洗衣机 【技术领域】
本发明，涉及具有用无刷电动机直接对搅拌体和旋转桶进行旋转驱动的结构的洗衣机。
背景技术
以往，作为在各家庭中将附着于衣类的污垢进行洗掉的装置使用全自动洗衣机。该全自动洗衣机，具有在同一个桶内全自动地进行“洗涤”、“漂洗”、“脱水”的一连串的工序地机构。
在该全自动洗衣机中，在“洗涤”和“漂洗”工序中，搅拌体被正反地旋转驱动，在“脱水”工序中，搅拌体与作为洗涤桶兼脱水桶的旋转桶向同一方向高速地进行旋转驱动。从应对这样2种驱动方法的必要性来看，最近的全自动洗衣机不设置减速机，而较多地采用仅通过离合器机构直接将在电动机的转子上产生的旋转转矩传递至搅拌体及旋转桶的直接驱动方式。在该直接驱动方式中，由于在电动机与搅拌体、电动机与旋转桶之间不存在减速机构，故对电动机要求在“洗涤”工序中、具有对搅拌体与电动机的转子以低速、大转矩进行驱动的性能。另外，在“脱水”工序中，也对电动机要求具有比具有减速机构的驱动方式的场合更能发生低速、大转矩的性能。对于旋转速度，在“洗涤”、“漂洗”、“脱水”的各工序中分别要求不同的旋转速度。
为了满足在这样的直接驱动方式的洗衣机的电动机中所要求的低速、大转矩、可变速的条件，而在最近采用大型的直流无刷电动机，较多地采用通过利用对其发生转矩进行矢量控制方式等的变换器控制来进行控制的方式。
但是，在采用以往那样的直接驱动方式的洗衣机中的“洗涤”工序中，未充分考虑洗衣机各机构的振动特性，仅对电动机的最大转速和旋转时间根据衣类进行控制的情况较多。因此，电动机中发生的转矩不能高效地传递至电动机的转子、搅拌体、洗涤水及衣类等的旋转部分，不能有效地应用向电动机所输入的电能的例子较多。另外，即使在希望振动小的静音的动作的场合，例如，产生盛水桶发生共振而发生噪音等的噪音方面的问题的例子也多。
【发明内容】
本发明是鉴于这样的情况而作出的，其目的在于，提供下述的一种洗衣机：在希望高效地进行洗涤动作的场合，能进行将电动机发生的转矩高效地传递至洗涤水及衣类的运转，另一方面，在夜间等希望振动小的静音的洗涤动作的场合，能低振动、低噪音地进行运转。
本发明的洗衣机，具有：弹性地吊持在外箱上的盛水桶；配设在该盛水桶内的旋转桶；设置在该旋转桶内的搅拌体；配设在所述盛水桶的外底部上、并对所述搅拌体直接地进行旋转驱动的电动机；控制该电动机和洗衣机整体的控制装置，其特征在于，所述控制装置，将洗涤动作时的所述电动机的加速时间和减速时间、或其任一方的时间，控制成所述盛水桶的旋转振动成为最大的状态。由此，在洗涤动作中，能将向电动机输入的电能高效地变换成洗涤水及衣类的机械能。
另外，本发明的洗衣机，其特征在于，所述控制装置，在对洗涤动作之前所投入的衣类的重量进行检测后，利用预先存储了与衣类的重量对应的、与使所述盛水桶的旋转振动成为最大的加速时间的关系的图表读出与所述衣类的重量检测值对应的加速时间，将洗涤动作时的所述电动机的加速时间和减速时间、或其任一方的时间，控制成与该读出时间一致的状态。由此，在洗涤动作中，能将向电动机输入的电能高效地变换成洗涤水及衣类的机械能。
另外，本发明的洗衣机，具有：弹性地吊持在外箱上的盛水桶；配设在该盛水桶内的旋转桶；设置在该旋转桶内的搅拌体；对所述盛水桶的旋转振动进行检测的振动传感器；配设在所述盛水桶的外底部上、并对所述搅拌体直接地进行旋转驱动的电动机；控制该电动机和洗衣机整体的控制装置，其特征在于，所述控制装置，将洗涤动作时的所述电动机的加速时间和减速时间、或其任一方的时间，控制成在洗涤动作时的所述振动传感器的振动检测值成为最大值的状态。由此，在洗涤动作中，能将向电动机输入的电能高效地变换成洗涤水及衣类的机械能。
另外，本发明的洗衣机，具有：弹性地吊持在外箱上的盛水桶；配设在该盛水桶内的旋转桶；设置在该旋转桶内的搅拌体；配设在所述盛水桶的外底部上、并对所述搅拌体直接地进行旋转驱动的电动机；控制该电动机和洗衣机整体的控制装置，其特征在于，所述控制装置，将洗涤动作时的所述电动机的加速时间和减速时间、或其任一方的时间，控制成所述盛水桶的旋转振动成为最小的状态。由此，在洗涤动作中，能实现发生振动小的静音的运转。
另外，本发明的洗衣机，其特征在于，所述控制装置，在对洗涤动作之前所投入的衣类的重量进行检测后，利用预先存储了与衣类的重量对应的、与使所述盛水桶的旋转振动成为最小的加速时间的关系的图表读出与所述衣类的重量检测值对应的加速时间，将洗涤动作时的所述电动机的加速时间和减速时间、或其任一方的时间，控制成与该读出时间一致的状态。由此，在洗涤动作中，能实现发生振动小的静音的运转。
另外，本发明的洗衣机，具有：弹性地吊持在外箱上的盛水桶；配设在该盛水桶内的旋转桶；设置在该旋转桶内的搅拌体；对所述盛水桶的旋转振动进行检测的振动传感器；配设在所述盛水桶的外底部上、并对所述搅拌体直接地进行旋转驱动的电动机；控制所述电动机和洗衣机整体的控制装置，其特征在于，所述控制装置，将洗涤动作时的所述电动机的加速时间和减速时间、或其任一方的时间，控制成在洗涤动作时的所述振动传感器的振动检测值成为最小值的状态。由此，在洗涤动作中，能实现发生振动小的静音的运转。
附图的简单说明
图1是本发明的洗衣机的纵剖视图。
图2是能应用于本发明中的不使用振动传感器的方法的电路的结构例。
图3是表示本发明的洗涤动作时的电动机旋转速度的时间变化的图。
图4是表示为了分析旋转振动而简化后的洗衣机模式图。
图5是表示用于建立旋转振动的运动方程式的振动系统的模式图。
图6是表示将洗衣机分成3个部分后的旋转振动的运动方程式的图。
图7是表示盛水桶的旋转振动的振幅的频率特性的例子的图。
图8是表示在洗涤动作时电动机发生的转矩的波形的图。
图9是表示与在加速时的转矩波形中所包含的频率成分对应的振幅的大小的图。
图10是本发明中的将振动传感器安装在盛水桶上的方式的洗衣机的纵剖视图。
图11是本发明中的将振动传感器安装在盛水桶上的方式的电路结构的图。
图12是表示选择“强劲洗涤模式”时的、与投入衣类重量对应的最佳加速时间t1的例子的图表。
图13是表示选择“静音洗涤模式”时的、与投入衣类重量对应的最佳加速时间t1的例子的图表。
【具体实施方式】
参照附图对本发明进行详细的说明。
图1是表示具有作为本发明的洗涤桶兼脱水桶的旋转桶、并利用反转控制的无刷电动机进行直接驱动的洗衣机的整体结构的纵剖视图。图1中的洗衣机本体1，大致分成由矩形箱状的外箱2和设在其上方的顶盖3构成。在外箱2的内部，利用弹性吊持机构5对作为接受被脱水的水的外桶的盛水桶4进行弹性支承。在该盛水桶4的内部，可旋转地配设有兼作洗涤桶和脱水桶用的旋转桶6。在旋转桶6的周壁部上，形成有许多脱水孔6a，在脱水时从衣类脱出的水通过脱水孔6a向盛水桶4内放出。另外，在旋转桶6的上端部，设有使脱水时的旋转桶6的旋转取得平衡用的平衡环7。并在旋转桶6的内底部，可旋转地配设有搅拌体8。
在盛水桶4的外底部，配设有驱动机构部9。该驱动机构部9，利用外转子型无刷结构的电动机10和离合器机构(未图示)来构成。电动机10的定子10a，通过驱动机构部基座9a被固定在盛水桶4上，转子10b与搅拌体8直接连接。在“洗涤”和“漂洗”的工序时，利用电动机10仅使搅拌体8向正反方向旋转驱动。在“脱水”工序时，旋转桶6利用离合器与转子10b进行连接、与搅拌体8成为一体地向1个方向进行高速旋转驱动。
另外，在盛水桶4的底部，形成有排水口11。在该排水口11上安装着排水阀12，在其出口处连接有排水软管13。在排水口12上，还设有空气收集器14。空气收集器14的压力，通过气管15被引导至水位传感器16(示于图2)。水位传感器16，是用于对盛水桶4内的水位进行检测的构件，并被安装在顶盖3的内侧。
另外，在顶盖3上，在上面设有盖17、在前部上面设有操作面板18，并在内面安装着控制装置19。另外，在顶盖3的后部内面，还安装着对向旋转桶6内的供水进行控制的供水阀22(示于图2)。
接着，参照图2对上述洗衣机的电气的结构进行说明。担负控制的核心是用微机构成的控制装置19。在其存储器中，存储有用于控制洗衣机整体的动作所需的控制程序。另外，该控制装置19，还起到为了对电动机10进行反转控制而进行所需的控制运算的控制装置的作用。用于控制电动机10发生的转矩或旋转速度的控制运算结果，被输送至使用PWM发生电路及PWM反转电路所构成的电动机驱动电路23中，用该PWM反转电路输出来驱动电动机10。对于电动机10，使用无刷电动机，其转子10b的旋转位置，用霍尔IC10c进行检测。用霍尔IC10c检测到的脉冲信号，输入控制装置19和电动机驱动电路23。另外，取代使用霍尔IC10c对转子10b的旋转位置进行检测的方式，最好是利用所谓的无传感器的矢量控制方式在对电动机10的转子19b的旋转位置进行检测的同时对电动机10进行控制的方式，最近，采用该无传感器矢量控制方式的洗衣机正成为主流。
在控制装置19中，还输入来自安装在操作面板18上的开关组20的ON/OFF信号、来自水位传感器16的水位检测信号、来自霍尔IC10c的转子10b的旋转位置信号脉冲。另外，作为输出信号，除了向所述电动机驱动电路23输出控制信号以外，还将开闭排水阀12和供水阀22的信号向阀驱动电路21输出、将显示信号向安装在操作面板24上的显示器组24输出。
接着，对在上述那样的电气、机械的结构下的“洗涤”工序中的控制动作进行说明。另外，在未盛满水的空的旋转桶6内投入洗涤对象的衣类、并将盖17关闭后，当按压开关组20中的洗涤开始开关时、“洗涤”工序开始。
在洗衣机1为全自动洗衣机的场合，通常，首先对衣类的重量进行检测。控制装置19将规定的速度指令信号向电动机驱动电路23输出，在旋转桶6和搅拌体8的转速上升至规定值后，停止向电动机10的供电等，使电动机10的驱动转矩成为零的状态，即、成为自由运转的状态。于是，电动机10因机械的摩擦及空气阻力而开始减速、趋向停止，其减速比率受到投入的衣类的重量的影响。因此，从根据安装在电动机10上的霍尔IC10c对该减速比率进行检测后的旋转位置脉冲的频率变化、或利用无传感器矢量控制的转子旋转位置检测结果的转子10b的旋转速度变化，通过规定的计算算出衣类的重量。
一旦衣类的重量检测结束，将“开”信号输送至供水阀22，开始进行供水。供水量，通常，以与衣类的重量对应所决定的一定量向兼作洗涤桶的旋转桶6进行供水。
当供水结束后，终于转移至洗涤动作。在洗涤动作中，旋转桶6在作为静止部分的驱动机构部基座9a上、因离合器的动作而被固定成不旋转。而且，与转子10b直接连接的搅拌体8被电动机10正反旋转驱动，由此，旋转桶6内的洗涤水和衣类通过进行正反旋转动作而进行洗涤动作。
在该洗涤动作中的搅拌体8的旋转动作，根据图3所示的速度曲线来进行。也就是说，在进行正转动作的场合，从电动机10将一定的转矩仅在加速时间t1之间施加于转子10b上。由此，转子10b和搅拌体8，以大致一定的加速度使速度上升而达到规定的转速N。当达到规定转速N后，对电动机发生转矩进行调整使其转速保持原状。
为了缩短“洗涤”工序所需时间，通常，将加速时间t1设定成非常短的时间。在该短的加速时间t1内，为了使转子10b和搅拌体8的转速上升至规定转速N，需要使电动机10发生非常大的转矩。另一方面，为了使转速保持于规定值N所需的转矩，如果与在加速时间t1中所需的转矩相比，是非常小的值。另外，保持于规定转速N的时间，与加速时间t1相比是非常长的时间。搅拌体8通过这样地进行旋转驱动，对旋转桶6内的洗涤水和衣类产生复杂的旋转运动，由此，可将衣类的污垢洗掉。
在搅拌体8的旋转以规定转速N持续进行规定时间后，向减速阶段移动、不久移至停止。该减速时间，与加速时间t1相同地对发生转矩进行控制。在该减速阶段中的电动机10的发生转矩，与加速阶段的转矩是大小相同、而极性相反的波形。
搅拌体8在仅以规定时间保持停止状态后，再向反转动作转移。反转动作，被控制成仅与所述的正转动作的速度曲线的旋转方向相反的相同速度的曲线。
接着，对在进行这样的加速、减速的阶段中的洗衣机各部分的振动进行分析研究。为了简化振动分析计算，考虑将洗衣机构成为图4所示的3个部分分开的结构构件。第1部分是静止部分，该部分由盛水桶4、旋转桶6、电动机的定子10a构成。第2部分是利用电动机10直接旋转驱动的部分，由电动机10的转子10b和搅拌体8构成。第3部分是被搅拌体8的旋转驱动的部分，洗涤水和衣类与此相当。电动机10发生的转矩，作用于所述第1部分与第2部分之间。
现在，作为为了用运动方程式表示上述的3个部分的旋转振动系统的运动的准备，当用图表示上述3个部分的旋转振动系统模式时就成为图5所示的状态。而且，其振动系统的运动方程式如图6所示。在这些图5、图6中，m1是所述第1部分，即，盛水桶4、旋转桶6、定子10a的合计惯性转矩；m2是所述第2部分，即，转子10b和搅拌体8的合计惯性转矩；m3是所述第3部分，即，衣类和洗涤水的合计惯性转矩。k1、k2是弹簧常数，c1～c4是衰减常数，x1～x3是所述第1、第2、第3部分的旋转角，T是电动机发生的转矩。作为电动机发生转矩T，考虑以频率f进行变化的正弦波转矩，将图6所示的运动方程式对x1进行求解，如将其旋转角x1的大小(振幅)的频率特性描绘成图时就成为图7所示的状态。横轴为频率f，纵轴为将该频率的旋转角的振幅相对于基准振幅的比率以dB刻度进行表示。如图所示，旋转角x1，在频率f1、f3具有共振频率，在f2具有反共振频率。作为所述纵轴刻度的基准振幅，采取最低次的共振频率f1时的振幅。
另一方面，由于用图3所示的速度曲线对搅拌体8进行驱动，故当仅对正转部分进行表示时、电动机10发生的转矩波形成为大致图8的状态。横轴是时间，纵轴是发生转矩。通常，电动机10保持一定旋转速度N的时间，比加速、减速时间t1足够长，且以一定旋转速度N进行旋转时的所需转矩，与加速、减速时的转矩相比足够小。因此，当考虑将图8所示的波形的转矩作为图6的式中的驱动转矩T进行施加的场合，在加速时间t1中产生的各部分的较大的振动，可考虑成在以一定旋转速度N的旋转途中衰减而变小。以一定旋转速度N旋转时的状态，是施加直流的一定的转矩T的状态。本发明在于提供：如背景技术章节的结束部分中所述的那样，在希望高效地进行洗涤动作的场合，能进行将电动机10发生的转矩高效地向搅拌体及洗涤水、衣类进行传递的运转，另一方面，在夜间等、希望振动小的静音的动作的场合，能低振动、低噪音运转的洗衣机。因此，保持一定的旋转速度N且较长时间地旋转时的状态，与该转矩传递效率及噪音发生的情况是否良好不大有关系。对本发明的目的最有影响的可认为是，在于加速时及减速时的振动系统的动作。由此，只要将施加图8所示的加速时的转矩时的振动系统的动作作为问题来解析即可。(减速时，仅旋转方向成为相反，是相同的动作。)
为了对该动作进行研究，考虑图8所示的转矩波形、即将振幅一定、持续时间t1的转矩波形，仅1个单独进行施加的情况。为了调查在这样的单一脉冲中所包含的转矩成分的频率特性，将该单一波形进行傅里叶变换而描绘成曲线时就成为图9所示的状态。横轴是在单一脉冲中所包含的频率成分，纵轴是与该频率对应的转矩的大小(振幅)相对于频率为零时的值的相对值用dB刻度进行表示。如图9所示，在转矩的频率成分中，存在成为极小的频率。当将成为极小的频率的低的一方的2个频率设为f4、f5时，在这些值与图3或图8中的加速(或减速)时间t1之间，已知有以下的关系。
f4＝1/t1
f5＝2/t1
根据发明者们的调查，已判明：将加速时间t1控制成、使图9中的转矩成分成为极小的频率f4与图7中的反共振频率f2一致的状态时，向电动机10输入的电能可高效地变换成洗涤水和衣类的动能。另外，还判明：在控制成使f4与反共振频率f2一致的状态时，盛水桶4的旋转方向振动作为整体变大。可认为这是由于发生转矩的成分成为极小的频率f4与图7的反共振频率f2、即与难以振动的频率f2一致，故利用f4以外的频率产生的转矩成分，使振动系统产生较大的振动，电动机10发生的转矩高效地变换成机械能、尤其成为洗涤水和衣类的机械能的缘故。
另一方面，已判明：在希望洗衣机振动小且静音地运转的场合，当将加速时间t1控制成，图9的发生转矩成分成为极小的频率f4与图7的最低次的共振频率f1一致的状态时，即使电动机10发生的转矩较大，也能进行静音的运转。可认为这是由于与共振产生的频率f2对应的驱动转矩成分(频率f4的转矩成分)为极小值而难以产生共振的缘故。
这样，判明了通过对加速和减速时间t1进行控制来达到以下目的：在重视能量变换效率的场合使频率f4与反共振频率f2一致、在希望振动小且进行静音的运转的场合使频率f4与最低次的共振频率f1一致。
接着，对应使频率f4(＝1/t1)与共振频率f1或反共振频率f2一致、而对加速时间和减速时间t1进行控制的方法进行说明。该加速时间、减速时间t1的变更，只要将从控制装置19向电动机驱动电路23所赋予的转矩指令值的波形中的一定转矩发生时间t1作为目标值进行输出就可以。但是，这里的问题是，如何找到能使频率f4与f1或f2一致的加速时间t1。作为其方法，发明者们提出以下的2种方法。
其第1种方法，如图10和图11所示，是将对其旋转方向的振动进行检测的振动传感器25安装在盛水桶4中。在盛水桶4的振动中，包含有许多频率成分的振动。因此，为了判定振动的大小，例如，对加速时间t1中的振动波形的电压信号进行整流而变换成直流电压，用其大小可以对振动的大小进行判定。在这样的结构中，在洗涤动作的初期，使加速时间t1、例如在0.2～1.0秒之间、例如以0.1秒间隔进行改变，对这时的振动的大小进行测定。而且，在进行使能量的传递效率优先的洗涤动作的场合，将加速时间t1决定成测定后的振动成为最大的状态。相反，在进行振动小的静音的洗涤动作的场合，将加速时间t1决定成测定后的振动成为最小的状态。如果这样，就能进行与各个目的相一致的洗涤动作。
其第2种方法，根据投入的衣类重量、供水的水量，预先分别求出成为传递效率最大和振动最小的加速时间t1，预先将其对应表存储在控制装置19内的存储器中。并且，是对衣类重量进行测定并从其对应表读出与其值对应的加速时间、减速时间t1而用于控制的方法。
如前面还说明的那样，在全自动洗衣机中，在“洗涤”工序的开始时，对投入的衣类的重量进行计测。供水的水量，按测量到的衣类的重量，以及利用开关组20所选择的洗涤模式、例如“强劲洗涤模式”、“静音洗涤模式”等的组合每次地预先决定，可据此进行供水。也就是说，如果决定了衣类的重量和洗涤模式，就能使控制装置19掌握衣类的重量与洗涤水量的合计重量。因此，根据该合计重量，就能对能量效率成为最大的加速时间t1和振动、噪音成为最低的加速时间t1预先进行计算、或通过实验来掌握而作成对应表，并通过预先存储在存储器中而能进行与目的一致的洗涤动作。图12和图13是这样的对应表的例子，图12是表示选择“强劲洗涤模式”(高效的洗涤方法)时的、与衣类重量对应的最适当的加速、减速时间t1与该场合的反共振频率f2的关系的图表的例子。另外，图13是表示选择“静音洗涤模式”(振动小的洗涤方法)时的、与衣类重量对应的最适当的加速、减速时间t1与该场合的最低次的共振频率f1的关系的图表的例子。
在以上的说明中，对将加速时间与减速时间作成相同的时间作了说明，这是由于如果这样做就能获得与目的最一致的结果的缘故。如果可以对作为目的的效果多少作出牺牲，也可以用前述的方法只对加速时间或减速时间的任何一方进行控制，而另一方的时间可以作成与其不同的时间来进行运转。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的洗衣机，适用于对于想实现将电能最高效地变换成洗涤水和衣类的机械能的洗涤动作的场合进行与其目的一致的洗涤动作。另外，适用于在希望振动小的静音的洗涤动作的场合进行与其目的一致的洗涤动作。