挑戰(zhàn)杯創(chuàng)青春大賽作品 超薄無軸逆變交電風扇

1、超薄無軸逆變交電風扇摘要：超薄無軸逆變交電風扇電機定子繞組采用三波起動的“72槽6 極三星3Yz/,聯(lián)結(jié)”的設(shè)計方法，轉(zhuǎn)子繞組采用“起動、勵磁和阻 尼三合一”的6極隱極式結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)風扇的結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡單、 本錢低、軟起動、可靠性高。電扇外觀為“天圓地方”圓形的扇 框、正方形的底座，“方”代表原那么性；“圓”代表靈活性。它表達了 華夏民族的傳統(tǒng)思想，因此具有了美感，具有了生命力功能美學。 關(guān)鍵詞：超薄、無軸、逆變交流電、功能美學、天圓地方一、電風扇的消費市場分析目前礦物質(zhì)能源日漸緊缺，替代能源尚未充分開發(fā)，導致政府引 導消費者尋求高效、節(jié)能的家用電器；而2003年的“非典”疫病又使 人們對

2、室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)注度提升至前所未有的新高度。從健康環(huán)保、 節(jié)能角度，消費者開始重新關(guān)注空氣調(diào)節(jié)電器電扇?！跋﹃柈a(chǎn)業(yè)” 再顯活力，重新獲得消費市場青睞。美的風扇去年全球銷量到達2200 萬臺，同比增長14.6%,而銷售總額到達20億元，同比增長24.2%, 銷售額的增長甚至超過銷售量的增長，而新產(chǎn)品占整體銷售額的30% 以上，年開發(fā)新品超過100多款。但在我國電扇行業(yè)卻十幾年里一直沿用單相異步電動機驅(qū)動扇 葉，雖結(jié)構(gòu)簡單但電功效率低（不超過40%）,且國內(nèi)外消費市場中民 用電風扇的研究方向大多是如何減少鐵芯及銅線用量，進一步降低金 屬材料本錢，電動機的繞線結(jié)構(gòu)十幾年中基本沒有變化；少數(shù)機構(gòu)研 發(fā)

3、方向是選取復(fù)古電扇外形，作為室內(nèi)藝術(shù)裝飾品（無調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣 流動、溫度、濕度功能）。另外電扇基本組合方式（電機+扇葉）近百 年中未有改變，已成為工業(yè)創(chuàng)新設(shè)計的障礙。伴隨消費者消費心理的日趨成熟，出現(xiàn)了健康化、智能化、節(jié)能化的 新需求，所以需創(chuàng)新性選擇高效電機結(jié)構(gòu)（或以其他方式），提高機 電效率，節(jié)約能源，迎合消費者的時尚審美消費觀念。轉(zhuǎn)速的目的。（5）第五步：三星順序起動的問題當按下啟動按鈕sb時，接觸器KM雙得電，所以雙星開始起 動，同時接觸器的輔助觸點KM雙也得電，使時間繼電器可以 開始工作，定時幾秒。幾秒時間一到，連接在另一單星繼電器 控制電路中的動合延時閉合開關(guān)KT閉合，使接觸器KM單

4、得 電，主觸點KM單合上，三星同時工作。4.其它說明.設(shè)計電路中的光電耦合驅(qū)動局部的構(gòu)成為發(fā)光二極管和光 敏二極管，宜采用成套的光耦合器件，可靠性比擬高。.具體元器件型號的選擇還未考慮完全。.此電路根據(jù)本產(chǎn)品需要所設(shè)計，實驗險證是可以實現(xiàn)家用 電單相交流變?yōu)槿嘟涣鞯?。（二）整體外觀設(shè)計功能美學周易中說：“圓而神，方以智?！惫糯税烟炜醋鍪菆A的， 把地看做是方的，即“天圓而地方“，天為陽，地為陰。而且“方 圓”還是一個哲學符號，“外圓”沒有接口，無始無終，代表時 空的無限性，代表不可預(yù)測或不可認識，所以稱“神“內(nèi)方” 有四邊，每邊有始有終，代表事物的過程，人們的智慧可以到達， 所以稱“智“方”

5、是本質(zhì)，“圓”是文采。從人文角度來看，電扇外觀設(shè)計正暗涵此意“天圓地方” 圓形的扇框、正方形的底座，“方”代表原那么性；“圓”代表 靈活性。原那么性和靈活性的和諧統(tǒng)一。它表達了華夏民族的傳統(tǒng) 思想標志著本作品的內(nèi)在價值，可以引發(fā)消費者對（研發(fā)后投入 市場的）產(chǎn)品的肯定與平安感。從工業(yè)設(shè)計的角度來看，靈巧地將驅(qū)動機構(gòu)（電機繞組）與 執(zhí)行機構(gòu)（扇葉）組合成輕薄的圓環(huán)，固定在正方形的底座上， 讓消費者在第一次接觸到產(chǎn)品時會感受到產(chǎn)品的整體分量及平衡 感，在現(xiàn)代科技的內(nèi)涵中表達自然、復(fù)古的設(shè)計語言。如再配合 （善變而具有獨特美感的）塑膠材料作不斷推陳出新的外型設(shè)計， 必將為室內(nèi)環(huán)境增添時尚色彩。產(chǎn)品因

6、此具有了美感，具有了生命力實現(xiàn)了功能美學。三、總結(jié)此設(shè)計尚在實驗中，數(shù)據(jù)需進行優(yōu)化，還需要不斷的改進。此外 本設(shè)計的優(yōu)點也十分突出，主要有以下幾點：（一）設(shè)計由來：從節(jié)能出發(fā)，面對日益嚴重的能源危機，節(jié)能是我 們每一個人應(yīng)該做的。（二）電機結(jié)構(gòu)：此電機定子繞組采用三波起動的“72槽6極三星 3丫2/“聯(lián)結(jié)”的設(shè)計方法，轉(zhuǎn)子繞組采用“起動、勵磁和阻尼三合一” 的6極隱極式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡單、本錢低、軟起動、可靠性高。（三）功能美學：電扇外觀為“天圓地方”圓形的扇框、正方形 的底座“方”代表原那么性；“圓”代表靈活性。它表達了華夏民族 的傳統(tǒng)思想，因此具有了美感，具有了生命力。（四）市場方面：電扇采用

7、的均是輕型高質(zhì)材料，依目前市場來看， 材料的本錢比擬低，適合群眾消費，具有廣闊的市場前景。二、本設(shè)計的電風扇結(jié)構(gòu)楊振寧博士曾預(yù)言：“21世紀將是工業(yè)設(shè)計的世紀，一個不重視工 業(yè)設(shè)計的國家將成為明日的落伍者?！北咀髌穭?chuàng)新性設(shè)計出：超薄無軸 的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，取消了傳統(tǒng)電機的輸出軸，將驅(qū)動機構(gòu)（電機繞組） 與執(zhí)行機構(gòu)（扇葉）組合成一體，輕薄外圓中空的外形，令人耳目一 新（論文后附圖）。它突破了傳統(tǒng)電風扇的結(jié)構(gòu)。電扇外觀為“天圓地方”圓形的扇框、正方形的底座，“方” 代表原那么性；“圓”代表靈活性。它表達了華夏民族的傳統(tǒng)思想，具有 了美感，具有了生命力功能美學。電風扇電機定子繞組采用三波起動的“72槽6

8、極三星3丫2/,聯(lián)結(jié)” 的設(shè)計方法，轉(zhuǎn)子繞組采用“起動、勵磁和阻尼三合一”的6極隱極 式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡單、本錢低、軟起動、可靠性高。電扇結(jié)構(gòu)由扇體（A）和底座（B）組成。（論文后附圖）扇體（A）包括：扇體外框、定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、滾針軸承、扇 體內(nèi)框（扇葉插槽）底座（B）包括：月牙形支撐座、底座、控制 電路、供電電路。其中電機繞組機構(gòu)、電路局部及其整體所表達的功能美學是本作 品超越市場同類產(chǎn)品的三大重點。下面依次介紹：（一）電機繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計學分析1996年，采用基波和兩個諧波聯(lián)合起動（三波起動）的諧波起動 電動機誕生了，本作品采用此類電動機繞組結(jié)構(gòu)：定子繞組采用三波 起動的“72槽6極三星3Yz

9、/,聯(lián)結(jié)”的設(shè)計方法，轉(zhuǎn)子繞組采用“起 動、勵磁和阻尼三合一”的6極隱極式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡單、本錢低、軟 起動、可靠性高。.定子繞組的72槽6極三星3丫2/,聯(lián)結(jié)選擇三星聯(lián)結(jié)法，因其所用線圈都是大小相等，匝數(shù)相同的等元 件線圈，對制造工藝特別有利，適合低壓電動機。如下圖，起動時，在U、V、W三點從電網(wǎng)斷開的條件下，把UQ、 VQ、WQ三點投入電網(wǎng)，便開始起動和升速，當轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速附近 時，再把U、V、W三點分別投入UQ、VQ、WQ三點所接入的電網(wǎng)，便完成起動過程。運行時九段繞組的末端以3個為一組分別接于圖中靠近右邊的左、 中、右三個中性點，而構(gòu)成三個星形。A1、B1、C1三段繞組的末 端接于右

10、邊的一個中性點，而構(gòu)成第一個星形。A2、B2、C2三段 繞組的末端接于中間的一個中性點，而構(gòu)成第二個星形。A3、B3、 C3三段繞組的末端接于左邊的一個中性點，而構(gòu)成第三個星形。 這三個星形并聯(lián)于電網(wǎng)而構(gòu)成三星聯(lián)結(jié)。起動時，由于U、V、W從電網(wǎng)斷開，從圖可見，這時A2、A3、 B1、B2、C3、C1六段繞組構(gòu)成一個三角形聯(lián)結(jié)，其三個邊分別由 二段繞組，一為順接，一為反接串聯(lián)構(gòu)成。設(shè)該三角形三個邊為a 、bZ、cA,那么auCks Az- Bz bq= Bi- Ci Cs- As本設(shè)計的定子繞組采用72槽六極繞組結(jié)構(gòu)，按正規(guī)60度相帶繞 組分配三相槽號時，每相有六個等相帶，每個等相帶串聯(lián)4個槽號

11、。 因此，采用三星聯(lián)結(jié)時，每個星形每相串聯(lián)2個等相帶，共8個槽號， 整個繞組用符號3Y2表示。起動時，丟棄一個星形，剩下兩個星形， 變?yōu)槿切芜B接，三角形每相占四個等相帶，因此，用表示。于是， 將整個三星聯(lián)結(jié)寫成3Y2 / A4聯(lián)結(jié)。由理論分析計算得，各段繞組槽號分布如下：A125 26 27 28-13 -14 -15 -16B157 58 59 60-69 -70 -71 -72C141 42 43 44-29 -30 -55 -56A212 3 4-61 -62 -63 -64B233 34 35 36-45 -46 -47 - 48C217 18 19 20-5 -6 -31 -32A

12、349 50 51 52-37 -38 -39 -40B39 10 11 12-21 -22 -23 -24C365 66 67 68-53 -54 -7 -8起動時的磁動勢諧波幅值分析如下:諧波 極數(shù)順轉(zhuǎn)波F+ %反轉(zhuǎn)波F - %2020. 58499. 270610008001018. 25012001401.832004. 09222. 6202606. 06282. 1503001. 78340. 89036（）（）.轉(zhuǎn)子繞組的“起動、勵磁和阻尼三合一” 6極隱極式結(jié)構(gòu)六極隱極式電機的定子繞組采用基波為6極，主諧波為四極的三 波起動繞組，因此定子繞組產(chǎn)生的起動諧波為4極。轉(zhuǎn)子采用36槽

13、的起動.勵磁.阻尼三合一轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子由36個線圈 構(gòu)成，分成六段，每段串聯(lián)6個線圈。如下列圖所示，6段繞組所串聯(lián) 線圈的槽號分配如下：A1=-10,2,3,-31,-32,-33A2=-28, 20,21,-13,-14,-15B1=7, 8, -36, -1,29, 30B2=25, 26,-18,-19,11,12C1=-22,-23, -24,16,17, -9C2=-4, -5, -6, 34, 35, -27為獲得較好的勵磁效應(yīng)，取轉(zhuǎn)子線圈節(jié)距y2=5較為合適。.起動情況分析由電機學相關(guān)理論分析，定子產(chǎn)生的4極起動諧波感應(yīng)于轉(zhuǎn)子上6 段繞組的電動勢情況是：A1,B1,C1的感應(yīng)電動

14、勢，分別于A2, B2, C2 的同相位同大小，并且EAi, E B , EC,和EAz, E B2, E C 2分別構(gòu)成對稱得三相電動勢，可以順利起動。.勵磁情況分析當電機正常運行直流勵磁電流從集電環(huán)的正極進入轉(zhuǎn)子，通過A, B, C三條并聯(lián)支路從集電環(huán)負極流出，此時，從三條支路電流經(jīng)過轉(zhuǎn)子 6段繞組的情況，可列出用槽號表示線圈磁動勢的三支路由直流勵磁 電流產(chǎn)生的磁動勢為：A = A1A2=- 10, 2 , 3 , 3 1, 32, 33,2 8, -2 0, -2 1, 1 3, 1 4, 1 5B = B1-B2 = 7, 8, -3 6, - 1 , 2 9, 3 0,25,26,

15、1 8, 19, 1 1 , 1 2C = C 1 -C 2=-2 2, -2 3, -2 4, 1 6, 1 7, -94, 5, 6, -3 4, -3 5, 2 7此轉(zhuǎn)子上直流勵磁電流沿圓周的分布情況如下:1:+2+3+4+5+6+7 + ；， J8:+ ：9101112131415161718192021222324：+；+ ；:+ ：-+1 . J1 . . J-2526272829303132333435361 - 1 - 十+1 - ,-1 一 ,! ! :+ :1 J+! + :-:1. J這時沿轉(zhuǎn)子圓周6個磁極的構(gòu)成情況如下：00, N （5槽），00, S （4槽），0,

16、N （4槽），00, S （5 槽），0 0, N （4槽），0, S （4槽），可見占5槽的磁極N, S各 一個，占4槽的各兩個，因此N極S極所占槽數(shù)相等，磁動勢平衡， 每極槽數(shù)有5槽和4槽兩種，相差一槽，因此該方案可以應(yīng)用。.阻尼情況分析當電機發(fā)生振蕩時，定子繞組產(chǎn)生的6極基波磁場將在轉(zhuǎn)子上三 條并聯(lián)支路中感應(yīng)出大小相同，但在時間相位上依次位移6 0度的三 個電動勢。于是由于轉(zhuǎn)子電路經(jīng)集電環(huán)正負極于勵磁直流電機構(gòu)成閉 合回路，產(chǎn)生一個以正序位漢族的不對稱三相電流，使電機產(chǎn)生一個 異步轉(zhuǎn)矩來阻尼電機的振蕩。（二）電路局部設(shè)計.設(shè)計目標（1）本產(chǎn)品（新型超薄風扇）的電機局部定子繞組需三相供電，

17、而這 種風扇一般用于家庭，家庭用電都是單相供電，所以就涉及到如 何把家用電的單相轉(zhuǎn)本錢設(shè)計所需要的三相供電。（2）本產(chǎn)品的電機局部起動時先雙星起動，一段時間后再雙星加單星 共同運轉(zhuǎn)，所以就涉及到如何通過電路實現(xiàn)對三星運轉(zhuǎn)時間上的 控制。（3）本產(chǎn)品的風力大小必然要求是可調(diào)的，所以又涉及到如何通過電 路實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。.設(shè)計方案的選擇(1)把單相變?nèi)嗍紫瓤紤]的是變頻器的方案，功能可以實現(xiàn)，但造價本錢過高，不 適合應(yīng)用于本產(chǎn)品。第二種方案是從家用電的單相供電引出并聯(lián)的 三根導線，通過接入電阻.電容.電感的適當搭配，可以使三相之間 產(chǎn)生120度的相位差(基于電感元件電壓比電流超前90度，電容

18、 元件電流比電壓超前90度)，再給電機供電，同樣可以實現(xiàn)功能， 但鑒于電阻元件的功耗比擬大，與本設(shè)計節(jié)能的目的相違背，故也 不采納。第三種方案是逆變交，簡單地說就是先把家電交流電邊成 直流電，再把直流電變成交流電，不過前后的交流電不一樣，輸入 的是單相，輸出的是三相。此種方案可以實現(xiàn)需要到達的功能，并 且還具有方便調(diào)速，節(jié)能的效果。所以最終采取這種最正確方案。單星和雙星運轉(zhuǎn)時間上的控制可以直接選用繼電器方案實現(xiàn)此功能。起動時，先是雙星接通電源， 單星斷開電源，電機開始起動和升速，當轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速附近時， 另一單星也接通電源，三星共同得電，使電機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。這中間雙 星和單星接通電源所間隔的時間

19、可通過時間繼電器的設(shè)置來實現(xiàn)。風力大小的調(diào)節(jié)(電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié))由 n1=60*f1/p 及n= (1-s) *n1式中n1為電機的同步轉(zhuǎn)速，為定子繞組的供電頻率，p為磁極 對數(shù)，n為電機的轉(zhuǎn)速，s為轉(zhuǎn)差率得假設(shè)改變千1,那么可使電機的同步轉(zhuǎn)速n1及轉(zhuǎn)速n都改變。所以問題 變?yōu)楦淖兌ㄗ永@組的供電頻率f1.此問題與單相變?nèi)嗟膯栴}相 聯(lián)系，在下面具體說明。.具體方案設(shè)計(1)第一步：實現(xiàn)單相交流電變直流電，直接通過變壓器實現(xiàn)。(2)第二步：直流變?nèi)?，采?20度導電角控制逆變器。如設(shè)計圖 紙中的v1v6位大功率晶體管，Vd1Vd6為續(xù)流二極管。如圖，假設(shè) 每一相上橋臂晶體管與小橋臂晶體管各導通120度，上下橋臂晶 體管導通狀態(tài)相互間隔60度，而各相之間相位差120度時，晶體管開關(guān)v1 v6的通斷狀態(tài)如下圖:根據(jù)晶體管v1v6的通斷順序，120度導通型逆變器的輸出電壓波 形如上圖(b) (c)所示。其相電壓為矩形波，幅值E/2,線電壓的 一個周期波形為6級階梯波，幅值為E。至此，實現(xiàn)了直流電變?yōu)槿?A,B,C)交流電。(3)第三步：如何實現(xiàn)v1v6如上的導通順序和導通時間。根據(jù) 120度導通型逆變器工作的要求，將一周