuǎn)矩，則慣量和加速轉(zhuǎn)子所需的轉(zhuǎn)矩被減小系數(shù)2.8。
例如，具有大的直徑的現(xiàn)有技術(shù)電動(dòng)機(jī)的圖8A的計(jì)算機(jī)模擬顯示電動(dòng)機(jī)在223處的加速度是1570rad/S2。如本發(fā)明的新型P SC電動(dòng)機(jī)圖8B的計(jì)算機(jī)模擬中所示，它具有小得多的直徑，在225處有2736rad/S2的加速度。加速只要較少時(shí)間是一個(gè)重要的考慮，因?yàn)檫@是一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無(wú)效的區(qū)間。
根據(jù)圖9，下面的方程式顯示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)于示于圖1和圖2的洗衣機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式的關(guān)系。按照?qǐng)D10，下面方程式顯示對(duì)于示于圖1和圖2的洗衣機(jī)攪拌方式的關(guān)系。
旋轉(zhuǎn)方式T(t)=Jm＇ (d2O1(t))/(dt2) +Bm (d O1(t))/(dt) + (N21)/(N2) (Jb＇+J1) (d201(t))/(dt2)+ (N21)/(N2) Bb (d O1(t))/(dt) + (N1)/(N2) Fb (d O1(t))/(｜O1｜)式中Jm′＝總驅(qū)動(dòng)慣量＝Jm+JdJm＝電動(dòng)機(jī)慣量＝45×10-3N.m.s2Jd＝滑輪慣量＝0.037×10-3N.m.s2Bm＝驅(qū)動(dòng)摩擦＝1.9×10-3N.m/RPSJb′＝機(jī)器慣量＝Jb+Ja+JsJb＝滾筒慣量＝.375 N.m.s2Ja＝攪拌器慣量＝.0088N.m.s2(包括滑輪的9×10-4N.m.s )Js＝旋轉(zhuǎn)管＝0.001 N.m.s2J1＝負(fù)載慣量＝0.035×L(在濕的條件中織物的干的磅重)N1/N2＝齒輪比＝1/2.6Bb＝粘滯摩擦＝12.3×103N.m/RPSFb＝庫(kù)侖摩擦＝2.26N.m攪拌方式式中
Jm′＝總驅(qū)動(dòng)慣量＝Jm+JdJm＝電動(dòng)機(jī)慣量＝.45×10-3N.m.s2Jd＝滑輪＝0.037×10-3N.m.s2Bm＝驅(qū)動(dòng)摩擦＝0.0019N.m./RPSJa＝攪拌器慣量＝0.0088N.m.s2(包括滑輪的9×10-4N.m.s2)N1/N2＝齒輪比＝ 1/11.43Bb＝傳輸粘滯摩擦＝0.0123N.m/RPSB1＝負(fù)載粘滯摩擦＝0.06 N.m/RPSK1＝彈性常數(shù)＝2+.34×負(fù)荷(磅)(N.m/rad)B2＝織物對(duì)滾筒粘滯摩擦＝40N.m/RPS下面是對(duì)按照本發(fā)明構(gòu)造的P SC電動(dòng)機(jī)一個(gè)實(shí)施例的說(shuō)明。
電動(dòng)機(jī)樣機(jī)已發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生對(duì)于自動(dòng)洗衣機(jī)所希望的性能特性。該樣機(jī)是在120伏、60Hz的電源上并具有45微法電容器的情況下產(chǎn)生這一性能的。
為了獲得可接受的攪拌速度分布，轉(zhuǎn)子的慣量必須相關(guān)于電動(dòng)機(jī)的牽拉轉(zhuǎn)矩(pull-up torque)。一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的電動(dòng)機(jī)具有下述慣量轉(zhuǎn)子、軸及軸承內(nèi)座圈-.45×10-3N.m.s2風(fēng)扇和滑輪 -.037×10-3N.m.s2總計(jì) -.487×10-3N.m.s2其它比值也可能可接受。
樣機(jī)設(shè)計(jì)如下主繞組-33-66＃22輔助繞組-33-66＃22
轉(zhuǎn)子-34槽，2.4英寸外徑(O.D.)定子-24槽，5.5英寸外徑鐵芯長(zhǎng)度(Stack)-1.53英寸X -5.724/6.36Xo -42.55/47.7R2-9.3鐵損 -31.9/42軸承 -雙球型應(yīng)該設(shè)置安裝風(fēng)扇的內(nèi)軸以提供繞組冷卻。一個(gè)位于與軸尾相對(duì)、貼近繞組的單個(gè)徑向電扇就足夠了。在托架的末端應(yīng)設(shè)置通風(fēng)口以通過(guò)軸向進(jìn)氣和徑向排氣。
這樣，可以看到，按照本發(fā)明構(gòu)制的新型的P SC電動(dòng)機(jī)提供按照示于圖7的速度轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)的運(yùn)行，而且利用基本上1比1的繞組比，另外利用具有比現(xiàn)有P SC電動(dòng)機(jī)更小的直徑和較長(zhǎng)長(zhǎng)度的低慣量轉(zhuǎn)子。值得贊賞的是，本發(fā)明的P SC電動(dòng)機(jī)完全與P SC電動(dòng)機(jī)目前公認(rèn)的設(shè)計(jì)不同。
如前所述顯然，本發(fā)明允許包括與前面敘述的說(shuō)明細(xì)節(jié)上有些不同的各種變換和修改。但易于理解，所有這些修改有理由認(rèn)為適當(dāng)?shù)陌诒景l(fā)明內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種永久分相式電容電動(dòng)機(jī)，其特征在于包括具有預(yù)定外徑的轉(zhuǎn)子；具有預(yù)定內(nèi)徑的定子，使所述定子內(nèi)徑除以所述定子外徑所確定的定子比小于0.6；具有第一預(yù)定匝數(shù)的運(yùn)行繞組；和具有第二預(yù)定匝數(shù)的輔助繞組，所述第一和第二匝數(shù)大致相等。
2.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述的定子比大約是0.43。
3.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述的電動(dòng)機(jī)具有主繞組開(kāi)路電抗的1.25至1.75倍范圍的容抗。
4.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述的運(yùn)行繞組和輔助繞組的匝數(shù)比是約1.04。
5.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述的永久分相式電容電動(dòng)機(jī)具有對(duì)于所述電動(dòng)機(jī)一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的第一轉(zhuǎn)矩/速度曲線(xiàn)和對(duì)于所述電動(dòng)機(jī)向相反方向旋轉(zhuǎn)的第二轉(zhuǎn)矩/速度曲線(xiàn)，所述的第一曲線(xiàn)基本是所述第二曲線(xiàn)翻轉(zhuǎn)的鏡面圖形。
6.如權(quán)利要求5所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述的第一曲線(xiàn)實(shí)質(zhì)上位于第一和第四象限內(nèi)，而所述的第二曲線(xiàn)實(shí)質(zhì)上位于第二和第三象限內(nèi)。
7.如權(quán)利要求5所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述永久分相式電容電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特征是，負(fù)載線(xiàn)在第一象限與所述第一曲線(xiàn)相交，且對(duì)于所述第一象限的所有速度值，對(duì)于所述負(fù)載線(xiàn)上的所有點(diǎn)的值減去所述第二曲線(xiàn)的值是始終大于零的。
8.一種用于具有安裝在洗衣桶內(nèi)攪拌器的自動(dòng)洗衣機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于包括安裝在自動(dòng)洗衣機(jī)內(nèi)的低慣量的P SC電動(dòng)機(jī)，所述電動(dòng)機(jī)是可按照對(duì)于第一方向的速度轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)T1和對(duì)于第二方向的速度轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)T2運(yùn)行的;聯(lián)結(jié)到所述電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，它用來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)所述攪拌器且對(duì)于所述電動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)預(yù)定的負(fù)載線(xiàn)T3;以第一方向和相反的第二方向操作所述電動(dòng)機(jī)的控制電路，該控制電路包括以所述第一方向和第二方向變換電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的裝置;和所述電動(dòng)機(jī)是適于使對(duì)所有第一象限的速度值，T3減去T2是大于零的。
9.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)按照所述速度轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)運(yùn)行，在該所述速度轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)中，當(dāng)T2是小于零時(shí)，對(duì)所有T3的正值，T3減去T2大于零;對(duì)于T2小于零的情況，轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)T2是位于第二象限內(nèi)的。
10.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行繞組和輔助繞助，且所述運(yùn)行繞組對(duì)所述輔助繞組的匝數(shù)比大致為1.0。
11.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)具有低慣量的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有預(yù)定較小直徑和預(yù)定長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
12.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的電動(dòng)機(jī)具有其內(nèi)徑與外徑比約為0.43的定子。
13.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)具有預(yù)定極數(shù)(P)，且至少第一和第二繞組，該兩繞組相隔約360°/P電角度和360°/2P機(jī)械角度。
14.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的電動(dòng)機(jī)具有至少第一和第二繞組，該第一和第二繞組的匝數(shù)比約為1.04。
15.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的曲線(xiàn)T2實(shí)質(zhì)上是T1的翻轉(zhuǎn)鏡面圖形。
16.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的曲線(xiàn)T2對(duì)所述電動(dòng)機(jī)所有正的角速度值實(shí)質(zhì)上是負(fù)的。
17.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的電動(dòng)機(jī)具有主繞組開(kāi)路電抗1.25至1.75倍范圍內(nèi)的容抗。
18.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的電動(dòng)機(jī)包括在定子上至少有第一和第二繞組，所述第一和第二繞組具有的匝數(shù)比大約是1;其內(nèi)、外徑比小于0.6的定子，且具有低慣量的轉(zhuǎn)子。
19.如權(quán)利要求18所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的電動(dòng)機(jī)按所述速度轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)運(yùn)行，所述曲線(xiàn)中，當(dāng)T2小于零時(shí)對(duì)T3的所有正值，T3減T2大于零;對(duì)T2小于零的情況，轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)T2是位于第二象限內(nèi)的。
20.如權(quán)利要求18所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的電動(dòng)機(jī)具有其內(nèi)、外徑比約為0.43的定子。
21.如權(quán)利要求18所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的電動(dòng)機(jī)具有至少第一和第二繞組，且所述第一和第二繞組的匝數(shù)比大約為1.04。
22.如權(quán)利要求18所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，對(duì)所述電動(dòng)機(jī)的所有角速度的正值，所述曲線(xiàn)T2實(shí)質(zhì)上是負(fù)的。
23.一種可逆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于包括適于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載，所述的負(fù)載具有表示穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩的預(yù)定負(fù)載線(xiàn)T3，該負(fù)載施加阻力使以不同角速度旋轉(zhuǎn);與所述負(fù)載互連的、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所述負(fù)載的、可逆的P SC電動(dòng)機(jī)，所述電動(dòng)機(jī)可以按表示轉(zhuǎn)矩對(duì)角速度的預(yù)定的第一曲線(xiàn)T1的第一方向和以按照預(yù)定的第二曲線(xiàn)T2的第二方向運(yùn)行，使T3在第一象限與T1相交及進(jìn)一步使T3在第一象限與T2不相交，從而，以所述第一方向操作所述電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)所述負(fù)載加速直至T3與T1交點(diǎn)，隨之，以所述第二方向操作所述電動(dòng)機(jī)，減速所述負(fù)載且使所述負(fù)載反向旋轉(zhuǎn)。
24.如權(quán)利要求7所述的可逆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括可操作的、連至所述電動(dòng)機(jī)，并以所述第一方向和第二方向操作所述電動(dòng)機(jī)的控制裝置。
25.如權(quán)利要求7所述的可逆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，對(duì)所述電動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)上所有角速度正值，所述第二曲線(xiàn)T2實(shí)質(zhì)上在第二象限內(nèi)。
26.如權(quán)利要求23所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述的定子比是約0.43。
27.如權(quán)利要求23所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)具有主繞組開(kāi)路電抗1.25至1.75倍范圍內(nèi)的容抗。
28.如權(quán)利要求23所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述運(yùn)行和輔助繞組的匝數(shù)比是約1.04。
29.如權(quán)利要求23所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述永久分相式電容電動(dòng)機(jī)對(duì)所述電動(dòng)機(jī)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向有第一轉(zhuǎn)矩/速度曲線(xiàn)，且對(duì)所述電動(dòng)機(jī)的相反旋轉(zhuǎn)方向有第二轉(zhuǎn)矩/速度曲線(xiàn)，所述第一曲線(xiàn)大體上是所述第二曲線(xiàn)的翻轉(zhuǎn)鏡面圖形。
30.如權(quán)利要求23所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述第一曲線(xiàn)實(shí)質(zhì)上位于第一和第四象限內(nèi)，而所述第二曲線(xiàn)實(shí)質(zhì)上位于第二和第三象限內(nèi)。
31.如權(quán)利要求23所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，對(duì)于所述永久分相式電容電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特征是，負(fù)載線(xiàn)在第一象限內(nèi)與所述第一曲線(xiàn)相交，且對(duì)所述第一象限的所有速度值，對(duì)所述負(fù)載線(xiàn)的所有點(diǎn)的值減去所述第二曲線(xiàn)的值始終大于零。
32.如權(quán)利要求23所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行繞組和輔助繞組，且所述運(yùn)行繞組與所述輔助繞助的匝數(shù)比大約為1.0。
33.如權(quán)利要求23所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)有一低慣量的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有預(yù)定的較小直徑和一預(yù)定的長(zhǎng)度。
34.一種具有與定子有合作關(guān)系的轉(zhuǎn)子的永久分相式電容電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)按對(duì)于第一旋轉(zhuǎn)方向的速度轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)T1和對(duì)于第二旋轉(zhuǎn)方向的速度轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)T2運(yùn)行，致使對(duì)所述電動(dòng)機(jī)的所有角速度的負(fù)值而言，T2位于第二象限內(nèi)。
35.如權(quán)利要求34所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，T2基本上是T1的翻轉(zhuǎn)境面圖形。
36.如權(quán)利要求34所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述定子比約為0.43。
37.如權(quán)利要求34所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述的電動(dòng)機(jī)具有主繞組開(kāi)路電抗1.25至1.75倍范圍的容抗。
38.如權(quán)利要求34所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述的運(yùn)行和輔助繞組的匝數(shù)比約為1.04。
全文摘要
一種永久分相式電容電動(dòng)機(jī)和用于自動(dòng)洗衣機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于旋轉(zhuǎn)在自動(dòng)洗衣機(jī)內(nèi)攪拌器的電動(dòng)機(jī)。一個(gè)控制電路以第一和第二方向操作該電動(dòng)機(jī)。所述電動(dòng)機(jī)具有一個(gè)匝數(shù)比約為1.0的兩個(gè)定子繞組和一個(gè)低慣量的轉(zhuǎn)子。定子內(nèi)、外徑比最好為0.43。
文檔編號(hào)D06F37/30GK1048289SQ90103108
公開(kāi)日1991年1月2日 申請(qǐng)日期1990年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1989年6月20日
發(fā)明者阿恩·M·尼斯圖恩, 愛(ài)德華·H·蓋茨, 杰弗里·L·伯克 申請(qǐng)人:旋渦公司